张逸峰，王锡淮



混合动力船舶的建模与能量管理

张逸峰，王锡淮

（上海海事大学物流工程学院，上海 200001）

考虑到能源和环境的问题日益突出，开发低能耗、低排放的绿色船舶成为当今船舶工业的首要任务。设计混合动力船舶电力推进系统的架构，采用光伏电池和燃料电池等清洁能源与柴油发电机混合动力驱动船舶，加上蓄电池作为储能元件对多余的功率的吸收或缺少功率的补充。并且使用能量管理中心对其进行调度管理。

混合动力船舶 能量管理 双有源桥式变换器

0 引言

在近几年，人们在大力开发发展全电气船。船舶的各种系统，包括泵，电机，传感器，甚至电脑系统全部依赖电力能源。在船舶工业上，燃料价格的上升和减少污染物气体排放的必要性导致对新能源资源的发展的持续上升的关注。船舶是温室气体的主要生产者之一，每年占全球二氧化碳排放量的3%.在船舶的电力系统中使用可再生能源资源会是一个巨大的进步，特别再减少二氧化碳的排放上，能够与高度不可预测的燃料价格相独立。

所以使用混合动力发电系统在节约燃料和减少二氧化碳排放的细节研究有着深远的影响。电力电子转换系统是能够灵活的提供整个电力系统和减少它的大小和重量的最重要原件之一。但是，过多的计算时间来仿真这些系统是它不可能适当的分析这些系统。因此，建模和仿真环境的发展是更进一步的研究的必要需求。

图1是整个混合动力船舶的方框图。混合动力船舶电力推进系统的关键技术是能量管理及其控制策略，其目的是: 在满足船舶动力性能的前提下，控制策略能够根据混合动力系统特性和实时运行工况，将多种能源合理分配、协调控制，使各部件高效率运行，以达到最大的燃油经济性、最少的排放。国内外对混合动力船舶的能量管理及其控制策略已做一些研究。

1 光伏电池建模

光伏电池是根据半导体的光伏效应原理，制成一种能够把太阳辐射能转换为电能的转换装置。其等效电路如图2所示。

图1 多能源船舶的电力系统示意图

图2 光伏电池的模型

根据图2可以得出光伏电池的输出特性曲线：

2 燃料电池的建模

燃料电池是目前在世界上最成熟的新能源供电设备之一所谓的燃料电池就是一种将氢气和氧气结合成水的过程中能够释放大量的电荷的设备，因为其使用的是可再生的氢气，并且化合物是水，实现了零排放。这种燃料电池拥有较高的能量转换效率，无可移动的部件以至于维护成本较低并且没有充电过程等优点，是一种理想用于船舶发电的设备。

质子交换膜燃料电池其由阳极，阴极以及电解质膜组成。从图3中可以看出，氢气到达多空阳极在阳极催化剂的作用下解离成带正电氢离子并释放出电子。带正电的氢离子通过电解质膜到达多孔阴极，在阴极催化剂的作用下与氧气和电子发生反应生成水并放出热量。于此同时电子通过外电路，对负载供电，然后到达阴极。以上就是燃料电池发电的全过程。

图3 质子交换膜燃料电池原理示意图

质子交换膜燃料电池在工作过程中，存在不可逆的损失，电池输出电压会随之下降。这种损失主要分为三种：活化极化作用、欧姆极化作用以及浓差极化作用。

输出电压方程如下所示

3 蓄电池的建模

在混合动力船舶中，作为能量储存系统的的蓄电池起到了关键的作用。在后文中能量管理系统中，蓄电池起到了至关重要的作用，因此蓄电池的建模也是重要的一环。随着新能源的发展，蓄电池的仿真模型也出现了许多中，如内阻模型、阻容模型、神经网络模型等等。

阻容模型等效为三个电阻和两个电容组成的电路，如下图4所示。其中C为较大容量，代表了电池的储存容量；而C较小，代表了电池的极化效应。和内阻模型相比较，阻容模型更能反映出电池充放电过程中的动态特性。

图4 蓄电池的阻容模型

阻容模型的空间状态方程如下所示

4 柴油发电机建模

为了增加设计船舶的可靠性，可再生能源发电系统被混合了两台柴油发电机。

柴油机建模：柴油机产生一个依赖输入燃料的转矩。柴油机的转矩和输入燃料的关系如下所示；

延迟时间如下定义：

时间常数如下定义：

图5是柴油发电机调速系统的建模：

图5 柴油发电机调速器模型

5 双有源桥变换器建模

在混合电力系统中使用电力电子转换器十分重要，因为可再生资源的输出功率依赖于环境条件。双有源桥式直流变换器普遍应用在风力和光伏直流母线电压以及工业、住宅和船舶等环境中，由于其功能上相当于两个单向DC/DC 变换器，所以能减小系统的体积、质量和成本，并且能够容易实现软开关、系统惯性小、动态响应快等优点。

