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1. 研究目的与意义（文献综述）
1.1课题研究的目的及意义
随着全球能源供应日趋紧张、国际海事组织出台的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，其中新能源混合动力和纯电池动力不仅低污染、少排放，而且能耗低、噪音小，是绿色船舶动力技术的重要发展方向。新能源船舶技术可分为可再生能源发电技术和储能技术。可再生能源如太阳能和风能发电易受环境影响，输出功率具有随机性和波动性较强的特点，影响船舶电站的供电可靠性以及电能质量。如果在系统中增加储能装置，即可平抑功率波动，改善船舶电力系统的稳定性。目前，尚无技术成熟且价格低廉的储能元件可同时满足高功率密度和高能量密度的要求。电池储能能量密度大，可作为平抑母线功率波动的主要储能元件，但其响应速度慢、无法应对瞬时大功率场合；超级电容作为功率型储能元件具有功率密度大、循环寿命长等优点。将电池和超级电容组成复合储能装置实现储能元件在性能上的优势互补，提高储能装置的出力性能，同时延长使用寿命。但如何实现复合储能系统功率分配控制是其关键技术之一。
船舶电力系统输出功率波动分解为高低频功率分量，分别由超级电容和电池承担。研究对比不同功率分流控制策略对输出功率波动平抑效果具有重要意义。
1.2国内外研究现状
1.2.1储能技术的研究现状
储能技术是通过物理或化学方式将电能存储起来，需要电能时再释放出来的一种技术。近年来随着大容量能量存储技术的发展，储能元件价格下降并大规模地应用于船舶电力系统。
储能元件的重要性能参数是能量密度和功率密度。能量密度是指单位质量或单位体积的储能元件所能释放或吸收的能量，单位为Wh/kg或Wh/L；功率密度是指在单位质量或单位体积储能元件输出的功率，单位为W/kg或W/L。典型储能方式的性能对比如表1所示：
表1 各种储能方式性能
| 储能方式 | 能量密度 /Wh·kg-1 | 功率密度 /W·kg-1 | 使用寿命 /y | 效率 /％ | 价格 /元·kg-1 |
| 飞轮储能 | 5～50 | 180～1800 | 30 | 90 | 500 |
| 蓄电池储能 | 30～200 | 100～170 | 8 | 92 | 120 |
| 超级电容器 | 2～5 | 7000～18000 | 30 | 95 | 750 |
| 超导储能 | <1 | 100 | 30 | 90 | 1800 |
考虑到储能技术的能量密度、功率密度及价格等因素，可知蓄电池和超级电容器储能更适用于船舶储能系统。
1.2.2复合储能系统的研究现状
复合储能是将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。常见的复合储能系统由蓄电池和超级电容构成。
超级电容和蓄电池由于其内部分布电感和分布电容的影响，在充放电过程中均呈现非线性状态，而合适的功率分流策略可以有效减小非线性状态，因此许多学者对于复合储能系统的功率分流控制策略进行了研究。
文献[4]针对传统DC-DC控制策略的混合储能系统存在较大程度的参数摄动和负载干扰的问题，引入H∞鲁棒控制策略。文献[6]以锂电池储能功率调节系统及其优化控制为研究对象，针对电池荷电状态约束条件提出了基于规则(Rule-Based)的功率优化控制策略，对储能系统上层功率进行优化，以提高电池的使用寿命。文献[7]提出了船舶锂离子电池的模糊控制策略以实现负载功率需求的合理分配。文献[8]设计了基于直流功率变换器的蓄电池-超级电容器并联储能系统，提出了模糊控制的方式以解决非线性问题。文献[9]提出了一种基于实测电池荷电状态的可变滤波时间常数的储能控制方法，避免了储能系统的过充/放电，使功率输出更加平滑。
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所示：
| 图1 2000吨级新能源电动自卸船 |
