船舶储能系统的硬件在环仿真验证方案

陈 明，杨恒瑞，丁 峰

（1. 海军装备部驻广州地区第一军事代表室，广州 510260；2. 上海船舶设备研究所，上海 200031）

0 引言

由于多种类、大功率和非周期性等电力负载在船舶中应用的增加，新一代综合电力船舶将需要更加灵活、高效和可靠的能量供给，船舶储能系统应运而生。船舶用储能系统对维持船舶综合电力系统多种类、大功率和非周期性电力负载的正常运行以及提高船舶电网电能质量方面起着至关重要的作用。船舶储能系统可满足船舶负载的独特性和船舶的操作的多样性，以改善船舶电力系统的动态和静态稳定性。然而，面对复杂的船舶综合系统，如何对其中储能系统的调试、测试、控制以及评价是目前的一个技术难点[1]。现阶段对船舶储能系统的方案进行验证通常有数字仿真法。数字仿真法是通过对船用储能系统和船舶电力系统进行数字建模，通过对模型的仿真计算，对船用储能系统的方案进行设计和验证，这种方法优点是模型灵活可变、易于实现、测试安全可靠，但测试结果的可信度取决于建设模型的置信度，对于阶次高、迭代次数多、非线性特性强的系统，其可信度不够高[2]。为了解决数字仿真可信度不高的问题， 本文基于硬件在环（Hardware-in-the-Loop，HIL）仿真技术，将部分实物引入到数字仿真回路中再进行仿真，将实物模型和数字模型相结合，搭建可靠性高的硬件在环实时仿真平台来验证船舶储能系统方案的有效性。同时，使用RT-LAB仿真平台，建立配置了船舶储能系统的船舶直流综合电力系统的实时仿真模型，在该硬件在环仿真平台满足储能系统所需的模拟量和数字量输入输出需求，并对其进行方案验证[3-4]。

1 硬件在环仿真技术

1.1 硬件在环仿真技术

目前对船舶电力系统的数学建模和仿真分析通常建立在Matlab和PSCAD等数字仿真软件的基础上，使用数字仿真软件对电力系统的建模过程难以保证对阶次高、迭代次数多、非线性特性强的系统电力系统的可靠建模[5]。并且数字仿真软件的计算速度取决于计算机的CPU性能、仿真模型的规模大小和仿真步长等因素。为了解决数字仿真的以上问题，硬件在环实时仿真技术可以将部分实物引入到数字仿真回路中再进行仿真，将实物模型和数字模型相结合，搭建可靠性高的硬件在环实时仿真平台，以此得到更接近实际运行情况的仿真模型，提高仿真的置信水平[6]。

1.2 RT-Lab 实时仿真平台

RT-Lab是加拿大Opal-RT公司开发的实时仿真平台，能够为电力系统、新能源电站、智能电网等领域提供可靠的实时仿真[7]。各领域的软硬件设计师可以方便地迁移Matlab或者Simulink的数字模型到RT-Lab试验室中，并可快速进行硬件在环测试，可以以很低的花费，将Matlab或者Simulink的数字模型进行模块化分割，方便设计人员进行设计、管理和调试。基于RT-Lab的硬件在环测试仿真方案几乎可以用于任何的电力系统工程设计平台，这对减少设计开发成本、增加设计开发可靠性有着十分重要的意义[8]。

2 船舶用储能系统仿真设计

在船舶实际航行中，频繁的负载波动会给电力系统带来较大影响。为提高系统稳定性，本项目中将引入储能技术。船舶储能系统可满足船舶负载的独特性和船舶的操作的多样性，以改善船舶电力系统的动态和静态稳定性

蓄电池储能和超级电容储能的拓扑结构与充放电控制方法均基本相似，其中蓄电池和超级电容都选用Matlab/Simulink中配置的模型，为保证仿真结果的真实性，相关参数设置均采用仿真库中已有模型的配置参数。下面选蓄电池储能为例作详细介绍。

蓄电池组和直流母线的串联方法，采用了支持能量双向流动的DC/DC电力电子模块，并通过使用PWM方式调节双向DC/DC变换器两端启动开关管的占空比，实现了电能的双向流通，对变换器可以通过不同的操作方法进行对蓄电池的充放电转换。

2.1 蓄电池和超级电容充放电控制模型

蓄电池组与直流母线的连接方式选用支持电能双向流动的DC/DC电力电子模块，其拓扑结构见图1。图1中，蓄电池的充放电过程是通过控制双向DC/DC变换器的2个开关管的占空比来实现的。通过计算和测试，设定蓄电池和超级电容侧电感L1=0.05 H，直流侧电容C1=0.02 F。

图1 蓄电池充放电拓扑结构

2.2 蓄电池和超级电容充放电模式

超级电容和铅酸蓄电池在充放电控制方面有很多相似的地方。目前，应用于二者的充放电方式有多种，如恒流充放电、恒压充放电和恒功率充放电等。在实际应用中一般储能装置的充电模式根据储能系统特征和储能系统的能量状态灵活地选择。下面介绍本方案中设计的几种充电方式。

1）恒流充电

恒流充电总是以恒定电流进行充电。这种充电方式可以根据储能模块和电网实时状态选择和调整充电电流。恒流充电的控制结构图见图2。

图2 恒流充电控制图

图2中，IB作为反馈值，是储能元件实际充电电流；IB_ref为充电电流给定参考值。考虑到电池的本身物理特性及最佳使用方式等，采用恒流充电必须考虑储能元件不同状态能承受的最大电流，而且电流不能过大。

2）恒压充电

恒压充电也称为限压充电，是指始终以恒定的电压给储能元件充电，恒压充电的控制图见图3，其中Udc为直流母线实际电压，也即反馈值；Udc_ref为直流母线电压参考值。

