亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        燃料電池鋰電池混合動(dòng)力船舶建模與仿真

        2019-11-13 00:28:10趙福海王錫淮
        船電技術(shù) 2019年10期
        關(guān)鍵詞:船舶模型

        趙福海,王錫淮

        燃料電池鋰電池混合動(dòng)力船舶建模與仿真

        趙福海,王錫淮

        (上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院,上海 201406)

        全電動(dòng)綠色船舶除了使用電力,還越來(lái)越多地采用替代能源,如燃料電池、太陽(yáng)能電池等。本文建立船舶混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng),采用燃料電池和鋰電池并聯(lián)作為混合動(dòng)力。在功率不足時(shí),鋰電池提供額外的功率以滿足負(fù)載需求。為了模型比較貼合實(shí)際,使用真實(shí)數(shù)據(jù)對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)的子部件進(jìn)行建模,生成Simulink模型并進(jìn)行仿真。

        綠色船舶 混合動(dòng)力 燃料電池 Simulink模型

        0 引言

        目前,多數(shù)航運(yùn)船舶采用的是柴油機(jī)作為動(dòng)力源。柴油機(jī)的使用技術(shù)成熟,推進(jìn)功率高,但卻很難滿足污染物排放的標(biāo)準(zhǔn),全球各種反污染公約一直要求著船舶航運(yùn)業(yè)的轉(zhuǎn)變。推出可以真正替代柴油機(jī)的動(dòng)力源刻不容緩。

        隨著替代能源領(lǐng)域研究的深入,全電動(dòng)綠色船舶近年來(lái)發(fā)展迅速,世界各國(guó)都在加強(qiáng)對(duì)綠色船舶的研究,因?yàn)樗峁┝艘粋€(gè)很好的平臺(tái),以使用清潔能源來(lái)替代傳統(tǒng)化石能源,為減少溫室氣體的排放提供了一個(gè)十分有效的途徑[1]。

        燃料電池有著綠色、高環(huán)保、高效率、低噪音、經(jīng)濟(jì)性方面的優(yōu)勢(shì),隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步,其功率水平已經(jīng)可以滿足船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)[2]。但它們的響應(yīng)速度還不足以滿足海上船舶可能發(fā)生的負(fù)載的瞬間變化[3]。因此,需要聯(lián)合高密度的可再充電電池存儲(chǔ)系統(tǒng),以滿足船舶瞬態(tài)控制。

        在此提出由1 MW永磁同步電動(dòng)機(jī)、同步電機(jī)控制系統(tǒng)、三相電壓源逆變器、功率480 kW燃料電池堆和容量144 kWh鋰離子電池組組成的全電動(dòng)船舶簡(jiǎn)化傳動(dòng)系統(tǒng)模型,并在simulink中對(duì)其進(jìn)行建模。其中,永磁同步電機(jī)、燃料電池、鋰離子電池組是根據(jù)真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模。圖1顯示了簡(jiǎn)化的傳動(dòng)系統(tǒng)原理圖。

        1 燃料電池建模

        圖2為燃料電池原理圖。氫氣被送入后,在陽(yáng)極發(fā)生化學(xué)反應(yīng)變成氫離子,生成電子。正離子通過電解液,與陰極的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)作用,產(chǎn)生熱量和水[4]。作為該技術(shù)的優(yōu)勢(shì),可將燃料電池用于動(dòng)力推進(jìn)。

        圖1 簡(jiǎn)化的電動(dòng)船舶傳動(dòng)系統(tǒng)原理圖

        為了建立適合船舶運(yùn)行仿真所需的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型,以120 kW級(jí)的PEMFC為原始模型,PEMFC的參數(shù)見表1。

        表1 燃料電池規(guī)格圖

        燃料電池的輸出電壓為:

        其中,E為開路電壓;V為激活電壓降,是由于在電極表面發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)比較緩慢而引起的,其值與溫度、操作壓力,電極類型和所用催化劑有關(guān);V表示由于燃料電池堆的內(nèi)阻引起的電阻損耗。

