汪永鑫，許媛媛，2，徐茂棟，賈寶柱，2

（1.廣東海洋大學(xué) 海運(yùn)學(xué)院，廣東 湛江 5 2 4 0 0 5；2.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室，廣東 湛江 524006）

0 引 言

中國(guó)正積極推進(jìn)綠色低碳發(fā)展，承諾力爭(zhēng)2030 年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和[1-2]。交通運(yùn)輸行業(yè)是推動(dòng)綠色發(fā)展，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的關(guān)鍵領(lǐng)域，充分利用太陽(yáng)能、波浪能、風(fēng)能等可再生能源實(shí)現(xiàn)船舶的節(jié)能減排是未來(lái)船舶的發(fā)展方向[3]。 光伏發(fā)電可以將豐富的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，具有廣闊的發(fā)展前景和可觀的應(yīng)用價(jià)值[4-5]。 光伏發(fā)電應(yīng)用在船舶上，可以充當(dāng)船舶主動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的部分能量來(lái)源[6-7]。 光伏發(fā)電受溫度、光照、天氣環(huán)境等因素的影響，具有間歇性和波動(dòng)性，如果直接并網(wǎng)運(yùn)行將影響船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。 因此，如何有效平抑光伏發(fā)電的波動(dòng)成為船舶電站亟待解決的問(wèn)題。

光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量一般儲(chǔ)存在蓄電池中，但蓄電池的充放電次數(shù)較少、功率密度較低，不適合長(zhǎng)期處于輸出功率較高的應(yīng)用環(huán)境，因此，單獨(dú)大規(guī)模應(yīng)用很難滿足電網(wǎng)峰值功率的需求。 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)（hybrid energy storage system，HESS）包含磷酸鐵鋰電池（LiFePO4Battery）和超級(jí)電容（super capacitor，SC）兩種儲(chǔ)能設(shè)備，集功率型與能量型為一體，實(shí)現(xiàn)功能互補(bǔ)，不僅可以提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量，使之能夠快速應(yīng)對(duì)外界能量變化，緩解由于并網(wǎng)造成的電網(wǎng)波動(dòng)問(wèn)題，同時(shí)增強(qiáng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率輸出能力，延長(zhǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命。

目前，很多學(xué)者對(duì)微電網(wǎng)的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略展開相關(guān)研究。 其中，文獻(xiàn)[8]提出充分利用電力系統(tǒng)中組合架構(gòu)之間的連接關(guān)系，緩解目前電網(wǎng)中電池能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)存在的過(guò)充電、欠充電等問(wèn)題。 文獻(xiàn)[9]提出了一種功率預(yù)測(cè)與自適應(yīng)變步長(zhǎng)相結(jié)合的擾動(dòng)觀察法，使光伏系統(tǒng)快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤控制，并穩(wěn)定運(yùn)行在最大功率點(diǎn)處。 文獻(xiàn)[10]中考慮臨界狀態(tài)下，蓄電池的頻繁充放電，以及船舶啟動(dòng)時(shí)低電壓穿越能力差的問(wèn)題，根據(jù)超級(jí)電容的剩余電量，提出一種可變?cè)鲆嬷档目刂撇呗浴?文獻(xiàn)[11]針對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中逆變器工作的間歇性和容量利用低的情況，提出了一種改進(jìn)型的光伏并網(wǎng)功率控制算法。 能夠向電網(wǎng)和本地負(fù)載提供有功功率，而且及時(shí)補(bǔ)償電網(wǎng)中的無(wú)功和諧波。 本文提出一種基于混合儲(chǔ)能的船用光伏微電網(wǎng)控制策略，并通過(guò)建模仿真與驗(yàn)證分析，有效證明了該控制策略的可行性，具有較強(qiáng)的理論實(shí)踐意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 船舶微電網(wǎng)能量?jī)?yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1 是船舶微電網(wǎng)系統(tǒng)能量?jī)?yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，由HESS、光伏發(fā)電（photovoltaic， PV）、負(fù)荷、DC/AC逆變器、升降壓變壓器等構(gòu)成，其中直流母線端電壓與船舶電網(wǎng)實(shí)際需求相一致。 本文引入荷電狀態(tài)（state of charge， SOC）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)磷酸鐵鋰電池和超級(jí)電容的荷電狀態(tài)SOCbat和SOCsc。 在該系統(tǒng)中，由超級(jí)電容和鋰電池發(fā)出的功率Psc和Pbat隨外界能量需求雙向變化，其中放電時(shí)為正，充電時(shí)為負(fù)。 對(duì)于直流母線而言，系統(tǒng)內(nèi)部的功率平衡關(guān)系式如下：

