燃料电池船舶混合动力系统能量管理研究综述

在“双碳”目标下,发展燃料电池船舶是实现航运业转型升级和低碳化的重要发展方向之一。面对当前燃料电池上船的诸多问题,混合动力系统成为燃料电池船舶应用的有效解决方案,其能量管理的研究也成为核心研究方向之一。系统梳理燃料电池船舶的发展概况,针对燃料电池船舶多类型能源能量管理中涉及的能量调度问题以及变换器功率分配问题进行综述;分析各类方法的优缺点及其在实船上应用的可能性;探讨燃料电池船舶推广可行性和发展方向,以期能为技术创新和工程应用提供参考。

储能双向DC/DC变换器自适应充放电无缝切换策略

为提高直流微电网内储能单元的动态性能与抗干扰能力,文中提出了一种针对储能双向DC/DC变换器的充放电无缝切换控制策略。该策略根据母线电压高低进行储能单元自适应充放电切换,进而保持母线电压稳定。在此基础上,考虑到双向DC/DC变换器的非线性特征,引入了可通过fal函数在线调节误差反馈系数的非线性无缝电流环,实现了储能双向DC/DC变换器的充放电无缝切换,提高了控制策略的动态性能与鲁棒性。通过仿真和实验验证了该策略的可行性与有效性,在母线电压跌落、陡升与系统参数变化等工况下,均可实现储能单元的充放电无缝切换。

一种直流微电网多光伏变换器新型功率分配策略

为了解决光伏单元在运行过程中因工作模式切换造成的母线电压波动问题,提出一种新型平滑切换控制策略。根据光伏电池的输出特性曲线,将输出功率对输出电流的微分作为控制变量。通过跟踪不同的dp/di指令值来实现光伏单元最大功率点跟踪模式、恒压下垂模式的控制以及两种模式间的平滑切换。在此基础上,针对多光伏变换器工作在恒压下垂控制时因线路阻抗差异造成功率分配精度较低的问题,提出一种基于二次调节的自适应下垂控制策略。此外,构建相邻光伏单元间的稀疏通信网络,并采用动态一致性算法实现相关平均信息的全局稳定收敛。仿真和实验结果表明,所提控制策略可以实现光伏单元工作模式切换过程平滑过渡和负荷功率的精确分配。

船舶微电网源-荷级联系统母线电压振荡有源阻尼抑制策略

为解决船舶微电网源-荷级联系统中LC输入滤波器与恒功率负载CPL(constant power load)引起的母线电压振荡问题,提出一种基于非线性扰动观测器NDO(nonlinear disturbance observer)的虚拟负电感有源阻尼稳定控制策略。首先分析了恒功率负载的负阻抗特性及其能量反馈作用,深入研究了源-荷级联系统低阻尼振荡的机理;详细推导了级联系统的稳定约束条件,进而提出适用于源侧变换器的有源阻尼稳定策略,建立了级联系统小信号阻抗模型,利用奈奎斯特判据进行了稳定性分析。利用非线性扰动观测器摆脱了控制算法对输出电流传感器较强的依赖性,抵消了负阻抗特性对系统稳定性造成的不利影响。最后,通过仿真验证所提控制算法的有效性,并对稳定性分析部分进行了实例论证。

采用高频注入法的直流微电网无通信均流控制

基于注入低频交流电压的DC-DC变换器f-I下垂控制实现了无通信均流控制,但仍存在暂态性能差的问题。在分析注入频率大小对均流控制动态性能影响的基础上,将高于闭环截止频率的交流电压小信号注入到DC-DC变换器的电压中,提高无功补偿环节的反应速度并改善系统动态均流性能。设计了交流电压稳压器,抑制电压闭环对注入信号的衰减作用,保持注入高频交流小电压幅值稳定。利用小信号模型分析了均流控制性能和稳定性。StarSim硬件在环实验表明,基于高频注入法的均流方法显著提高了动态调节速度。

直流微电网参数自适应虚拟直流电机控制策略

针对直流微电网中,负载功率突变会引起母线电压大幅波动,严重时导致系统失稳问题,以储能并联变换器为研究对象,提出一种基于微分补偿的虚拟直流电机参数自适应控制策略。该策略将储能变换器输出电压偏差反馈至微分补偿系数,使补偿系数跟随负载波动实时调节补偿系数大小,有效减小了功率波动对系统稳定性的影响,提高了系统动态性能,并且在并联系统中,可根据各变换器控制中电枢电阻的比值实现并联功率分配。建立了系统小信号模型,并利用伯德图和阻抗比判据分析关键控制参数对系统稳定性的影响。MATALB/Simulink仿真和StarSim HIL实验平台验证了本文虚拟直流发电机参数自适应控制策略的有效性。

一种改进的船载混合储能系统分布式协同控制策略

为提高双电型船舶直流推进系统的电能质量和稳定性,设计一种改进的由超级电容和蓄电池组成的船载混合储能系统分布式协同控制策略:蓄电池和超级电容分别用比例下垂和积分下垂控制,以实现高低频功率分配;每个蓄电池配备一个本地分布式补偿器,使多个并联蓄电池之间实现自主功率分配和荷电状态(SoC)均衡;同时,利用直流母线电压二次调节,实现直流母线电压的自主恢复,并且将其与积分下垂控制结合,实现超级电容的SoC快恢复;最终,建立了船载混合储能系统的通用数学模型,并利用该模型进行了动态分析,从理论上验证了该系统的蓄电池SoC动态均衡、超级电容SoC快速恢复、自主功率分配和直流母线电压自主恢复等多个功能的有效性。硬件在环实验结果和理论分析一致,有效证明了该系统的多功能特性。

氢燃料电池船舶直流综合电力系统研究及应用

研发氢燃料电池船舶是实现航运业零碳排放的可行途径,也是推动造船业转型升级的重要发展方向,但传统的电力系统集成模式逐渐成为制约氢燃料电池船舶产业化应用的关键因素,构建以新能源为主体的船舶新型直流综合电力系统成为解决该问题的突破点。首先,系统梳理了氢燃料电池船舶和船舶综合电力系统的发展概况;其次,以中国第一艘氢燃料电池游艇"蠡湖"号为例,详细介绍了氢燃料电池船舶直流综合电力系统的关键技术及其在实船上的应用;然后,针对不同的航行工况重点分析了氢燃料电池船舶的5种电力驱动模式;最后,结合相关技术和配套设备的研发进程,分析并探讨船用氢燃料电池的局限性、推广可行性及未来的发展方向,期望能为燃料电池船舶的技术创新和工程应用提供参考。

船载直流微电网储能系统自主均流策略

为实现船载直流微电网储能系统负荷电流合理分配及母线电压无差调节,提出一种基于储能荷电状态收敛的自主均流策略.该策略在传统下垂控制的基础上增设一个补偿外环,通过在环内构建荷电状态收敛函数来自适应调节负荷电流及参考电压,使负荷电流随着荷电状态的动态均衡而实现合理分配,并维持较高的母线电压水平.给出了荷电状态收敛证明,并分析了相关参数的选取规则;此外,为减轻储能系统通信压力,构筑了稀疏通信网络架构,利用动态平均一致性算法估算全局荷电状态平均值并使其稳定收敛;最后,搭建了StarSim硬件在环实验平台.结果表明,该策略在多种复杂工况下均能实现荷电状态均衡、负荷均流及直流母线电压稳定的控制目标.