船舶电力推进系统复合储能装置的设计*

杨祥国 杨 诚 陈 辉 治 国 陶烽伟 周 科 田 畾

(武汉理工大学船舶动力工程技术交通行业重点实验室1) 武汉 430063)(武汉理工大学能源与动力工程学院2) 武汉 430063)



船舶电力推进系统复合储能装置的设计*

杨祥国1)杨 诚2)陈 辉2)治 国2)陶烽伟2)周 科2)田 畾2)

(武汉理工大学船舶动力工程技术交通行业重点实验室1)武汉 430063)(武汉理工大学能源与动力工程学院2)武汉 430063)

电力推进船舶处于减速制动工作状态时存在直流母线的泵升问题，传统电力推进系统大多采用制动电阻或单一储能装置来解决该问题.针对该问题，设计了一套复合储能装置，并利用MATLAB/Simulink进行了仿真分析.结果表明，复合储能装置可以很好地满足制动能量回馈利用的技术要求.

电力推进船舶；制动能量；复合储能

0 引 言

电力推进船舶与传统推进系统相比具有灵活性强、效率高、空间布置简单等优点[1]，是今后船舶行业发展的主导趋势，但由于电子设备的大量使用，相应的电力安全也随之而来.船舶制动回馈能量对直流环节造成的泵升电压是一个不可忽视的问题.通常采用消耗电阻对之进行处理，但是这样不仅降低了能量利用率，而且消耗后产生的热能会对周围电力电子器件的正常工作造成一定的影响，从而导致电力事故，甚至直接影响整船的正常工作和船员的人身安全.

因此，对这部分能量进行合理的处理是很有必要的.目前对这部分能量的处理的研究很少.石继升[2]提出了利用超级电容对这部分能量进行储存再利用，该方法虽然能对这部分能量进行储存利用，在船舶启航或者加速时能够提高较高的瞬态功率，但是超级电容的能量密度很低，单位容量很低，不适合在船舶正常航行时向其提供能量.若需要很大的存储容量则需要采用多个电容器串联，这样大大增加了存储装置的体积和重量.对此，文中设计了蓄电池与超级电容并联的复合储能系统，该系统兼容了两者的特点，相互弥补了各自的不足，适用于各种工况，有效地提高了能量利用率.

1 复合储能系统及特点

超级电容功率密度大，瞬间放电电流大，当船舶加速或者启动时，可以为船舶提供很大的瞬时功率；其次，超级电容的充放电过程是利用电荷之间的移动，属于物理过程.因此，寿命周期很长，充放电次数可达上万次，可以很好地应用于经常启停的电力推进船舶上[3]；最后，超级电容的充放电速度很快.但是超级电容的能量密度较低，当能量需求较大时，不得不采用多个超级电容串联，这样会导致整个装置的体积和重量增加.

蓄电池与超级电容相反，它具有很高的能量密度，在船舶正常行驶和巡航时可以采用蓄电池放电提高船舶行驶的能量.但是蓄电池的充放电过程属于化学过程，其能量密度较大，寿命周期较短[4].当船舶需要加速或者启动时，由于需要较大的瞬间功率，若采用蓄电池供电会导致蓄电池的放电电流超过其本身的额定电流，这样会造成蓄电池使用周期缩短.而且蓄电池寿命周期短，不利于经常充放电.

复合储能装置的特点是把蓄电池与超级电容分别串联一个DC/DC转换器后再并联，见图1.该方法很好的结合了超级电容功率密度大和蓄电池能量密度大的优势，不仅有效减小了加速或者启动时瞬时大功率对蓄电池造成的冲击，而且减轻了在正常行驶或者巡航时超级电容的体积和重量.此方法可以很好地提高船舶的动态响应性，增强负载的适应能力.

图1 复合储能装置的简图

2 DC/DC转换器的设计

DC/DC转换器采用双向的两象限半桥转换器[5-7]，图2为直流母线通过DC/DC转换器分别与超级电容和蓄电池相连.对于超级电容，DC/DC转换器由2个IGBT(S1和S2)分别并联二极管D1，D2组成.当船舶制动时，直流母线电压增加，利用PWM控制S1闭合，S2断开.S1与D2构成一个Buck电路，见图3.直流母线通过Buck电路降压后向超级电容充电.

