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多脉冲负载船舶电力系统的混合储能管理
摘要：随着各种类型的能源存储(ES)类型继续渗透到电网、电动汽车和海军应用中，需要扩展传统的分析，以涵盖与混合能源存储系统(HESS)相关的修订性能指标。每个ES器件都有各自的功率密度、能量密度、响应时间和负载下的电压稳定性。在一些关键的应用，如船舶电力系统(SPS)。建议将两种或更多的ES类型合并使用，以克服另一种的障碍。本文对三种不同系列的HESS进行了数学建模、评价和实验测试。将铅酸电池和锂离子电池以及超级电容等效电路模型定义为每种混合HESS配置的组件。在恒定和脉冲载荷下的脉冲响应被用来评估每个ES模型。然后使用一个特殊的控制器来处理每个ES模块的独特充电约束来完成混合ES技术的充电。此外，该控制器还被用于应用“滚动充电”算法来延长HESS的运行时间。通过一个模拟多脉冲负载SPS剖面的硬件装置，验证了该模型和控制器的有效性。
1介绍：
能源存储(ES)系统的研究继续蓬勃发展，以支持未来的微电网基础设施。为了满足消费者需求不断变化的波动，电网必须依赖于来自各种ES来源的信息。最常见的解决方案是电化学电池，它可以用于多种不同的任务，包括恢复系统电压和断电后的频率[1-4]。在公用事业网格中，由于减少了对重量和空间的关注，可以部署广泛的ES。然而，移动应用程序却没有这种奢侈。船舶、飞机或电动汽车(EV)上的局部化微电网容易受到主要的操作和后勤挑战。当发电资源有限时，频繁而沉重的脉冲负荷可能会对电力连接系统造成极小的干扰，从而造成灾难性的后果。在没有精心挑选的ES的帮助下，能量必须可从发电机按需提供，或者ES单元必须准备好并有效地部署以应对干扰。
船舶动力系统(SPS)是由一个复杂的隔离动力系统组成，通常由2个主涡轮发电机(MTG)和2个辅助涡轮发电机(ATG)[5]组成。例如，即将到来的DDG1000驱逐舰全电力船舰con舰载总轴功率达到74.8 MW。临界负荷大约保留了可用能量的15%，但是下一代设备将引入比这个数字[6]大几个数量级的负荷。能量和功率的需求可以从100kw到10gw /微秒到每秒[7,8]。如果没有适当的选择和控制，ES单元可能会经历高深度放电(DoD)，这将降低其快速响应波动需求的能力，同时显著降低其寿命或健康状态(SoH) [9]
在智能电网应用中，ES的部署与控制具有重要意义最近获得了越来越多的关注。这些案例双重的;提供了一种减少相关间歇性的方法与可再生能源同时提供辅助备份服务。在[11]中演示了并网混合系统溴化锌流动电池(FB)和电化学超级电容器(SC)降低电压和频率不稳定的结果，可变风力发电。几个小插图被测试改变平行SC的大小SC处理短期变化的银行和FB处理变化的银行。就像ES被用来处理一些间歇性与世代有关，它们的包含有在支持脉冲载荷方面同样有用。脉冲载荷在军事应用中很常见，但在广泛的领域中也存在其他应用程序和字段的范围[12]。
上述并网系统可以减少在一个主要的扰动或变化之后的影响但在孤岛或单机情况下，系统稳定当MTGs和ATGs到达时，仅仅依靠ES的支持吗?他们这一代人的能力。在[13]中，一种电池管理系统提出了一种控制锂电池功率流动的方案离子电池阵列。系统在两个网格连接的情况下进行测试以及岛屿式的运作模式在孤岛模式下，电池与逆变器作为同步发电机提供电压和频率支持。一些其他的控制策略已被证明，但只集中在一种类型ES (14 - 17)SPS在ES的部署方面提出了独特的挑战，因为它们是固有的岛屿系统。脉冲负载管理而减排是未来全电动汽车的一个新兴话题SPS。在[18]中，在理论上测试了一个0.25 Hz 36 MW的脉冲负载SPS模型，在该模型中进行了关于使用的案例研究一个动态无功补偿器，以维持总线电压。然而,多脉冲负载的功率需求是一个主要问题在设计和实现方面的挑战。电磁在[19]中研究了电磁轨道炮和电磁弹射器在短期脉冲载荷测试，两者都很重要当独立测试时，超过MTGs的可用能量。ES被提议作为一种解决方案来支持这两种方法，但是它被采纳了不了。一个广泛的审查，以影响多个电SPS的脉冲负载在[20]中进行。电磁轨道炮并对自由电子激光发射剖面进行了连接测试脉冲负载没有电化学，但使用轨道炮发射旋翼作为飞轮ES。该系统证明了现有的基础设施可以支持至少一个重要的脉冲负载，但是不是全部。
