郭 燚， 于士振， 郭将驰， 李 晗, 张权宝

(上海海事大学 物流工程学院， 上海 201306)

舰船动力系统的大小取决于舰载载荷总功率需求[1]，电力需求在不久的将来将达到数百兆瓦[2]。舰船上有间歇性的脉冲载荷(电磁飞机发射系统、轨道电磁炮)、雷达、推进负载和服务性负载等，由于脉冲载荷的瞬态特性，它要求具有极高振幅的脉冲功率；而传统的舰船电力系统难以支持脉冲负载功率需求。大功率脉冲性载荷接入中压直流电力(Medium Voltage Direct Current, MVDC)系统会造成母线电压大范围跌宕，降低系统电能质量。根据相关标准，MVDC系统母线电压需要保持在标称电压的10%范围内[3]。高功率密度的超级电容器组由于具有快速反应能力可以满足脉冲性载荷功率需求[4-6]，高能量密度的锂电池组可以长期支持发电机组来响应舰载载荷功率需求，避免启动辅助发电机组，提升系统能源效率。因此，使用高能量密度的锂电池组和高功率密度的超级电容器组组成混合能量存储系统(Hybrid Energy Storage System, HESS)[7]成为解决此问题非常有应用前景的解决方案。由于舰船MVDC系统中的原动机与推进系统脱钩，并与发电机相结合，所产生的电能可能会超出舰载载荷功率需求，HESS系统可以将这部分多余的能量存储在储能系统中，并在需要时返还MVDC系统。因此，能量储能管理(Energy Storage Management，ESM)技术成为MVDC系统的重要选择[4-5]。在文献[8]中，模糊逻辑控制器用来控制电池和超级电容器，为电动车的储能系统提供控制支持。文献[9-11]设计了基于HESS混合动力船舶的能量管理策略。

本文对基于ESM和低通滤波器(Low Pass Filter，LPF)的模糊逻辑控制能量管理策略和PI控制器能量管理策略进行了比较分析，并对不同舰载载荷模式下的模糊逻辑能量管理策略进行仿真分析。通过仿真，验证了所提方案的可行性。

1 ESM和LPF的模糊逻辑能量管理策略

ESM和LPF的模糊逻辑能量管理策略如图1所示。

图1 基于ESM和LPF的模糊逻辑能量管理框图

模糊逻辑控制器根据母线电压(UBUS),母线电流变化量(ΔI),锂电池组荷电状态(SOCBat)，超级电容器组荷电状态(SOCSC)估计HESS系统功率需求PStor-ref，经LPF功率高低分频后分配给锂电池组和超级电容器组来维持舰船MVDC系统功率的平衡。模糊逻辑控制器的输入变量UBUS，ΔI，SOCBat,SOCSC，输出变量Pstor-ref隶属度函数如图2所示。

(a) 母线电流变化量隶属度函数

(b) 母线电压隶属度函数

(c) 锂电池荷电状态隶属度函数

(d) 超级电容器荷电状态隶属度函数

(e) 输出功率隶属度函数

图2模糊逻辑控制器输入输出变量隶属度函数

对应的模糊逻辑控制规则如表1所示。

表1 模糊规则(P tot-ref)

注：L为低区间；M为适中区间；H为高区间;N为负功率；Z为零区间；P为正功率

2 ESM和LPF的PI控制器能量管理

基于ESM和LPF的PI控制器能量管理构架如图3所示。

图3 基于ESM和LPF的PI控制器能量管理框图

PI控制器能量管理策略的目的是用来参考估计HESS系统功率(Pstor-ref)需求[12-13]。

图3中有两个PI控制器，第1个PI控制器根据舰载载荷(Pload)和舰船发电机组总发电功率(Pgen)保持舰船MVDC系统功率的平衡；第2个PI控制器用来维持舰船MVDC系统母线电压的稳定。HESS系统功率需求PStor-ref通过LPF后分离出适合锂电池组特性的低频功率分量PBat-ref和超级电容器组特性的高频功率分量。

LPF的传递函数为

(1)

式中：fc为截止频率[14]，因超级电容器组的工作时间为秒级，这里设置截止频率为1 Hz[15]。

3 混合储能系统变换器的设计

3.1 双向DC-DC拓扑结构

PSC-ref和PBat-ref分别对DC/DC变换器进行充放电控制，其拓扑结构和控制系统框图如图4和图5所示(图5中PWM为脉冲宽度调制)。

图4 双向DC/DC拓扑结构

图5 锂电池组和超级电容器组电流控制

3.2 HESS结构

HESS混合储能结构如图6所示。HESS系统中5组锂电池组和5组超级电容器组，均为输入并联输出串联，5组锂电池组模块输出与5组超级电容器组模块输出采用并联结构，断路器用来保护HESS系统，在系统需要维护或出现故障时，断开与MVDC系统的联接。

图6 HESS混合储能结构图

这种结构的好处是通过串联可以降低开关管的电压应力，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，减轻了锂电池组和超级电容器因电流纹波引起的发热现象[16]；同时，该结构适合大电流、大功率传输。而且锂电池组模块和超级电容器模块分别分为5组，在1组损坏时，其他锂电池组和超级电容器组还可以继续工作，提高了可靠性。不足之处是没有实现电气隔离。