图2 DC/DC转换器电路图

图3 Buck电路

当制动时，直流母线向超级电容充电的过程是一个连续导电过程，这时通过Buck电路把直流母线的高电压转化为相对较低的电压后向超级电容充电，这时直流母线作为电源，超级电容作为负载.这时的电压增益为

(1)

式中：DC为IGBT的占空比.占空比定义为开关管的导通时间与开关周期的比值，即

(2)

当船舶加速或者起航所需的功率较大时，利用PWM控制S1断开，S2闭合.S2和D1组成Boost电路，见图4.超容电容通过Boost电路向直流母线放电，供加速或者起航使用.

图4 Boost电路

超级电容向直流母线放电的过程也是一个连续导电过程，这时超级电容相当于电源，直流母线为负载.这时的电压增益为

(3)

要调节电压的增益，即调节IGBT的导通时间，采用PWM的方法控制其开关频率，从而起到调节增益的目的.

蓄电池串联同样的DC/DC转化器，其工作原理与超级电容的基本一致.充电时直流母线为电源，蓄电池为负载，直流母线通过Buck电路向蓄电池充电；放电时，蓄电池为电源，直流母线为负载，蓄电池通过Boost电路向直流母线充电.

3 控制策略

储能装置合理的充放电不仅有利于储能装置的整体寿命，提高储能装置的效率，而且有利于稳定船舶电网的工作状态，保证船舶的正常作业.本设计采用电压、电流双闭环的控制方式，内环为蓄电池或者超级电容的电流环，外环为船舶中间直流环节的电压环，其框架图见图5.

图5 系统控制框架图

Ud(s)为中间直流环节电网电压，其经过滤波器Hud(s)后与给定电压Ud*(s)进行比较后的偏差经过PI调节后进行电流分配.由于超级电容具有较高的功率密度，可以提供很大的瞬间功率，而且具有很高的寿命周期，因此进行电流分配后的动态分量提供给超级电容；由于蓄电池的能量密度很大，寿命周期很短，动态响应会导致其寿命较弱，因此分配后的稳态分量提供给蓄电池.电流内环应满足低频增益的要求，截止频率一般大于电压外环的10倍以上.超级电容和蓄电池电流内环补偿控制器的传递函数分别为

(4)

(5)

电压外环获得的是总体电网的电流，它在分配时要同时兼顾超级电容和蓄电池，使两者都要具有很好的控制性能.电压外环补偿器的传递函数为

(6)

4 系统仿真与结果分析

4.1 仿真模型的建立

系统的Matlab/Simulink的模型见图6.

图6 Matlab/Simulink仿真模型

系统由电站模块(异步电机)、逆变模块和储能单元模块组成.电站模块通过逆变模块连接到直流母线，直流母线通过DC/DC转换器与储能单元模块相连.仿真系统的主要参数见表1.

4.2 充放电性能仿真

当系统处于制动时，复合储能装置处于充电状态，储能单元的电压变化见图7.蓄电池和超级电容处于充电状态，根据蓄电池和超级电容能量密度的特点设置控制单元，制动回馈的能量按照一定的比例储存在蓄电池和超级电容.超级电容的充电速率明显高于蓄电池，制动开始时的瞬间响应很大；蓄电池的瞬间响应较为缓慢，整个充电过程较为平稳.

表1 仿真系统的主要参数

图7 储能装置充电电压图

当系统处于加速或巡航时，复合储能装置处于放电状态，储能单元的电压变化见图8.超级电容放电瞬态功率远远大于蓄电池，但蓄电池的容量大于超级电容.当船舶需要加速或者起航时，功率密度较大的超级电容可以提高较大的瞬时功率，这时超级电容放电，提供起航加速的瞬态功率；当船舶航行处于稳定时，能量密度较大的蓄电池放电，提供相应的巡航功率.

