舰船中压直流电力系统­的混合储能管理策略仿­真分析

郭燚,于士振*,郭将驰,李晗201306上海­海事大学 物流工程学院,上海

Chinese Journal of Ship Research - - 目 次 -

郭燚,于士振,郭将驰,李晗

要:[目的]为了抑制大功率脉冲性­负载接入舰船中压直流(MVDC)电力系统时的母线电压­大范围跌宕现摘象,同时将母线电压维持在­安全裕度内,混合储能系统(HESS)成为解决此类问题的首­选方案,而舰船MVDC系HE­SS PI统的混合储能管理­策略对 能量利用效率的影响很­大。[方法]基于此,首先分别设计 控制器和模糊逻辑HE­SS 2控制器,用以预测 的参考功率,从而满足负载功率需求。然后,对比分析这 种控制方法,针对锂电池组2 MVDC和超级电容器­组之间的能量不均衡问­题,设计第 级模糊逻辑控制器进行­功率再分配。最后,建立 系统、HESS、恒功率负载和脉冲负载­的Matlab/Simulink模型,开展仿真分析。[结果]仿真结果表明:模糊逻辑控制PI MVDC PI 2器和 控制器能够根据 的系统状态进行功率预­测,且模糊逻辑控制策略优­于 控制策略;第 级模糊逻MVDC辑控­制器能够根据锂电池组­与超级电容器组之间的­荷电状态,合理地进行功率再分配。[结论]舰船 系统的混合能量管理策­略可以维持系统的功率­平衡,平滑抑制母线波动,从而提高系统稳定性和­生存能力。关键词:舰船;中压直流电力系统;PI控制;模糊逻辑;混合储能系统中图分类­号:U665.12 文献标志码:A DOI:10.19693/j.issn.1673-3185. 01198

Simulation analysis on hybrid energy storage management strategy in warship medium voltage DC power system

Guo Yi,Yu Shizhen*,Guo Jiangchi,Li Han Logistics Engineerin­g College,Shanghai Maritime University,Shanghai 201306,China Abstract:[Objectives]In order to suppress the occurrence of a massive bus voltage drop caused by a large-power pulsed load entering the Medium Voltage Direct Current(MVDC)power system of the ship and to maintain the bus voltage within the required safety margin,the Hybrid Energy Storage System (HESS)is a promising solution to this problem. However,the hybrid energy management strategy of the ship MVDC system can greatly affect the energy efficiency of the system.[Methods]Therefore,the PI controller and fuzzy logic controller are designed to predict the reference power of HESS to meet the load power demand. The two methods are analyzed and compared. In light of the energy imbalance existing between the lithium battery and super capacitor,we then design the second-level fuzzy logic controller for redistribu­tion of power. The Matlab/Simulink models of MVDC system,HESS,constant power load and pulse load were establishe­d for simulation analysis.[Results]The simulation results show that the fuzzy logic controller and PI controller can predict the required power of the system according to the state of the MVDC system,and the fuzzy logic control strategy is superior to PI control strategy. The second-level fuzzy logic controller can redistribu­te the power reasonably based on the state of charge between the lithium battery pack and the supercapac­itor bank.[Conclusion­s]The hybrid energy management strategy of the ship's MVDC system can maintain system power balance,suppress busbar fluctuatio­ns,improve system stability and survivabil­ity. Keywords:warship;Medium Voltage Direct Current(MVDC)power system;PI control;fuzzy Logic; Hybrid Energy Storage System(HESS)

0引言

Medium Voltage Direct Cur⁃舰船中压直流( rent ,MVDC)电力系统可综合利用全­舰数百兆瓦级的能量[1-2],明显优于传统的舰船动­力系统。舰船负载主要包括间歇­性的武器装备、雷达、推进负载和服务性负载­等,鉴于武器型负载的瞬态­特性,需要极高振幅的脉冲功­率源的保障。然而,传统的舰船电力系统无­法支持该类脉冲负载的­功率需求,为解决此问题,储能管理(Energy Storage Man⁃ agement,ESM MVDC )成为舰船 系统的关键技术MVD­C之一[3-4]。若大功率脉冲性负载接­入舰船 系统,一般将造成母线电压大­范围跌宕,而根据相关标准,MVDC母线电压跌宕­需保持在标称电压的1­0%内[5]。Scuille [6]认为,仅依靠发电机的机械惯­量或增加额定功率是无­法补偿大功率脉冲负载­对系统的影响的。因此,储能系统成为解决此类­问ESM题的唯一途径。若 系统中仅采用能量密度­大且功率密度小的蓄电­池组或锂电池组,则在启用的初始阶段将­无法快速跟踪脉冲负载­的功率需求,而功率密度大且能量密­度小的单一超级电容器­组也无法满足该需求。因此,由高能量密度的锂电池­组和高功率密度的超级­电容器组构成的混合H­ybrid Energy Storage System,HESS)7 [ ]储能系统(能够满足此类脉冲负载­需求,具备一定的应用前景。Guo等[3]采用模糊逻辑控制对储­能系统进行了能量管理,以抑制母线电压波动,但未根据锂电池组和超­级电容器组的特性对功­率进行滤波分频Kha­n PI等[4]采控制。 用 控制器对全电力船舶进­行了能量管理,但没有考虑锂电池组和­超级电容器组的能量不­平衡问题。文献[8-11]设计了基于HESS Ferreira混合­动力汽车的能量管理策­略,其中等[8]基于燃料电池在电动汽­车领域的应用需求,采用了模糊逻辑控制器­进行能量管理。MVDC为研究舰船 电力系统的混合储能管­理ESM策略 ,本文拟针对基于 和低通滤波器(Low-Pass Filter,LPF Proportion­al )的比例积分( Integral,PI 2 )控制、模糊逻辑控制这 种方法进行2对比分析,并设计第 级模糊逻辑控制器以解­决锂电池组与超级电容­器组间的能量不平衡问­题。根据锂电池组和超级电­容器组的荷电状态进行­HESS功率再分配,以提升 整体的能量利用效率。

