太阳能游船电力系统能量管理控制策略

于金良，俞万能

(集美大学轮机工程学院，福建厦门361021)

太阳能游船电力系统能量管理控制策略

于金良，俞万能

(集美大学轮机工程学院，福建厦门361021)

针对太阳能游船电力推进系统的拓扑结构，研究基于双能量源不同工作状态下的能量管理控制策略，并进行Simulink仿真．仿真结果验证了该控制策略能有效地分配双能量源之间的功率，实现太阳能利用的最大化，从而提升游船的续航能力．

多能源;游船;能量管理;Simulink

0 引言

太阳能的应用有着很长的历史，近些年来，光伏发电技术越来越成熟，风光互补、光伏并网发电等课题给人类的新能源之路指明了方向．如何用太阳能直接驱动交通工具，为解决石油危机提供了行之有效的思路．但是，太阳能光伏阵列发出的电能受到气候条件和环境因素的影响［1］，具有较强的随机性，因此当其容量达到一定的等级，或者系统中存在储能和其他发电单元时，需要采用一定的能量管理策略对系统的能量流进行监控和管理，优化系统内部各个发电单元、储能单元及其与电网之间的能量流动的方向和幅值，以提高系统运行的稳定性和经济性［2－3］．

电力电子技术的快速发展，尤其是直流变换器的发展，使太阳能供电得到有效稳定的控制［4－5］．因此，在船舶电力推进日益受到重视的环境下，结合目前对于分布式发电系统能量管理技术的研究成果［6］，本文提出一种太阳能游览船舶电力推进系统的网络拓扑，研究适合太阳能游览船舶多能量源管理策略，并根据游艇的工作模式提出了基于工况的能量管理策略及控制拓扑结构图．本论文只是研究过程中前期方案，其实验平台正在搭建过程中．

1 太阳能游船电力系统结构

船舶电力系统是由船舶电源装置、配电装置、船舶电网和电力负载按一定方式连接的整体，是船上电能产生、传输、分配和消耗等全部装置和网络的总称．为了使太阳能游览船舶具有更好的动力性能和经济性能，提出电力系统的网络拓扑结构如图1所示．

本设计系统的电源装置主要由太阳能电池板、蓄电池组以及直流变换器组成;配电装置主要由能源管理装置、各种操作指示仪表及逆变器组成，负载主要有推进系统、照明系统及其他用电设备．图1中，双能量源之间的联结有并联和串联两种方式，可以随着工况而改变，这明显区别于当下采用双能量源串联工作的联结方式．采用这种结构增加了系统控制的灵活性，便于进行高效的能量管理．

图1 太阳能游船电力系统结构框图Fig.1 System configuration of distributed generation

2 太阳能游览船舶能源控制策略分析

常规的能量管理策略是简单地设置一系列静态阈值，将每个能量源的运行区间限制在一定的范围内．事实上在游船工作时，各参数之间存在相互影响，必须合理调整这些阈值或参数才能较好地满足能量效率和整船性能要求．本文的能量管理策略是基于游船实际运行工作状况而提出的，首先光伏发电供应负荷，并为蓄电池充电，光伏发电供给不足时，结合推进功率预测量、蓄电池容量等状态，优化使用蓄电池的电力供给．因此，本系统基本的供电规划策略:1)太阳能的发电装置能够满足主要的用电负荷;2)蓄电池组储备太阳能装置发出的多余电力进行电力调度;3)蓄电池组充满时，太阳能装置退出MPPT(Maximum Power Point Tracking即最大功率跟踪)模式，采用稳压控制模式，减轻系统应力，延长设备使用寿命;4)太阳能装置无法满足负荷时，与蓄电池组联合供电;5)电力系统无法满足负荷时，自动降低负载，限制输出功率并发出报警信号．

采用图1所示的电力系统结构图，通过控制直流变换器的工作方式来控制能量调度，从而充分利用太阳能，较之目前普遍采用的多能量源串联工作模式，本系统可以提高太阳能游船的续航力．

3 仿真与分析

利用Simulink仿真软件，建立太阳能电源模块，然后分别建立单向和双向DC/DC变换器模块并且根据提出的能量控制策略建立各自的信号控制模块，最后按照太阳能游船的系统架构建立完整的仿真模型．

