陳 晨， 王錫淮， 肖健梅

(上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院，上海 201306)

儲(chǔ)能單元在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中的應(yīng)用

陳 晨， 王錫淮， 肖健梅

(上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院，上海 201306)

為解決頻繁的負(fù)載變化給船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)帶來的電站和電網(wǎng)波動(dòng)問題，采用能量存儲(chǔ)技術(shù)，將儲(chǔ)能單元(鋰電池和超級(jí)電容器)引入到船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中。建立系統(tǒng)功率傳輸模型，并創(chuàng)新性地把粒子群算法與非線性規(guī)劃算法相結(jié)合對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)。利用MATLAB軟件進(jìn)行建模和實(shí)例仿真，結(jié)果表明，引入儲(chǔ)能單元可以明顯地改善船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的性能，增強(qiáng)電站和電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

船舶工程；電力推進(jìn)；鋰電池；超級(jí)電容器；粒子群算法；非線性規(guī)劃

隨著電力電子技術(shù)快速發(fā)展以及能源危機(jī)日益加劇，船舶推進(jìn)技術(shù)發(fā)生了巨大變化，電力推進(jìn)替代傳統(tǒng)的柴油機(jī)推進(jìn)成為不可阻擋的趨勢。[1-2]電力推進(jìn)技術(shù)依靠其在機(jī)動(dòng)性、可靠性、運(yùn)行效率、布置靈活性、經(jīng)濟(jì)性、易于維護(hù)等方面的巨大優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于工程船、油船、豪華游船等船舶上。在國外，幾個(gè)大的船舶電力推進(jìn)生產(chǎn)廠商都有自己的電力推進(jìn)系列產(chǎn)品，并已將其投入實(shí)際運(yùn)行中，例如ABB 公司的Azipod推進(jìn)系統(tǒng)[3]、Siemens公司與Schottel公司的SSP推進(jìn)系統(tǒng)。

然而，船舶電力推進(jìn)一直面臨著一個(gè)技術(shù)難題[4]，即頻繁的負(fù)載擾動(dòng)給推進(jìn)系統(tǒng)的性能帶來了重大影響。一方面，海洋環(huán)境復(fù)雜多變，風(fēng)、浪、流對負(fù)載的影響不可預(yù)知，帶來的擾動(dòng)也在不斷變化；另一方面，某些工程船(破冰船、挖泥船、海上鉆井平臺(tái)等)在作業(yè)時(shí)除了受環(huán)境干擾以外，其負(fù)載功率需求還隨工況要求等客觀因素的變化而變化，會(huì)產(chǎn)生巨大的負(fù)載擾動(dòng)。顯然，這些負(fù)載擾動(dòng)會(huì)給船舶電網(wǎng)帶來巨大沖擊，對船舶推進(jìn)系統(tǒng)的性能有著巨大影響。

解決該問題的一個(gè)辦法是采用能量存儲(chǔ)技術(shù)[5]。儲(chǔ)能單元可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在電力系統(tǒng)遇到擾動(dòng)時(shí)，其可以瞬時(shí)吸收或釋放能量，平復(fù)擾動(dòng)給系統(tǒng)帶來的影響，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。近年來，大容量存儲(chǔ)技術(shù)飛速發(fā)展，幾個(gè)大的儲(chǔ)能單元生產(chǎn)商(如Corvus Energy公司和Maxwell公司)都在生產(chǎn)自己的大容量儲(chǔ)能產(chǎn)品并將其投入到實(shí)際運(yùn)行中。能量存儲(chǔ)技術(shù)已經(jīng)很好地應(yīng)用于電動(dòng)汽車行業(yè)，大容量能量存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展使得將儲(chǔ)能裝置應(yīng)用于船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)成為可能。利用儲(chǔ)能單元克服負(fù)載波動(dòng)對船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的影響將是未來船舶電力推進(jìn)技術(shù)發(fā)展的趨勢之一。

1 船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)

1.1船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的組成

在多種儲(chǔ)能單元中，鋰離子電池和超級(jí)電容器[6-7]應(yīng)用于船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中的前景最被看好，其共同特點(diǎn)是壽命長、循環(huán)性能好、體積小、無污染。此外，鋰離子電池有很高的能量密度，可維持較長時(shí)間的放電或充電狀態(tài)，有著良好的穩(wěn)態(tài)性能；超級(jí)電容器有較高的功率密度，可在單位時(shí)間內(nèi)輸出較高的功率，有著良好的動(dòng)態(tài)性能。將鋰電池與超級(jí)電容器結(jié)合起來，可使儲(chǔ)能單元系統(tǒng)同時(shí)具有良好的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性。將2種儲(chǔ)能單元同時(shí)引入船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)，用以平復(fù)負(fù)載波動(dòng)對系統(tǒng)性能的負(fù)面影響。典型的帶儲(chǔ)能裝置的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)[8]單線圖見圖1。

