陳 明，楊恒瑞，丁 峰

（1. 海軍裝備部駐廣州地區(qū)第一軍事代表室，廣州 510260；2. 上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

由于多種類、大功率和非周期性等電力負(fù)載在船舶中應(yīng)用的增加，新一代綜合電力船舶將需要更加靈活、高效和可靠的能量供給，船舶儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。船舶用儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)維持船舶綜合電力系統(tǒng)多種類、大功率和非周期性電力負(fù)載的正常運(yùn)行以及提高船舶電網(wǎng)電能質(zhì)量方面起著至關(guān)重要的作用。船舶儲(chǔ)能系統(tǒng)可滿足船舶負(fù)載的獨(dú)特性和船舶的操作的多樣性，以改善船舶電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)穩(wěn)定性。然而，面對(duì)復(fù)雜的船舶綜合系統(tǒng)，如何對(duì)其中儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)試、測(cè)試、控制以及評(píng)價(jià)是目前的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)[1]?，F(xiàn)階段對(duì)船舶儲(chǔ)能系統(tǒng)的方案進(jìn)行驗(yàn)證通常有數(shù)字仿真法。數(shù)字仿真法是通過對(duì)船用儲(chǔ)能系統(tǒng)和船舶電力系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字建模，通過對(duì)模型的仿真計(jì)算，對(duì)船用儲(chǔ)能系統(tǒng)的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，這種方法優(yōu)點(diǎn)是模型靈活可變、易于實(shí)現(xiàn)、測(cè)試安全可靠，但測(cè)試結(jié)果的可信度取決于建設(shè)模型的置信度，對(duì)于階次高、迭代次數(shù)多、非線性特性強(qiáng)的系統(tǒng)，其可信度不夠高[2]。為了解決數(shù)字仿真可信度不高的問題， 本文基于硬件在環(huán)（Hardware-in-the-Loop，HIL）仿真技術(shù)，將部分實(shí)物引入到數(shù)字仿真回路中再進(jìn)行仿真，將實(shí)物模型和數(shù)字模型相結(jié)合，搭建可靠性高的硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)來驗(yàn)證船舶儲(chǔ)能系統(tǒng)方案的有效性。同時(shí)，使用RT-LAB仿真平臺(tái)，建立配置了船舶儲(chǔ)能系統(tǒng)的船舶直流綜合電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真模型，在該硬件在環(huán)仿真平臺(tái)滿足儲(chǔ)能系統(tǒng)所需的模擬量和數(shù)字量輸入輸出需求，并對(duì)其進(jìn)行方案驗(yàn)證[3-4]。

1 硬件在環(huán)仿真技術(shù)

1.1 硬件在環(huán)仿真技術(shù)

目前對(duì)船舶電力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模和仿真分析通常建立在Matlab和PSCAD等數(shù)字仿真軟件的基礎(chǔ)上，使用數(shù)字仿真軟件對(duì)電力系統(tǒng)的建模過程難以保證對(duì)階次高、迭代次數(shù)多、非線性特性強(qiáng)的系統(tǒng)電力系統(tǒng)的可靠建模[5]。并且數(shù)字仿真軟件的計(jì)算速度取決于計(jì)算機(jī)的CPU性能、仿真模型的規(guī)模大小和仿真步長等因素。為了解決數(shù)字仿真的以上問題，硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真技術(shù)可以將部分實(shí)物引入到數(shù)字仿真回路中再進(jìn)行仿真，將實(shí)物模型和數(shù)字模型相結(jié)合，搭建可靠性高的硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，以此得到更接近實(shí)際運(yùn)行情況的仿真模型，提高仿真的置信水平[6]。

