一种用于船舶MVDC综合电力推进系统的储能模块自动充放电方法与流程

本发明涉及一种用于船舶MVDC综合电力推进系统的储能模块自动充放电方法。

背景技术：

船舶MVDC综合电力推进系统是一个多源多负荷的独立电力系统，系统稳定运行是为用电负载提供高质量电能和系统安全运行的前提，船舶MVDC综合电力推进系统的稳定性是指系统运行过程中模块功率发生变化时，直流母线电压能够保持或恢复到允许范围、避免系统崩溃的能力。如何调控多个发电、用电模块的运行方式，协调各模块之间的能量流动以满足系统稳定运行和经济运行等目标是全电力船舶能量智能决策系统的关键功能之一，特别是系统引入了既可以作为发电模块也可以作为负载的储能模块，使得系统的情况更为复杂，引入储能模块固然能提高系统运行的稳定性和可靠性，但其核心问题是设计有效的储能模块自动充放电方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种满足系统对于直流母线电压稳定性的要求的用于船舶MVDC综合电力推进系统的储能模块自动充放电方法

本发明的目的是这样实现的：

通过检测直流母线电压信号，根据直流母线电压阈值确定储能模块充放电的状态，实现储能模块的自动充放电功能，根据直流母线电压阈值确定储能模块充放电的状态包括：

定义直流母线电压偏差度ε：

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

其中，V_dc为直流母线电压测量值，为直流母线电压参考值；

根据直流母线电压性能指标的要求，以|ε|＝3％和|ε|＝5％为界限，将系统分为以下几个运行状态：

状态1：|ε|＜3％，系统内的负载需求由各发电单元供给，在该状态下，发电管理通过协调各发电单元的输出功率维持系统内的功率平衡；

状态2：3％＜ε＜5％，此时表明系统中存在过剩的功率且仅依靠发电管理不足以维持直流母线电压在规定范围内，需要储能单元充电吸收过多的功率，储能管理通过监测直流母线电压V_dc的值和储能单元的荷电状态SOC，确定储能单元是否具备能力参与直流母线电压调节以及如果可以则确定储能单元的充电电流值；

状态3：-5％＜ε＜-3％，系统中功率不足，需要储能单元放电向系统输出功率以保持直流母线电压平衡，储能管理通过监测直流母线电压V_dc的值和储能单元的荷电状态SOC，确定储能单元是否具备能力参与直流母线电压调节并确定储能单元的放电电流值；

状态4：|ε|＞5％，发电管理与储能管理不足以维持直流母线电压在规定范围内，通过增加或减少负载以平衡系统功率。

储能模块通过充/放电操作平衡系统短期的功率波动，利用荷电状态变量确定储能模块是否过度充/放电，设置当SOC＜10％时，储能模块过度放电，不能进行放电操作；当SOC＞90％时，储能模块过度充电，不能进行充电操作，将储能模块的充/放电策略分为主动充电、主动放电、被动充电和被动放电四种运行模式：

1)主动充电：当直流母线电压偏差度|ε|＜1％并保持一段时间T，储能模块荷电状态SOC<40％时，对储能模块进行主动充电，储能模块的荷电状态SOC将上升，当SOC数值达到50％或引起直流母线电压偏差度|ε|＞2％时，停止主动充电；

2)主动放电：当直流母线电压偏差度|ε|＜1％并保持一段时间，储能模块荷电状态SOC>60％时，控制储能模块向电网主动放电，储能模块的荷电状态SOC将下降，当SOC数值达到50％或引起直流母线电压偏差度|ε|＞2％时，停止主动放电；

3)被动充电：当直流母线电压偏差度ε＞3％，储能模块荷电状态SOC<80％时，控制储能模块进行被动充电，储能模块的荷电状态SOC将上升，当|ε|＜1％并保持一段时间或SOC>90％时，停止被动充电；

4)被动放电：当直流母线电压偏差度ε＜-3％，储能模块荷电状态SOC>20％时，控制储能模块向电网被动放电，储能模块的荷电状态SOC将下降，当|ε|＜1％并保持一段时间或SOC<10％时停止被动放电。

