王文斌，俞萬能，楊榮峰，于洪亮，張文斌

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船舶微網(wǎng)功率分配策略仿真研究

王文斌，俞萬能，楊榮峰，于洪亮，張文斌

（集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建廈門 361021）

針對包含柴油發(fā)電機(jī)、光伏陣列、儲能電池組成的船舶微網(wǎng)系統(tǒng)，提出了一種船舶微網(wǎng)功率分配策略。該控制策略依據(jù)各微源出力和負(fù)荷情況，制定相應(yīng)的功率分配計劃。在Matlab/simulink環(huán)境下對船舶微網(wǎng)各個組成部分進(jìn)行建模并對所提出的控制策略進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果驗證了所提出的控制策略的可行性和正確性。

光柴儲 船舶微網(wǎng) 功率分配

0 引言

目前，船舶電站主要依靠柴油發(fā)電機(jī)為用電負(fù)荷提供電能，雖然其可靠性好但也造成了大量不可再生能源的消耗和環(huán)境污染。隨著傳統(tǒng)化石能源的日益枯竭，無污染且豐富的可再生能源如風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮?、潮汐能等新能源的利用受到廣泛的關(guān)注。新能源特別是太陽能在船舶微網(wǎng)中的廣泛應(yīng)用也將成為不可避免趨勢。

為了充分利用可再生能源，保證船舶微網(wǎng)的安全可靠運行，必須對各發(fā)電單元輸出功率進(jìn)行合理調(diào)配。但是目前對于船舶微網(wǎng)方面的相關(guān)研究較少。文獻(xiàn)[1]針對小型船舶，設(shè)計了基于電池組，柴油發(fā)電機(jī)和太陽能的船舶混合動力系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)配置、控制結(jié)構(gòu)和能量管理策略，微網(wǎng)中包含380 V電網(wǎng)、220 V電網(wǎng)、直流電網(wǎng)，它們之間通過大量的變換器互聯(lián)，降低了系統(tǒng)的可靠性。文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]對新能源游覽船舶微網(wǎng)能量管理控制系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)并提出相應(yīng)的控制策略，已在實船應(yīng)用，驗證了所開發(fā)的能量管理控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。該套控制系統(tǒng)和控制策略主要針對直流微網(wǎng)，直流微網(wǎng)電能利用率低、成本高。文獻(xiàn)[4]提出基于規(guī)則的能量管理策略，根據(jù)負(fù)載功率需求情況進(jìn)行微網(wǎng)能量控制。供電部分包含蓄電池組和柴油發(fā)電機(jī)，沒有充分利用可再生能源減少船舶的排放。文獻(xiàn)[5]提出了船舶微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)建流程，并對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，有效提高了清潔能源的利用率。

本文針對由光柴儲組成的船舶微網(wǎng)，依據(jù)光伏電池、柴油發(fā)電機(jī)、儲能系統(tǒng)發(fā)電特性，在Matlab/ Simulink仿真軟件中建模。根據(jù)負(fù)荷情況和各微源的運行情況制定合理的功率分配計劃。最后，組建整個船舶微網(wǎng)仿真系統(tǒng)，驗證所提出的功率分配策略的可行性和正確性。

1 船舶微網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

按照分布式電源的接入方式不同，船舶微網(wǎng)可以分為直流微網(wǎng)和交流微網(wǎng)兩種結(jié)構(gòu)。相比直流微網(wǎng)，交流微網(wǎng)具有微源的擴(kuò)展性好、供電可靠性高的特點。圖1為本文研究的船舶微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，該系統(tǒng)由儲能系統(tǒng)、光伏陣列、柴油發(fā)電機(jī)、DC/AC變換器及負(fù)荷組成。儲能系統(tǒng)采用磷酸鐵鋰電池，通過雙向DC/AC變換器接入交流母線，實現(xiàn)了能量在儲能系統(tǒng)和交流母線的雙向流動。光伏陣列通過單向DC/AC變換器接入交流母線，能量只能從光伏陣列流向交流母線。

圖1 船舶交流微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 基于光柴儲船舶微網(wǎng)的建模

2.1 磷酸鐵鋰電池

磷酸鐵鋰電池由于其發(fā)熱量低、穩(wěn)定性好；循環(huán)壽命長；生產(chǎn)和使用過程中無毒、無污染而被廣泛應(yīng)用。本文磷酸鐵鋰電池建模方法參考文獻(xiàn)[6]，如圖2為單體電池等效電路模型。

如圖2所示，單體電池可以等效為A、B、C、D四個部分。A部分為電池的熱模型，由受控電流源τIB和電池?zé)嶙杞M成，反映了電池不同充放電電流下對應(yīng)的溫升。B部分為采用安時積分法估算電池SOC 模型。C部分為滯回電壓模型，反映單體電池的滯回電壓特性。D部分描述電參數(shù)特性，由平衡電動勢emf（Electro-Motive Force）、滯回電壓Lh、直流內(nèi)阻Ω和三階RC網(wǎng)絡(luò)組成。

