江 亮，黃再輝，陳民鋒

（桂林電子科技大學(xué) 海洋工程學(xué)院，廣西 北海 536000）

0 引 言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)以及人們對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的不斷增強(qiáng)，船舶在水面航行過(guò)程中排放的廢氣對(duì)周圍的海洋環(huán)境產(chǎn)生的影響逐漸得到了人們的重視[1]。由于船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)有著可以提升船舶的能效、實(shí)現(xiàn)機(jī)艙的靈活布置等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的關(guān)注，并且船舶的電力推進(jìn)系統(tǒng)可以進(jìn)行變速發(fā)電，因此該系統(tǒng)可以十分方便接到各類新能源系統(tǒng)中[2]。以燃料電池為基礎(chǔ)的船舶電力混合動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多種新能源的耦合，但是采用這類混合動(dòng)力系統(tǒng)，船舶在航行過(guò)程中也出現(xiàn)了能效優(yōu)化、多能源協(xié)調(diào)等優(yōu)化控制問(wèn)題，這些問(wèn)題對(duì)船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)的應(yīng)用提出了更高的要求，設(shè)計(jì)高效的混合動(dòng)力系統(tǒng)成為提升船舶能量使用效率的重要方法[3]。

1 船舶復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)船舶自身特點(diǎn)可知，船舶在正常航行過(guò)程中，輸出的功率比較穩(wěn)定，一旦遇到風(fēng)浪等情況，輸出的功率波動(dòng)范圍則會(huì)比較大，這會(huì)增大船舶電力系統(tǒng)的不穩(wěn)定性[4]。當(dāng)船舶的負(fù)載功率出現(xiàn)較大的波動(dòng)或者頻率比較快的時(shí)候，為了能夠確保船舶可以穩(wěn)定輸出功率，則需要使用儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行能量調(diào)節(jié)，以便可以對(duì)船舶電機(jī)的輸出效率進(jìn)行優(yōu)化，并且確保船舶上電網(wǎng)的穩(wěn)定性[5]?；瘜W(xué)、物理以及電磁儲(chǔ)能是最常見(jiàn)的3 種儲(chǔ)能形式。船舶電力系統(tǒng)中通常使用電化學(xué)、飛輪、超級(jí)電容器以及超導(dǎo)磁等儲(chǔ)能設(shè)備。雖然超導(dǎo)磁儲(chǔ)能包含了上述3 種儲(chǔ)能系統(tǒng)的所有優(yōu)點(diǎn)，但是其價(jià)格昂貴。船舶復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 船舶復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure diagram of ship composite energy storage system

磷酸鐵鋰電池PNGV 模型的特點(diǎn)在于，在電池模型的支路中串聯(lián)了一個(gè)電容，利用該電容可以十分便利模擬電池的極化現(xiàn)象，同時(shí)在電容頻繁的充放電過(guò)程中，電池的模型精度比較高，因此采用PNGV 模型來(lái)模擬磷酸鐵鋰電池的充放電過(guò)程，其數(shù)學(xué)模型為：

超級(jí)電容在充電的過(guò)程中，其數(shù)學(xué)模型為：

式中，C為電容大小。其計(jì)算公式為：

式中：ε0和ε1為介質(zhì)常數(shù)；A為電容面積；D為電容兩極間距。可以看出，電容的C值和面積A以及介電常數(shù)成正比例關(guān)系。超級(jí)電容的電壓、電荷狀態(tài)以及能量可以分別表示為：

1.2 復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化

當(dāng)船舶上負(fù)載消耗的功率比較大的時(shí)候，船舶上的電網(wǎng)系統(tǒng)則可以使用復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)穩(wěn)定船舶發(fā)電機(jī)的輸出功率，并且提升船舶上的電網(wǎng)對(duì)船舶負(fù)載供電的可靠性程度，這需要對(duì)船舶上的復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行容量?jī)?yōu)化[6]。在對(duì)船舶上的復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)配置的過(guò)程中，首先需要知道每個(gè)儲(chǔ)能單元承擔(dān)的平均功率，船舶復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)的補(bǔ)償功率取決于船舶負(fù)載需要的功率和船舶發(fā)電機(jī)輸出功率之間的差，計(jì)算公式為：

式中，PHESS為船舶復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率補(bǔ)償值。船舶復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)的電荷狀態(tài)在充電和放電過(guò)程中的變化情況，可以分別表示為：

船舶復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)中的電池以及電容的折舊系數(shù)主要和工作年限、自身的折舊率有關(guān)，計(jì)算方法為：

式中：d為折舊系數(shù)；l為工作年限。

在對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化配置的過(guò)程中，可以將船舶復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本Cp作為優(yōu)化目標(biāo)，其計(jì)算方法為：

當(dāng)船舶發(fā)電機(jī)和復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出功率比船舶負(fù)載的功率低的時(shí)候，這種情況稱作負(fù)荷缺電，其計(jì)算方法如下式：

當(dāng)船舶發(fā)電機(jī)和復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出功率比船舶負(fù)載的功率高的時(shí)候，這種情況稱作能量溢出，其計(jì)算方法如下式：

負(fù)荷缺電和能量溢出均可以用來(lái)描述船舶電網(wǎng)的可靠性程度，負(fù)荷缺電和能量溢出的值越小，則表示船舶電網(wǎng)系統(tǒng)越可靠。

