本發(fā)明涉及一種用于船舶MVDC綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的儲能模塊自動充放電方法。

背景技術(shù)：

船舶MVDC綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)是一個多源多負(fù)荷的獨立電力系統(tǒng)，系統(tǒng)穩(wěn)定運行是為用電負(fù)載提供高質(zhì)量電能和系統(tǒng)安全運行的前提，船舶MVDC綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指系統(tǒng)運行過程中模塊功率發(fā)生變化時，直流母線電壓能夠保持或恢復(fù)到允許范圍、避免系統(tǒng)崩潰的能力。如何調(diào)控多個發(fā)電、用電模塊的運行方式，協(xié)調(diào)各模塊之間的能量流動以滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運行和經(jīng)濟(jì)運行等目標(biāo)是全電力船舶能量智能決策系統(tǒng)的關(guān)鍵功能之一，特別是系統(tǒng)引入了既可以作為發(fā)電模塊也可以作為負(fù)載的儲能模塊，使得系統(tǒng)的情況更為復(fù)雜，引入儲能模塊固然能提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性，但其核心問題是設(shè)計有效的儲能模塊自動充放電方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種滿足系統(tǒng)對于直流母線電壓穩(wěn)定性的要求的用于船舶MVDC綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的儲能模塊自動充放電方法

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：

通過檢測直流母線電壓信號，根據(jù)直流母線電壓閾值確定儲能模塊充放電的狀態(tài)，實現(xiàn)儲能模塊的自動充放電功能，根據(jù)直流母線電壓閾值確定儲能模塊充放電的狀態(tài)包括：

定義直流母線電壓偏差度ε：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{V_{dc}^{ref}-V_{dc}}{V_{dc}^{ref}}\×100\%$

其中，V_dc為直流母線電壓測量值，為直流母線電壓參考值；

根據(jù)直流母線電壓性能指標(biāo)的要求，以|ε|＝3％和|ε|＝5％為界限，將系統(tǒng)分為以下幾個運行狀態(tài)：

狀態(tài)1：|ε|＜3％，系統(tǒng)內(nèi)的負(fù)載需求由各發(fā)電單元供給，在該狀態(tài)下，發(fā)電管理通過協(xié)調(diào)各發(fā)電單元的輸出功率維持系統(tǒng)內(nèi)的功率平衡；

狀態(tài)2：3％＜ε＜5％，此時表明系統(tǒng)中存在過剩的功率且僅依靠發(fā)電管理不足以維持直流母線電壓在規(guī)定范圍內(nèi)，需要儲能單元充電吸收過多的功率，儲能管理通過監(jiān)測直流母線電壓V_dc的值和儲能單元的荷電狀態(tài)SOC，確定儲能單元是否具備能力參與直流母線電壓調(diào)節(jié)以及如果可以則確定儲能單元的充電電流值；

狀態(tài)3：-5％＜ε＜-3％，系統(tǒng)中功率不足，需要儲能單元放電向系統(tǒng)輸出功率以保持直流母線電壓平衡，儲能管理通過監(jiān)測直流母線電壓V_dc的值和儲能單元的荷電狀態(tài)SOC，確定儲能單元是否具備能力參與直流母線電壓調(diào)節(jié)并確定儲能單元的放電電流值；

狀態(tài)4：|ε|＞5％，發(fā)電管理與儲能管理不足以維持直流母線電壓在規(guī)定范圍內(nèi)，通過增加或減少負(fù)載以平衡系統(tǒng)功率。

儲能模塊通過充/放電操作平衡系統(tǒng)短期的功率波動，利用荷電狀態(tài)變量確定儲能模塊是否過度充/放電，設(shè)置當(dāng)SOC＜10％時，儲能模塊過度放電，不能進(jìn)行放電操作；當(dāng)SOC＞90％時，儲能模塊過度充電，不能進(jìn)行充電操作，將儲能模塊的充/放電策略分為主動充電、主動放電、被動充電和被動放電四種運行模式：