1.2 RT-Lab 實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)

RT-Lab是加拿大Opal-RT公司開發(fā)的實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，能夠?yàn)殡娏ο到y(tǒng)、新能源電站、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域提供可靠的實(shí)時(shí)仿真[7]。各領(lǐng)域的軟硬件設(shè)計(jì)師可以方便地遷移Matlab或者Simulink的數(shù)字模型到RT-Lab試驗(yàn)室中，并可快速進(jìn)行硬件在環(huán)測(cè)試，可以以很低的花費(fèi)，將Matlab或者Simulink的數(shù)字模型進(jìn)行模塊化分割，方便設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)、管理和調(diào)試?；赗T-Lab的硬件在環(huán)測(cè)試仿真方案幾乎可以用于任何的電力系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)平臺(tái)，這對(duì)減少設(shè)計(jì)開發(fā)成本、增加設(shè)計(jì)開發(fā)可靠性有著十分重要的意義[8]。

2 船舶用儲(chǔ)能系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

在船舶實(shí)際航行中，頻繁的負(fù)載波動(dòng)會(huì)給電力系統(tǒng)帶來較大影響。為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，本項(xiàng)目中將引入儲(chǔ)能技術(shù)。船舶儲(chǔ)能系統(tǒng)可滿足船舶負(fù)載的獨(dú)特性和船舶的操作的多樣性，以改善船舶電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)穩(wěn)定性

蓄電池儲(chǔ)能和超級(jí)電容儲(chǔ)能的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與充放電控制方法均基本相似，其中蓄電池和超級(jí)電容都選用Matlab/Simulink中配置的模型，為保證仿真結(jié)果的真實(shí)性，相關(guān)參數(shù)設(shè)置均采用仿真庫中已有模型的配置參數(shù)。下面選蓄電池儲(chǔ)能為例作詳細(xì)介紹。

蓄電池組和直流母線的串聯(lián)方法，采用了支持能量雙向流動(dòng)的DC/DC電力電子模塊，并通過使用PWM方式調(diào)節(jié)雙向DC/DC變換器兩端啟動(dòng)開關(guān)管的占空比，實(shí)現(xiàn)了電能的雙向流通，對(duì)變換器可以通過不同的操作方法進(jìn)行對(duì)蓄電池的充放電轉(zhuǎn)換。

2.1 蓄電池和超級(jí)電容充放電控制模型

蓄電池組與直流母線的連接方式選用支持電能雙向流動(dòng)的DC/DC電力電子模塊，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖1。圖1中，蓄電池的充放電過程是通過控制雙向DC/DC變換器的2個(gè)開關(guān)管的占空比來實(shí)現(xiàn)的。通過計(jì)算和測(cè)試，設(shè)定蓄電池和超級(jí)電容側(cè)電感L1=0.05 H，直流側(cè)電容C1=0.02 F。

圖1 蓄電池充放電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 蓄電池和超級(jí)電容充放電模式

超級(jí)電容和鉛酸蓄電池在充放電控制方面有很多相似的地方。目前，應(yīng)用于二者的充放電方式有多種，如恒流充放電、恒壓充放電和恒功率充放電等。在實(shí)際應(yīng)用中一般儲(chǔ)能裝置的充電模式根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)特征和儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量狀態(tài)靈活地選擇。下面介紹本方案中設(shè)計(jì)的幾種充電方式。

1）恒流充電

恒流充電總是以恒定電流進(jìn)行充電。這種充電方式可以根據(jù)儲(chǔ)能模塊和電網(wǎng)實(shí)時(shí)狀態(tài)選擇和調(diào)整充電電流。恒流充電的控制結(jié)構(gòu)圖見圖2。

圖2 恒流充電控制圖

圖2中，IB作為反饋值，是儲(chǔ)能元件實(shí)際充電電流；IB_ref為充電電流給定參考值。考慮到電池的本身物理特性及最佳使用方式等，采用恒流充電必須考慮儲(chǔ)能元件不同狀態(tài)能承受的最大電流，而且電流不能過大。

2）恒壓充電

恒壓充電也稱為限壓充電，是指始終以恒定的電壓給儲(chǔ)能元件充電，恒壓充電的控制圖見圖3，其中Udc為直流母線實(shí)際電壓，也即反饋值；Udc_ref為直流母線電壓參考值。