圖1 船舶微電網(wǎng)系統(tǒng)能量結(jié)構(gòu)

式中：Pline是通過(guò)升降壓變壓器流入船舶電網(wǎng)的并網(wǎng)功率；Ppv是光伏陣列注入直流母線的功率；Pload是負(fù)荷消耗的功率。

2 船舶光伏電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)概述

船舶光伏電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)包括光伏陣列和HESS兩大部分，如圖2 所示。 HESS 不僅可以及時(shí)補(bǔ)償由于光伏陣列不穩(wěn)定性和負(fù)荷波動(dòng)性帶來(lái)的波動(dòng)，還可以根據(jù)二階濾波算法合理分配各元件的平抑功率，有效平抑并網(wǎng)條件下的光伏出力波動(dòng)，減小儲(chǔ)能元件損耗，提高儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性能。

圖2 光伏混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

光伏陣列與HESS 通過(guò)DC/DC變換器與直流母線負(fù)載連接。 為擴(kuò)大光伏陣列量能產(chǎn)出，采用Boost電路實(shí)現(xiàn)升壓功能[12]；HESS 中儲(chǔ)能元件與雙向DC/DC變換器有源并聯(lián)，相互獨(dú)立供電，能瞬時(shí)完成升降壓模式轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能元件間能量的雙向流動(dòng)，以維持直流母線電壓的穩(wěn)定，維持系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2.2 DC/DC變換器

DC/DC變換器通過(guò)升降壓變化，可以滿足不同負(fù)載要求，將其應(yīng)用到對(duì)儲(chǔ)能元件的控制，方便實(shí)現(xiàn)電路轉(zhuǎn)換。 雙向DC/DC變換器能夠?qū)?chǔ)能元件的充放電集于一體，具有雙向傳遞能量的功能，能夠及時(shí)對(duì)船舶電網(wǎng)電壓進(jìn)行補(bǔ)償或利用，可根據(jù)船舶電網(wǎng)的能量變化做出一定響應(yīng)[13]，其簡(jiǎn)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 DC/DC雙向變換器拓?fù)鋱D

雙向DC/DC變換器控制儲(chǔ)能元件的能量輸入和輸出，同時(shí)維持直流母線電壓的穩(wěn)定。 變換器開關(guān)管VT1和VT2狀態(tài)決定電路Boost或Buck工作模式，隨之控制儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電過(guò)程。 當(dāng)船舶能量過(guò)剩時(shí)，能量從高壓側(cè)向低壓側(cè)傳遞，能量在HESS 中儲(chǔ)存，電路處于Buck 狀態(tài)。 VT2截止，當(dāng)VT1在導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)，能量從直流母線到電感，讓儲(chǔ)能元件吸收能量，電流增大；當(dāng)VT1關(guān)斷時(shí)，電感L與VD2構(gòu)成閉合回路，電感儲(chǔ)存的能量釋放。 當(dāng)船舶能量不足時(shí)，能量從低壓側(cè)向高壓側(cè)流動(dòng)，能量從HESS 釋放，以補(bǔ)償電網(wǎng)的不足，電路工作在Boost狀態(tài)。 VT1截止，當(dāng)VT2導(dǎo)通時(shí)，儲(chǔ)能元件放電，電流經(jīng)過(guò)電感L進(jìn)行儲(chǔ)存；VT2關(guān)斷時(shí)，電感L與VD1構(gòu)成閉合回路，電感儲(chǔ)存的能量釋放，電流減小，方向不變。

對(duì)于光伏陣列，在VT的導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)，所在電路形成的Boost狀態(tài)增加能量產(chǎn)出，滿足電網(wǎng)對(duì)能量的期望值，從根本上解決由于發(fā)電不足造成的電壓波動(dòng)問(wèn)題。

