連廷耀

(廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 海事學(xué)院，廣東 廣州 510000)

0 引 言

船舶微電網(wǎng)主要由直流母線、電源、負(fù)載和儲(chǔ)能4個(gè)部分組成，其中利用風(fēng)能和太陽(yáng)能為該微電網(wǎng)提供電能驅(qū)動(dòng)，儲(chǔ)能配件則負(fù)責(zé)存儲(chǔ)多余的風(fēng)能和太陽(yáng)能電量。但能量存儲(chǔ)配件受放電電壓影響，導(dǎo)致其負(fù)載電阻瞬間變化，使其供電電壓形成較大波動(dòng)情況。隨著超導(dǎo)磁技術(shù)的發(fā)展，超導(dǎo)磁（SMES）儲(chǔ)能裝置被應(yīng)用到船舶微電網(wǎng)內(nèi)。SMES儲(chǔ)能裝置在正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下的電阻數(shù)值為0，其自身不會(huì)形成焦耳損耗，且其存儲(chǔ)電能容量較大載流密度也較高。但SMES儲(chǔ)能裝置在船舶微電網(wǎng)儲(chǔ)能應(yīng)用過(guò)程中，受磁場(chǎng)力和低溫環(huán)境影響，導(dǎo)致超導(dǎo)磁材料的超導(dǎo)態(tài)受到影響。因此有必要對(duì)其應(yīng)用在船舶微電網(wǎng)儲(chǔ)能過(guò)程中進(jìn)行柔性控制。目前很多學(xué)者致力于研究微電網(wǎng)儲(chǔ)能控制系統(tǒng)，如傅守強(qiáng)等設(shè)計(jì)的直流配電功率平滑控制系統(tǒng)和季宇等設(shè)計(jì)的無(wú)源-滑模復(fù)合控制系統(tǒng)。前者從微電網(wǎng)中壓互聯(lián)裝置入手，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行采樣，使用PI控制器對(duì)其暫態(tài)功率進(jìn)行補(bǔ)償后實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)儲(chǔ)能控制，后者則依據(jù)微電網(wǎng)光伏儲(chǔ)能的隨機(jī)特征，利用無(wú)源控制方法并結(jié)合PBC-SMC復(fù)合控制器實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)光伏儲(chǔ)能控制。上述2種方法在應(yīng)用過(guò)程中均存在不同程度缺陷，且并未考慮微電網(wǎng)儲(chǔ)能裝置存在擾動(dòng)時(shí)如何對(duì)其進(jìn)行控制。為此，本文設(shè)計(jì)應(yīng)用SMES的船舶微電網(wǎng)儲(chǔ)能柔性控制系統(tǒng)，提升船舶微電網(wǎng)儲(chǔ)能效果。

1 船舶微電網(wǎng)儲(chǔ)能柔性控制系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)技術(shù)框架

以B/S架構(gòu)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)應(yīng)用SMES的船舶微電網(wǎng)儲(chǔ)能柔性控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)技術(shù)框架如圖1所示。

圖1 船舶微電網(wǎng)儲(chǔ)能柔性控制系統(tǒng)技術(shù)框架Fig. 1 Technical framework of ship microgrid energy storage flexible control system

船舶微電網(wǎng)儲(chǔ)能柔性控制系統(tǒng)技術(shù)框架由4個(gè)部分組成，分別是船舶微電網(wǎng)SMES儲(chǔ)能裝置、CIRO信息采集平臺(tái)、信號(hào)調(diào)理電路和人機(jī)交互中心。

1.2 硬件配置選取

CRIO信息采集平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)的船舶微電網(wǎng)儲(chǔ)能柔性控制信息采集和接收采集命令的平臺(tái)，其可獲取當(dāng)前舶微電網(wǎng)儲(chǔ)能運(yùn)行參數(shù)并向人機(jī)交互中心發(fā)送實(shí)時(shí)信息，完成船舶微電網(wǎng)儲(chǔ)能實(shí)時(shí)信息上傳和接收人機(jī)交互中心發(fā)送的采集命令。

