船舶光伏-混合储能系统的控制优化

2019-07-03

船海工程 2019年3期

(武汉理工大学能源与动力工程学院，武汉 430063)

采用太阳能发电与储能相配合的内河电力推进船舶将得到广泛应用[1-2]。太阳能发电清洁，但存在功率不可预测性和出力间歇性，无法得到高可靠性的供电[3]，必须引入储能系统[4]。单一的储能形式一般难以同时满足高功率密度和高能量密度的要求，蓄电池和超级电容在性能上有很强的互补性[5]，两者组成混合储能，配以相应的能量管理方案和控制策略，可实现光伏发电的的稳定、经济运行[6]。储能元件的合理的工作状态用荷电状态(SOC)来表示。SOC过高或过低都会造成蓄电池、超级电容的寿命减少[7]。船舶电网混合储能的功率控制至关重要。

内河直流船舶电网可简化为拓扑图1，系统经由直流母线与变换器分别连接光伏、蓄电池、超级电容与船舶负载。光伏、蓄电池和超级电容协调出力共同构成船舶的能量来源。直流母线电压值是直流电制船舶电网的电能质量控制的主要指标[8]。当母线电压跌落时，要求发电端仍能有效提供电能维持一定的电压，确保推进电机不脱离电网维持运行状态，具备“穿越”低电压区域系统的低电压穿越能力[9]。

图1 船舶电网的简化拓扑结构

针对在船舶运行中，光伏发电和负载功率接近的临界状态下，蓄电池充放电切换频繁；船舶启动时低电压穿越(LVRT)能力差的问题，在文献[10]提出的混合储能分频协调控制基础上，提出可变增益值的控制策略；根据船舶运行情况将混合储能元件分成在3种典型工况下的3种工作模式；以优化超级电容的SOC，减少蓄电池的充放电切换次数，加快LVRT的速度。

1 超级电容SOC的控制策略设计

1.1 可变增益的SOC控制的原理

对不考虑直流母线电容滤波的传统混合储能分频协调控制过程进行简化，见图2。

图2 传统分频协调控制

电压外环输出参考电流Iref之后，在电流内环之前，设置低通滤波器，对电流内环的参考电流信号进行分配。蓄电池和超级电容分别响应低频和高频直流母线电压波动的信号。

由图2可得

Ic-ref=Iref-Ib-ref

(1)

在Iref不变的情况下，蓄电池和超级电容的参考信号的变化趋势总是相反的。因此，设计一种快速调节超级电容SOC控制方法。在低通滤波器后，Ib-ref负反馈信号检测前，加入一个可变增益控制环，增益值为K。此时有

Ic-ref=Iref-KIb-ref

(2)

调节K值，快速改变Ic-ref的正负，即改变超级电容的充放电状态，从而控制超级电容SOC。

1.2 K值的调节要求

1)K值调节的启动和退出条件。若K值调节条件为一个边界点，负载功率波动工况下K值切换频繁，蓄电池充放电电流不稳定。故设定SOC值达到S1，进入调节状态；S2时退出调节。

2)K值变化率要求。增益K不能变化太快，变化太快，蓄电池的电流参考信号KIb-ref变化快，蓄电池无法进行平滑电流的充放电，弱化低通滤波器的功能。

3)K值的大小要求。超级电容与蓄电池相比能量较小，K值不超过2即可实现SOC控制。考虑蓄电池不过流，故设定K=1.4。

1.3 不同SOC情况下的K值

根据超级电容实际SOC，将滤波器输出的参考电流作为输入，通过函数判断，确定需要输出的K值。

1.3.1SOC的设定调节参考值

为防止超级电容的过充和过放，考虑SOC估计值与真实值的误差和直流母线的电压快速跌落的情况，设定SOC下限值为40%，上限为90%，控制目标值为70%。

1.3.2K值和蓄电池参考电流Ib-ref的关系

1)超级电容SOC低于40%。

(1)若Ib-ref>0(蓄电池放电模式)，增益K>1可提高蓄电池的放电量，从而传递到超级电容的负反馈信号增大。由式(2)知，超级电容获得的参考电流信号Ic-ref<0，即超级电容获得充电信号，从而增加SOC。