1)主動充電：當(dāng)直流母線電壓偏差度|ε|＜1％并保持一段時間T，儲能模塊荷電狀態(tài)SOC<40％時，對儲能模塊進(jìn)行主動充電，儲能模塊的荷電狀態(tài)SOC將上升，當(dāng)SOC數(shù)值達(dá)到50％或引起直流母線電壓偏差度|ε|＞2％時，停止主動充電；

2)主動放電：當(dāng)直流母線電壓偏差度|ε|＜1％并保持一段時間，儲能模塊荷電狀態(tài)SOC>60％時，控制儲能模塊向電網(wǎng)主動放電，儲能模塊的荷電狀態(tài)SOC將下降，當(dāng)SOC數(shù)值達(dá)到50％或引起直流母線電壓偏差度|ε|＞2％時，停止主動放電；

3)被動充電：當(dāng)直流母線電壓偏差度ε＞3％，儲能模塊荷電狀態(tài)SOC<80％時，控制儲能模塊進(jìn)行被動充電，儲能模塊的荷電狀態(tài)SOC將上升，當(dāng)|ε|＜1％并保持一段時間或SOC>90％時，停止被動充電；

4)被動放電：當(dāng)直流母線電壓偏差度ε＜-3％，儲能模塊荷電狀態(tài)SOC>20％時，控制儲能模塊向電網(wǎng)被動放電，儲能模塊的荷電狀態(tài)SOC將下降，當(dāng)|ε|＜1％并保持一段時間或SOC<10％時停止被動放電。

所述的主動充/放電操作模式保持儲能模塊的荷電狀態(tài)SOC在指定的水平，被動充/放電操作模式維持直流母線電壓穩(wěn)定；儲能模塊主動充/放電時，采用恒流充/放電，對直流母線電壓不造成波動；儲能模塊被動充/放電時采用恒壓充/放電，采用雙閉環(huán)控制，維持電網(wǎng)內(nèi)的功率平衡，進(jìn)而維持穩(wěn)定的母線電壓；在電流環(huán)中加入限制。

本發(fā)明的有益效果在于：

僅通過檢測直流母線電壓信號，根據(jù)直流母線電壓閾值確定儲能模塊充放電的狀態(tài)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)儲能模塊的自動充放電功能，并且能夠解決船舶MVDC綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)運行中需要維持穩(wěn)定的直流母線電壓的問題，具有對通信需求低和模塊獨立控制的優(yōu)點。

附圖說明

圖1船舶MVDC綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)簡化電路；

圖2儲能模塊自動充放電流程圖；

圖3儲能模塊恒流充/放電控制框圖；

圖4儲能模塊恒壓充/放電控制框圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細(xì)的描述：

(1)根據(jù)直流母線電壓性能指標(biāo)的要求，分別以|ε|＝3％和|ε|＝5％為界限，將儲能模塊分為4個運行狀態(tài)；

(2)通過檢測直流母線電壓信號，根據(jù)直流母線電壓閾值確定儲能模塊具體運行狀態(tài)；

(3)結(jié)合儲能模塊運行狀態(tài)和荷電狀態(tài)，將儲能模塊的充/放電策略細(xì)分為主動充電、主動放電、被動充電和被動放電四種運行模式；

(4)根據(jù)儲能模塊當(dāng)前運行狀態(tài)和荷電當(dāng)前狀態(tài)，選擇符合運行模式特征和操作條件的自動充/放電運行模式。

本發(fā)明還有這樣一些特點：

(1)主動和被動充/放電的區(qū)別在于前者的目的是保持儲能模塊的荷電狀態(tài)SOC在合適的水平，后者的目的是維持直流母線電壓。

(2)儲能模塊主動充/放電時，采用恒流充/放電。

(3)儲能模塊被動充/放電時采用恒壓充/放電，采用雙閉環(huán)控制，且為避免出現(xiàn)過電流充/放電，在電流環(huán)中加入限制

結(jié)合圖1，將MVDC配電系統(tǒng)，發(fā)電模塊、儲能模塊等效為理想的受控直流電壓源，而負(fù)載模塊則可以等效為直流電流源。假設(shè)船舶左舷和右舷直流母線通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)連接在一起形成一條公共直流母線，忽略傳輸線的損耗，得到船舶MVDC綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的簡化電路模型。其中C_bus為各變換器直流側(cè)電容形成的直流母線等效電容，I_G＝[I_G1,I_G2,I_G3,I_G4]^T、I_ES＝[I_ES1]^T、I_L＝[I_PM1,I_PM2,I_PL,I_L1,I_L2,I_L3]^T分別為發(fā)電模塊和儲能模塊的輸出電流和負(fù)載模塊的輸入電流。