总之，国内外针对新能源船舶中混合储能系统的相关研究工作尚不全面，仍然处于基础理论研究与试验探索的阶段。功率分流控制策略的研究是复合储能系统的关键，关系到储能单元的能量分配。有效的功率分流控制可以优化储能单元的工作环境，提高储能系统的功率输出能力和船舶电网的稳定性。
2. 研究的基本内容与方案
2.1研究内容及目标
本课题的主要内容是针对复合储能系统中的功率分配问题，提出有效的功率分流控制策略，通过搭建复合储能系统电气模型并通过仿真分析验证该策略的正确性。
具体研究目标如下：
(1) 分析各储能元件的性能，完成对蓄电池的选型工作以及复合储能系统的拓扑结构设计；
(2) 制定功率分流策略并搭建复合储能系统的数学模型，利用MATLAB/Simulink仿真软件进行仿真实验；
(3) 通过分析研究成果验证控制策略的有效性，充分发挥蓄电池和超级电容的特性，满足船舶电力系统的稳定性要求。
2.2拟采用的技术方案
2.2.1锂电池的选择
锂电池作为一种可充电的电池，主要由正极材料（锂化合物）和负极材料（人造石墨、天然石墨等）组成，其充放电过程依靠Li离子的嵌入和脱嵌完成。目前锂电池的种类有磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂、镍酸锂、镍钴锰等，其性能对比如表2所示：
| 表2 不同锂电池的性能对比
|
2.2.2功率分配策略
目前只有磷酸铁锂电池拥有中国船级社（CCS）型式认可证书，此外，考虑到锂电池的能量密度、循环次数、价格以及安全性等因素，拟选用磷酸铁锂电池作为复合储能系统中的能量型储能元件。
混合储能结构如图2所示，超级电容和蓄电池分别通过双向DC-DC变换器连接到直流母线，混合储能功率分配控制是由超级电容和蓄电池的双向DC-DC变换器完成。
| 图2 混合储能系统的结构框图 |
上图的功率关系为（2-1）
上式中Pba是蓄电池的输出功率，Psc是超级电容输出功率，Pload是所需的平抑功率波动的总和。超级电容承担输出波动的高频部分，而蓄电池承担输出波动的低频部分。功率波动的高频、低频分解手段有很多，最常见的有：低通滤波器法、小波分析法、滑动平均滤波法等。这里拟采用一阶低通滤波法为基础的模糊控制。
2.2.3功率分流策略研究
一阶低通滤波法是使用最为广泛的功率分流算法，与复合储能系统匹配度极佳，但缺乏对超级电容和锂离子电池荷电状态的有效管理，无法进行过充、过放保护。
针对上述问题，本文在一阶低通滤波策略的基础上引入三输入、单输出的madani结构模糊控制修正分配，即Lowpass-fuzzy功率分配策略，原理如图3所示。图中P为超级电容对Pl的修正因子；Plsc为超级电容的低频分担量；SOCba和SOCsc分别是锂离子电池和超级电容的荷电状态。
| 图3 Lowpass-fuzzy功率分流算法原理图 |
Pload经LPF初次分配后所得的低频分量Pl连同SOCba、SOCsc等参数输入模糊控制器，由模糊控制规则生成低频分量修正因子P，从而修正混合储能系统功率分配。模糊控制的引入，使超级电容不仅承担了所有高频分量，还承担了部分低频分量，从而提升了其容量利用率。最终，通过模糊控制器输出的修正因子P修正超级电容和锂离子电池输出目标功率
(2-2)
(2-3)
式中：Psc、Pba分别为超级电容和锂电池最终的分配值；Ph高频分量；Pl为低频分量。
3. 研究计划与安排
2月24日—3月15日，明确研究方向，学习该领域国内外的相关文献，确定技术方案，撰写开题报告；
3月16日—4月5日，完成英文文献翻译及matlab/simulink等软件的学习；
4. 参考文献（12篇以上）
[1]王兆安,刘进军.电力电子技术[m].北京:机械工业出版社,2008.12.
[2]陈晨,王锡淮,冯昊,徐晟,肖健梅.锂电池/超级电容器在电力推进船舶中的应用[j].船舶工程,2016,38(s2):186-190.
[3]孙玉伟,胡克容,严新平,汤旭晶,袁成清,潘鹏程.新能源船舶混合储能系统关键技术问题综述[j].中国造船,2018,59(01):226-236.
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