摘 要

近年来，随着内河航运业的快速发展，给区域水体和空气质量改善带来了巨大压力。以混合储能为动力的船舶污染小排放低，是替代内河传统动力船舶的有效途径。双向DC-DC变换器是混合储能系统的组成部分，是实现储能侧和母线侧能量双向流动的重要装置。依据蓄电池和超级电容的特性，超级电容承担母线电压输出功率波动高频部分，蓄电池承担输出功率波动低频部分。

针对非隔离型双向BUCK-BOOST变换器电路结构，由蓄电池和超级电容等效电路模型，用状态空间平均法分别对其小信号分析；再对一个开关周期内的变换器电路通过小信号建模求取控制器传递函数，利用Matlab/Simulink仿真软件对混合储能系统开展负载突增与突卸工况下的仿真实验。本文基于传统PI控制设计双向DC-DC变换器的控制器，在有负载扰动下通过蓄电池与超级电容平抑功率波动，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：混合储能；双向DC-DC变换器；PI控制；小信号分析

Abstract

In recent years, with the rapid development of the inland shipping industry, great pressure has been placed on the improvement of regional water and air quality. Ships powered by hybrid energy storage have low pollution and low emissions, which is an effective way to replace the traditional power of inland ships. The bidirectional DC-DC converter is a component of the hybrid energy storage system, and is an important device for realizing two-way flow of energy on the energy storage side and the bus side. According to the characteristics of the battery and the supercapacitor, the supercapacitor bears the high frequency component of the bus voltage output power fluctuation, and the battery bears the low frequency component of the output power fluctuation.

For the non-isolated bidirectional BUCK-BOOST converter circuit structure, according to the equivalent circuit model of the battery and the supercapacitor, the small-signal analysis is performed by the state space averaging method respectively;Then for the converter circuit in one switching cycle,the controller transfer function was obtained by small-signal modeling, and the simulation experiment under load surge and unloading conditions was carried out on the hybrid energy storage system by Matlab/Simulink simulation software. In this paper, the controller of bidirectional DC-DC converter is designed based on traditional PI control, under the load disturbance, the battery and the supercapacitor are used to stabilize the 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; bidirectional DC-DC converter; PI control; small- signal analysis

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的背景和意义 1

1.2 混合储能技术发展现状 1

1.3 双向DC-DC变换器研究现状 2

1.4 本文的主要工作和内容安排 2

第2章 混合储能系统总体结构 4

2.1 蓄电池储能模块 4

2.1.1 蓄电池的种类和特点 4

2.1.2 蓄电池的技术参数 5

2.1.3 蓄电池等效数学模型 6

2.2 超级电容储能模块 8

2.2.1 超级电容的优点 8

2.2.2 超级电容的数学模型 8

2.3 蓄电池-超级电容连接至母线形式 9

2.4 双向DC-DC变换器拓扑结构论证与选择 10

2.4.1 非隔离型双向DC-DC变换器拓扑结构 10

2.4.2 隔离型双向DC-DC变换器拓扑结构 11

2.4.3 双向DC-DC变换器选型 11

2.5 本章小结 11

第3章 混合储能系统数学建模 12

3.1 混合储能系统工作原理 12

3.1.1 混合储能能量流动策略 12

3.1.2 混合储能功率分配策略 13

3.2 双向DC-DC变换器建模方法 14

3.3 小信号分析 15

3.3.1 BUCK模式小信号建模 15

3.3.2 BOOST模式小信号建模 17

3.4 本章小结 19

第4章 混合储能系统控制器设计 20

4.1 混合储能控制策略研究现状 20

4.2 传统PI控制器设计 20

4.2.1 系统总体分析与建模 20

4.2.2 蓄电池PI控制策略 23

4.2.3 超级电容PI控制策略 23

4.3仿真实验与结果分析 24

4.3.1 仿真实验 24

4.3.2 结果分析 25

4.4 本章小结 28

第5章 总结与展望 29

5.1 全文总结 29

5.2 展望 29

参考文献 30

致 谢 32

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

航运业的快速发展给贸易运输带来便利的同时，也给区域水体和空气质量改善带来巨大压力。以混合储能为动力的船舶具有污染小排放低的优点，是替代内河传统动力船舶的有效途径。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。上述均是近年来各国对船用混合储能一些探索发现。

储能技术的快速发展给内河船舶的革新带来了巨大的机会，双向DC-DC变换器硬件电路及其控制方式的研究是储能系统的关键部分，这关系到储能单元的能量双向流动，当储能系统运行于放电状态时，蓄电池组侧为低压，经直流变换器升压给母线传递能量；当系统运行于充电状态时，母线侧电压为高压，经直流变换器降压给蓄电池充电。采用双向DC-DC变换器可获得理想的输出电压特性以及对各储能设备功率出力的可控性；另一方面，船舶电力系统负荷工况复杂，频繁的充放电易导致储能元件严重衰退而影响其寿命，双向DC-DC变换器可以调节电网高峰、高效用电以保证电能质量，还可以加入有源滤波的功能，延长储能元件的使用寿命。因此，研究双向DC-DC变换器的设计具有重要意义。

1.2 混合储能技术发展现状

混合储能是将各种不同特性的储能元件用于同一储能系统中，根据各自的特点来制定合适的控制方式，从而结合不同储能元件的优点，使整个系统更高效稳定的运行^[12]。虽然储能介质多种多样，但没有哪一种储能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。因而有人提出，通过集合多种储能介质的优点来弥补单一储能技术的不足，混合储能技术应运而生。一般的储能介质的形式和性能如下表1.1^[13]所示。

从表1.1可以看出，蓄电池额定容量较大，且成本最低，但其响应时间长、动态性能差，可见其无法应对瞬时大功率场合；超级电容响应时间快，效率高价格低。相比之下，其他储能元件则显得相对价格高昂、技术不成熟，实用性低。不难看出，将蓄电池和超级电容两种储能元件的配合使用，可以弥补两者的缺陷，发挥各自的优势，同时满足系统对功率密度和能量密度的要求。