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原文传递船舶综合电力系统中储能系统能量管理与容量配置研究

论文题名：	船舶综合电力系统中储能系统能量管理与容量配置研究
关键词：	船舶综合电力系统;混合储能系统;能量管理;容量配置优化;遗传算法;仿真模型
摘要：	基于直流母线架构的船舶综合电力系统（ShipIntegratedPowerSystem，SIPS）具有灵活、可靠、安全和高效等优点，是SIPS的主要发展方向之一。直流母线是发电系统和推进系统的连接纽带，承担着能量传递的重要作用。其电压的稳定性是衡量SIPS的工作性能的重要参数。在船舶航行工况切换时，负载功率变化较大，易导致直流母线电压产生较大波动，将危害SIPS的安全、稳定运行，因此研究稳定和控制直流母线电压的方法和策略十分重要。本文采用锂电池与超级电容组成的混合储能系统来平抑直流母线电压波动，进而提高SIPS的稳定性和可靠性。　　首先搭建典型SIPS仿真模型。通过对典型SIPS中的柴油机及其调速系统、同步发电机及其励磁系统、整流器及其控制系统和永磁同步推进电机及其矢量控制等主要模块的数学模型的分析，在MATLAB/simulink环境中建立典型SIPS仿真模型，得到直流母线电压、负载功率、发电机输出功率和推进电机输出转矩等系统参数在船舶航行工况切换过程中的动态响应曲线。仿真结果表明：工况切换过程中，直流母线电压波动范围为642~762V，最大电压偏差超过标准规定的±10%，将危害到SIPS的安全稳定运行。　　然后研究储能系统能量管理策略及功率变换器控制策略。建立了锂电池与超级电容的等效电路模型及数学模型；选择双向DC/DC变换器连接储能单元与直流母线；考虑发电机负荷率（SVA）和极端工况情况，设计混合储能系统能量管理策略及变换器控制策略对储能单元的充放电过程进行控制。混合储能系统工作在恒压模式与充电模式两种工作模式。恒压模式下，双向DC/DC变换器使用电压外环、电流内环的双闭环控制策略平抑直流母线电压波动；充电模式下，双向DC/DC变换器采用电流单环控制策略对储能单元进行恒流充电。在MATLAB/Simulink中搭建含混合储能系统的SIPS仿真模型，仿真分析系统在工况切换过程中的动态响应特性。仿真结果表明：混合储能系统的引入及采用本文提出的能量管理策略和变换器控制策略后，直流母线电压波动范围降低至3%以内；混合储能系统根据储能单元的荷电状态（SOC）和整流发电机SVA切换工作模式，当整流发电机SVA与储能系统SOC较低时，整流发电机为混合储能系统充电，而当负载功率超过整流发电机的额定功率时，储能系统供电补足功率缺额，维持直流母线电压稳定。　　最后优化储能系统容量配置。以混合储能系统的最佳经济性能、最低锂电池寿命损耗为优化目标建立目标函数，以储能单元的瞬时功率限制、SOC限制、和容量限制作为约束条件，提出一种大变异自适应遗传算法进行求解，对混合储能系统的容量配置进行优化。直流母线电压、锂电池和超级电容的SOC响应曲线表明容量优化后的混合储能系统，能以最小的成本实现对直流母线电压的控制调节。　　本文研究工作对提高SIPS稳定性和可靠性及促进混合储能系统在SIPS中的应用具有一定的理论意义与实用价值。
作者：	李雨翰
专业：	电力电子与电力传动
导师：	向川
授予学位：	硕士
授予学位单位：	大连海事大学
学位年度：	2021