根据供电规划，基于各能量源的工作状态，笔者提出5种工作模式的仿真来验证供电规划的可行性，包括推进加充电模式、推进模式、推进加蓄电池放电模式、充电模式、蓄电池放电模式．各种工作模式在实船上随着工况而改变．根据太阳能充足与否，结合蓄电池进行能量调度来满足游船正常工作的要求．各种模式仿真时通过设定太阳能电源模块的输出功率和相应的控制信号来实现系统能量的合理调度．

仿真数据的设定是参照实验室现有能源规模以及太阳电池板参数进行设定的，最大负载设定为3 kW，太阳能最大输出功率为5.2 kW，仿真时长为1 s，仿真步长为可变步长，其仿真结构图如图2所示．其对应的仿真曲线如下图3、图4所示．根据这些仿真曲线稳定时的数据分析绘制表1．

图2 系统仿真结构图Fig.2 System Simulation Chart

表1 仿真数据分析Tab.1 Simulation data analysis

从表1中数据可以看到:在负载功率恒定的情况下，能量管理策略是:首先最大限度的利用太阳能供电，然后结合蓄电池状况进行电能调度．蓄电池处于充电还是放电的状态取决于当前太阳能供电状况和负载功率需求状况．

4 结论

本文将太阳能电池板和蓄电池联合建模，构建了基于新能源的太阳能游览船电力系统能量管理仿真模型．该模型可以进行太阳能独立向负载供电仿真、太阳能和蓄电池共同向负载供电仿真、蓄电池独立向负载供电仿真以及太阳能向蓄电池充电仿真．本文分别列出了5种基于工况的工作模式下的仿真功率曲线和各能量源的电流曲线，仿真结果证实了控制策略的可行性．通过仿真数据的分析可以预测太阳能游览船电力系统的功率分配及电流电压的大致曲线，为实际设计及后续实验平台的搭建提供参考．

图3 各模式下功率分配曲线Fig.3 Pover splitting curve

图4 各模式下电流分配曲线Fig.4 Current splitting curve

［1］汤强，薛太林．基于Matlab/Simulink的光伏组件建模仿真 ［J］．通信电源技术，2011(1):38-39．

［2］王长江．基于MATLAB的光伏电池通用数学模型［J］．电力科学与工程，2009(4):11-13．

［3］周德佳．基于仿真模型的太阳能光伏电池阵列特性的分析 ［J］．清华大学学报:自然科学版，2007，47(7):1109-1112．

［4］张犁．12V/－250V DC/DC变换器研制 ［C］ //航空电源航空科技重点实验室学术年会 (APSCM，2007)论文集．南京:南京航空航天大学出版社，2007:111-114．

［5］代媛媛，贾新章，王少熙．MOSFET和IGBT器件在开关电源中的一种应用方法及其仿真 ［J］．电子器件，2006(9):739-744．

［6］严仰光．双向直流变换器［M］．南京:江苏科学技术出版社，2004:15-80．

(责任编辑 陈 敏 英文审校 陈扼西)

The Energy Control Strategy on Power System of Solar Boat

YU Jin-liang，YU Wan-neng
(Marine Engineering Institute，Jimei University，Xiamen 361021，China)

An electric propulsion topology structure was proposed．A power management strategy based on different operating modes of the dual-energy sources was researched and simulated with SIMULINK．The distribution of power between dual-energy sources with the proposed power management strategy was proved to be effective by simulation results．A maximized utilization of solar energy was realized and the cruise capacity of solar boat was therefore enhanced．

multi-energy;solar boat;energy control;Simulink

TM 712

A

1007－7405(2012)05－0374－05

2011－12－13

2012－04－20

厦门市科技项目 (3502Z20103021);福建省科技重点项目 (2012D035)

于金良 (1987—)，男，硕士生，从事船舶新能源应用及其仿真研究．通讯作者:俞万能 (1970—)，男，副教授，博士，从事船舶电气自动化研究．E-mail:wnyu2007@jmu.edu.cn;ywn_post1@126.com．