3 基于混合儲(chǔ)能的光伏電網(wǎng)控制策略

3.1 能量管理策略

當(dāng)光伏列陣并入船舶電網(wǎng)時(shí)，直流母線會(huì)出現(xiàn)不同頻率的波動(dòng)，隨著并入數(shù)量的增加，這種波動(dòng)會(huì)變得愈加明顯[14-15]。 中低頻波動(dòng)分量通常不會(huì)影響電網(wǎng)的正常工作，但高頻波動(dòng)分量卻會(huì)直接威脅電網(wǎng)的安全運(yùn)行。 因此，需要通過(guò)控制策略對(duì)負(fù)載波動(dòng)的大小進(jìn)行平抑，有效降低功率波動(dòng)對(duì)微電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量的影響。

HESS 中的超級(jí)電容瞬時(shí)輸出功率高，響應(yīng)快，主要用于控制母線電壓，同時(shí)抑制高頻脈動(dòng)頻率[16]，而磷酸鐵鋰電池的輸出功率變化較慢，需要盡可能避免其頻繁充放電，主要作用于功率的低頻部分。 本研究采用一種基于儲(chǔ)能元件SOC的二階濾波算法控制策略，同時(shí)以兩種儲(chǔ)能元件的最優(yōu)工作閾值為參考指標(biāo)，能有效避免儲(chǔ)能元件過(guò)充過(guò)放，保證儲(chǔ)能元件使用壽命。 具體過(guò)程：光伏輸出功率Ppv先后經(jīng)過(guò)兩個(gè)截止頻率不同的高低頻濾波器，得到超級(jí)電容和鋰電池的參考輸出功率Psc-ref和Pbat-ref。 此外SOCsc和SOCbat會(huì)與各自最優(yōu)值比較、作差，再經(jīng)比例放大，將得到的結(jié)果反饋到二階濾波算法，實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)的功率分配，可表示為公式（2）：

式中：Tsc、Tbat是濾波器的時(shí)間常數(shù)；K1、K2為比例放大系數(shù)。 以超級(jí)電容為例，當(dāng)SOCsc＜70%時(shí)，超級(jí)電容的輸出參考值會(huì)減小，減緩其剩余電量繼續(xù)減小；反之，當(dāng)SOCsc＞70%時(shí)，超級(jí)電容的輸出參考值增加，減緩其剩余電量繼續(xù)增加。 該控制策略對(duì)鋰電池同樣適用，能夠同時(shí)控制兩種儲(chǔ)能元件SOC值。 由于儲(chǔ)能元件的SOC變化緩慢，Pline和Pbat的平滑性不會(huì)受到影響。

3.2 HESS 控制策略

雙向DC/DC變換器大多采用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制[17]，基于儲(chǔ)能系統(tǒng)和光伏電池的安全性能考慮，本研究采用功率外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的控制策略。 圖4 給出了超級(jí)電容和鋰電池兩種儲(chǔ)能元件的控制策略。

圖4 基于二階濾波算法的儲(chǔ)能元件控制策略

通過(guò)二階濾波算法得到超級(jí)電容和鋰電池的參考功率補(bǔ)償值，并作為控制環(huán)節(jié)的輸入。 超級(jí)電容和鋰電池采用相同的控制策略，其控制器的工作原理也完全相同。 以超級(jí)電容控制策略為例，二階濾波算法得到的參考功率Psc-ref與實(shí)際功率Psc作比較作為功率控制器的輸入，經(jīng)調(diào)制后得到參考電流Isc-ref與實(shí)際電流Isc作差，經(jīng)由電流調(diào)節(jié)器、限幅、PWM 調(diào)制等得到控制開關(guān)管通斷的控制信號(hào)。 此外，為保證功率流動(dòng)的穩(wěn)定性和儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全，該控制系統(tǒng)中設(shè)置了邏輯門與比較器，即當(dāng)超級(jí)電容器處于放電模式時(shí)，能量釋放，此時(shí)Pref增加。 當(dāng)滯回比較器中的輸出值高于儲(chǔ)能元件承受的功率限值Pmax時(shí)，輸出的邏輯值為0，此時(shí)VT1導(dǎo)通，使變換器由Boost模式轉(zhuǎn)為Buck 模式，能量由電網(wǎng)進(jìn)入到超級(jí)電容中，否則，VT2導(dǎo)通，變換器處于Boost模式，能量由超級(jí)電容進(jìn)入到電網(wǎng)。