        燃料電池輸出電壓由式(2)決定:

        其中,A為塔菲爾斜率;ifc為堆棧電流,單位A;N為電池單元數(shù)量;i0為交換電流,單位A;Kc是電壓常數(shù);Vc為使用燃料時(shí)反應(yīng)物濃度變化引起的電壓傳遞損失,單位V;En是能斯托電壓,單位V;td為堆棧響應(yīng)時(shí)間,單位秒;Rohm為堆棧內(nèi)阻,單位Ω。

        氫氣和空氣的消耗量分別為:

        其中,M2為氫氣相對(duì)分子質(zhì)量;y為空氣中氧氣的比率。

        可通過公式(4)計(jì)算PEMFC輸出功率和效率:

        PEMFC特性曲線如圖3所示。

        2 鋰離子電池建模

        鋰離子電池的應(yīng)用已久,相關(guān)領(lǐng)域的研究已經(jīng)非常深入,使得鋰離子電池技術(shù)已經(jīng)是一個(gè)非常成熟的技術(shù)。將鋰離子電池作為船舶的輔助能源,和燃料電池配合可以滿足瞬態(tài)變化的負(fù)載需求[5]。鋰離子電池有非線性的特點(diǎn),對(duì)于鋰離子電池可以采用多種建模方式,比如電化學(xué)模型、等效電路模型和數(shù)學(xué)模型。其中等效電路模型,又分成內(nèi)阻模型,非線性模型等。在此,采用內(nèi)阻模型建模,由歐姆定律可得:

        其中,為開路電壓,為鋰電池電勢(shì),為鋰電池內(nèi)阻,為鋰離子電池電流。

        為了建立與實(shí)際航行需求符合的模型,使用根據(jù)CalbCAM72真實(shí)數(shù)據(jù)建模的144kWh鋰離子電池。鋰離子電池規(guī)格如表2所示。

        對(duì)鋰離子電池進(jìn)行測(cè)試,鋰電池的放電特性如圖4所示。

        表2 鋰電池規(guī)格

        圖4 鋰電池放電特性曲線

        3 電機(jī)建模

        永磁同步電機(jī)的工作原理與傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)相似,換相是基于永磁轉(zhuǎn)子的位置而不是刷子。與其他電機(jī)類型相比,永磁同步電機(jī)效率高,動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,輸出功率與尺寸比高,轉(zhuǎn)速范圍寬,轉(zhuǎn)矩恒定,維護(hù)要求低,運(yùn)行噪音小,運(yùn)行速度快等優(yōu)點(diǎn)[6]。

        三相永磁同步電機(jī)有多種數(shù)學(xué)模型。自然坐標(biāo)系下,其數(shù)學(xué)模型是一個(gè)復(fù)雜且有著強(qiáng)耦合性的多變量系統(tǒng)[7]。為了易于其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)原數(shù)學(xué)模型降階和解耦,選擇在d-q坐標(biāo)系進(jìn)行建模。

        在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下,即d-q坐標(biāo)系中,定子電壓方程可以表示成:

        其中,uu分別為d-q軸定子電壓分量;是定子的電阻;ψψ分別為定子磁鏈的d-q軸分量;ω是電角速度。

        定子磁鏈方程可以表示成:

        其中,i、i分別是定子電流的軸分量;L、L分別是電感的分量;ψ為永磁體磁鏈。

        結(jié)合式(6)與式(7),可得到定子的電壓方程為:

        此時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩方程可以寫成:

        為了仿真船舶的可靠性,根據(jù)Marelli電機(jī)[8]的MJB0500MB8永磁同步電動(dòng)機(jī)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),建立電機(jī)模型。電機(jī)的規(guī)格如表4所示。

        表4 電機(jī)模型規(guī)格

        4 電機(jī)矢量控制

        矢量控制技術(shù)以坐標(biāo)變換為基礎(chǔ),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)直軸和交軸分量的解耦,而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩的解耦,從而使交流電機(jī)可以產(chǎn)生類似直流電機(jī)的控制性能[9]。