圖1 船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)主要分為動(dòng)力模塊、直流母線模塊、負(fù)載模塊3個(gè)模塊。柴油機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)為系統(tǒng)提供主要的動(dòng)力；儲(chǔ)能裝置也是動(dòng)力模塊的一部分，用來提供或吸收負(fù)載波動(dòng)時(shí)的能量。負(fù)載模塊由2個(gè)電動(dòng)機(jī)和其他負(fù)載組成。直流母線模塊[9]由直流母線、整流單元、逆變單元及變壓單元組成。動(dòng)力模塊和負(fù)載模塊間的能量傳遞都是通過直流母線模塊完成的。

系統(tǒng)功率傳遞模式[8]主要有3種：

1) 系統(tǒng)過載時(shí)，儲(chǔ)能單元放電，與電站一起提供負(fù)載所需的能量。

PG+PB+PS=PLoad

(1)

式(1)中：PG,PB,PS,Pload分別為電站、鋰電池、超級(jí)電容器以及負(fù)載的功率。

2) 系統(tǒng)輕載時(shí)，儲(chǔ)能單元充電，電站提供的能量一部分被儲(chǔ)能單元吸收，另一部分被負(fù)載消耗。

PG=PB+PS+PLoad

(2)

3) 負(fù)載回饋制動(dòng)時(shí)，能量全部被儲(chǔ)能單元吸收，即

PB+PS=PLoad

(3)

柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)(電站)都固定工作在額定狀態(tài)，當(dāng)負(fù)載過大時(shí)，儲(chǔ)能單元釋放能量，提供系統(tǒng)所需的額外能量；當(dāng)負(fù)載過小時(shí)，電站提供的能量一部分通過直流母線提供給負(fù)載電機(jī)，另一部分用來給儲(chǔ)能單元充電。這樣就可以使柴油機(jī)發(fā)電機(jī)始終維持在最佳的工作狀態(tài)，提高能源利用率，節(jié)省成本。當(dāng)負(fù)載電機(jī)有能量回饋時(shí)，能量可以通過直流母線給儲(chǔ)能單元充電，從而避免回饋能量對電力系統(tǒng)造成沖擊，提高安全性。

1.2功率傳輸模型的建立

根據(jù)能量守恒定律，如果忽略損耗功率，則柴油發(fā)電機(jī)、鋰電池、超級(jí)電容以及負(fù)載的功率的矢量和應(yīng)該為0，可由式(4)來表示。

∑PG+PS+PB+PLoad=0

(4)

以系統(tǒng)的負(fù)載功率PLoad作為控制變量，將負(fù)載功率流依次通過2個(gè)高通濾波環(huán)節(jié)、2次濾波得到的高頻率擾動(dòng)部分作為超級(jí)電容器和鋰電池需要吸收或釋放的動(dòng)態(tài)功率。將經(jīng)過2次濾波后的負(fù)載平均功率作為柴油發(fā)電機(jī)需要供給的功率。功率傳輸流程見圖2。

圖2 功率傳輸流程圖

1.3目標(biāo)函數(shù)的建立

2個(gè)高通濾波環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為

(5)

(6)

調(diào)整式(5)～式(6)中的4個(gè)參數(shù)K1，T1，K2，T2即可控制船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的能量分配。在滿足工況的情況下，電站輸出功率的波動(dòng)越小越好。為此，提出下面的性能指標(biāo)函數(shù)。

(7)

式(7)中：α，β為加權(quán)系數(shù)，在現(xiàn)實(shí)工況中，要求電站的功率基本維持恒定，負(fù)載的波動(dòng)能量由超級(jí)電容器和鋰電池平復(fù)，而超級(jí)電容器的功率密度又遠(yuǎn)大于鋰電池功率密度，從而性能指標(biāo)中，PG,PS,PB的系數(shù)滿足不等式α?β?1。此處β=10-3，α=10-6。下面需要做的工作就是在符合實(shí)際情況的條件下尋找合適的K1，T1，K2，T2，使性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。