2.2 光伏電池

光伏電池的等效電路模型[7]如圖3所示。

圖中I為光生電流，其大小取決于光照強(qiáng)度和溫度，為一個受控電流源；I為電壓反作用PN結(jié)產(chǎn)生的電流；I為光伏電池因漏電而發(fā)生的短路電流；R和R分別為光伏電池的串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻；為光伏輸出電壓；為光伏輸出電流。由等效電路圖可得光伏電池的輸出電流為：

上式中I為二極管反向飽和電流；為電子電量常量，為1.602e-19（C）；為二極管特性擬合系數(shù)；為玻爾茲曼常數(shù)，為1.831e-23（J/K）；為光伏電池工作開氏溫度值；I為在太陽輻射強(qiáng)度為1000 W/m2、電池溫度為25℃情形下的短路電流；為結(jié)常數(shù)，為1.5。

圖4為根據(jù)上式得出的光伏陣列模型。

圖3 光伏電池等效電路模型

2.3 柴油發(fā)電機(jī)

柴油發(fā)電機(jī)是把原動機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的一種發(fā)電裝置，圖5為柴油發(fā)電機(jī)的模型框圖，主要包括柴油機(jī)，調(diào)速器，同步發(fā)電機(jī)和同步機(jī)勵磁系統(tǒng)組成。建模方法參考文獻(xiàn)[8]。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用PID控制，柴油發(fā)動機(jī)采用一階慣性近似模型，轉(zhuǎn)差信號經(jīng)過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器得到油門指令值，油門執(zhí)行器依據(jù)指令值給柴油機(jī)氣缸噴油，柴油發(fā)動機(jī)帶動同步發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電。勵磁系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)勵磁電流，保持機(jī)端電壓穩(wěn)定。

圖4 光伏陣列模型

圖5 柴油發(fā)電機(jī)模型框圖

2.4 逆變電源建模

光伏電池和蓄電池輸出的直流電必須通過DC/AC變換器接入交流微網(wǎng)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示，上位機(jī)通過控制信號選擇逆變器的控制模式，控制器根據(jù)不同的控制模式生成IGBT的開關(guān)信號，把直流電轉(zhuǎn)換成交流電，實現(xiàn)了能量形式的轉(zhuǎn)換。本文中采用的控制模式有兩種：電壓/頻率（V/F）控制和功率（PQ）控制。

圖6 逆變電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

V/F控制的作用是控制逆變器輸出恒定的電壓和頻率為微網(wǎng)提供電壓和頻率支撐，其輸出功率隨負(fù)荷變化而變化，控制結(jié)構(gòu)如圖7所示。外環(huán)由“功率參考值形成”環(huán)節(jié)和“功率控制”環(huán)節(jié)構(gòu)成，得到電流內(nèi)環(huán)的參考信號，電流內(nèi)環(huán)把外環(huán)得到的電流參考信號與實際電流比較，對誤差進(jìn)行PI控制得到輸出電壓控制信號。PQ控制的作用是控制發(fā)電單元輸出恒定的功率，控制結(jié)構(gòu)如圖8所示。設(shè)定功率因素為1，功率參考值除以微網(wǎng)電壓得到電流參考信號，電流內(nèi)環(huán)解耦控制，對d軸分量和q軸分量實現(xiàn)了單獨控制。

圖8 PQ控制結(jié)構(gòu)圖

3 船舶微網(wǎng)系統(tǒng)的功率分配策略

船舶微網(wǎng)不同于傳統(tǒng)的電網(wǎng)，沒有統(tǒng)一的調(diào)度中心進(jìn)行協(xié)調(diào)，并且大功率負(fù)荷、非線性負(fù)荷多，運行工況比陸地微網(wǎng)復(fù)雜。因此如何分配船舶微網(wǎng)中柴油發(fā)電機(jī)、儲能系統(tǒng)、光伏陣列的輸出功率是微網(wǎng)安全可靠運行的關(guān)鍵。圖10為功率分配策略流程圖。（load：負(fù)荷需求功率；pv：光伏輸出功率；bch：蓄電池充電功率；bf：蓄電池放電功率；d：柴油發(fā)電機(jī)輸出功率；SOC：蓄電池荷電狀態(tài)；SOClow：蓄電池荷電狀態(tài)下限值）首先檢測各個節(jié)點電壓和電流，計算相應(yīng)的功率。當(dāng)光伏輸出功率大于負(fù)荷時，光伏電池直接給負(fù)載供電，多余的能量給電池充電,此時為太陽能供電模式。當(dāng)蓄電池并入微網(wǎng)且柴油機(jī)沒有啟動時，蓄電池采用V/F控制，為船舶微網(wǎng)提供電壓和頻率支撐，快速補(bǔ)償微網(wǎng)中光伏和負(fù)荷的功率變化，此時為太陽能和蓄電池供電模式。當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)并入微網(wǎng)時，由于柴油發(fā)電機(jī)調(diào)速特性可以為微網(wǎng)提供電壓和頻率支撐，光伏電池和蓄電池都采用PQ控制，此時為光柴儲聯(lián)合供電模式。