        滯環(huán)電流控制的控制思想,是將電流參考信號(hào)和逆變器真實(shí)輸出的電流信號(hào)進(jìn)行比較,如果實(shí)際值小于給定值,則逆變器的開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化,電流變大;如果大于給定值,就使之減小[10]。這樣,實(shí)際電流在給定電流波形上下,作鋸齒狀波動(dòng),使得偏差保持在可控的范圍內(nèi)??刂破靼ㄒ粋€(gè)轉(zhuǎn)速控制環(huán)和一個(gè)滯環(huán)控制的電流閉環(huán),不僅可以起到加快動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的作用,還同時(shí)可以抑制環(huán)內(nèi)擾動(dòng),對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴性小,并且有著控制簡(jiǎn)單穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。

        采用使用如圖5所示的控制結(jié)構(gòu),給定參考轉(zhuǎn)速,給PI設(shè)置合適的參數(shù),從而可以達(dá)到比較穩(wěn)定的控制。

        圖5 三相PMSM的滯環(huán)電流控制框圖

        5 試驗(yàn)仿真

        在matlab/simulink中搭建仿真模型,4個(gè)120 kW燃料電池以2S2P結(jié)構(gòu)連接與144 kWh鋰電池組并聯(lián)。永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定在1000 rpm,負(fù)載發(fā)生動(dòng)態(tài)變化,反映海洋狀況。圖6所示為電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩曲線。

        直流母線電壓、電池電流和燃料電池電流波形如圖7所示。直流母線電壓跟隨負(fù)載扭矩變化。在負(fù)載增大時(shí),電壓降低,最大直流母線電壓降恰好發(fā)生在最大要求負(fù)載轉(zhuǎn)矩上,需求功率在0.65 MW左右。燃料電池為基礎(chǔ)負(fù)載提供相對(duì)恒定的電流,波動(dòng)范圍在60 A左右。鋰離子電池組在瞬態(tài)負(fù)載情況下供應(yīng)電流,電池的電流波動(dòng)在400 A左右。可以看出,電池組主要是在瞬時(shí)功率大時(shí),提供額外的功率,啟動(dòng)時(shí)電池組電流小于0。當(dāng)功率的需求增大時(shí),逐漸提供功率。= 0.84 s后為負(fù)值,此時(shí)燃料電池電壓高于電池組電壓,為電池組充電。

        圖6 PMSM的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩特性

        圖7 直流母線電壓燃料電池電流鋰電池電流

        圖8 單個(gè)燃料電池堆棧特性

        圖8顯示了單個(gè)燃料電池堆棧的工作特性。從圖中可以看出,空氣流量和燃料流量會(huì)根據(jù)負(fù)載情況動(dòng)態(tài)變化,以提供所需的電力。氫氣和氧氣消耗在峰值負(fù)載扭矩時(shí)最大。

        [1] K. Manickavasagam, N. K. Thotakanama and V. Puttaraj, "Intelligent energy management system for renewable energy driven ship[J], IET Electrical Systems in Transportation, 2019,9(1): 24-44.

        [2] S. V. M. Guaitolini, I. Yahyaoui, J. F. Fardin, L. F. Encarna??o and F. Tadeo, A review of fuel cell and energy cogeneration technologies[C], 2018 9th International Renewable Energy Congress (IREC), Hammamet, 2018: 1-6.

        [3] 李浩, 詹佳, 屠偉. 船舶燃料電池與蓄電池混合系統(tǒng)的輸出性能[J]. 船舶工程, 2018, 40(08): 106-111.

        [4] 楊繼斌, 宋鵬云, 張繼業(yè), 陳彥秋, 王國(guó)梁. 燃料電池混合動(dòng)力列車建模與運(yùn)行控制研究[J]. 鐵道學(xué)報(bào), 2017, 49(09): 40-47.

