孟　飛，俞萬能，王文斌

(1.集美大學輪機工程學院 福建 廈門 361021，2.福建省船舶與海洋工程重點實驗室，福建 廈門 361021)

0　引言

目前，分布式電源(distributed generation，DG)在陸地配電網中滲透率不斷提高，微電網運行控制策略研究日趨成熟，為船舶微網的構造和控制提供了研究思路。文獻[1-2]對分布式微電網系統并網模式下的控制策略進行研究，驗證了微網在孤島和并網模式控制策略的有效性；文獻[3-4]對微網并網逆變器的切換控制策略進行研究，驗證了通過對環(huán)流的有效控制能實現微網并網與孤島運行的平滑切換；文獻[5]對微網的能量系統進行研究，通過合理的運行控制策略實現微網的能量管理。船舶運行工況復雜多變，其在構造和關鍵技術上均與陸地微電網有所不同。文獻[6]對船舶微電網概念進行了闡述，分析了可再生能源接入船舶微網的船舶電力系統與傳統船舶電力系統的區(qū)別，并探討了船舶微網需要研究的關鍵技術；文獻[7]對船舶微網儲能雙向DC/DC進行研究，提出了儲能系統安全充放電管理的控制策略；文獻[8]針對由光柴儲(光伏電池，柴油發(fā)電機和儲能電池)組成的交流船舶微網系統，使用MATLAB/SIMULINK進行建模，提出并網模式下的功率分配策略，并進行仿真驗證。

船舶微網不同于陸地微電網，船舶航行狀態(tài)復雜多變，負載功率波動較大，上述文獻并未考慮在負荷波動情況下系統的穩(wěn)定性，因此，本文根據船舶設計時的基本參數和要求，對由光伏電池、柴油發(fā)電機和鋰電池組成的小型多能源船舶微網系統進行建模，提出適配于負荷動態(tài)波動下的能量管理策略，應用MATLAB/SIMLINK搭建系統模型，對該能量管理調度策略進行仿真驗證。

1　多能源船舶微網的電力系統拓撲結構

船舶航行時負荷波動頻繁，圖1為模擬負荷有功功率圖。多組逆變電源并聯運行時不利于負載動態(tài)變化下船舶電力系統的穩(wěn)定，為提高船舶微網系統在動態(tài)負載下的穩(wěn)定性，本文采用圖2的交流微網結構。該系統直流側由光伏電池、光伏控制器、雙向DC/DC變換器(bi-directional DC-DC converter,BDC)和儲能電池組成；交流微網由柴油發(fā)電機、逆變電源和交流負載組成；逆變電源負責把直流側電能輸送至交流微網。該微網系統中光伏電池經控制器向直流母線輸出功率，BDC為儲能電池，負責充放電管理，逆變器具有獨立運行的恒壓恒頻(V/F)控制運行模式和并網運行的恒功率(P/Q)控制運行模式。

2　多能源船舶微網系統的建模

文中光伏陣列及其MPPT控制器建模參照文獻[9]；儲能電池采用SIMULINK系統庫中LiFePO4電池；柴油發(fā)電機建模參照文獻[10]；船舶微網其他單元建模如下。

2.1　BDC建模

雙向Buck-Boost變換器電路模型如圖3所示，其中電池輸出端接Buck-Boost變換器V2端，V1端接直流母線。直流母線的電壓穩(wěn)定控制，對于直流側的穩(wěn)定運行有重要作用。直流母線連接著光伏陣列、儲能裝置和逆變電源，本文中直流母線電壓控制策略由儲能裝置的BDC控制實現。BDC采用圖4的雙閉環(huán)控制策略，外環(huán)是電壓環(huán)，內環(huán)是電流環(huán)。圖4中，Uref為給定外環(huán)母線參考電壓值；Udc為外環(huán)母線電壓反饋值；Iref為電壓外環(huán)計算得到的DC/DC輸出電流內環(huán)參考值；Ibat為DC/DC輸出內環(huán)電流反饋值；G1和G2為開關控制信號。

2.2　逆變器建模

當船舶微網處于光伏、儲能電池和柴油發(fā)電機聯合供電時，逆變器采用P/Q控制模式，柴油發(fā)電機為微網提供頻率和電壓支撐，原理如圖6所示。采用電流內環(huán)、功率外環(huán)的雙閉環(huán)控制方式，功率外環(huán)給定功率Pdref、Qref，通過idref=2Pref/(3uod)和iqref=-2Qref/(3uod)計算出參考電流idref和iqref，電流內環(huán)控制與V/F控制相同，最后經SVPWM控制得到逆變器IGBT的開關信號,從而實現逆變器的恒功率控制。

