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船舶动力系统混合动力储能的智能电源管理
摘要:—由于船上电力负载的采用日益广泛，包含储能装置的中压直流系统（MVDC）在船舶动力系统研究中引起了很多兴趣。为了确保此类系统的正常运行，需要适当的管理系统来维持MVDC总线的电压并确认负载生成平衡。因此，本文提出了一种分散式智能电源管理算法，以考虑脉冲负载来控制现代船舶电力系统上的混合存储设备。管理算法区分瞬态和稳态需求，并做出适当存储设备的插入/移除和参考值的正确决定。通过MATLAB对该算法进行了验证，结果表明所提出的管理策略能够维持MVDC母线的电压，并确保不同储能装置的正确使用。
关键字：脉冲负载；混合存储；分频；智能控制
I介绍
传统的交流系统对未来的舰载电力系统提出了许多挑战。它具有不灵活的架构，需要笨重的系统作为电源变压器，从而增加了有效负载的重量。在电力电子转换的最新技术的推动下，直流系统成为替代大多数交流电源系统的主要候选产品。过渡到直流系统解决了同步问题并消除了循环无功功率，从而减少了功率拥塞[1]。因此，直流系统有可能成为隔离电源系统（如微电网）和全电船系统的基本组成部分。MVDC系统被认为是满足机载高功率需求的最佳选择，这鼓励研究人员开发针对MVDC挑战的解决方案。这些挑战之一是MVDC控制/管理问题。由于船上存在不同的资源，因此应开发适当的控制技术以确保适当和安全的操作，并且在控制设计期间应考虑具有不同特性的不同负载，例如脉冲负载和恒定功率负载。
基于气体的发电机由于响应速度慢和倾斜能力低而不能支持脉冲负载，而储能系统被认为是MVDC船舶动力系统机动的有前途的解决方案[2]。通过分析MVDC的生成，存储和负载模型来研究MVDC的行为。在[3]中，分析了舰船动力系统动力学。分析时域提出模型以利于动力稳定性分析。为了稳定MVDC系统电压， 在[4]中提出了一个小信号模型。在[5]中考虑了负载和源之间的相互作用。在这项工作中评估了不同的动力方面； 如发电机电感，直流母线电容器，电缆特性和恒定功率负载（CPL）。
为了考虑在船舶操作期间可能出现的不同操作条件，提出了许多控制技术。不同控制技术的主要目的是维持MVDC总线的电压，并吸收和响应任何功率波动。在文献[6]- [10]中提出了许多分层控制算法。在[6]中，作者提出了一种通过滤波的整形控制技术，以管理板载功率流并减轻脉冲负载的影响。不管该技术的良好性能如何，都没有考虑不同存储设备之间的均分功率问题。
除了分层控制解决方案，集中控制技术还引起了众多研究人员的关注。在[10]，[11]中提出了使用能量存储来减轻机载脉冲负载。在他们的工作中，作者开发了一个集中式控制器，该控制器可收集负载数据，发电机的当前状态及其最大容量以及存储单元的充电状态。然后，控制器根据一些规则决定不同单元的充电/放电速率。这些规则可 以是使用PI控制器[10]或通过IF-THEN模糊条件[11]与参考状态的比较。在[12]中提出了发电机和存储设备之间的协调策略，以减轻脉冲负载。然而，没有提供关于所使用的能量存储的性质和类型的细节。在[13]中，引入了一种主从管理算法来控制不同互连转换器之间的功率共享。但是，从控制器在没有主控制器的情况下不能自主工作，并且它们不能跟随负载功率的变化，这降低了可靠性。
集中控制系统具有最佳和最佳性能[14]，[15]，但是这种控制体系结构更加复杂并且需要更多的计算负担。另外，它要求所有物理系统实体之间的通信链接，这会使整个系统容易遭受单点故障。从网络安全的角度来看，对集中式系统的一次攻击会误导受控系统，并且不能保证最佳和稳定的运行。因此，最近引入了许多研究工作以用分散控制拓扑代替集中控制系统。
在分散系统中，复杂性在较低边缘级别上分解。控制决策仅通过本地测量在本地进行，而中心权限不是在此级别需要。自主分散控制以前船舶动力系统运行中没有考虑过架构。在[16]中，船舶动力系统控制受基本的模糊逻辑控制系统的控制。模糊逻辑控制器用于保持船上低压服务负载的电压曲线。这项工作的作者没有考虑储能系统和高能量负荷。在[17]， [18]中，提出了用于车载电池管理的分散控制算法。两项研究均未考虑板载混合类型的存储设备及其行为。在[19]中，船舶主整流器发电机由线性二次高斯控制，该二次高斯是基于分散控制拓扑构建的。在他们的研究中，MVDC系统仅包含恒定电压DC负载，而未处理脉冲负载。本文提出了一种智能分散能源提出了舰载混合存储系统的管理算法。根据MVDC系统标准[20]，控制器的目的是确保脉冲负载的安全操作和供应而不会违反MVDC总线电压。而且，所提出的技术旨在确保能量存储系统之间的适当电流共享并且避免存储设备的过度放电或过度充电。使用分频，该算法还能够区分不同的瞬态斜坡能力要求，并确定要使用的存储单元的适当类型。所提出的技术已在MVDC电力系统上得到验证，该系统包括不同类型的能源和负载特性。