        [5] A. Tashakori Abkenar, A. Nazari, S. D. G. Jayasinghe, A. Kapoor and M. Negnevitsky, Fuel Cell Power Management Using Genetic Expression Programming in All-Electric Ships[J], IEEE Transactions on Energy Conversion, 2017,42(2): 779-787.

        [6] 吳定會(huì), 楊德亮, 陳錦寶. 基于滑模觀測(cè)器的永磁同步電機(jī)矢量控制[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2018, 40(11): 4256-4267.

        [7] 任志玲, 張鐘保, 侯利民, 張廣全, 林冬, 趙星. 基于IMC觀測(cè)器的永磁同步電機(jī)預(yù)測(cè)控制[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2019, 41(01): 94-101.

        [8] FKI Energy Technology, Data Sheets Three phase Synchronous MarelliGenerators(160-640 Frame Sizes). Nov. 2005. [Online]. Available: http: //www. powertechengines.com/MarelliData/Data

        [9] 張一馳. 基于矢量控制技術(shù)的艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)電機(jī)建模與仿真[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2019, 41(02): 109-111.

        [10] 廖金國(guó), 花為, 程明, 朱發(fā)旺, 王寶安. 一種永磁同步電機(jī)變占空比電流滯環(huán)控制策略[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2015, 45(18): 4762-4770.

        Modeling and Simulation of Hybrid Ship Using Fuel Cell and Lithium Battery

        Zhao Fuhai, Wang Xihuai

        (Logistics Engineering College, Shanghai Maritime University, Shanghai 204406, China)

        U662.3 TP391.1

        A

        1003-4862(2019)10-0033-04

        2019-04-17

        趙福海(1994-),男,碩士研究生。研究方向:電力系統(tǒng)智能算法。E-mail:1137225456@qq.com

        猜你喜歡
        船舶模型
        一半模型
        計(jì)算流體力學(xué)在船舶操縱運(yùn)動(dòng)仿真中的應(yīng)用
        基于改進(jìn)譜分析法的船舶疲勞強(qiáng)度直接計(jì)算
        重要模型『一線三等角』
        重尾非線性自回歸模型自加權(quán)M-估計(jì)的漸近分布
        船舶!請(qǐng)加速
        BOG壓縮機(jī)在小型LNG船舶上的應(yīng)用
        船舶壓載水管理系統(tǒng)
        3D打印中的模型分割與打包
        FLUKA幾何模型到CAD幾何模型轉(zhuǎn)換方法初步研究
        国产在线手机视频| 精品午夜福利在线观看| 自拍偷拍韩国三级视频| 日本护士xxxxhd少妇| 精品人妻无码一区二区三区蜜桃一| 91呻吟丰满娇喘国产区| 丝袜美腿久久亚洲一区| 日本一区二区精品高清| 精品国产一二三产品区别在哪| 在线播放a欧美专区一区| 国产麻豆精品久久一二三| 丰满少妇被猛进去高潮| 亚洲春色在线视频| 中文字幕乱码人妻无码久久麻豆| 伊人久久婷婷综合五月97色| 日韩精品视频免费网站| 亚洲日韩av无码| 日韩内射美女人妻一区二区三区| 在线观看av国产自拍| 熟女少妇av一区二区三区| 日本爽快片100色毛片| 欧美国产日韩a在线视频| 国产欧美日韩综合一区二区三区 | 亚洲av片无码久久五月| 开心五月激情综合婷婷| 精品综合久久久久久8888| 加勒比av在线一区二区| 亚洲av中文无码乱人伦下载| 国产又黄又爽又色的免费| 亚洲av无码一区二区乱子伦| 粉嫩小泬无遮挡久久久久久| 亚洲中字永久一区二区三区| 久久精品夜色噜噜亚洲a∨| 丰满岳乱妇久久久| 国产成人久久精品流白浆| 一级a免费高清免在线| 亚洲一区二区女搞男| 欧美亚洲日韩国产人成在线播放| 中国精品久久久久国产| 漂亮丰满人妻被中出中文字幕| 少妇久久久久久被弄到高潮|