2 改進(jìn)粒子群算法的尋優(yōu)算法

尋優(yōu)的方法有很多種，經(jīng)典的非線性規(guī)劃算法[10]通常采用梯度下降方法求解，局部搜索能力較強(qiáng)，而全局搜索能力較弱。粒子群算法是一種群體智能的優(yōu)化算法，全局搜索能力較強(qiáng)，局部搜索能力較弱，一般可通過其得到問題的次優(yōu)解，而不是最優(yōu)解。將這2種算法相結(jié)合，采用粒子群算法進(jìn)行全局搜索，采用非線性規(guī)劃算法進(jìn)行局部搜索，可得到問題的全局最優(yōu)解。算法流程見圖3。

圖3 優(yōu)化算法流程圖

每次優(yōu)化粒子群算法所得結(jié)果設(shè)為非線性規(guī)劃算法的初值，采用非線性規(guī)劃算法進(jìn)行局部尋優(yōu)，將尋優(yōu)結(jié)果作為優(yōu)化一次的群體最優(yōu)值，依據(jù)這個(gè)結(jié)果對粒子的速度和位置進(jìn)行更新，進(jìn)行下一輪尋優(yōu)，循環(huán)往復(fù)，直到所得的結(jié)果滿足終止條件。

2.1粒子群優(yōu)化算法

PSO(Particle Swarm Optimization) 優(yōu)化算法[11]是一種基于種群搜索的自適應(yīng)進(jìn)化計(jì)算技術(shù)。在每次迭代過程中，粒子通過個(gè)體極值和群體極值更新自身的速度和位置，根據(jù)目標(biāo)函數(shù)計(jì)算出每個(gè)粒子位置Xi對應(yīng)的適應(yīng)度值，循環(huán)計(jì)算，直到得到所需要的最優(yōu)解。粒子自身速度和位置的更新公式為

(8)

(9)

式(8)～式(9)中：ω為慣性權(quán)重；d=1,2,…，D；i=1,2,…，n；k為當(dāng)前迭代次數(shù)；Vid為粒子的速度；c1和c2為非負(fù)的常數(shù)，稱為加速度因子；r1和r2為分布于[0，1]區(qū)間的隨機(jī)數(shù)。為防止粒子的盲目搜索，一般建議將其位置和速度限制在一定的區(qū)間([-Xmax,Xmax], [-Vmax,Vmax])內(nèi)。

2.2非線性規(guī)劃算法

函數(shù)fmincon是MATLAB最優(yōu)化工具箱中求解非線性規(guī)劃問題的函數(shù)，其從一個(gè)預(yù)估值出發(fā)，搜索約束條件下非線性多遠(yuǎn)函數(shù)的最小值。[12]

函數(shù)fmincon的優(yōu)化模型為

(10)

式(10)中：x,b,beq,lb,ub為矢量；A,Aeq為矩陣。上述5個(gè)關(guān)系式分別是非線性不等式約束條件,非線性等式約束條件,線性不等式約束條件,線性等式約束條件,參數(shù)x的取值范圍。函數(shù)fmincon的基本用法為x=fmincon(fun,x0,A,b,Aeq,beq,lb,ub)其中x0是初值，lb為下邊界，ub為上邊界。

3 仿真實(shí)例

為驗(yàn)證儲(chǔ)能單元在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中的作用，將圖1中的模塊具體化。動(dòng)力模塊有2臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)，容量均為3 mVA，功率因數(shù)均為0.9。主要負(fù)載為2臺(tái)功率為2 MW的電動(dòng)機(jī)。超級(jí)電容與鋰電池的具體參數(shù)[13]見表1。公共直流母線電壓設(shè)為1 000 V，各個(gè)變換元件參數(shù)的選取根據(jù)直流母線電壓合適選取。

表1 儲(chǔ)能單元參數(shù)

本案例優(yōu)化算法中，適應(yīng)度函數(shù)為性能指標(biāo)函數(shù)，適應(yīng)度值為函數(shù)值。種群粒子數(shù)為30，每個(gè)粒子的維數(shù)為4，算法迭代次數(shù)為20。每一代優(yōu)化得到的最優(yōu)值與迭代次數(shù)的圖像見圖4，最后得到的最優(yōu)值為461.829。

圖4 粒子群算法優(yōu)化結(jié)果

為驗(yàn)證儲(chǔ)能單元平復(fù)負(fù)載變化對船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的影響，負(fù)載模塊設(shè)置一條理想的負(fù)載曲線，負(fù)載取值的區(qū)間為[3.2 MW,5 MW]，通常情況下負(fù)載取值為4 000 kW，符合實(shí)際的負(fù)載波動(dòng)。