4 仿真分析

4.1 参数设置

MVDC电力系统参数：电源MGT1功率为36 MW，AGT2功率为4 MW，MVDC总发电功率为40 MW；负载：恒功率负载为40 MW，脉冲负载为4 MW，总负载功率为44 MW。

Hess系统参数：锂电池组额定容量为544 Ah，额定电压为800 V，充满电压为931 V，初始荷电状态为85%；超级电容器组额定容量为200 F，额定电压为850 V，初始电压为723 V，初始荷电状态84.8%。

4.2 PI控制器和模糊逻辑控制器对比分析

锂电池组和超级电容器组的初始荷电状态分别设置为85%。MVDC母线电压和电流如图7所示。

图7 MVDC母线电压、电流波形

从图7可以看出：1.5～3.5 s，4 MW脉冲负载加载到MVDC系统上，系统母线电压瞬时跌落，母线电流瞬时增加。在6.5～8.5 s，4 MW载荷从MVDC系统瞬时解列，母线电压瞬时增加，母线电流减小。

ESM和LPF的模糊控制器预测的HESS系统功率参考如图8所示。

图8 HESS总存储参考功率及其功率分配图

图8中，因SOCBat，SOCSC高达85%和84.8%,HESS系统存储有大量能量，因此，1.5～3.5 s模糊逻辑控制器产生的HESS实际参考功率约为4.5 MW而不是4 MW。在这种情况下，舰船总可用功率约为44.5 MW，而总载荷需求为40 MW。此时发电机组将通过控制燃气轮机自动减少0.5 MW的能量供应。在6.5～8.5 s，4 MW的载荷从MVDC系统解列，模糊逻辑控制器产生的HESS参考功率约为-2.5 MW，由于此时锂电池组和超级电容器组荷电状态较高，HESS不需要快速充电。此时发电机组将通过控制燃气轮机自动减少1.5 MW的能量供应。

ESM和LPF的PI控制器产生的HESS系统功率参考如图9所示。

图9 HESS总存储参考功率及其功率分配图

从图9中可以看出：PI控制器可以较为准确地估计负载变化，通过LPF高低功率分频后控制HESS充放电，避免了MVDC系统的母线电压因负荷突升突降引起的母线电压大范围跌宕的发生。

仿真结果表明：基于ESM和LPF的PI控制器能量管理策略能够较为准确地估计Pstor-ref，从而对HESS进行充放电管理，维持MVDC系统功率的平衡，防止因脉冲性负载突升突降引起的MVDC系统母线电压大范围跌宕的发生。模糊逻辑控制器不但能够预测Pstor-ref，而且能够根据SOCBat和SOCSC的状态调整Pstor-ref的基准，对HESS系统进行充放电管理。由此可知，基于ESM和LPF的模糊逻辑能量管理策略优于基于ESM和LPF的PI控制器能量管理策略。

4.3 不同舰载载荷模式下模糊能量管理仿真分析

舰船MVDC系统负荷功率需求曲线和MVDC系统母线电压如图10和图11所示。

从图10可以看出：在t=2 s, 舰船总负荷功率需求为39 MW，其推进电动机转速达118 r/min，舰船处于正常巡航状态。这种状态一直持续到t=2.5 s。在t=2.5 s,舰船因特殊工作需要加速行驶，其转速在t=3 s达到120 r/min,其负荷功率需求达41 MW，超出舰船发电机组总发电功率40MW。在这种状态下，HESS系统需向舰船MVDC系统提供能量去支持发电机组，降低舰船发电机组供电压力。这种状态一直持续到t=4.5 s。模糊逻辑控制器在此阶段产生的HESS功率参考约为2.5 MW，因为此时锂电池组和超级电容器组的SOC分别为75%和75.01%，处于适中状态。HESS有足够的能量去响应系统负荷功率需求。

图10 舰船MVDC系统负载荷功率需求曲线图

图11 MVDC系统母线电压图

ESM和LPF模糊能量管理预测HESS系统功率需求如图12所示。

图12 HESS系统功率需求图

在t=5 s,舰船减速行驶，其推进电动机转速由118 r/min降到115 r/min。在t=6 s，2 MW的舰载载荷从系统瞬间解列，MVDC系统能量盈余，模糊逻辑控制器产生的HESS需求功率约为-2 MW，MVDC系统多余能量被HESS吸收，在系统需要时再返还MVDC系统，避免能源的浪费，提升MVDC系统总体能源利用效率。

7 结 语

本文对基于ESM和LPF的模糊逻辑控制器能量管理策略和PI控制器能量管理策略进行了分析比较，通过仿真分析得出：基于ESM和LPF的模糊逻辑控制器能量管理策略优于基于ESM和LPF的PI控制器能量管理策略；同时对HESS的能量管理，平滑抑制了舰船MVDC系统母线电压大范围跌宕的发生，提升了舰船MVDC系统的稳定性和生存能力。针对舰船不同载荷功率需求模糊能量管理策略，当推进电动机全速运行，负载载荷功率超出发电机总发出功率时，HESS响应MVDC系统功率需求，维持系统功率的平衡，提升了MVDC系统的稳定性、电网的电能质量和系统整体能源利用效率。