Ⅱ系统描述
船舶动力系统通常由四台发电机，推进系统，雷达系统和其他旅馆负载组成。由于出现了在短时间内消耗大量功率的新型船上脉冲负载，储能将成为船舶电源的主要部分。发生这种情况的原因是，传统的发电机上的发电机将无法匹配脉冲负载的高斜率。否则，发电机将面临过度磨损,从而缩短整个系统的使用寿命。图1显示了在这项工作中采用的MVDC船舶概念电源系统。该系统有两个主发电机，两个辅助发电机，消耗80％船舶动力的推进系统[21]，雷达系统，直流和交流旅馆负载，脉冲负载以及混合储能系统。发电机通过AC / DC转换器连接到MVDC。储能系统由电池和超级电容器组成，这些电池和超级电容器使用DC / DC转换器进行连接和控制。稍后将给出系统不同组件的等级。
Ⅲ建议的控制器
由于AES MVDC总线上不可避免地存在脉冲负载，因此要维持负载生成平衡，就需要管理策略具有某些功能。
因此，储能系统将成为提供状态机脉逻辑冲负载的主要来源。因此，有超必级电要容器在所有操作条件下保持策略的直负流/载生成平衡，确保船上存储设备之间正确分配功率，确保正确使用存储类型，并避免对存储进行不必要的充电/放电单位（以延长使用 寿命）。
为了满足上述要求，在这项工作中，提出了一种智能分散控制器。分散式控制器之所以得以实现，是因为它能够在本地级别上做出决策（在我们的系统中，通过处理本地电压和能量存储设备的SoC测量），而无需与系统的其他组件进行通信。所提出的控制器的分散性质减轻了计算负担，这一事实使其足以用于实时操作。
如图2所示，所提出的控制器由三部分组成。第一部分是模糊推理系统（FIS）。FIS决定电池和超级电容器的充电/放电参考设定点。第二部分是滤波后的电压信号。在这项工作中，使用了一个高通滤波器来区分高频瞬态需求和低频稳态需求。一方面，在对MVDC总线（VHP）的电压进行滤波之后，输出信号用于控制超级电容器的插入/移除。这样做是因为超级电容器是高功率组件，它们具有在瞬态时间内对高流电进行充电/放电以支持系统的能力。 另一方面，MVDC总线的原始电压测量值与经过滤波的电压测量值之间的差（Vdiff）将代表稳态需求。因此，它用于高能量密度的电池的插入/抽出。控制器的第三部分分是状态机逻辑。控制器的这一部分很重要，因为它负责对FIS的输出和滤波后的信号进行进一步的处理，根据系统的需要确定充电/放电过程是否会真正发生，或者避免不必要的使用。能量存储设备。
以下各节介绍了拟议策略的不同组成部分及其设计的详细信息：
A.智能模糊推理系统
首先， 选择模糊控制器，因为它能够通过简单的IF-THEN方法处理系统中所有可能的不确定性[22]。
拟议的FIS将电池/超级电容器的SOC/MVDC总线的原始电压作为输入，如图2所示。
FIS给出Iref,x作其输出代表电池/超级电容器的充电/放电设定点。下标x可以表示电池或超级电容器。模糊输出设定点的确定是通过两组隶属函数处理输入的结果。
如所见表一中，电压隶属度函数分为三个级别：低（L），中（M）和高（H）。这样做是为了确保MVDC总线的电压保持恒定。
选择低电压电平以触发放电过程以支持系统。中压水平确保无需采取任何措施。高电压电平会触发充电过程以吸收剩余功率。
同样，SOC的隶属函数分为三个级别。这样做是为了确 保适当的功率共享并避免存储设备的充电不足/过度充电。 要求具有较高电荷状态的存储单元在放电过程中贡献更大，而具有较低电荷状态的存储单元具有优于其他电荷存储单元的充电能力。这有助于延长存储寿命系统的设备。不同的隶属函数如图3所示。
图4是规则表面，它表示控制FIS决策的规则。
如果MVDC总线上的电压较低，则电池/超级电容器正在放电。但是，每个电池/超级电容器的贡献取决于其SOC。
如果MVDC总线上有高压，则电池/超级电容器正在充电。但是，每个电池/超级电容器的充电速率均基于其SOC优先。
在中等MVDC总线电压水平（约为5KV）的情况下， 电池/超级电容器保持闲置状态。
如果存储单元收费过高，它将不参与充电过程。同样，如果设备电量不足，则该设备将不参与放电过程。