1.3 信號(hào)調(diào)理模塊設(shè)計(jì)

信號(hào)調(diào)理模塊負(fù)責(zé)將CRIO信息采集平臺(tái)采集到的船舶微電網(wǎng)SMES儲(chǔ)能實(shí)時(shí)電壓信息轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一區(qū)間的電流信息，其是實(shí)現(xiàn)船舶微電網(wǎng)儲(chǔ)能柔性控制的核心步驟。

將電壓信息輸入到接入電路電壓內(nèi)，其經(jīng)過(guò)負(fù)載電阻后輸送到兩級(jí)放大器內(nèi)的負(fù)極內(nèi)，同時(shí)將輸入電壓和偏置電壓輸入到兩級(jí)放大器正極內(nèi)，經(jīng)歷兩級(jí)放大器調(diào)理后即可輸出同一區(qū)間的船舶微電網(wǎng)SMES儲(chǔ)能實(shí)時(shí)電流信息。

1.4 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器是支撐船舶微電網(wǎng)儲(chǔ)能柔性控制系統(tǒng)信息傳輸?shù)幕A(chǔ)，設(shè)計(jì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器信息傳輸流程，如圖2所示。

圖2 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器信息傳輸流程Fig. 2 Information transmission process of wireless sensor network server

1.5 系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息收集與控制命令下發(fā)回路設(shè)計(jì)

船舶微電網(wǎng)儲(chǔ)能柔性控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息收集和控制命令下發(fā)是使系統(tǒng)啟動(dòng)的關(guān)鍵，設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息收集與控制命令下發(fā)回路。

通過(guò)Crio-9 082控制芯片接收船舶微電網(wǎng)儲(chǔ)能柔性控制命令并執(zhí)行該命令，實(shí)現(xiàn)船舶微電網(wǎng)儲(chǔ)能柔性控制過(guò)程。

1.6 基于線性自抗擾的SMES儲(chǔ)能裝置變流器設(shè)計(jì)

船舶微電網(wǎng)儲(chǔ)能柔性控制系統(tǒng)內(nèi)人機(jī)交互中心使用儲(chǔ)能柔性控制單元實(shí)現(xiàn)船舶微電網(wǎng)SMES儲(chǔ)能裝置的柔性控制。儲(chǔ)能柔性單元使用自編程軟件形式設(shè)計(jì)的線性自抗擾的SMES儲(chǔ)能裝置變流器程序完成船舶微電網(wǎng)SMES儲(chǔ)能裝置的柔性控制全過(guò)程。線性自抗擾的SMES儲(chǔ)能裝置變流器設(shè)計(jì)過(guò)程如下：

船舶微電網(wǎng)SMES儲(chǔ)能裝置主要由交流側(cè)儲(chǔ)能變流器和直流側(cè)斬波器組成。

船舶微電網(wǎng)SMES儲(chǔ)能裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為典型的VSC結(jié)構(gòu)，其交流側(cè)和船舶微電網(wǎng)相連，可有效抑制船舶微電網(wǎng)功率不平衡現(xiàn)象。SMES儲(chǔ)能裝置通過(guò)斬波和船舶微電網(wǎng)儲(chǔ)能變流器直流側(cè)電容連接，實(shí)現(xiàn)船舶微電網(wǎng)的充電和放電功能。

依據(jù)SMES儲(chǔ)能裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)由跟蹤微分器、線性擴(kuò)張觀測(cè)器和線性誤差反饋控制率組成的線性自抗擾SMES儲(chǔ)能裝置變流器。構(gòu)建SMES儲(chǔ)能裝置數(shù)學(xué)模型如下：