直流母線電壓V_dc可由下面的微分方程描述：

$\frac{{\mathrm{dV}}_{dc}}{dt}=\frac{I-I_L}{C_{bus}}=\frac{{\mathrm{\&Sigma;I}}_G+{\mathrm{\&Sigma;I}}_{ES}-{\mathrm{\&Sigma;I}}_L}{C_{bus}}$

當(dāng)輸入到直流母線的電流代數(shù)和大于0，即直流母線吸收的功率大于發(fā)出的功率時，直流母線電壓上升；當(dāng)輸入到直流母線的電流代數(shù)和小于0時，即直流母線吸收的功率小于發(fā)出的功率時，直流母線電壓下降?？梢酝ㄟ^檢測直流母線電壓作為“發(fā)電-儲能”能量協(xié)調(diào)控制的公共調(diào)節(jié)信號，調(diào)節(jié)發(fā)電子系統(tǒng)輸出電流以及儲能系統(tǒng)的充放電電流，從而滿足直流母線電壓運行在規(guī)定的范圍內(nèi)。

船舶MVDC綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)直流母線電壓的性能指標(biāo)如表1所示：

定義直流母線電壓偏差度ε：

$\mathrm{\&epsiv;}=\frac{V_{dc}^{ref}-V_{dc}}{V_{dc}^{ref}}\&times;100\%---\left(1\right)$

其中，V_dc為直流母線電壓測量值，為直流母線電壓參考值。

結(jié)合表1對直流母線電壓性能指標(biāo)的要求，本發(fā)明分別以|ε|＝3％和|ε|＝5％為界限，將系統(tǒng)分為以下幾個運行狀態(tài)：

狀態(tài)1：|ε|＜3％，系統(tǒng)內(nèi)的負(fù)載需求由各發(fā)電單元供給，在該狀態(tài)下，發(fā)電管理通過協(xié)調(diào)各發(fā)電單元的輸出功率維持系統(tǒng)內(nèi)的功率平衡；

狀態(tài)2：3％＜ε＜5％，此時表明系統(tǒng)中存在過剩的功率且僅依靠發(fā)電管理不足以維持直流母線電壓在規(guī)定范圍內(nèi)，需要儲能單元充電吸收過多的功率，儲能管理通過監(jiān)測直流母線電壓V_dc的值和儲能單元的荷電狀態(tài)SOC，確定儲能單元是否具備能力參與直流母線電壓調(diào)節(jié)以及如果可以則確定儲能單元的充電電流值；

狀態(tài)3：-5％＜ε＜-3％，與狀態(tài)2相似，系統(tǒng)中功率不足，需要儲能單元放電向系統(tǒng)輸出功率以保持直流母線電壓平衡，儲能管理通過監(jiān)測直流母線電壓V_dc的值和儲能單元的荷電狀態(tài)SOC，確定儲能單元是否具備能力參與直流母線電壓調(diào)節(jié)以及如果可以則確定儲能單元的放電電流值；

狀態(tài)4：|ε|＞5％，此時發(fā)電管理與儲能管理不足以維持直流母線電壓在規(guī)定范圍內(nèi)，需要通過增加或減少負(fù)載以平衡系統(tǒng)功率。

結(jié)合圖2，給出儲能模塊自動充放電流程圖，儲能子系統(tǒng)充放電策略詳述如下：

儲能模塊通過充/放電操作平衡系統(tǒng)短期的功率波動，為了防止過度的充/放電對儲能模塊使用壽命造成不利影響，利用荷電狀態(tài)(State of Charge,SOC)這一變量確定儲能模塊是否過度充/放電。本發(fā)明設(shè)置當(dāng)SOC＜10％時，儲能模塊過度放電，不能進(jìn)行放電操作；當(dāng)SOC＞90％時，儲能模塊過度充電，不能進(jìn)行充電操作。此外，考慮到全電力船舶在執(zhí)行任務(wù)時，劇烈的負(fù)荷波動可能隨時出現(xiàn)，具有高度的不確定性，為了避免儲能模塊過度充/放電失去平衡系統(tǒng)功率作用，應(yīng)使儲能模塊的SOC保持在中等水平，為儲能模塊的充/放電能量留有裕度。