3.3 Boost變換器控制策略

Boost變換器的控制策略如圖5 所示，光伏系統(tǒng)輸出功率隨電路Pload的變化而改變，Pload控制四組負(fù)荷投切開關(guān)的控制信號(hào)，計(jì)時(shí)器控制PV信號(hào)輸出，當(dāng)兩類信號(hào)同時(shí)保持高電平時(shí)，光伏系統(tǒng)輸出該狀態(tài)下電池的實(shí)際電壓，此時(shí)產(chǎn)生的功率Ppv能夠滿足該狀態(tài)下的最大輸出，并通過(guò)限幅與脈寬調(diào)制產(chǎn)生互補(bǔ)的PWM控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)Boost電路運(yùn)行。

圖5 光伏控制器

4 仿真分析

利用仿真軟件搭建混合儲(chǔ)能系統(tǒng)電路和控制部分的仿真模型，對(duì)光伏混合儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)電路進(jìn)行充放電仿真分析，從而驗(yàn)證混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略的正確性，光伏混合儲(chǔ)能系統(tǒng)關(guān)鍵性參數(shù)如表1 所示。

表1 光伏混合儲(chǔ)能系統(tǒng)關(guān)鍵性參數(shù)

為了研究功率協(xié)調(diào)分配，混合系統(tǒng)中使用了三端鋰電池并聯(lián)，分別定義為a、b、c，初始SOC分別設(shè)置為70%、69.5%、69%，額定容量為8 ×106VA。 光伏發(fā)電系統(tǒng)采用Sun Power公司SPR-305-WHT型號(hào)光電池，四組光伏陣列并聯(lián)，單組參考功率為6 ×106W。 6 個(gè)超級(jí)電容串聯(lián)，額定功率為4 ×106W。 系統(tǒng)仿真時(shí)間為11 s。

圖6 為負(fù)載發(fā)生波動(dòng)時(shí)，直流母線、鋰電池功率PB、超級(jí)電容功率Psc和a端鋰電池SOC%的響應(yīng)。 仿真實(shí)驗(yàn)采用四組負(fù)荷投切方式改變負(fù)載大小，由計(jì)時(shí)器控制對(duì)應(yīng)負(fù)荷接入電路時(shí)間：Timer1時(shí)間控制[0，1]，對(duì)應(yīng)電平[1，1]，接入負(fù)載為10 kW；Timer2 時(shí)間控制[0，3.5]，對(duì)應(yīng)電平[0，1]，接入負(fù)載為20 kW；Timer3 時(shí)間控制[0，2，6.5，8]，對(duì)應(yīng)電平[1，0，1，0]，接入負(fù)載10 kW；Timer4 時(shí)間控制[0，5，6.5，9.5]，對(duì)應(yīng)電平[1，0，1，0]，接入負(fù)載10 kW。 當(dāng)高電平時(shí)，該項(xiàng)負(fù)載接入電路。當(dāng)0≤t≤2 s時(shí)，系統(tǒng)負(fù)載為30 kW；在2 s、3.5 s、5 s、6.5 s、8 s、9 s時(shí)，負(fù)載發(fā)生階躍變化，對(duì)應(yīng)的負(fù)載分別為20 kW、40 kW、30 kW、50 k W、40 k W、30 kW。 由圖可知，直流母線端電壓變化與加載負(fù)載變化保持一致，且隨著負(fù)載的增加而減小。而鋰電池功率變化與母線電壓相反，隨著負(fù)載的減小或增加進(jìn)行功率的吸收或補(bǔ)償。 超級(jí)電容與鋰電池組保持一致的響應(yīng)變化，主要用于維持鋰電池輸出改變、負(fù)載變化后的直流母線電壓，保證系統(tǒng)功率平衡。 由鋰電池的荷電狀態(tài)仿真圖可知，在2 s≤t≤3.5 s時(shí)，母線電壓超出額定電壓，鋰電池出現(xiàn)短暫充電，其余時(shí)間都是處于放電狀態(tài)，曲線斜率變化由外界功率所需而定。

圖6 負(fù)荷階躍時(shí)的系統(tǒng)響應(yīng)