2 船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)建模仿真

船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)中蓄電池的特征參數(shù)主要包括容量、放電倍率、荷電狀態(tài)、端電壓、內(nèi)阻、充電效率以及開(kāi)路電壓等[7]。電池的容量為在一定條件下可以釋放出的所有電量，其計(jì)算方法為：

船舶的電荷狀態(tài)是指電池當(dāng)前的容量，其表示方法為：

接入實(shí)際電網(wǎng)之后，電池兩端輸出電壓的變化情況如圖2 所示。可以看出，電池的端電壓會(huì)在一定時(shí)間內(nèi)維持穩(wěn)定，超過(guò)一定的時(shí)間之后，端電壓會(huì)迅速下降。

圖2 電池放電特性曲線Fig. 2 Battery discharge characteristic curve

電池的充電效率為電池放電期間輸出的能量和恢復(fù)到放電前所需能量的比值，其計(jì)算方法如下式：

超級(jí)電容在以一定的電流恒定放電的過(guò)程中，可以用超級(jí)電容放電的電量和超級(jí)電容兩極之間的電壓變化量的比值來(lái)表示該超級(jí)電容的容量，計(jì)算方法如下式：

在以恒定電流的方式充電的情況下，超級(jí)電容兩極之間的電壓變化曲線如圖3 所示?？梢钥闯?，超級(jí)電容的端電壓隨時(shí)間呈線性變化。超級(jí)電容中的能量值：

圖3 超級(jí)電容兩極之間的電壓變化曲線Fig. 3 The voltage change curve between the two poles of a supercapacitor

通過(guò)DC/DC 得到的電壓波形如圖4 所示。可以看出，經(jīng)過(guò)雙向DC/DC 電壓變換器之后，電壓能夠上升到527 V。使用PEMFC 堆棧模型來(lái)模擬燃料電池，PEMFC 模型融合了電氣模型以及化學(xué)模型的特征，并且將電池內(nèi)的流體忽略掉，因此得到了廣泛應(yīng)用。

圖4 固定移相角下的DC/DC 輸出電壓Fig. 4 DC/DC output voltage under fixed phase shift angle

3 船舶智能能效管理系統(tǒng)

本文采用的智能能效管理方法為，首先對(duì)船舶上的發(fā)電機(jī)組的工作狀態(tài)進(jìn)行定義，然后將船舶上發(fā)電機(jī)組的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)以及船舶負(fù)荷需要的能量信息發(fā)送給船舶能量?jī)?yōu)化調(diào)配模塊，船舶能量?jī)?yōu)化調(diào)配模塊根據(jù)這2 個(gè)信息，給不同的動(dòng)力源發(fā)送各自的輸出參考功率，最后通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換之后，控制船舶上的電子調(diào)速器以及DC/DC 變換器，最終實(shí)現(xiàn)船舶上各個(gè)動(dòng)力源功率的優(yōu)化輸出。將船舶上發(fā)電機(jī)和動(dòng)力源進(jìn)行分開(kāi)，這樣有利于降低船舶能量?jī)?yōu)化分配的復(fù)雜程度。

結(jié)合船舶發(fā)電機(jī)組的工況、船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及船舶儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性等因素，本文構(gòu)建了船舶智能能量?jī)?yōu)化分配的數(shù)學(xué)模型。船舶發(fā)電機(jī)的燃料消耗量和船舶發(fā)電機(jī)的輸出功率成正比，如圖5 所示?？刂拼鞍l(fā)電機(jī)的總?cè)加拖牧孔畹褪谴澳芰績(jī)?yōu)化分配的目標(biāo)，該目標(biāo)方程為：

圖5 船舶燃料消耗量隨功率變化的曲線關(guān)系Fig. 5 Curve relationship between ship fuel consumption and power variation

式中：x為船舶發(fā)電機(jī)編號(hào)；fv,x為船舶發(fā)電機(jī)燃料消耗率，船舶發(fā)電機(jī)的燃料消耗率為：

式中：Pg,x為船舶發(fā)電機(jī)的輸出功率。根據(jù)船舶發(fā)電機(jī)的測(cè)試數(shù)據(jù)，可以得到船舶發(fā)電機(jī)的燃料消耗率和功率的關(guān)系曲線如圖6 所示。可以看出，隨著功率的增大，船舶發(fā)電機(jī)的燃料消耗率會(huì)逐漸降低，最終會(huì)達(dá)到一個(gè)最低值，然后隨著船舶發(fā)電機(jī)功率的進(jìn)一步增加，船舶的燃料消耗率存在一定程度的上升。

4 結(jié) 語(yǔ)

船舶混合動(dòng)力技術(shù)的快速提升，對(duì)船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性提出了更高的目標(biāo)，因此相關(guān)研究機(jī)構(gòu)對(duì)多種類型的船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)及其控制方法進(jìn)行了多角度的研究，特別是針對(duì)船舶儲(chǔ)能設(shè)備容量、能效的提升以及多種能量源的協(xié)調(diào)與控制等。對(duì)船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)及其主要構(gòu)件的特性進(jìn)行分析，同時(shí)設(shè)計(jì)出高效的能量管理方法，這對(duì)提高船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)的能效，實(shí)現(xiàn)船舶的節(jié)能減排等目標(biāo)，有重要的理論意義。