4 仿真分析

基于以上各個模塊的建模及分析，搭建圖9所示的船舶微網(wǎng)模型。圖中柴油發(fā)電機(jī)的額定容量為60 kVA，光伏陣列額定功率為23 kW，電池組參數(shù)為100 Ah-537 V。

圖9 船舶微網(wǎng)模型

圖10 功率分配策略流程圖

(a)發(fā)電單元和負(fù)載有功功率曲線

(b)微網(wǎng)母線電壓

圖11 工況1仿真波形

工況1：功率曲線波形如圖11（a）所示，初始時刻，太陽光照強(qiáng)度為1000 W/m2，溫度為25℃，并且保持上述條件不變，光伏陣列輸出功率保持為23 kW，負(fù)載所需功率15 kW。由于光伏輸出功率能滿足負(fù)荷要求，所以此時為太陽能供電模式，多余的功率給蓄電池充電，充電功率為8 kW。1 s時，系統(tǒng)負(fù)荷突然增加15 kW，光伏輸出功率不足以滿足負(fù)荷需求且蓄電池SOC>SOClow，供電模式由太陽能供電切換為太陽能和蓄電池供電模式，蓄電池的輸出功率由bf=load-pv決定，為7 kW補(bǔ)償了系統(tǒng)中的功率缺額。由圖11（b）可知，在供電模式切換瞬間，系統(tǒng)電壓發(fā)生短時突變，經(jīng)過0.01 s后恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)。

（a）發(fā)電單元和負(fù)載有功功率曲線

(b)微網(wǎng)母線電壓

圖12 工況2仿真波形

工況2：功率曲線波形如圖12（a）所示，初始時刻太陽光照強(qiáng)度和溫度與工況1相同，系統(tǒng)負(fù)荷為73 kW，光伏陣列和蓄電池輸出功率分別為23 kW和30 kW，由于光伏和蓄電池輸出功率不能滿足功率需求，所以多余的負(fù)荷功率由柴油發(fā)電機(jī)承擔(dān)，柴油機(jī)輸出功率為20 kW，此時為光柴儲供電模式。在1 s時，負(fù)荷突然增加15 kW，為了充分利用可再生能源，光伏始終以最大功率輸出23 kW。由于蓄電池的響應(yīng)速度快，在蓄電池SOC和放電電流允許的情況下增加的15 kW功率中的10 kW分配給蓄電池，加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度。不足的功率由柴油機(jī)發(fā)電機(jī)根據(jù)公式d=load-bf-pv進(jìn)行補(bǔ)償，使系統(tǒng)能量供需平衡。由圖12（b）可知，不論在系統(tǒng)穩(wěn)定運行時還是功率發(fā)生波動時，所提出的功率分配策略都能保證微網(wǎng)母線電壓不發(fā)生突變。

5 結(jié)論

本文基于光柴儲船舶微網(wǎng)系統(tǒng)，依據(jù)各發(fā)電單元的功率輸出和負(fù)荷需求，制定三種供電模式：太陽能供電模式、太陽能和蓄電池供電模式、光柴儲聯(lián)合供電模式，滿足船舶微網(wǎng)對有功功率的需求，使交流母線電壓保持穩(wěn)定。為驗證所提出功率分配策略的有效性，在matlab/simulink中對各發(fā)電單元模塊化建模，組建整個船舶微網(wǎng)系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明所提出的功率分配策略在負(fù)荷波動情況下仍能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。本研究為船舶微網(wǎng)各發(fā)電單元的功率分配提供了參考，在后續(xù)的工作中還需要對功率的優(yōu)化調(diào)度進(jìn)行研究。

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The Simulation on Power Allocation Strategy for Ship’s Hybrid Microgrid

Wang Wenbin, Yu wanneng,Yang Rongfeng, Yu Hongliang, Zhang Wenbin

(Marine Engineering Institude,Jimei University, Xiamen 361021, Fujian, China)

TM91

A

1003-4862（2017）06-0009-05

2017-02-09

國家自然科學(xué)基金（51679106），交通部應(yīng)用基礎(chǔ)科研項目（2015329815160），福建省科技計劃項目資助（2015Y0038/2016H6017），廈門市科技計劃項目（3502Z20151231）

王文斌（1991-），男，碩士研究生。研究方向：船舶電力推進(jìn)及其控制。

俞萬能（1970-），男，博士, 教授。主要研究方向:船舶電力推進(jìn)及其控制。E-mail：wnyu2007@jmu.edu.cn