若6 s時(shí)c端鋰電池停止工作，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)如圖7 所示。 由圖可知，c端電池停止工作瞬間，對(duì)于直流母線而言，系統(tǒng)能量來(lái)源突然減少，為維持能量需求，各供能元件放電，母線端電壓降低。 此時(shí)，c端電池能量不再與外界進(jìn)行交換，電池SOC保持恒定，維持在60%；a、b 兩端鋰電池SOC在6 s均達(dá)到69.15%，為了補(bǔ)償c端電池故障造成的功率差，以維持外部功率穩(wěn)定，a、b 兩端電池的輸出功率瞬時(shí)增加，同時(shí)SOC消耗曲線斜率也呈增加趨勢(shì)。 超級(jí)電容在鋰電池組發(fā)生故障后產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)的功率補(bǔ)充，重新達(dá)到穩(wěn)定時(shí)在0 附近小范圍脈動(dòng)。 系統(tǒng)各元件在6.2 s時(shí)達(dá)到新的平衡，各母線端電壓和儲(chǔ)能元件輸出功率維持在新的穩(wěn)定值。

圖7 c端鋰電池停止工作的外部響應(yīng)

當(dāng)可再生的光伏電源由于外界環(huán)境變化隨機(jī)波動(dòng)時(shí)，鋰電池和超級(jí)電容的響應(yīng)如圖8 所示。a、b、c三端電池鋰電池除初始SOC分別相差0.5%外，其他參數(shù)性質(zhì)相同，充放電的先后順序隨機(jī)。 由仿真結(jié)果可知，超級(jí)電容的輸出功率Psc頻率較高，波動(dòng)范圍較大；鋰電池的輸出功率PB頻率較低。 當(dāng)光伏功率無(wú)規(guī)則波動(dòng)時(shí)，為維持外部系統(tǒng)穩(wěn)定，超級(jí)電容能夠迅速對(duì)高頻分量做出吸收或補(bǔ)償，動(dòng)態(tài)性能較高；而鋰電池則作用于低頻分量，全程曲線較為平緩。 超級(jí)電容處于頻繁的充放電的狀態(tài)切換中，體現(xiàn)了超級(jí)電容對(duì)鋰電池組的運(yùn)行狀態(tài)的優(yōu)化，反映了兩者構(gòu)成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)于能量平衡的差異性和互補(bǔ)性，能夠及時(shí)對(duì)功率進(jìn)行平抑，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行[18]。由此證明提出的控制策略可以很好地分配儲(chǔ)能系統(tǒng)元件的輸出功率，減少鋰電池組的充放電次數(shù)，有效對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。

圖8 光伏隨機(jī)波動(dòng)后儲(chǔ)能系統(tǒng)的響應(yīng)

綜上，在直流微電網(wǎng)光伏發(fā)電中，儲(chǔ)能系統(tǒng)根據(jù)外界負(fù)荷變化充放電，若系統(tǒng)部分故障，系統(tǒng)內(nèi)部供能元件放電以維持母線的電壓穩(wěn)定。 光伏電源不規(guī)律擾動(dòng)時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)二階濾波算法補(bǔ)償功率差額，保證電網(wǎng)能量質(zhì)量，同時(shí)提高儲(chǔ)能系統(tǒng)本身的使用壽命和經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)光伏可再生能源電網(wǎng)波動(dòng)問(wèn)題，本文提出了一種船舶光伏混合儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，基于儲(chǔ)能元件SOC的二階濾波算法提出了一種用于平抑光伏波動(dòng)的控制策略，該控制策略可實(shí)時(shí)根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行功率分配，有效改善混合儲(chǔ)能系統(tǒng)過(guò)充過(guò)放問(wèn)題可以維持直流母線電壓，改善電網(wǎng)質(zhì)量。 仿真結(jié)果有效驗(yàn)證：

（1）儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠應(yīng)對(duì)外界負(fù)荷變化，并在較短時(shí)間內(nèi)維持直流母線電壓穩(wěn)定。

（2）若鋰電池組部分發(fā)生故障，其余電池能夠迅速響應(yīng)，維持系統(tǒng)能量穩(wěn)定。

（3）當(dāng)光伏系統(tǒng)隨機(jī)波動(dòng)時(shí)，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠及時(shí)補(bǔ)償高低頻功率分量，防止系統(tǒng)的脈動(dòng)。

本研究對(duì)光伏系統(tǒng)發(fā)展與利用具有一定的借鑒意義，在未來(lái)的研究中，可以進(jìn)一步考慮太陽(yáng)能帆板在船體平臺(tái)上的布置、光能的跟蹤利用、最大功率點(diǎn)控制等相關(guān)因素，并將該理論逐漸延伸到離網(wǎng)型系統(tǒng)，充分開發(fā)利用可再生能源，為未來(lái)產(chǎn)業(yè)能量需求提供良好契機(jī)。