图6 双有源桥式变换器

1）升压操作模式

所有的低压侧开关开启超过50%的开关周期。在重叠的时间间隔内，输入电感被充电。在这个操作模式中高压侧开关关闭，电流流过开关的内部二极管。每当这些开关对关闭时，电感开始放电。

2）降压操作模式

在这操作模式中，钳位回路的开关和转换器的低压侧开关是off，电流流过开关内部的二极管。电感在任意一个开关对在ON时充电。当所有开关在OFF时，电感放电。

在小信号平均电压模型和状态空间平均电压模型中，电压分别作为状态变量和输出。因此，正常情况下电压应该被控制。但是，在船舶电力系统中，输出功率控制需要优先考虑。内部源电阻被使用是为了使电压被用于作为输入。但是，内部源电阻是不确定的值还有减少控制系统的可靠性。为了克服问题，基于非线性平均开关模型的双向双有源桥式一个统一模型在中实现。稳态方程能够由通过电感的平均电流L，电容的电压C2，开关周期Ts组成。注意，变压器的漏感被忽视。升压操作模式的非线性状态空间方程如下所示：

图7 双有源桥变换器的等效电路

同样，降压操作模式的空间状态方程如下所示：

把平均电感电流和电容电压设置为零，改进的双有源桥式变换器的统一等效模型在图7中展示。值得提及的是d()在升压和降压模式中相同，因为这模型在两方向是统一的。

6 能量管理中心

混合动力船舶的综合电力系统需要能量管理中心来平衡生产，储存和使用的能量的总数。荷电状态（SOC）是电池剩余电荷和它必须被能量管理中心。因为对于电池寿命扩展有必要对电压进行限制。换句话说，过电压导致过热和短路，欠电压导致电极材料的渐进性故障。这就解释了限制电池充电状态操作范围的重要性。另一方面，电池效率被许多因素影响。电池的库伦效率再USABC（1996）中定义：放电能力和再放电前从初始状态充电的能力比率。

图8展示了当电池的荷电状态在标准范围内所使用的能量管理的算法。两种操作模式都被认为是电池的能量管理。在第一个操作模式下，电池通过下垂控制调节直流电电压。这操作模式发生在两台柴油发电机同时关闭和电池操作再第一个模式来调节直流线电压。当直流线电压被柴油发电机调节是，电池选择第二操作模式。考虑到电池充电状态级别，电池被充电或者放电在额定容量的20%或20%以下。在这篇论文中只介绍电池荷电状态在标准范围内的情况。

7 实验仿真

在MATLAB/SIMULINK环境中设计的系统建模。40个并联光伏电池模块，在额定温度和额定光照强度下，能够发出0.2兆瓦的电力；一台0.1兆瓦的燃料电池；两台1.25兆瓦柴油发电机也被考虑。在仿真中只考虑了荷电状态在正常范围的情况。

如图9所示，在第一段时间内，船舶没有启动，电力需求0.1兆瓦。光伏电池和燃料电池的剩余电量在电池中储存。第二段时间内，船舶开始启动速度加快，控制能量在0.85兆瓦。这种情况下，第一台柴油发电机打开，生产额定功率的60%。电池任然被剩余电量充电，接下来时间内，船舶的速度达到最大，需要的功率达到2.1兆瓦，第一台柴油发电机在最大功率，第二台柴油发电机打开，生产额定功率的60%，电池充电。然后船舶速度下降，能量控制在1.65兆瓦。这时，第二台柴油发电机关闭，但是第一台柴油发电机生产额定功率。剩余功率由电池提供。

仿真结果如图9到图13所示。

图8 电池荷电状态在标准范围内的能量管理算法

图9 负载功率

图10 第一台柴油发电机的功率

图11 第二台柴油发电机的功率

图12 电池的功率曲线

图13 电池的荷电状态

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Modeling and Energy Management of Hybrid Dynamic Ships

Zhang Yifeng，Wang Xihuai

(Logistics Engineering College, Shanghai Maritime University, Shanghai 200001, China)

U665

A

1003-4862（2018）07-0032-06

2018-03-23

张逸峰（1994-），男，硕士。研究方向：船舶工程。