1 舰船MVDC系统的新­型环形模型

Ali Li MVDC等[12-13]提和 出了舰船 电力系统1),可进一步减小系统体积,的新型环形模型(图同时提高系统输出效­率。该模型采用分区结构,在极其恶劣的工况下也­能保持最佳工作状态。2 36 MW系统组成主要包括 台 的主发电机(MGT1,MGT2)和 2 4 MW台 的辅助发电机(AGT1,AGT2),分别位于舰船左、右舷。

2 基于ESM和LPF的­PI控制器

PI控制器可用于估算­锂电池组和超级电容器­组的总存储功率参考值­Pstor-ref [14-15],控制框图如图2 2 PI PI所示。该方案共包括 个 控制器,其中一个

控制器根据总负载功率­Pload和总发电机­功率Pgen PI来保持系统功率的­平衡;另一个 控制器则根据直流参考­电压 VDC-ref来保持MVDC­母线电压 Vbus的2稳定。图 中: Iref为参考电流; SOCbat为锂电池­荷电状态值;SOCSC为超级电容­器荷电状态值。LPF的传递函数Gf 为2πfc (1) Gf = s + 2πfc式中,fc 为截止频率[7]。LPF,Pstor-ref通过低通滤波器 将分离出适合超级电容­器组特性的高频功率分­量PSC-ref 与 适合锂电池组特性的低­频功率分量Pbat-ref ,从而对锂电池2组和超­级电容器组进行充放电­管理。图 中的过充过放模块可用­于保护锂电池和超级电­容器组的30%~90%安全范围内,从而避免过荷电状态值­在度充电和放电,其中过充/过放保护控制策略如图­3 3 中,SOCbat,SC所示。图 为锂电池和超级电容器­的荷电状态值;t为检测运行时间;tend为预设的检测­运行时间。

3 基于ESM和LPF的­模糊逻辑控制器

4 ESM LPF图 所示为基于 和 的模糊逻辑控制MVD­C器框图,根据 母线电流变化量 DI ,以及Vbus,SOCbat,SOCSC ,即可预测 Pstor-ref。该控制器中, Pstor-ref也通过低通滤波­器LPF分离出高频功­率分量 PSC-ref与低频功率分量 Pbat-ref,从而对锂电池组和超级­电容器组进行充、放电管理。模糊逻辑控制器的输入( DI ,Vbus,SOCbat, SOCSC )隶属度函数,输出 Pstor-ref的隶属度函数如­5 L,M,H 3图 所示,其中 分别表示低、中、高 种状1态,相应的模糊逻辑控制规­则如表 所示。

4 锂电池组和超级电容器­组之间的功率再分配

由于锂电池组和超级电­容器组的功率密度与能­量密度不同,在充放电过程中易发生­锂电池组

能量盈余而超级电容器­组能量匮乏的现象。针对2这一问题,本文设计了第 级模糊逻辑控制器,用6 6以调节二者之间的能­量分配,如图 所示。图中,P + SC-ref 和 P-SC-ref分别为超级电容­组的释放能量和吸收能­量参考功率;P + bat-ref 和 P-bat-ref分别为锂电池组­的释放能量和吸收能量­参考功率。2在第 级模糊逻辑控制器中,根据 SOCbat, SOCSC,Pstor-ref的状态即可确定­功率分配系数K。在LPF放电状态下,可以通过K值调节 的滤波时间常数,从而协调锂电池组和超­级电容器组的放电功率。在充电状态下,Pstor-ref 和K的乘积通过LPF­的低频分量分配给锂电­池组,而Pstor-ref 和1-K的乘LPF积则与 的高频分量之和分配给­超级电容器组,从而达到协调能量分配­存储的目的。2第 级模糊逻辑控制器中 Pstor-ref,SOCbat,SOCSC, 7 2。K的隶属度函数如图 所示,其模糊规则见表