根據(jù)上述分析，本發(fā)明將儲能模塊的充/放電策略細(xì)分為主動充電、主動放電、被動充電和被動放電四種運行模式，每種運行模式特征及操作條件詳細(xì)說明如下：

1)主動充電：當(dāng)直流母線電壓偏差度|ε|＜1％并保持一段時間，儲能模塊荷電狀態(tài)SOC<40％時，對儲能模塊進(jìn)行主動充電，儲能模塊的荷電狀態(tài)SOC將上升，當(dāng)SOC數(shù)值達(dá)到50％或引起直流母線電壓偏差度|ε|＞2％時，停止主動充電；

2)主動放電：當(dāng)直流母線電壓偏差度|ε|＜1％并保持一段時間，儲能模塊荷電狀態(tài)SOC>60％時，控制儲能模塊向電網(wǎng)主動放電，儲能模塊的荷電狀態(tài)SOC將下降，當(dāng)SOC數(shù)值達(dá)到50％或引起直流母線電壓偏差度|ε|＞2％時，停止主動放電；

3)被動充電：當(dāng)直流母線電壓偏差度ε＞3％，儲能模塊荷電狀態(tài)SOC<80％時，控制儲能模塊進(jìn)行被動充電，儲能模塊的荷電狀態(tài)SOC將上升，當(dāng)|ε|＜1％并保持一段時間或SOC>90％時，停止被動充電；

4)被動放電：當(dāng)直流母線電壓偏差度ε＜-3％，儲能模塊荷電狀態(tài)SOC>20％時，控制儲能模塊向電網(wǎng)被動放電，儲能模塊的荷電狀態(tài)SOC將下降，當(dāng)|ε|＜1％并保持一段時間或SOC<10％時停止被動放電。

儲能模塊充/放電時可采用恒壓充/放電或恒流充/放電，結(jié)合圖3和圖4，下面詳細(xì)說明不同模式下儲能模塊采用的充/放電的方式及充/放電電流的計算。

結(jié)合圖3，儲能模塊主動充/放電時，為了保證對直流母線電壓不造成劇烈波動，采用恒流充/放電，其中和I_ES分別表示儲能模塊恒流充/放電電流的參考值和實際充/放電電流的值，D為占空比信號。

為充/放電電流的參考值，考慮到發(fā)電子系統(tǒng)輸出電流的變化率受其發(fā)電機(jī)組爬坡速度的影響，因此儲能模塊的充放電電流選取應(yīng)滿足：

$\left|I_{ES}^{ref}\right|\&le;\underset{i=1}{\overset{4}{\&Sigma;}}\left|\frac{{\mathrm{dI}}_{G,i}}{dt}\right|---\left(2\right)$

其中，I_G,i表示發(fā)電單元的輸出電流。

結(jié)合圖4，儲能模塊被動充/放電時屬于松弛終端，其目的是維持電網(wǎng)內(nèi)的功率平衡，進(jìn)而維持穩(wěn)定的母線電壓，因此儲能模塊被動充/放電時采用恒壓充/放電，采用雙閉環(huán)控制，且為避免出現(xiàn)過電流充/放電，在電流環(huán)中加入限制，其中和V_dc分別表示直流母線的參考電壓和實際電壓，和分別表示充/放電電流的上下界，其他符號含義與圖3中一致。

本發(fā)明的目的在于提供一種用于船舶MVDC綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的儲能模塊自動充放電方法，僅通過檢測直流母線電壓信號，根據(jù)直流母線電壓閾值確定儲能模塊充放電的狀態(tài)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)儲能模塊的自動充放電功能，并且能夠解決船舶MVDC綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)運行中需要維持穩(wěn)定的直流母線電壓的問題，具有對通信需求低和模塊獨立控制的優(yōu)點。