設(shè)置完負(fù)載曲線后，利用MATLAB軟件，搭建基于功率傳輸?shù)拇半娏ν七M(jìn)系統(tǒng)的模型，進(jìn)行仿真。分別得到鋰電池和超級(jí)電容單獨(dú)作用下系統(tǒng)的性能曲線和兩者共同作用下系統(tǒng)的性能曲線(見圖5)。每個(gè)圖中的三部分曲線分別表示電網(wǎng)直流母線電壓VDC、柴油發(fā)電機(jī)輸出功率Pdiesel以及儲(chǔ)能單元輸入輸出功率PES。

圖5中，公共直流母線電壓分別在965～982 V，965～978 V,971～973 V之間波動(dòng)，圖5(a)和圖5(b)中柴油發(fā)電機(jī)輸出的功率在3 600～4 450 kW,3 700～4 400 kW范圍內(nèi)波動(dòng)；而圖5(c)的柴油發(fā)電機(jī)輸出的功率基本維持在4 100 kW。根據(jù)仿真結(jié)果不難得出以下結(jié)論：

1. 單獨(dú)引入鋰電池或超級(jí)電容器，均可對負(fù)載波動(dòng)起到一定的平復(fù)作用，能將電站和電網(wǎng)的波動(dòng)限制在一定的范圍內(nèi)。兩者對比，鋰電池有著較高的能量密度，超級(jí)電容器有著較高的功率密度。短時(shí)間內(nèi)，超級(jí)電容器提供或吸收的能量要大于鋰電池提供的能量，引入超級(jí)電容器系統(tǒng)有著較好的動(dòng)態(tài)性能。然而，因超級(jí)電容器能量密度較小，不可以維持長時(shí)間的充放電，所以在穩(wěn)定性方面，鋰電池更具優(yōu)勢。

2. 同時(shí)應(yīng)用鋰電池和超級(jí)電容可以很好地克服負(fù)載波動(dòng)對船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的影響。圖5(c)中，直流電網(wǎng)的電壓基本不變，避免了負(fù)載波動(dòng)對電網(wǎng)造成的沖擊；電站提供的功率基本不變，可保證柴油發(fā)電機(jī)始終工作在最佳狀態(tài)，提高能源利用率，節(jié)省燃油。對于長時(shí)間的負(fù)載波動(dòng)，在負(fù)載突然變化時(shí)，負(fù)載波動(dòng)主要由動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力強(qiáng)的超級(jí)電容器平復(fù)；在負(fù)載變化平緩時(shí)，主要由鋰電池平復(fù)。

引入鋰電池和超級(jí)電容器不僅可以使船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)擁有良好的穩(wěn)定性，而且能夠改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

(a)

(b)

(c)

4 結(jié) 語

在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中引入儲(chǔ)能單元可明顯改善系統(tǒng)性能。雖然儲(chǔ)能裝置價(jià)格不菲，但是其可使柴油發(fā)電機(jī)始終工作在最佳工作點(diǎn)附近，能明顯減少耗油量，并獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。隨著大容量鋰電池與超級(jí)電容技術(shù)不斷發(fā)展，儲(chǔ)能單元在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中應(yīng)用的前景值得看好。

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http://www.corvus-energy.com/datasheets.html.

ApplicationofEnergyStorageDevicesinShipElectricPropulsionSystem

CHENChen，WANGXihuai，XIAOJianmei

(Logistics Engineering College, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

Frequent sudden load variations of ship electric propulsion system may bother the normal operation of the power system and bring low combustion efficiency of the diesel engine. To solve this problem, energy storage devices (lithium batteries/supercap) are introduced. The power transmission model of the system is built and system optimization is performed by means of the combination of the particle swarm optimization (PSO) and nonlinear programming algorithm method. The simulation in MATLAB proves that energy storage devices can effectively compensate load power fluctuations in the propulsion system. The design can improve the performance of ship electric propulsion system as well as the stability of the grid and power plants.

ship engineering; electric propulsion； lithium battery； super capacitor； PSO; nonlinear programming

2014-09-12

上海市教委科研創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目(12ZZ158)；上海海事大學(xué)學(xué)術(shù)新人培養(yǎng)計(jì)劃(GK2013070)

陳 晨(1990—)，男，江蘇淮安人，碩士，從事船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的研究。E-mail: smuchenchen@126.com

王錫淮(1961—)，男，江蘇淮安人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)閺?fù)雜系統(tǒng)控制與優(yōu)化。E-mail: wxh@shmtu.edu.cn

1000-4653(2014)04-0025-05

U664.14

A