摘 要

为应对环境污染日益严重的危机，船舶行业大力发展新能源船舶，以减少船舶污染物的排放。其中电动船因为污染排放小而具有广阔的发展前途，而储能技术则是电动船舶的核心要素，其关系到电动船舶的稳定和高效运行。船舶电力系统负荷工况复杂，对功率需求和能量需求都很高，且频繁的充放电易导致储能元件严重衰退，影响其寿命。将锂离子电池与超级电容搭配为船用复合储能系统，同时设计了基于Lowpass-Fuzzy的功率分流策略。设置低通滤波器和模糊控制器的参数，最终完成储能元件的容量配置

本文利用MATLAB/Simulink仿真软件搭建船用复合储能系统仿真模型，通过模拟船舶负载波动，验证基于低通模糊的功率分流策略。结果得出在有负载扰动下，通过锂离子电池与超级电容平抑功率波动，可快速地维持直流母线上的电压稳定，并有效减少锂离子电池对功率波动的承担，从而满足中国船级社《钢质海船入级规范》中对母线电压波动指标的要求。

关键词：复合储能；功率分流；Lowpass-Fuzzy；MATLAB

Abstract

In order to cope with the increasingly serious problem of environmental pollution, the shipping industry is actively exploring new energy vessels to reduce the discharge of environmental pollution. And the electric ship has a broad development prospects because of its small pollution discharge, and the energy storage technology is the core element of the electric ship, which is related to the stable and efficient operation of the electric ship. The load condition of ship is complex. Electric power system has high power and energy requirements. Frequent charging and discharging may cause serious deterioration of energy storage components and affect their life. The lithium-ion battery and super capacitor are used as the marine hybrid energy storage system, and the power splitting strategy based on lowpass fuzzy is designed. The capacity of energy storage element is configured, and the parameters of low-pass filter and fuzzy controller are set.

In this paper, the simulation experiment under load surge and unloading conditions was carried out on the hybrid energy storage system by MATLAB/Simulink simulation software to text the low pass fuzzy control strategy. The results show that the fuzzy control strategy can maintain the voltage stability on the DC bus more quickly and effectively reduce the lithium-ion battery's burden on power fluctuation, so as to meet requirements for the norm of bus voltage fluctuations in the Rules for Classification of Sea-going Steel Ships by the China Classification Society.

Key Words：hybrid energy storage; power splitting; Lowpass-Fuzzy; MATLAB

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 技术发展与研究现状 1

1.2.1 储能技术发展现状 2

1.2.2 复合储能系统研究现状 2

1.3 课题研究内容 3

第2章 复合储能系统总体结构 4

2.1 储能元件的原理与数学模型 4

2.1.1 电池模块概述 4

2.1.2 超级电容模块概述 7

2.2 复合储能系统拓扑结构 8

2.2.1 复合储能系统结构 8

2.2.2 双向DC-DC变换器 9

2.3 复合储能系统电路 11

2.4 本章小结 11

第3章 复合储能系统控制研究 13

3.1 能量流动控制策略 13

3.1.1 控制方式 13

3.1.2 系统应用 13

3.2功率分流控制策略 14

3.2.1 经典功率分流策略 14

3.2.2 Lowpass-Fuzzy功率分流策略 16

3.3 模糊控制在系统中的应用 17

3.4 本章小结 19

第4章 复合储能系统建模与仿真 20

4.1 MATLAB仿真平台 20

4.2 模糊控制模块 21

4.2.1.输入、输出量的模糊化 22

4.2.2 模糊规则 23

4.3 复合储能系统模型搭建 25

4.3.1 储能模块 25

4.3.2 控制模块 26

4.3.3 复合储能系统模型 27

4.4 仿真实验 28

4.4.1 负载突增工况仿真 28

4.4.2 负载突卸工况仿真 30

4.5 本章小结 31

第5章 总结 32

参考文献 33

致 谢 35

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

随着全球能源供应紧缺以及船舶节能减排法规日益严苛，各航运大国纷纷开始探索绿色船舶技术，而绿色船舶技术又可分为可再生能源发电技术和储能技术。其中新能源混合动力和纯电池动力船舶不仅低污染、少排放，而且能耗低、噪音小，成为了绿色船舶发展的重要方向。日本东京海洋大学2011年4月研发的“雷鸟1号”电力推进游览船采用世界上最先进的极速充电锂电池，该船充电至80%电量仅需30分钟。西门子公司在2014年推出了电池动力的直流电推实船，该船采用了直流组网形式，动力电池组与内燃机组以混合动力模式向推进器提供动力。国内由广船国际公司建造的2000吨级新能源（锂电池 超级电容）电动自卸船已投入使用，如图1.1所示。上述均是近年来各国对船用复合储能一些探索发现，证明复合储能系统在船舶的应用具有可行性。部分可再生能源如太阳能和风能不但具有较强的环境依赖性、而且供电可靠性差、电能质量低，解决上述问题方可应用于船舶。

在船舶动力系统中增加储能装置，可有效平抑船舶电网功率波动，改善船舶电力系统的稳定性，提高电能质量^[3]。目前，储能介质多种多样，但没有哪一种介质既能够满足船舶电力系统运行对高能量密度和高功率密度的要求，又能兼顾到经济性和实用性。因此有人提出，通过集成多种储能介质的优点来弥补单一储能技术的不足，复合储能技术应运而生。复合储能系统既能满足船舶电站快速充放电的要求，又能提高储能装置的出力性能，延长其使用寿命。但如何实现复合储能系统功率的合理分配是控制储能系统需解决的关键问题。