混合储能系统在舰船中压直流系统中的能量优化与控制

张欢欢， 郭 燚

(上海海事大学 物流工程学院， 上海 201306)

混合储能系统在舰船中压直流系统中的能量优化与控制

张欢欢， 郭 燚

(上海海事大学 物流工程学院， 上海 201306)

基于环形舰船中压直流电力系统，增加了锂电池和超级电容混合储能系统，优化了发电系统的效率，研究了发电机起动、负载突变以及脉冲负载过程的能量优化与控制。针对不同工况，实行不同的功率分配方案。仿真结果表明,将混合储能系统应用在舰船上不仅能够快速响应负载、稳定直流母线电压，而且可以使发电机工作在最佳状态，提高了能量利用率。

舰船； 中压直流； 脉冲负载； 锂电池； 超级电容； 能量优化

舰船系统可用储能技术有超导储能、飞轮储能、电容器储能、电池储能、超级电容储能等[1-3]。增加储能技术主要为了提高效率和响应脉冲负载。汽轮发电机组、柴油发电机组工作在接近额定状态时的燃料利用效率是最高的[3]。当负载需求功率较小时，发电机无法工作在理想状态下，此时可增加储能装置，由储能装置吸收多余能量，使发电机工作在接近额定状态；当需求功率较大、而发电机无法满足时，可通过储能装置释放一部分能量，由储能单元和发电机共同配合满足负载需求。对于舰船上特有的高能武器等脉冲负载，由于发电机的原动机无法在极短的脉冲时间内响应脉冲负载，故可由响应速度快、功率密度大的储能装置解决这一问题。对此，文献[4]中提出一种带有蓄电池储能系统的新型全电力推进系统。文献[5]中对锂电池与超级电容在新一代船舶中压直流系统上的应用做了可行性分析，虽然对多种工况进行了仿真，但忽略了动态过程，也没有对脉冲负载进行分析。文献[6]中提出由电池、超级电容器、飞轮3种储存技术组成的混合储能系统,该系统控制策略复杂，质量和体积庞大，占据了船上大量空间。文献[7]中设计了200 MJ的电容器满足电磁轨道炮功率需求，但电磁炮的发射次数受限。文献[8]中研究了大型脉冲负载在未来电力船上的协调问题。

基于上述分析，本文在船舶中压直流电力系统中，加入锂电池、超级电容器混合储能系统，针对舰船的不同工况，提出不同的功率分配方案，解决舰船上一些特有的功率需求问题，实现舰船能量的优化与控制。

1 增加混合储能系统的舰船中压直流电力系统

为适应未来海上作战需求，进一步减小中压直流系统的体积、提升效率，Electric Ship Research and Development Consortium(ESRDC)提出船舶环形中压直流电力系统模型，现已被IEEE所采纳[9-10]。该系统母线电压等级为5 kV，以2台额定功率为36 MW的主发电机和2台额定功率为4 MW的辅助发电机作为电源。舰船负载分为区域负载、动力负载和高能武器脉冲负载，其中区域负载有4部分组成，动力负载包括雷达和推进负载(由2台36 MW的推进电机组成)。未来舰载激光炮和电磁炮脉冲负载功率将达MW级[11]，模拟高能武器的脉冲负载如表1所示。该脉冲负载在0.01 s内，功率变化可达25 MW。ESRDC开发的模型是由电容器组作为储能系统来解决脉冲负载的功率需求。然而，电容器组能量密度低，充、放电电流不易控制，且储存时间极短。为了更好地应对脉冲负载和优化系统效率，本文在ESRDC提出的环形模型基础上，增加由高能量密度锂电池和高功率密度的超级电容组成的混合储能系统。该储能系统通过双向有源变换器(Dual Active Bridge, DAB)与直流母线相连，其结构如图1所示。

表1 脉冲负载参数

注:tp为脉冲时间;Pp为脉冲功率

2 混合储能系统的应用分析

2.1 混合储能系统结构与工作原理

文献[12-14]中对混合储能系统的结构和控制策略进行了研究，适应于舰船电力系统的混合储能系统结构如图2所示。其中，PL为负载功率;PG、PB、PSC分别为发电机、锂电池、超级电容输出功率，有PL=PG+PB+PSC。

