基于飞轮储能技术的船舶区域配电系统冲击负荷供能策略_洪远远.pdf

SHIP ENGINEERING 船 舶 工 程 Vol.45 No.1 2023 总第 45 卷，2023 年第 1 期 103 基于飞轮储能技术的船舶区域配电系统 冲击负荷供能策略 基于飞轮储能技术的船舶区域配电系统 冲击负荷供能策略 洪远远，施伟锋（上海海事大学 物流工程学院，上海 201306）摘 要：摘 要：针对船舶区域电力系统中冲击负荷启停时引起的频率大幅度波动故障，采用飞轮储能系统，实现对冲击负荷的功率补偿和对系统频率波动的抑制。当飞轮充电时，采用按转子磁链的矢量控制方法对飞轮驱动电机的转速进行控制，以减少充电时间和过程扰动。当冲击负荷启动引起船舶出现功率缺额和频率波动时，触发飞轮装置进入放电工作模式，配合柴油机组为冲击负荷供电。飞轮储能系统内部自带变频器，能实现交流-直流-交流的转换，达到为冲击负荷稳定供电的目的。采用 MATLAB/Simulink 平台搭建适用于船舶系统的飞轮储能充放电模型，仿真结果表明，该系统能紧急满足冲击负荷的电能供应需求，从而预防船舶电网出现频率大幅度波动故障和加快故障自愈。关键词：关键词：船舶区域配电系统；飞轮储能系统；冲击负荷；频率波动；故障自愈 中图分类号：中图分类号：U671.99 文献标志码：文献标志码：A 【DOI】10.13788/ki.cbgc.2023.01.16 Impulse Load Energy Supply Strategy of Ship Regional Distribution Power System Based on Flywheel Energy Storage Technology HONG Yuanyuan,SHI Weifeng(Logistics Engineering College,Shanghai Maritime University,Shanghai 201306,China)Abstract:Aiming at the frequency fluctuation caused by the start and stop of impact load in the regional power system of ships,the flywheel energy storage system is used to realize the power compensation of impact load and the suppression of system frequency fluctuation.During flywheel charging,the speed of flywheel drive motor is controlled by vector control method according to rotor flux linkage so as to reduce charging time and process disturbance.When the power shortage and frequency fluctuation of the ship are caused by the start-up of the impact load,the flywheel device is triggered to enter the discharge working mode and cooperate with the diesel unit to supply power to the impact load.The flywheel energy storage system has its own frequency converter,which can realize AC-DC-AC conversion and achieve the purpose of stable power supply for impact load.Using MATLAB/Simulink platform,a flywheel energy storage charging and discharging model suitable for the ship system is established.The simulation results show that the system can meet the power supply of the impact load urgently,thus preventing the frequency fluctuation of the ships power grid and speeding up the fault self-healing.Key words:ship regional distribution power system;flywheel energy storage system;impact load;frequency fluctuation;self-healing of fault 0 引言引言 船舶在海洋中航行和作战的环境通常较为恶劣，尤其是船上携带的冲击负荷（如激光武器、雷达等短时高功率设备1）启动时所需能量密度大、功率高，收稿日期：2021-09-28；修回日期：2022-05-27 基金项目：上海市科技计划项目（20040501200）作者简介：洪远远（1997），男，硕士研究生。研究方向：船舶电力系统故障自愈。船舶电气、探通导设备及自动控制 104 往往会导致船舶区域配电系统的负荷发生大幅度变化，引起发电机组的转速发生变化，从而造成船舶电力系统的瞬时功率不平衡和频率发生大幅度波动。为保证船舶主动力和冲击负载等重要负荷在关键时刻不失电，船舶区域配电电力系统需启用备用储能，以快速响应冲击负荷的瞬时高功率需求，维持系统频率的稳定性2。