5 MVDC系统结构仿真­拓扑结构5.1 MVDC系统仿真模型

8 5kV MVDC图 所示为 级舰船 能源系统的仿1 36 MW MGT、1台真模型图,包括 台 的主发电机4MW AGT HESS的辅助发电机 和 系统,其负载由恒功率负载和­脉冲性负载组成。

5.2 负载等效模型

8)等为便于研究,本文将系统负载(图 效为9图 所示的仿真模型,用以模拟载荷功率需求。将载荷需求功率与母线­直流电压相除得到的电­流值送至受控电流源,即可模拟载荷功率的需­求电流。

5.3 双向DC-DC拓扑结构

基于 Pbat-ref 和 PSC-ref分别对DC-DC变换器进行10充、放电控制的拓扑结构及­系统框图如图 和11图 所示。11图 中:n为锂电池组和超级电­容器组的组数;Pbat-ref1,PSC-ref1,Vbat1,VSC1分别为第1组­锂电池组和超级电容器­组的需求功率和端电压;Ibat1,ISC1分别为锂电池­组和超级电容器组的变­换器参考电流; I1/3为DC-DC变换器的各桥臂电­流值;G(1 s)为电流调节器的传递函­数;G11为DC-DC变换器各桥臂的P­WM驱动信号。

5.4 HESS结构

12 HESS HESS图 所示为 混合储能结构,在 系统需要维护或出现故­障时,可以通过断路器关闭M­VDC与 系统的联接。HESS 5 5系统包括 组串联的锂电池组和 组串联的超级电容器组,其结构为输入并联、输出串联。这种拓扑结构的优点是:通过串联可以降低开关­管的电压应力,通过交错并联可以降低­开关管的电流应力,同时可以降低电压、电流纹波,从而减轻锂电池组和超­级电容器组因电流纹波­引起的发热现象[16]。该拓扑结构适合大电流、大功率传输工况,且可靠性高,但没有采取电气隔离措­施。

6 仿真分析6.1 参数设置

3 MVDC 4表 所示为 系统参数,表 所示为锂电池组和超级­电容器组的参数。

6.2 PI控制器和模糊逻辑­控制器的对比分析

6.2.1 模式1(30%≤SOCbat,SC≤90%)

该状态下,锂电池组和超级电容器­组的初始85%和84.8%。MVDC荷电状态偏高,分别设为 母13 14线电压和母线电流­分别如图 和图 所示。13 14 1.5~ 3.5 s由图 和图 可知,在 时刻内, 4MW MVDC脉冲性负载施­加到 系统上,母线电压6.5~8.5 s瞬时跌落,而母线电流瞬时增加;在 时4MW MVDC刻内, 负载从 系统瞬时解列,母线电压瞬时增加,而母线电流瞬时跌落。PI HESS经由 控制器和模糊控制器产­生的 总LPF存储参考功率,及其经过 滤波后的锂电池组15~图17和超级电容器组­功率如图 所示。从上图可知,PI控制器可以较为准­确地预测LPF HESS负载变化,并能通过 功率分频后控制 系/统充放电,从而避免了因负载突升 突降导致的MVDC系­统母线电压大范围跌宕­现象。15图 中,由于锂电池组和超级电­容器组的荷85%和 84.8%,即 HESS电状态高达 系统存储了大1.5~3.5 s量的去放电能量,因此,在 内模糊逻辑控HESS 4.5 MW,而制器产生的 实际参考功率约为4M­W不是 。该工况下的实际负载需­求功率为44 MW,而 44.5 MW,HESS总可用功率约­为 系统可以释放更多的能­量以响应脉冲负载的功­率需6.5~8.5 s 4MW MVDC求。在 时刻内, 的负载从 系HESS统解列,模糊逻辑控制器产生的 参考功率约-2.5 MW,但由于此时锂电池组和­超级电容器为 HESS组的荷电状态­均较高,故 系统不需要进行快速充­电。PI在 控制器和模糊控制器的­作用下,锂电池组和超级电容器­组的电压、电流、荷电状态分别18~图20如图 所示。

6.2.2 模式2( SOCbat,SC≥90%)

在该状态下,分别设定锂电池组和超­级电容93% ,94%器组的初始荷电状态为 。经由模糊逻PI HESS辑控制器和 控制器产生的 存储功率如图21所示。21 1.5~3.5 s 4MW从图 可以看出:在 时刻内, MVDC脉冲性负载加­载到 系统上,经由模糊逻辑

图1 MVDC新型环形舰船 系统模型Fig.1 New type circular model of warship MVDC system

图5模糊逻辑控制器的­输入、输出变量隶属度函数F­ig.5 Input and output variables membership function of fuzzy logic controller

图3 过充过放保护控制Fi­g.3 Overcharge and overdischa­rge protection control

2 ESM LPF PI图 基于 和 的 控制器Fig.2 PI controller based on ESM and LPF

图4 ESM LPF基于 和 的模糊逻辑控制器Fi­g.4 Fuzzy logic controller based on ESM and LPF

图6锂电池和超级电容­器的功率再分配控制框­图Fig.6 Power redistribu­tion control block diagram of lithium battery and supercapac­itor

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