B.高通滤波
使用截止频率为20 Hz的高通滤波器来分离MVDC总线电压的高频分量。MVDC的电压包含有关系统状态的有价值的信息，每次增加或减少负载都会反映在电压上，从而导致在功率不足或过剩的情况下，可以是瞬时变化或稳态变化。通过提取瞬时变化（瞬时力矩），可以确保超级电容器的正确使用。
原始信号和滤波后的信号之间的差异被认为代表了稳态需求。该信息用于控制电池的插入/取出。
尽管参考信号是从FIS获得的，并且瞬态和稳态的区别是通过滤波器获得的，但仍需要一种决策工具来读取这些值并将滤波后的信号与某些极限值进行比较，从而确定每个存储单元的最终参考值Iref，final。
C.状态机逻辑
电池存储操作模式是根据图5中的状态机逻辑定义的。通常，基于逻辑低频分量，控制逻辑会不断受到系统 要求的影响。控制器的操作模式包括放电，充电和无动作。首先，将最终参考电流初始化为为零，然后将电压 的低频分量与最小阈值电压进行比较，如果， 则检测到电压不足状态。60 micro;s的延迟用于确保更改是真正的稳态需求。延迟之后，再次检查电压，如果它小 于最小阈值，则确认功率不足，并将参考电流分配为由模 糊控制器计算的值。
类似地，当Vdiffgt;Vmax时，激活充电操作模式，并确认功率过剩情况。然后，从模糊控制器捕获参考电流。对于条件不成立的充电和放电，最终考设置为零。此外，如果电压Vminle;Vdiffle;Vmax，则该模式不起作用，最终参考值设置为零。
图6显示出了超级电容器操作的状态及逻辑。通过相同的方法，在初始化之后，将高通滤波电压VHP与上下阈值进行比较。如果VHP小于或等于下阈值Vlower，则放电模式被激活。但是，如果VHP大于上限阈值Vupper，则启动放电模式。最后，如果VHP记录的阈值在上限和下限之内，则在零参考电流的情况下该模式不起作用。
最后，PI电流控制器接收最终参考电流Iref,final与转换器电流IL之间的差，并迫使转换器遵循参考值。
Ⅳ结论
通过对图1所示的MVDC船舶电力系统进行仿真，验证了所提出的控制器。表II中给出了不同的负载和存储容量。表II中给出的所有电流值均参考MVDC总线端，电池和超级电容器除外，它们被称为转换器的低压端。表二显示，发电机可产生的最大电流为8000 A，足以为推进系统，雷达系统和服务负载供电。但是，仅提供脉冲负载是不够的。 否则会发生电压降。而且，加大发电机的尺寸以仅消耗几秒钟的能量来馈电负载也是不经济的。因此，由两个电池和两个超级电容器组成的混合存储系统用于提供脉冲负载。使用混合动力系统是因为它具有将超级电容器和电池的优势相结合的能力，能够满足瞬态和稳态需求。使用DC-DC 转换器的PWM控制存储系统的输出电流。所提出的控制器在不同的负载条件和不同级别的SOC下得到了验证。在本研究中，电池的初始SOC选择为85％和15％，以验证所提出的控制器在极端条件下（例如，电池过度充电/充电不足）的性能。超级电容器的初始SOC分别选择为50％。这样做是为了显示当存储设备具有相同的SOC时，控制器确保相等功率共享的能力。
图（7a）中所示的逐步负载曲线显示了不同时间步长的负载情况，首先连接推进系统，然后在t = 0.7秒，连接服务负载，然后是雷达系统，在t = 1.5秒，t = 2秒时的脉冲负载。连接脉冲负载一秒钟，直到t = 3秒钟，然后断开连接，然后在t = 3.5 sec处将某些服务负载的另一部分断开。
图7（b）显示，无论负载条件如何，MVDC总线的电压都几乎保持恒定且在IEC 60092-101标准之内。
为了详细说明所提出方法的不同阶段，在本节中，将从FIS块获得的参考值，从状态机逻辑获得的最终参考值以及存储设备汲取的实际电流显示。
图8（a）示出了第一电池的模糊块的输出。该图显示，由于脉冲负载的插入导致MVDC母线电压低，模糊控制器在t = 2秒时生成放电信号。图8（b）显示了状态机逻辑处理的最终参考信号和电池放电的实际电流。图8（b）显示了状态机逻辑在正确的时间段内生成适当的参考信号。由于在t = 2秒时存在功率不足，并且第一个电池的SOC为85％，这意味着该电池具有足够的容量，f并且该支持系统。因此，状态机逻辑会从电池生成最大可能 的放电电流，即1600A。该图还显示，在t = 2秒时不会立 即生成参考值。之所以会发生这种延
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