所述的主动充/放电操作模式保持储能模块的荷电状态SOC在指定的水平，被动充/放电操作模式维持直流母线电压稳定；储能模块主动充/放电时，采用恒流充/放电，对直流母线电压不造成波动；储能模块被动充/放电时采用恒压充/放电，采用双闭环控制，维持电网内的功率平衡，进而维持稳定的母线电压；在电流环中加入限制。

本发明的有益效果在于：

仅通过检测直流母线电压信号，根据直流母线电压阈值确定储能模块充放电的状态，不仅能够实现储能模块的自动充放电功能，并且能够解决船舶MVDC综合电力推进系统运行中需要维持稳定的直流母线电压的问题，具有对通信需求低和模块独立控制的优点。

附图说明

图1船舶MVDC综合电力推进系统简化电路；

图2储能模块自动充放电流程图；

图3储能模块恒流充/放电控制框图；

图4储能模块恒压充/放电控制框图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细的描述：

(1)根据直流母线电压性能指标的要求，分别以|ε|＝3％和|ε|＝5％为界限，将储能模块分为4个运行状态；

(2)通过检测直流母线电压信号，根据直流母线电压阈值确定储能模块具体运行状态；

(3)结合储能模块运行状态和荷电状态，将储能模块的充/放电策略细分为主动充电、主动放电、被动充电和被动放电四种运行模式；

(4)根据储能模块当前运行状态和荷电当前状态，选择符合运行模式特征和操作条件的自动充/放电运行模式。

本发明还有这样一些特点：

(1)主动和被动充/放电的区别在于前者的目的是保持储能模块的荷电状态SOC在合适的水平，后者的目的是维持直流母线电压。

(2)储能模块主动充/放电时，采用恒流充/放电。

(3)储能模块被动充/放电时采用恒压充/放电，采用双闭环控制，且为避免出现过电流充/放电，在电流环中加入限制

结合图1，将MVDC配电系统，发电模块、储能模块等效为理想的受控直流电压源，而负载模块则可以等效为直流电流源。假设船舶左舷和右舷直流母线通过联络开关连接在一起形成一条公共直流母线，忽略传输线的损耗，得到船舶MVDC综合电力推进系统的简化电路模型。其中C_bus为各变换器直流侧电容形成的直流母线等效电容，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分别为发电模块和储能模块的输出电流和负载模块的输入电流。

直流母线电压V_dc可由下面的微分方程描述：

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

当输入到直流母线的电流代数和大于0，即直流母线吸收的功率大于发出的功率时，直流母线电压上升；当输入到直流母线的电流代数和小于0时，即直流母线吸收的功率小于发出的功率时，直流母线电压下降。可以通过检测直流母线电压作为“发电-储能”能量协调控制的公共调节信号，调节发电子系统输出电流以及储能系统的充放电电流，从而满足直流母线电压运行在规定的范围内。

船舶MVDC综合电力推进系统直流母线电压的性能指标如表1所示：

定义直流母线电压偏差度ε：

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

其中，V_dc为直流母线电压测量值，为直流母线电压参考值。

结合表1对直流母线电压性能指标的要求，本发明分别以|ε|＝3％和|ε|＝5％为界限，将系统分为以下几个运行状态：

状态1：|ε|＜3％，系统内的负载需求由各发电单元供给，在该状态下，发电管理通过协调各发电单元的输出功率维持系统内的功率平衡；

状态2：3％＜ε＜5％，此时表明系统中存在过剩的功率且仅依靠发电管理不足以维持直流母线电压在规定范围内，需要储能单元充电吸收过多的功率，储能管理通过监测直流母线电压V_dc的值和储能单元的荷电状态SOC，确定储能单元是否具备能力参与直流母线电压调节以及如果可以则确定储能单元的充电电流值；