图2 混合储能系统结构

锂电池和超级电容的能量流动是双向的，通过DAB与直流母线相连接，可以控制锂电池、超级电容与母线之间能量流动的大小和方向。母线上的负载有恒功率负载和脉冲功率负载两类；锂电池主要负责缓冲脉冲负载功率值较低的低频分量；超级电容负责缓冲脉冲高频功率分量及低频分量中功率值较高的部分。锂电池和超级电容相互配合，以减少脉冲负载对母线电压造成的冲击，并保证母线上能量供需平衡。

2.2 混合储能系统的应用分析

舰船一般有巡航模式、战斗模式、停泊模式。因停泊模式的负荷较小，故不做分析，本文主要对巡航模式和战斗模式两种工况进行研究。

(1) 巡航模式下，长时间服务的大功率负载突然接入时。由于燃气轮机加载和卸载速度较慢(约30～50 MW/min)，故当大功率负载突然接入时，发电机不能迅速响应，将导致直流母线电压降低，严重时造成电力系统崩溃。为了及时响应这种突然接入的大功率负载，可加入储能装置。本文在文献[13]的基础上增加了超级电容。若燃气轮机的加载速度为48 MW/min，0时刻有脉冲负载接入，在0.1 s内脉冲负载增加至25 MW，电池最大可持续充、放电功率为10 MW，发电机、锂电池、超级电容器的功率分配如图3所示。

图3 发电机起动时功率分配

(2) 战斗模式下，脉冲负载接入时。在战斗模式下，发电机组工作状态均接近额定状态，此时脉冲负载所需能量应由储能系统提供。以表1中所给的模拟脉冲负载为例，可计算得到一个周期内该负载所需平均功率为

为充分发挥锂电池和超级电容的优点，锂电池在整个周期内提供脉冲负载所需平均功率;在0～7 s和9.26～10.00 s内，因负载需求功率较低，多余的能量由超级电容器吸收;在7～9.26 s内负载功率变化极快且幅值极大，锂电池和超级电容共同放电以满足此脉冲负载的大功率需求。若在一个周期内，超级电容吸收和释放的能量相等，则可避免在其他时间对超级电容器充电，更具有灵活性。

3 功率控制与分配

3.1 发电系统功率控制

发电系统由发电机经过整流器变为5 kV的中压直流母线提供能量，发电机电压调节器和二极管相互配合，保证了直流母线电压的输出。输出电压与功率的控制结构如图4所示。图中,wref为额定转速；UDC_ref为的端电压；Pref为发电机根据负载需求所提供的有功功率；Pshaft为同步电动机的输入功率；ws为同步电动机的定子转速；ks为原动机比例因子；Ef为励磁电压；P为发电机输出有功功率的瞬时测量值；kd为U/P反下垂控制系数；UDC为直流电压的测量值。

图4 发电系统输出功率与端电压的控制

3.2 发电机起动过程的功率控制

当某时刻负载突然增加并保持不变，需要起动发电机时，由于燃气轮机加载速度较慢，不能及时满足负载需求，由储能系统提供差额功率，其功率分配如图5所示。图中,PB_ref为锂电池的输出参考功率，k为U/P下垂控制系数;Psc_ref为超级电容输出功率参考值。

图5 发电机起动过程功率分配

3.3 锂电池、超级电容的功率分配

锂电池、超级电容的功率分配如图6所示，由锂电池输出脉冲负载所需的平均功率(实际应由锂电池和发电机共同提供)。超级电容的输出功率由脉冲负载功率、锂电池实际输出功率PB和母线电压UDC共同决定，不仅能够满足脉冲负载的需求，而且可以通过母线电压误差修正超级电容的输出功率，减小母线电压波动。

图6 锂电池与超级电容的功率分配

Fig.6 Power distributing of lithium battery and supercapacitor

3.4 发电机系统与锂电池的功率分配

当发电机工作在最佳工作范围，即其输出功率大于负载需求功率时，对锂电池组进行充电；反之，锂电池组放电，其功率分配如图7示，其中PC为巡航模式需求功率。

图7 发电机与锂电池的功率分配

4 仿真实验与分析

为验证本文方法的有效性，根据图1模型，利用Matlab/Simulink进行仿真实验，仿真参数如下：主发电机选用额定功率为36 MW的MT30燃气轮机发电机，最低有效输出功率为25 MW[12]，发电机额定电压为4.16 kV。