式中：表示SMES儲(chǔ)能裝置階數(shù)；()表示階數(shù)為且時(shí)為時(shí)，SMES儲(chǔ)能裝置當(dāng)前儲(chǔ)能充放電數(shù)值；表示控制增益；表示船舶微電網(wǎng)總擾動(dòng)數(shù)值；() 表示時(shí)刻為時(shí)無(wú)干擾控制量。

將式（1）內(nèi)的船舶微電網(wǎng)總擾動(dòng)數(shù)值作為未知狀態(tài)變量，使船舶微電網(wǎng)SMES儲(chǔ)能裝置當(dāng)前數(shù)值擴(kuò)展出新?tīng)顟B(tài)，形成船舶微電網(wǎng)SMES儲(chǔ)能裝置狀態(tài)空間，其表達(dá)公式如下：

式中：表示變流器交流側(cè)輸出數(shù)值；表示船舶微電網(wǎng)SMES儲(chǔ)能裝置交流側(cè)在軸上的電流和擾動(dòng)數(shù)值集合；表示當(dāng)前船舶微電網(wǎng)SMES儲(chǔ)能裝置新?tīng)顟B(tài)；表示新?tīng)顟B(tài)下的總擾動(dòng)數(shù)值。

依據(jù)式（2）結(jié)果建立二階線性擴(kuò)張觀測(cè)器推導(dǎo)公式后并對(duì)船舶微電網(wǎng)SMES儲(chǔ)能裝置狀態(tài)變量和總擾動(dòng)數(shù)值進(jìn)行估計(jì)，其表達(dá)式如下：

式中，σ表示二階線性擴(kuò)張觀測(cè)器跟蹤狀態(tài)。

由公式（3）可知，二階線性擴(kuò)張觀測(cè)器作用的關(guān)鍵在于對(duì)船舶微電網(wǎng)SMES儲(chǔ)能裝置狀態(tài)的實(shí)時(shí)擾動(dòng)進(jìn)行估計(jì)并加以消除，使補(bǔ)償后的船舶微電網(wǎng)SMES儲(chǔ)能裝置狀態(tài)形成線性積分串聯(lián)狀態(tài)。

將上述過(guò)程以軟件自編程形式寫(xiě)入到人機(jī)交互中心的儲(chǔ)能柔性控制單元內(nèi)，用戶(hù)通過(guò)啟動(dòng)該單元即可實(shí)現(xiàn)船舶微電網(wǎng)儲(chǔ)能柔性控制。

2 實(shí)驗(yàn)分析

以某船舶微電網(wǎng)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，使用本文系統(tǒng)對(duì)該微電網(wǎng)SMES儲(chǔ)能裝置進(jìn)行柔性控制，以驗(yàn)證本文系統(tǒng)實(shí)際使用效果。該船舶微電網(wǎng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 船舶微電網(wǎng)架構(gòu)Fig. 3 Architecture of ship microgrid

2.1 可靠性測(cè)試

系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的量化指標(biāo)是其在運(yùn)行周期內(nèi)平均無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間，以其為衡量本文系統(tǒng)可靠性指標(biāo)，設(shè)置5個(gè)運(yùn)行周期每個(gè)周期為30天，統(tǒng)計(jì)10個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)本文系統(tǒng)運(yùn)行中斷時(shí)間。

本文系統(tǒng)在5個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)僅在第1個(gè)和第3個(gè)運(yùn)行周期時(shí)分別出現(xiàn)1次中斷情況，中斷持續(xù)時(shí)間分別為0.2 min和1 min，其總中斷持續(xù)時(shí)間為1.2 min。該數(shù)值說(shuō)明本文系統(tǒng)在運(yùn)行周期內(nèi)平均無(wú)故障時(shí)間較長(zhǎng)，具備良好的可靠性。