圖3 恒壓充電

3）恒功率充電

恒功率充電是指始終以恒定的給定功率值給儲(chǔ)能單元充電。恒功率充電的控制圖見圖4，UB為儲(chǔ)能元件端電壓；PB_ref為充電功率給定參考值。

圖4 恒功率充電

2.3 飛輪儲(chǔ)能單元

在實(shí)際運(yùn)行過程中，飛輪儲(chǔ)能電池具有以下3種不同的工作模式：充能模式、放能模式和能量保持模式。圖5為飛輪儲(chǔ)能電池在不同工作模式下的工作原理圖。

圖5 飛輪儲(chǔ)能電池在不同工作模式下的工作原理

根據(jù)前文分析，設(shè)計(jì)飛輪儲(chǔ)能充放電控制策略控制框圖見圖6。

圖6 飛輪儲(chǔ)能的充放電控制系統(tǒng)

3 船舶用儲(chǔ)能系統(tǒng)的硬件在環(huán)方案設(shè)計(jì)

基于RT-LAB實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)和多通信網(wǎng)絡(luò)，船舶儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真測(cè)試平臺(tái)架構(gòu)見圖7，包括4部分：RT-LAB實(shí)時(shí)仿真機(jī)、外部實(shí)際控制器、LabVIEW交互界面和通信網(wǎng)絡(luò)。該仿真系統(tǒng)的控制命令可選擇由控制界面或外部控制器發(fā)出，船舶模型根據(jù)控制命令模擬儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行工況，同時(shí)將儲(chǔ)能系統(tǒng)電壓、電流等信號(hào)反饋回顯示界面，在此，通過數(shù)據(jù)采集卡完成數(shù)據(jù)的采集和傳輸，采用以太網(wǎng)通信方式與外部設(shè)備進(jìn)行交互，在上位機(jī)、目標(biāo)機(jī)和能量管理控制器之間通過交換機(jī)形成環(huán)網(wǎng)通信。該平臺(tái)的一個(gè)重要特點(diǎn)是可以借助先進(jìn)的仿真設(shè)備和高速通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)獲取船舶的全面詳細(xì)信息，信息將傳輸?shù)浇缑嬉灾С直O(jiān)視，調(diào)節(jié)和保護(hù)。

圖7 硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真測(cè)試平臺(tái)架構(gòu)

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，搭建硬件在環(huán)仿真平臺(tái)見圖8，從而驗(yàn)證船舶儲(chǔ)能系統(tǒng)真實(shí)控制器的性能，為后期研究奠定了基礎(chǔ)。

圖8 硬件在環(huán)仿真平臺(tái)

4 船舶用儲(chǔ)能系統(tǒng)的硬件在環(huán)驗(yàn)證及分析

4.1 蓄電池儲(chǔ)能仿真分析

根據(jù)前面介紹的充放電的控制策略，此處選擇恒壓充放電模式進(jìn)行仿真分析?？紤]到避免系統(tǒng)過充和過放的問題，當(dāng)蓄電池的SOC大于80%時(shí)，蓄電池將進(jìn)入浮充模式；當(dāng)SOC小于20%時(shí)，蓄電池將不再繼續(xù)放電，而是由控制系統(tǒng)控制DC/DC雙向變換器進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)。本次試驗(yàn)蓄電池將在t=0.4 s時(shí)放電，t=1.2 s蓄電池進(jìn)行充電。

圖9展示了直流母線電壓的變化曲線。在0.4 s和1.2 s時(shí)，蓄電池切換其負(fù)載特性，直流母線電壓也能迅速恢復(fù)至穩(wěn)定值1 pu。

圖9 直流母線電壓的變化曲線

圖10展示了蓄電池電流變化與充放電狀態(tài)之間的關(guān)系，當(dāng)蓄電池采用雙閉環(huán)控制時(shí)，蓄電池放電狀態(tài)下電流大于0，蓄電池充電狀態(tài)下電流小于0，曲線的階躍性表示了蓄電池充放電系統(tǒng)能迅速切換充放電狀態(tài)，滿足電力系統(tǒng)的快速性。