对部署电化学ES和[21]进行了研究。在[22]中，一个SC被一个电磁轨道炮独立测试以填充一个800 kA发射脉冲。这种拓扑结构能够提供脉冲，但需要一个巨大的500 F SC。ES的组合国家提供了更现实的解决方案[23-26]。在[26]在SPS上并行模拟铅酸和硫化钠电池组以填充单个脉冲负载。每个ES银行被安装在不同的分区总线上，在那里，人们注意到ES单元能够比MTG更快地响应以提供能源。然而，混合储能系统(HESS)的支持还没有在同一总线或串联配置中进行评估。在[27]中提出了一种SPS控制拓扑结构，该结构模拟了一个平行配置的电池- sc结构，并考虑了恒定和脉冲负载。测试了四种工作模式以满足临界负载和脉冲负载的要求，但只讨论了脉冲后的电压恢复周期，没有对SC或电池性能进行研究。此外，电池类型也不确定。
典型的电池和SC赫斯有利用并行拓扑结构,然而,控制这些系统是具有挑战性的SC的宽电压工作范围。没有一个专门的接口转换器,SC终端电池的电压会跟随,留下大量的闲散能源由于缩小工作范围[28]。此外，各ES的等效串联电阻不匹配会导致充电不均匀、不受控制或产生内部循环电流，这种现象也容易发生在铅酸电池和锂离子电池并联的情况下。在[29]中，我们开发了一个超能量管理控制器来有效地在锂离子电池和sC之间分配电动汽车的负载需求在一个parallel-configured赫斯。采用动态规划方法求解了电池、超导等效模型和变换器拓扑结构的多目标优化过程。利用这些结果，一个神经网络被训练和部署在控制器上，以保持电池的SoH和提高总HESS效率。
虽然文献已经证明了脉冲载荷对SPS的影响，但它一直局限于单独测试每个脉冲载荷。在实用性。一个健壮的系统应该具有在同一时间内处理多个脉冲负载的能力。从制造设备到电动汽车的众多应用程序中都可以看到多个脉冲负载，但是对于这个重点，这将在SPS中实现。据作者所知，在SPS上提供多个脉冲负载还没有经过测试和分析。
为了克服这一挑战，本文提出了两个新的概念。首先，利用铅酸和锂离子电池以及SC库，提出并测试了几种串联配置的HESS组合。分析了各组合的性能。其次，在每个串联ES的选择之后，一个专门的调度控制方案被演示，以努力补充部分或全部的能量，以服务一个考虑SoH权衡的脉冲负载。称为“滚动充电”，负荷和充电之间的协调方案应用于最沉重的脉冲负载，以努力恢复部分放电能量。每个ES的动态都根据它们的操作约束和最佳实践进行了优化，以保持它们的SoH。
本文的其余部分组织如下:第一节讨论了多化学ES的概念，并讨论了本研究中使用的每种类型的数学模型。第三部分讨论了HESS积分的等价模型和理论。第四部分详细介绍了提出的协调控制和滚动充电算法。第五部分给出了硬件实现和实验结果，第六部分总结了本文的工作。
2多种储能类型的建模
下面的章节描述了每种电化学的模型ES类型的细节。每个ES的操作特性在改进基本用例方面起关键作用:连接传统的串行铅酸电池系统。为了演示每个ES的限制，性能和操作的限制分别进行了简要的讨论。
2.1铅酸电池
铅酸电池可以提供无缝、廉价的能源来提供负载，但也有一些缺点。首先，它们的寿命严重依赖于操作电流。已经产生了大量的实验图表，建议放电电流水平与铭牌电池容量保持接近20小时的放电率(或C/20)。但这可能是不可行的，当指定为主要电池。第二，它们的寿命由作战国防部控制。铅酸蓄电池持续的深度放电将明显降低电池的SoH。第三，由于大的双层电容，它们对能量需求的响应时间较慢，这使得它在高频脉冲负载应用中效率低下。
铅酸电池可以通过模型来表示由两部分组成。第一部分是储能模型通过应用一个与自放电电阻并联的非常大的电容器而得到的部分。图1提供了一个图形表示开路电压之间的关系VocPb (t,I, SoC, t)和SoC的铅酸，同时也描绘锂离子也是一样。第二部分模型每个e的唯一响应。图2为等效图三种ES类型的电路在上述研究中能量模型由非线性电压表示源。图2(a)为引线的等效电路模型酸电池。为了表现其独特的动态响应，电化学阻抗谱(EIS)集总参数是基于Randles电路定义的。反电路模型描述了硫酸电解液的欧姆电阻其中脉冲响应电化学动力学为
通过极化电阻RpPb和电容CpPb建模。传递函数描述了铅酸电池的当量阻抗是:
电池端子处电压响应VPb(t)为:
2.2锂离子电池
一种降低操作风险和电池的方法与铅酸电池相关的响应时间是介绍其他化学反应速度更快。的lithiumionbattery提供了一个改进，因为它对深层国防部不敏感高的放电电流。再一次，两部分模型区分了能量存储和等效电路部分。能量存储部分的建模与铅酸相似，除了电压的行为是非常不同的。图1描述了非线性锂离子开路电压VocLi(t,I, SoC, t)对SoC。锂离子等效电路如下图2(b)所示相同的一阶兰德斯电路形式，然而，它的动力学揭示了其对不同价值的依赖性当前和SoC。描述等价的传递函数阻抗是:
其中RtLi是锂盐电解液的欧姆电阻极化电阻RpLi和电容CpLi差别很大使用值。电池端子上的电压响应VLi(t)是:
2.3超级电容器
由于具有高度放大的表面积，与传统电容相比，SC提供了更大的电荷存储空间。由浸在溶剂电解质[31]中的分离器分开的两个多孔电极组成，不发生电化学反应，因此充电接受和输送比电池快得多，即使在繁重的操作条件下，电池的循环寿命也能达到50万次以上。然而，缺点是工作电压范围，从最大额定电压到OV。此外，它的能量密度明显小于电池的能量密度。尽管SC作为一种电化学存储装置，它的equiva借给电路模型并不遵循与电池相同的形式。超越普通电容和等容串联电阻的扩展是基于基于物理的表示法，将SC划分为核心材料内外相关的部分(图2(c))。在[32]中，从2到5阶确定了4个不同的SC等效模型，其中歌剧频率决定了顺序。由于本研究中脉冲载荷的频率较低。一个二阶模型足以模拟稳态和瞬态电压波动，其中Ros和Cosc表示电极孔和Ric外的电阻和电容，Go表示电极孔内的电阻和电容。SC等效阻抗的传递函数为:
SC端子之间的电压响应VSC (t)为:
其中VtSC (t)为SC的初始终端电压。
- 混合动力储能的等效模型
在这一节中，我们得到了HESS的广义等效模型。研究了三种不同组合的不同病例。在MATLAB/Simulink环境中构造了各等效电路，对所得到的HESS模型进行了验证。然后将推导出的模型的响应与实验装置的响应进行比较。在实验设置中。使用85瓦恒功率和280W 0.1 Hz脉冲功率负载。每个6芯铅酸电池的标称电压和容量分别为12V和21ah[33]。锂离子电池模块由3个独立的单元串联而成，每个单元的标称电压为3.7V，向铅酸提供一个类似的模块电压11.1 V，匹配容量为21 Ah[34]。使用的SC由Maxwell制造，由两个58 F模块并联组成，每个模块的额定电压为16.2 VDC[35]。表1给出了仿真中各ES类型的等效电路参数。通过实验获得了铅酸电池和锂离子电池的参数，并与典型值进行了比较[30,36]，同时使用[32]中概述的方法确定了sC参数。假设同类型电池的SoH相近，其参数相似。需要注意的是，在引入严重损坏的电池(SoH非常低)的情况下，参数将会偏离，需要一个更高阶的模型。
3.1案例l: 4个铅酸电池
在第一个案例中，使用4个匹配电压和容量的模块对传统的100%铅酸蓄电池组进行了串联测试。预计在没有开发控制器的情况下，所有模块都将承担脉冲载荷，直到预置的国防部。然后，为了补充损失的能量，这些模块被解耦并离线充电。该系统的集总参数模型如图3(a)所示。因为一个潜在的四阶模型是压缩到类似于(1)的一阶，等效阻抗泽拉斯为:
在案例I系统Veqcase1 (t)的电压响应为:
电压和电流的响应如图4(a)所示。它可以看出，实验结果验证了获得的模型。这两种电压响应都很接近对方。
3.2案例 II：2个锂离子电池和2个铅酸电池
在这种情况下，50%的铅酸电池模块被匹配容量的锂离子模块替换，引入了HESS阵列，其中一半的模块由于循环和放电电流的影响，对SoH的敏感性更低，从而提高了每星期一次。这种分割系统引入了一种介质，成本效益的解决方案，以提高阵列的性能，而不需要心脏更换。利用该HESS，系统对强脉冲负载的鲁棒性得到了改善，同时减少了每个电池的总电流消耗，在此基础上，提出的控制器可用于重新分配充电模式。图3(b)为经修正的Il情况下的等效电路。Cpu的引入增加了Zeqcas2二阶:
案例 II系统Vcase2(t)的电压响应为:
同样，电压和电流响应如图4(b)所示，验证了所建立模型的准确性。
3.3案例三:2块锂离子电池、超级电容器和铅酸电池
第三种情况下的最后一个电路模型取代了剩下的一个如图4c所示，带有SC的铅酸电池模块，在这个赫斯，25%现在是由一个ES，可以承受循环实时没有重大的SoH影响，但在降低的能力工作电压范围宽。但是，与案例二一样，使用本文所采用的控制器有动态充电和滚动充电两种可以有效地作为下一节的讨论细节。HESS系统的等效阻抗模型Zeqcase3案例三是:
案例III系统Veqcase3 (t)的电压响应为:
电压和电流响应如图4(c)所示。结果表明，放电SC降低了堆芯的总
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