2.2 儲(chǔ)能信息采集測(cè)試

給出本文系統(tǒng)對(duì)該船舶微電網(wǎng)SMES儲(chǔ)能裝置進(jìn)行采樣界面，如圖4所示。

圖4 儲(chǔ)能信息采集測(cè)試Fig. 4 Energy storage information acquisition test

可知，本文系統(tǒng)在采集船舶微電網(wǎng)SMES儲(chǔ)能信息時(shí)，可通過(guò)設(shè)置不同采樣點(diǎn)數(shù)值和采樣頻率采集不同時(shí)段或不同狀態(tài)下的儲(chǔ)能數(shù)據(jù)。也可從該畫(huà)面觀察到當(dāng)前儲(chǔ)能裝置輸出和輸入電流波形。說(shuō)明本文系統(tǒng)在采集舶微電網(wǎng)SMES儲(chǔ)能信息時(shí)具備較好的可控性，信息采集能力較為全面。

2.3 儲(chǔ)能柔性控制效果測(cè)試

以船舶微電網(wǎng)儲(chǔ)能輸出母線電壓為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，應(yīng)用本文系統(tǒng)對(duì)該輸出母線電壓進(jìn)行柔性控制，結(jié)果如圖5所示。

圖5 船舶微電網(wǎng)儲(chǔ)能輸出母線電壓柔性控制效果Fig. 5 Flexible control effect of ship microgrid energy storage output bus voltage

可知，船舶微電網(wǎng)儲(chǔ)能輸出母線電壓在未對(duì)其進(jìn)行柔性控制前，其母線電壓波動(dòng)區(qū)間在-0.3～1.3之間，而應(yīng)用本文系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行柔性控制后，其電壓波動(dòng)區(qū)間僅為0.6～0.9之間，且輸出電壓最大數(shù)值和最小數(shù)值之間差值得到有效降低，大大抑制了母線輸出電壓波動(dòng)。說(shuō)明本文系統(tǒng)可有效對(duì)船舶微電網(wǎng)儲(chǔ)能輸出母線電壓進(jìn)行柔性控制，使其輸出電壓數(shù)值波動(dòng)區(qū)間較小。

以信號(hào)調(diào)理電路輸出船舶微電網(wǎng)儲(chǔ)能電流波形為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，測(cè)試本文系統(tǒng)對(duì)船舶微電網(wǎng)儲(chǔ)能柔性控制效果，結(jié)果如表1所示。

可知，船舶微電網(wǎng)儲(chǔ)能電流在未應(yīng)用本文系統(tǒng)進(jìn)行柔性控制時(shí)，其初始電流數(shù)值呈現(xiàn)波浪狀起伏趨勢(shì)，且起伏跨度較大。而經(jīng)過(guò)本文系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行柔性控制后，電路數(shù)值起伏趨勢(shì)與初始電流完全相同，但控制后的船舶微電網(wǎng)儲(chǔ)能電流數(shù)值較初始電流數(shù)值低2.17 A。該結(jié)果說(shuō)明本文系統(tǒng)在控制船舶微電網(wǎng)儲(chǔ)能電流方面同樣具備較高的性能，其應(yīng)用效果較好。

表1 信號(hào)調(diào)理電路輸出前后電流數(shù)值Tab. 1 Current values before and after signal conditioning circuit output

3 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)應(yīng)用SMES的船舶微電網(wǎng)儲(chǔ)能柔性控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)分析SMES儲(chǔ)能裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)了基于線性自抗擾的SMES儲(chǔ)能裝置變流器，并以軟件自編程形式將其寫(xiě)入到系統(tǒng)人機(jī)交互中心內(nèi)的儲(chǔ)能柔性控制模塊內(nèi)，通過(guò)啟動(dòng)該模塊內(nèi)控制器程序，實(shí)現(xiàn)船舶微電網(wǎng)儲(chǔ)能柔性控制。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：本文系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)周期內(nèi)平均無(wú)故障時(shí)間較長(zhǎng)，可靠性較高；可有效降低船舶微電網(wǎng)儲(chǔ)能輸出母線電壓波動(dòng)區(qū)間。