圖10 蓄電池電流的變化曲線

圖11展示了蓄電池荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）變化曲線與充放電狀態(tài)之間的關(guān)系，蓄電池在0～1.2 s的放電過程中，其SOC數(shù)值從60%開始下降；蓄電池在1.2 s～2 s的充電過程中，其SOC數(shù)值逐步上升，該過程與理論設(shè)計(jì)符合一致，驗(yàn)證了本仿真平臺(tái)的準(zhǔn)確性。

圖11 蓄電池SOC 的變化曲線

4.2 超級(jí)電容器儲(chǔ)能仿真分析

超級(jí)電容的仿真模型與蓄電池類似，只是儲(chǔ)能介質(zhì)特性不同。在恒流控制時(shí)，可以直接設(shè)置額定電流值的不同倍率，見圖12，從而適應(yīng)不同放電倍率的需求。圖13超級(jí)電容以同等電流在恒流放電模式下放出22 kW功率的響應(yīng)時(shí)間。對(duì)于同樣功率的負(fù)載，超級(jí)電容只需約71 ms，可以看其響應(yīng)時(shí)間是毫秒級(jí)的，所以也能適應(yīng)毫秒級(jí)特殊負(fù)載的需求。

圖12 超級(jí)電容不同放電倍率下的SOC 變化曲線

圖13 超級(jí)電容響應(yīng)22 kW 負(fù)載所需時(shí)間

4.3 飛輪儲(chǔ)能仿真分析

在飛輪儲(chǔ)能裝置中，摩擦阻力由于采用了磁懸浮技術(shù)而摩擦力幾乎可以忽略不計(jì)，因此可以采用大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來模擬飛輪儲(chǔ)能裝置。系統(tǒng)仿真參數(shù)如下：

1）飛輪儲(chǔ)能充電仿真分析

利用上述系統(tǒng)仿真參數(shù)對(duì)飛輪儲(chǔ)能電池充能控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，可得到仿真結(jié)果見圖14和圖15。飛輪電機(jī)啟動(dòng)后轉(zhuǎn)速迅速上升，在3.1 s左右達(dá)到額定值3 000 r/min，然后電機(jī)維持在運(yùn)行狀態(tài)。在飛輪電機(jī)充電階段電機(jī)的轉(zhuǎn)矩Te保持在最大值，保證了電機(jī)功率能夠線性迅速上升，在3.1 s轉(zhuǎn)矩迅速下降至0，功率也隨之迅速下降為0并保持，啟動(dòng)加速階段完成，不再吸收功率。

圖14 相電流波形

圖15 充電功率波形

2）飛輪儲(chǔ)能放電仿真分析

現(xiàn)設(shè)定飛輪的初速度為3 000 r/min，母線電壓參考值為540 V，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.5 kg·m2，直流側(cè)帶30 Ω電阻負(fù)載，放電仿真結(jié)果見圖16～圖18。

圖16 放電過程中直流側(cè)電壓波形

圖17 相電流波形

圖18 放電功率波形

從圖16可知，本試驗(yàn)平臺(tái)電力系統(tǒng)在的0～1.5 s的放電工況內(nèi)，直流側(cè)母線電壓在540 V保持穩(wěn)定。在1.5 s～3.5 s內(nèi)，直流側(cè)電壓逐漸下降，最終降為0。從反映輸出功率變化的圖18中也可以看出先穩(wěn)定后逐漸下降的趨勢(shì)。

5 結(jié)論

在船舶電力系統(tǒng)的開發(fā)研究階段，為了減少試驗(yàn)驗(yàn)證工作的成本并提高可靠性，本文基于RT-LAB實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，根據(jù)所建船舶儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真模型，完成了船舶儲(chǔ)能系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真方案測(cè)試。所建儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅配置了恒壓、恒流和恒功率3種充/放電方法，而且設(shè)計(jì)了基于直流母線電壓閾值的自動(dòng)充/放電方式和手動(dòng)強(qiáng)制充/放電方式，測(cè)試結(jié)果符合各儲(chǔ)能裝置的性能特性和指標(biāo)要求，可為后續(xù)的船舶綜合電力系統(tǒng)測(cè)試提供可靠提供有效平臺(tái)。