备用容量的大小可根据系统中机组的台数、容量的大小和系统的可靠性确定，一般为最大负荷的5%10%。与化学蓄电池储能等方式相比，冲击功率技术是将能量储存起来以后，瞬间以冲击大功率释放的技术，在高科技领域应用较多。飞轮储能系统的瞬间功率较大，可作为冲击功率电源3。飞轮储能技术可在数分钟内使飞轮的转速达到额定转速，具有储能密度大、使用寿命长、充电快和环保高效等优点，有望成为新一代储能设备4。如德国IPP研究所的托卡马克装置就采用了飞轮储能作为冲击功率电源。当船舶系统出现功率缺额时，飞轮储能技术能为船上的侧推动负荷和冲击负荷紧急供电，抑制船舶发生大幅度频率波动故障。目前，有关飞轮储能系统实际应用的建模研究较少。徐中民5引入飞轮储能装置解决风力发电机组存在的输出功率波动问题，并对其控制策略进行了优化；苑捷等6引入飞轮储能装置提高用户的用电质量，实际应用结果显示，该装置能有效消除几个毫秒之内的电压频率扰动问题的影响；欧跃雄等7采用双向DC/DC的飞轮储能系统控制策略，对飞轮系统充放电进行了仿真验证；刘丽影等8针对飞轮控制策略提出了 驱 动 逆 变 器 的 脉 冲 宽 度 调 制（Pulse Width Modulation,PWM），仿真分析结果显示控制效果得到了显著改善。基于上述研究，本文针对船舶区域配电电力系统设计包含变流器、驱动电机和飞轮等3个模块的飞轮储能系统。当船舶发电机组输出的有功功率不能满足船舶电网的需求时，将波动的有功功率作为飞轮电机变流器的控制信号，驱动飞轮储能装置放电；当船舶恢复稳定之后对飞轮装置进行充电，以备下次放电。飞轮电机充电时，控制方式采用按转子磁链定向矢量控制系统的电流滞环控制方式；在放电过程中，采用Cuk斩波电路防止因飞轮转速下降而引发电压骤降问题。根据上述设计，在MATLAB/Simulink仿真平台上对飞轮储能装置充放电的工作特性进行仿真分析，验证飞轮储能系统在冲击负荷启动时采用的控制策略的正确性和有效性。1 飞轮储能系统应用分析飞轮储能系统应用分析 1.1 船舶区域电力系统频率波动问题船舶区域电力系统频率波动问题 船舶区域配电电力系统以全电船形式支撑船舶电力推进，发电机是系统中唯一的有功功率电源9。区域配电将全船划分为多个供电区域，采用多种供电方式进行组合供电，是目前军用船舶电力系统的主要发展方向10。船舶系统频率大幅变化对电力系统的稳定运行有很大影响。当船舶系统频率下降时，转速会下降，影响电动机的输出功率和效率，导致系统的电压水平下降；当船舶系统频率增加时，推进电机会严重过载，缩短使用寿命。大范围的频率变化还会引起船舶发电机组之间的负荷严重不平衡，导致船舶电网失电。目前，船舶电力系统调整频率的方式主要是调节原动机的转速。根据中国船级社规范的要求：当原动机为柴油机突加、突卸大负荷时，电网的频率瞬间波动不能超过10%，且要求在5 s 内恢复稳定。通常采用比例、积分和微分（Proportion Integral Differential,PID）算法控制油门执行器，由此调节柴油机的供油量，只适用于因负荷变化不大而产生频率偏差的场景中。然而，船上携带的冲击负荷启停时引起的功率缺额和频率波动幅度较大，仅依靠调速器很难在较短时间内恢复系统的频率。1.2 冲击负荷工作分析冲击负荷工作分析 图 1 为含冲击负荷的电力系统负载图，假设冲击负荷的1 个工作周期时间为t，冲击负荷功率为3P0，持续时间为 t/3，空载功率为P0，持续时间为2t/3。当船舶电网电压和功率因数等为常值时，冲击损耗与功率的二次方成正比，则1 个周期的能量损耗为()222cu0002113333ttWCPCPCP t=+=（1）图1 含冲击负荷的电力系统负载图 若有备用能源供电，则可在冲击负荷启动时不产生冲击功率。同样，若在时间t内平均功率Pd=5P0/3，则1个周期内的能量损耗为 22cu0052539WCPtCP t=|（2）从式（2）可看出，冲击负荷平衡之后能使能量损耗减少24.2%。冲击负荷的峰值越高，即负荷的不平衡程度越高，平衡后能量损耗减少越多。1.3 飞轮储能系统配置方案飞轮储能系统配置方案 飞轮储能系统的安装分为集中配置和分布配置5。集中配置虽然能减少使用的飞轮数量，但对容量的需5P0/3P03P0t/32t/3 tP洪远远等，基于飞轮储能技术的船舶区域配电系统冲击负荷供能策略 105 求较高，实现难度较大；分布配置为每台发电机都安装飞轮储能装置，这样单台飞轮储能装置的容量不会很大，飞轮装置能有针对性地释放电能。船舶区域配电电力系统采用6.6 kV中压交流分布式供电电力系统，额定频率为60 Hz。船上装有4台主发电机组，船舶冲击负荷主要有侧推进电机、雷达负荷和激光负荷。由于船舶系统容量相比陆地电网容量较小，船舶侧推器和冲击负荷等用电设备启停时会造成系统负荷大幅增加，产生功率缺额，导致频率偏移，因此分别针对船舶侧推进器、雷达和激光等负荷安装飞轮储能系统。含冲击负荷的船舶区域配电电力系统见图2。图2 含冲击负荷的船舶区域配电电力系统 2 船舶飞轮储能系统方案设计船舶飞轮储能系统方案设计 2.1 飞轮储能系统的工作原理飞轮储能系统的工作原理 船舶电网通过电力变换器向飞轮储能系统输送功率，驱动电机工作在电动机状态，电能转化为旋转动能，飞轮在摩擦很小的真空环境下持续旋转，电机转子消耗电能，不断提高转速达到额定转速。随后，飞轮依靠自身惯性在损耗极小的真空环境下保持转速，处于能量保持模式。当接收到冲击负荷启动信号时，触发飞轮装置开始对负荷放电，驱动电机工作在发电状态。飞轮储能系统通过变流器输出电能，装置内部自带逆变器，可达到为冲击负荷快速稳定供电的目的。根据飞轮储能系统能量的输入、储存和输出，飞轮储能系统的工作过程划分为3种工作模式，分别为充电模式、保持模式和发电模式11。飞轮的转动惯量是整个装置中的一个重要物理量，飞轮转动时的动能与转动惯量相关，即 212EJ=（3）式中：为角速度，rad/s；J为飞轮的转动惯量，kgm2。转动惯量与飞轮的直径和质量成正比12，因此飞轮