(1) 当长时间服务大功率负载接入、需起动燃气轮机发电机。图8给出了巡航模式下的仿真结果。

图8(a)为t=5 s，PL增加至25 MW时，PG、PB、PSC的变化情况。由图可见，当t=5 s时，需求功率增加至25 MW，由于燃气轮机加载较慢，PG从0 MW开始按照其加载曲线逐渐增加，而差额功率由储能系统提供，其中PB的限幅为10 MW，其余功率由超级电容输出。

图8(b)为t=5 s，PL由25 MW突然降低为23 MW时，PG、PB的变化情况。由图可见，PG不变，而PB随之下降。这是由于为确保燃气轮机的工作效率，多余的能量由锂电池吸收的缘故。

图8(c)为当t=5 s时，PL突然增至38 MW，PB和PG的变化情况。如图可见，由于发电机不能满足PL的需求，此时，由锂电池提供了一部分能量以满足负载的需求。

(2) 战斗模式下,舰船连续接入2次脉冲负载(参数见表1)。第1次接入时刻为5 s。图9给出了战斗模式下的功率控制仿真结果。

(a) PL增加至25 MW

(b) PL下降至23 MW

(c) PL由35 MW突增至38 MW

图8 巡航模式下，输出功率控制仿真结果

Fig.8 Simulation results of output power control in cruise mode

(a) 脉冲负载功率、储能系统总输出功率、母线电压

(b) 锂电池与超级电容器的输出功率

由于在初始时刻，发电机能满足舰船基本负载的功率需求，当接入脉冲负载后，发电机维持原来最佳输出功率，故本文未给出发电机输出功率。由图可见，锂电池只提供加载1次脉冲负载的平均功率，当发电机和锂电池提供的功率超过脉冲负载的需求功率时，由超级电容吸收多余功率；而当发电机和锂电池提供的功率低于脉冲负载需求功率时，则由超级电容发出功率；超级电容起到了缓冲作用。因此，在理想情况下，当战斗模式结束时，超级电容容量将与战斗模式开始时相等，从而避免为使舰船随时进入战斗状态，而需要在其他时间对超级电容的预充电的情况。

5 结 语

本文在分析舰船系统功率需求的基础上，将锂电池、超级电容器储能应用在舰船中压直流电力系统上，对不同工况采用不同的功率分配方案，使燃气轮机发电机组工作在效率较高范围内。负载需求小于发电机的最低有效输出功率时，发电机输出功率为下限功率，多余部分由储能吸收，当发电机输出功率不能满足负载需求时，储能系统发出功率。利用Matlab/Simulink针对舰船可能的工况进行仿真。结果表明,当负荷发生变化时，发电机工作可以工作在最佳状态，能够合理分配发电机和储能系统的输出功率，并且能够稳定直流母线电压，实现了舰船能量的优化与控制。

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Energy Optimization and Control of Hybrid Energy Storage System in Medium Voltage DC System of Warship

ZHANGHuanhuan,GUOYi

(Logistics Engineering College, Shanghai Maritime University， Shanghai 201306 China)

Lithium batteries and a supercapacitor hybrid energy storage system are used to optimize generator’s efficiency in a medium voltage DC system of warship. Research has been done on energy optimization and control of generator start-up, load mutation and pulse load. Under different conditions, several power allocation schemes are implemented. The simulation results show that the hybrid energy storage system can quickly respond to the load on ships, make DC bus voltage stable, and make the generator work under the best condition so as to improve energy efficiency.

warship; medium-voltage DC; pulse load; lithium battery; supercapacitor; energy optimization

2017 -01 -15

国家自然科学基金面上项目资助(61673260);上海海事大学校基金项目资助(20120100)

张欢欢(1991-),男，硕士生，主要研究方向为储能技术在船舶电力系统的应用, E-mail：zhanghuanhuan33@stu.shmtu.edu.cn

2095 - 0020(2017)01 -0034 - 06

U 665.12

A