图3 恒压充电

3）恒功率充电

恒功率充电是指始终以恒定的给定功率值给储能单元充电。恒功率充电的控制图见图4，UB为储能元件端电压；PB_ref为充电功率给定参考值。

图4 恒功率充电

2.3 飞轮储能单元

在实际运行过程中，飞轮储能电池具有以下3种不同的工作模式：充能模式、放能模式和能量保持模式。图5为飞轮储能电池在不同工作模式下的工作原理图。

图5 飞轮储能电池在不同工作模式下的工作原理

根据前文分析，设计飞轮储能充放电控制策略控制框图见图6。

图6 飞轮储能的充放电控制系统

3 船舶用储能系统的硬件在环方案设计

基于RT-LAB实时仿真系统和多通信网络，船舶储能系统实时仿真测试平台架构见图7，包括4部分：RT-LAB实时仿真机、外部实际控制器、LabVIEW交互界面和通信网络。该仿真系统的控制命令可选择由控制界面或外部控制器发出，船舶模型根据控制命令模拟储能系统的实际运行工况，同时将储能系统电压、电流等信号反馈回显示界面，在此，通过数据采集卡完成数据的采集和传输，采用以太网通信方式与外部设备进行交互，在上位机、目标机和能量管理控制器之间通过交换机形成环网通信。该平台的一个重要特点是可以借助先进的仿真设备和高速通信网络实时获取船舶的全面详细信息，信息将传输到界面以支持监视，调节和保护。

图7 硬件在环实时仿真测试平台架构

根据上述结构，搭建硬件在环仿真平台见图8，从而验证船舶储能系统真实控制器的性能，为后期研究奠定了基础。

图8 硬件在环仿真平台

4 船舶用储能系统的硬件在环验证及分析

4.1 蓄电池储能仿真分析

根据前面介绍的充放电的控制策略，此处选择恒压充放电模式进行仿真分析。考虑到避免系统过充和过放的问题，当蓄电池的SOC大于80%时，蓄电池将进入浮充模式；当SOC小于20%时，蓄电池将不再继续放电，而是由控制系统控制DC/DC双向变换器进入停止状态。本次试验蓄电池将在t=0.4 s时放电，t=1.2 s蓄电池进行充电。

图9展示了直流母线电压的变化曲线。在0.4 s和1.2 s时，蓄电池切换其负载特性，直流母线电压也能迅速恢复至稳定值1 pu。

图9 直流母线电压的变化曲线

图10展示了蓄电池电流变化与充放电状态之间的关系，当蓄电池采用双闭环控制时，蓄电池放电状态下电流大于0，蓄电池充电状态下电流小于0，曲线的阶跃性表示了蓄电池充放电系统能迅速切换充放电状态，满足电力系统的快速性。

图10 蓄电池电流的变化曲线

图11展示了蓄电池荷电状态（State of Charge，SOC）变化曲线与充放电状态之间的关系，蓄电池在0～1.2 s的放电过程中，其SOC数值从60%开始下降；蓄电池在1.2 s～2 s的充电过程中，其SOC数值逐步上升，该过程与理论设计符合一致，验证了本仿真平台的准确性。

图11 蓄电池SOC 的变化曲线

4.2 超级电容器储能仿真分析

超级电容的仿真模型与蓄电池类似，只是储能介质特性不同。在恒流控制时，可以直接设置额定电流值的不同倍率，见图12，从而适应不同放电倍率的需求。图13超级电容以同等电流在恒流放电模式下放出22 kW功率的响应时间。对于同样功率的负载，超级电容只需约71 ms，可以看其响应时间是毫秒级的，所以也能适应毫秒级特殊负载的需求。

图12 超级电容不同放电倍率下的SOC 变化曲线

图13 超级电容响应22 kW 负载所需时间

4.3 飞轮储能仿真分析

在飞轮储能装置中，摩擦阻力由于采用了磁悬浮技术而摩擦力几乎可以忽略不计，因此可以采用大转动惯量来模拟飞轮储能装置。系统仿真参数如下：

1）飞轮储能充电仿真分析

利用上述系统仿真参数对飞轮储能电池充能控制系统进行仿真，可得到仿真结果见图14和图15。飞轮电机启动后转速迅速上升，在3.1 s左右达到额定值3 000 r/min，然后电机维持在运行状态。在飞轮电机充电阶段电机的转矩Te保持在最大值，保证了电机功率能够线性迅速上升，在3.1 s转矩迅速下降至0，功率也随之迅速下降为0并保持，启动加速阶段完成，不再吸收功率。

图14 相电流波形

图15 充电功率波形

2）飞轮储能放电仿真分析

现设定飞轮的初速度为3 000 r/min，母线电压参考值为540 V，转动惯量为0.5 kg·m2，直流侧带30 Ω电阻负载，放电仿真结果见图16～图18。

图16 放电过程中直流侧电压波形

图17 相电流波形

图18 放电功率波形

从图16可知，本试验平台电力系统在的0～1.5 s的放电工况内，直流侧母线电压在540 V保持稳定。在1.5 s～3.5 s内，直流侧电压逐渐下降，最终降为0。从反映输出功率变化的图18中也可以看出先稳定后逐渐下降的趋势。

5 结论

在船舶电力系统的开发研究阶段，为了减少试验验证工作的成本并提高可靠性，本文基于RT-LAB实时仿真平台，根据所建船舶储能系统实时仿真模型，完成了船舶储能系统硬件在环仿真方案测试。所建储能系统不仅配置了恒压、恒流和恒功率3种充/放电方法，而且设计了基于直流母线电压阈值的自动充/放电方式和手动强制充/放电方式，测试结果符合各储能装置的性能特性和指标要求，可为后续的船舶综合电力系统测试提供可靠提供有效平台。