状态3：-5％＜ε＜-3％，与状态2相似，系统中功率不足，需要储能单元放电向系统输出功率以保持直流母线电压平衡，储能管理通过监测直流母线电压V_dc的值和储能单元的荷电状态SOC，确定储能单元是否具备能力参与直流母线电压调节以及如果可以则确定储能单元的放电电流值；

状态4：|ε|＞5％，此时发电管理与储能管理不足以维持直流母线电压在规定范围内，需要通过增加或减少负载以平衡系统功率。

结合图2，给出储能模块自动充放电流程图，储能子系统充放电策略详述如下：

储能模块通过充/放电操作平衡系统短期的功率波动，为了防止过度的充/放电对储能模块使用寿命造成不利影响，利用荷电状态(State of Charge,SOC)这一变量确定储能模块是否过度充/放电。本发明设置当SOC＜10％时，储能模块过度放电，不能进行放电操作；当SOC＞90％时，储能模块过度充电，不能进行充电操作。此外，考虑到全电力船舶在执行任务时，剧烈的负荷波动可能随时出现，具有高度的不确定性，为了避免储能模块过度充/放电失去平衡系统功率作用，应使储能模块的SOC保持在中等水平，为储能模块的充/放电能量留有裕度。

根据上述分析，本发明将储能模块的充/放电策略细分为主动充电、主动放电、被动充电和被动放电四种运行模式，每种运行模式特征及操作条件详细说明如下：

1)主动充电：当直流母线电压偏差度|ε|＜1％并保持一段时间，储能模块荷电状态SOC<40％时，对储能模块进行主动充电，储能模块的荷电状态SOC将上升，当SOC数值达到50％或引起直流母线电压偏差度|ε|＞2％时，停止主动充电；

2)主动放电：当直流母线电压偏差度|ε|＜1％并保持一段时间，储能模块荷电状态SOC>60％时，控制储能模块向电网主动放电，储能模块的荷电状态SOC将下降，当SOC数值达到50％或引起直流母线电压偏差度|ε|＞2％时，停止主动放电；

3)被动充电：当直流母线电压偏差度ε＞3％，储能模块荷电状态SOC<80％时，控制储能模块进行被动充电，储能模块的荷电状态SOC将上升，当|ε|＜1％并保持一段时间或SOC>90％时，停止被动充电；

4)被动放电：当直流母线电压偏差度ε＜-3％，储能模块荷电状态SOC>20％时，控制储能模块向电网被动放电，储能模块的荷电状态SOC将下降，当|ε|＜1％并保持一段时间或SOC<10％时停止被动放电。

储能模块充/放电时可采用恒压充/放电或恒流充/放电，结合图3和图4，下面详细说明不同模式下储能模块采用的充/放电的方式及充/放电电流的计算。

结合图3，储能模块主动充/放电时，为了保证对直流母线电压不造成剧烈波动，采用恒流充/放电，其中和I_ES分别表示储能模块恒流充/放电电流的参考值和实际充/放电电流的值，D为占空比信号。

为充/放电电流的参考值，考虑到发电子系统输出电流的变化率受其发电机组爬坡速度的影响，因此储能模块的充放电电流选取应满足：

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

其中，I_G,i表示发电单元的输出电流。

结合图4，储能模块被动充/放电时属于松弛终端，其目的是维持电网内的功率平衡，进而维持稳定的母线电压，因此储能模块被动充/放电时采用恒压充/放电，采用双闭环控制，且为避免出现过电流充/放电，在电流环中加入限制，其中和V_dc分别表示直流母线的参考电压和实际电压，和分别表示充/放电电流的上下界，其他符号含义与图3中一致。

本发明的目的在于提供一种用于船舶MVDC综合电力推进系统的储能模块自动充放电方法，仅通过检测直流母线电压信号，根据直流母线电压阈值确定储能模块充放电的状态，不仅能够实现储能模块的自动充放电功能，并且能够解决船舶MVDC综合电力推进系统运行中需要维持稳定的直流母线电压的问题，具有对通信需求低和模块独立控制的优点。