(2)若Ib-ref<0(蓄电池充电模式)，增益K直接设为0，此时蓄电池停止工作。由式(2)知，Ib-ref不变时，可使传递给蓄电池的充电信号转移到超级电容，超级电容获得的充电电流信号Ic-ref增加，增加SOC，同时也减少了蓄电池充放电次数。

2)超级电容SOC大于设定值90%。分析方法同上。由此建立不同SOC值下增益K值的分段函数取值表如下。

表1 SOC不同状态下的K值

2 低电压穿越和临界状态控制优化

2.1 3种状态模式的分频协调控制设计

根据船舶的实际情况设计控制策略，将船舶电网工作状态细分为正常状态、临界状态、低电压穿越状态,分别对应3种控制模式，见图3。

图3 3种状态模式的分频协调控制设计

1)临界状态。当光伏输出功率与负载功率接近时，蓄电池处在小电流充放电频繁切换的临界状态，断开图3中的开关1，使蓄电池停止充放电，由超级电容替代蓄电池工作。避免蓄电池组因高频率的充放电切换导致寿命减少。

2)低电压穿越状态(LVRT)。通常为船舶离岸时第一次启动，低电压状态被识别后，开关1闭合，断开图3中的开关3，闭合开关2。在低电压状态下，蓄电池和超级电容同时输出提高低电压穿越能力。

3)正常状态。母线电压正常调节的非临界状态，此时为传统分频协调控制状态。

2.2 3种状态模式识别与转换条件

通过控制开关1、2和3，实现3种状态对应3种控制模式的转换，见表2。

3 仿真实验

利用MATLAB/Simulink软件搭建光伏-混合储能系统在电力推进船舶负载下的仿真模型，见图4。光伏-混合储能系统由锂电池组、超级电容、光伏、充放电变换器和能量控制优化子系统组成，系统仿真基本参数见表3。

表2 状态识别与开关操作

图4 光伏-混合储能系统仿真模型

表3 系统仿真基本参数

3.1 超级电容SOC控制分析

对超级电容充放电不平衡的负载设计时，为加快系统仿真计算速度，对超级电容值进行如下设置。

1)超级电容的电容值从5.8 F设置为1.0 F，提高SOC变化率。

2)SOC初始给定值在下限40%上端附近，实验开始时加负载，触发从正常SOC到低于正常SOC值。

仿真时间150 s，超级电容SOC变化见图5。

图5 超级电容SOC变化

由图5可知，开始时超级电容处在放电模式，SOC减小并在达到40%稳定后上升，超级电容处于充电模式；SOC到达90%后，又迅速下降到70%，超级电容放电模式。由SOC变化斜率可知，触发下限40%到额定值70%的过程中，斜率较大，此时增益K为1.4；达到70%后斜率变小，增益从1.4变为1。当触发到SOC上限90%后，增益K改变，由超级电容放电。SOC回落到额定值70%后，增益K变为1重新进入正常状态。整个仿真时段内，超级电容SOC一直在40%～90%。

3.2 临界状态充放电控制分析

光伏发电系统在标准环境下正常输出最大功率8.6 kW，前5 s给定37-40 kW的波动负载，在5 s时将负载功率突降至7～10 kW，母线负载端电流变化见图6。

图6 正常模式到临界模式的放电电流

仿真过程中，在5 s后，由于光伏发电功率(8.6 kW)和负载功率(7～10 kW)大小相近，光伏电流Ipv与负载电流IL差值较小。锂电池放电电流变为0，停止工作；超级电容处于正常工作模式来稳定母线电压。控制系统实现了从正常模式到临界模式的转换。临界模式下，超级电容单独工作，减少了锂电池工作时间和充放电切换次数，从而提高了锂电池的寿命。

3.3 低电压穿越优化分析

初始给定负载功率为5 kW，并在2 s时将负载功率突变为60 kW，检验LVRT功能。传统和优化后分频协调的控制策略对比见图7。

图7 低电压穿越过程中母线电压仿真对比

由图7可知，在2 s时母线电压跌落。在恢复正常电压的过程中，优化后的分频协调控制，首先达到可正常工作的电压下限450 V，比传统分频协调控制快0.1 s左右。当达到450 V电压后，优化前与优化后的调节能力基本一致。从低电压恢复到450 V的电压正常值过程中，优化后的控制可以同时实现超级电容和锂电池最大程度的输出，充分利用了超级电容短时快速放电的能力，电压恢复所需时间较短。