3　多能源船舶微網能量管理調度策略

相對于陸地微電網來說，船舶微網未與大電網并網，整船處于孤島模式。目前國內投放市場的小型多能源電力推進船舶能源管理多以光伏電池和柴油發(fā)電機為儲能系統充電，船舶設備供電主要由儲能系統提供，而光伏電池、柴油發(fā)電機和儲能系統并未并網運行。

一般地，相對于光伏電池和儲能系統部分存在兩種運行模式：并網運行模式與獨立運行模式。其中光伏電池和儲能系統與柴油發(fā)電機并聯運行稱為并網運行模式，柴油機未并網時稱為獨立運行模式。本文能量管理針對這兩種運行模式提出相應的能量管理策略和運行模式切換策略。

根據系統功率平衡關系：Pload=Pg+Pbat+Ppv，在不同負載接入情況下，船舶微網有5種工作狀況。

工況1Pload，

工況2Pload>Ppv且SOC>SOClow時,Pload=Pbat+Ppv；

工況3Pload>Ppv+Pbat時，Pload=Pg+Ppv+Pbat；

工況4初始時PloadPpv+Pbat；

工況5初始時Pload=Pg+Ppv+Pbat，某一時刻負載突降，使得Pload

其中：Pload為負荷需求功率；Ppv為光伏輸出功率；Pbat為鋰電池充放電功率；Pg為柴油發(fā)電機輸出功率；SOC為鋰電池荷電狀態(tài)；SOClow為鋰電池荷電狀態(tài)下限值。

在工況1和工況2情況下，系統處于獨立運行，逆變器采用V/F控制，系統實現功率自治；工況3情況下，系統并網運行，逆變器采用P/Q控制，此時直流微網以最大恒定功率輸出，負載功率變化由柴油發(fā)電機提供；工況4情況下，系統由獨立運行切換到并網運行；工況5情況下，系統由并網運行切換到獨立運行，如圖7所示。

4　仿真分析

通過MATLAB/SIMULINK搭建船舶微網模型，如圖8所示，其中：直流母線電壓為640 V；交流母線線電壓為380 V；頻率為50 Hz；鋰電池額定電壓為537.6 V，且容量為100 A·h；光伏電池指定輸出功率為25 kW；逆變電源并網功率輸出功率為40 kW；柴油發(fā)電機最大輸出功率可達到100 kW，采用圖1所示動態(tài)負荷，仿真時長為12 s。

當T在0～6 s時，船舶微網處于獨立運行，其中：0～3 s時PloadPpv且Pload

T=6 s時負荷突增，系統檢測到Pload>Ppv+Pbat，船舶微網系統處于工況4狀態(tài)，獨立運行切換至并網運行，逆變電源由V/F控制模式切換至P/Q控制模式，這一階段電壓和頻率最大變化率分別為4.47%和0.38%，恢復時間分別為0.16 s和0.12 s，逆變電源切換較為平滑。

當T在6～9 s時，Pload>Ppv+Pbat，船舶微網處于并網運行且Pload=Pg+Ppv+Pbat，系統處于工況3狀態(tài)，這一階段柴油機發(fā)電機并入船舶微網，交流母線電壓保持不變，受柴油機的調速特性影響，交流母線頻率略有波動，負荷波動下系統功率自治且穩(wěn)定性較高。

T=9 s時負荷突降，系統檢測到Pload

上述過程的仿真波形見圖9～圖11。圖9表明，通過上述電能變換器的協調運行控制，各微源能較好地實現能量管理調度策略。圖10～圖11表明，在獨立運行、并網運行以及兩種運行方式的切換中，船舶微網電壓和頻率均滿足我國《鋼質海船入級規(guī)范》[11]的要求。圖12表明，船舶微網輸出功率Pout能及時跟隨實際運行時動態(tài)負荷需求功率Pload。

5　結論

本文提出了動態(tài)負荷下的光柴儲船舶微網能量管理策略，應用MATLAAB/SIMULIK進行建模仿真。仿真結果表明：

1)船舶微網處于獨立運行時，BDC對直流母線進行穩(wěn)壓控制，逆變器處于恒壓恒頻控制，在負荷波動欠載和過載時，光儲輸出功率能及時的滿足負荷需求。

2)船舶微網處于并網運行時，逆變器處于恒功率控制，柴油發(fā)電機輸出功率跟隨負荷波動變化，實現了船舶微網在動態(tài)負荷下的穩(wěn)定運行。

3)船舶微網獨立運行向并網運行切換時，電壓和頻率瞬時波動分別為4.47%和0.38%，恢復時間分別為0.16 s和0.12 s；并網運行向獨立運行切換時，電壓和頻率瞬時波動分別為4.73%和0.32%，恢復時間分別為0.11 s和0.08 s，較好地實現了平滑切換。