图8 储能装置放电电压图

4.3 复合储能系统动态性能仿真

对于储能装置的充放电控制，采用电压电流双闭环的控制方式，中间直流母线的电压变化图见图9.由图9可知直流母线的电压在充放电过程中虽然有波动，但是波动幅度在可控范围内，总体的电压能够稳定在1 150 V左右，使直流母线具有较好的可靠性和动态性.

图9 直流母线的电压变化

结果表明，复合储能装置能够很好的结合蓄电池和超级电容的优势，很好地改善了目前单一的储能装置的不足.既弥补了超级电容能量密度小的不足，又解决了蓄电池功率密度小的缺点，使储能装置适用于船舶航行的各种工况，有效地提高了能量利用率.复合储能装置在对能量进行回馈再利用的同时，对船舶功率进行调节，保持其直流母线电压保持稳定，不仅有利于船舶电力设备的安全工作，而且大大减少了燃油的消耗.

5 结 束 语

针对船舶电力推进系统制动过程中存在直流环节的泵升电压问题，将复合储能装置引入船舶电力推进系统，并对其进行了Matlab/Simulink仿真.结果表明该装置很好的结合了超级电容功率密度大和蓄电池能量密度大的特点，可以向各种工况下航行的船舶供电，解决了单一储能装置(超级电容)能量密度小，单位容量低，不适合在船舶正常航行时向其提供能量的不足.该方法不仅对制动能量进行了回馈再利用，而且对船舶运行工况具有功率调节的作用，使得船舶电站能够保持相对稳定( 柴油发电机始终工作在最佳工作点附近) ，提高了能源的利用率.虽然目前储能装置的成本较高，但是大容量蓄电池与超级电容器技术的发展，复合储能装置的价格也会大幅下降，复合储能装置在船舶电力推进系统中具有较好的应用前景.

[1]盖金龙.船舶电力推进实验平台监控设计与能效研究[D].大连:大连海事大学,2014.

[2]石继升.船舶电力推进系统中制动能量回馈存储方法研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2013.

[3]鲁鸿毅,何奔腾.超级电容器在微型电网中的应用[J].电力系统自动化,2009,33(2):87-91.

[4]JAAFAR A, AKLI C R, SARENI B, et al. Sizing and energy management of a hybrid locomotive based on flywheel and accumulators[J].Vehicular Technology, IEEE Transactions on,2009(58):3947-3958.

[5]徐海平.大功率双向DC-DC变换器拓扑结构及其分析理论研究[D].北京:中国科学院研究生院,2015.

[6]朱炜,李辉辉.舰船综合电力推进技术的发展现状研究[J].船舶，2013(3)：51-58.

[7]许晓彦,石晴晴.电力推进船舶电网提高电能质量方法研究[J].电气技术，2010(8)：151-159.

Wuhan430063,China)2)

Design of Complex Energy Storage Device for Marine Electric Propulsion System

YANG Xiangguo1)YANG Cheng2)LIN Zhiguo2)TAO Fengwei2)ZHOU Ke2)TIAN Lei2)

(KeyLaboratoryofMarinePowerEngineering&Technology,WuhanUniversityOfTechnology,Wuhan430063,China)1)(SchoolofEnergyandPowerEngineering,WuhanUniversityOfTechnology,

In the working state of the deceleration brake, electric propulsion ship has pump lift problem with DC link. In the traditional electric propulsion system, the problem is mostly solved by using the brake resistance or a single energy storage device. According to this problem, this paper designs a set of complex energy storage device creatively. The simulation in MATLAB/Simulink shows that the complex energy storage device can meet the technical requirements of braking energy feedback.

electric propulsion ship; braking energy; complex energy storage

2016-08-29

*国家自然科学基金项目(51507121)、湖北省自然基金项目(2014CFB843)、船舶动力工程技术交通行业重点实验室开放基金项目(KLMPET2015-04)、中央高校基本科研业务费专项资金项目(2015Ⅲ07)资助

U664.14 doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.05.019

杨祥国(1981- )：男，博士，主要研究领域为系统仿真与控制