太阳能游船电力系统拓扑结构研究与改进

纪厚芝，俞万能，李素文



太阳能游船电力系统拓扑结构研究与改进

纪厚芝，俞万能，李素文

（集美大学轮机工程学院，福建 厦门 361021）

在某种在运营太阳能游船中，时而会出现控制器重启，继而导致全船停电的故障，影响船舶运行的安全性。针对这一现象，在分析该船舶现有电力系统结构组成及工作原理基础上，建立系统数学分析模型，应用MATLAB进行仿真研究，得出系统出现故障的问题关键。设计了一种更为完善的电力系统拓扑结构，实船应用说明该系统具有更高稳定性和可靠性。

太阳能游船 电力系统 拓扑结构 改进

0 引言

随着旅游经济、水上旅游的发展，游览船舶需求量不断增加。但面对日益突出的环境和污染问题，传统的游览船舶会对景区生态造成一定的破坏，不利于可持续发展。解决这一问题的方法就是采用新能源船舶，目前新能源船舶普遍采用太阳能[1-3]。太阳能游船电力系统主要由太阳能电池板，锂电池，电池管理系统，能量管理控制系统组成，而各部分的组成匹配就成关键问题[4]。一旦拓扑结构及匹配不合理就会出现整条船电压不稳，甚至电力中断，这严重影响船舶的舒适性及航行安全。如在一种运营的太阳能游船中，由于锂电池充电器、控制柜及PLC控制器的拓扑结构不合理，导致PLC偶尔会出现重启，继而导致整条船电力系统出现短暂断电的情况。本文根据该船的电力系统结构，分析现有系统的组成原理，并建立系统仿真模型进行仿真研究，得出系统出现故障的问题关键。针对存在的问题，提出一种更为完善的电力系统拓扑结构，提高系统稳定性和可靠性，保证游览船舶的舒适性及航行安全。

1 太阳能游览船电力系统简述

根据太阳能游览船舶设计基本参数和基本性能要求，针对太阳能源具有低密度、清洁环保等特点，设计了太阳能双体游览船，现有太阳能游船中电力系统主主要由太阳能电池组，太阳能控制器，锂电池，充电器（岸用），控制系统和推进系统组成。控制系统以西门子S7-300PLC为控制核心。锂电池共有8组，左右各4组，每组电池额定电压均为48 V。左右第1、2组作为动力用，分别为左右电机供电。左右第4组为生活用电，第3组为备用电池组，既可作为动力也可以作为生活。太阳能游船的控制核心PLC由右边第3组输出的48 V直流电经DC/DC转换为 24 V直流电供电。电力系统结构如图1所示。

图1 系统结构图

在长期运营中，当充电器（岸用）的开关K3闭合（仅接入未工作），开关K1闭合，DC/DC模块开始给PLC供电，同时控制充电继电器K2闭合，太阳能充电器开始给右边组第3电池充电时，PLC会发生重启的现象，由于整条船的电力都受控于PLC，所以会导致所有动力用电及生活用电短暂中断。如果充电器（岸用）K3不闭合，重复上述动作时，不会出现上述问题。异常情况如图2所示。在其他控制状态下也不会出现类似的问题。

图2 系统异常情况

2 电力系统建模及分析

根据太阳能游船所出现的问题，分析电力系统结构及其工作原理。从上面的故障描述可以看出，充电器的接入对整个电路的稳定性造成了影响，故本文提取其中的相关部分独立分析。涉及到的部分包括充电器，DC/DC模块及PLC。这里着重分析直流变换器DC/DC和充电器（岸用）对整个系统稳定性的影响，

2.1 电力系统充电回路数学模型分析

本文涉及的太阳能游船为纯太阳能系统供电，太阳能电池发出的电能经控制器输送到48V直流母线上。通过控制各电池组的充电接触器就可以实现太阳能对锂电池的充电。为满足连阴雨天气对太阳能游船的用电需求，配备了岸用充电器。不可避免的当太阳能控制器或充电器接入直流母线时，DC/DC直流变换器不再是一个独立的部分，它的性能会受到太阳能控制器或岸用充电器的影响。下面我们将对此进行详细分析。

充电器与DC/DC变换器连接原理图如图3所示[5]。

图3 充电器与DC/DC连接原理

2.2 电源buck电路设计分析

由于本船上所用锂电池的额定电压为48 V，而PLC的额定工作电压是24 V，所以需要进行48V转24 V的DC/DC变换，这里采用的是降压式buck电路。在图2中，开关晶体管G的一个开与关的周期内，将输入的直流电压斩波，形成脉宽为T的方波脉冲。

当开关晶体管G导通时，有

当开关晶体管G截止时，有

电感L为：

2.3 电路充电状态分析

2.3.1 充电状态

当船上锂电池能量耗尽且天气状况不佳时需要进行岸电补充。将图3中的开关K闭合，充电器开始工作。本船所用的为充电机为艾默生ECH系列智能充电机，输出额定电压为直流47.7 V，输出电压范围为直流42.0—50.0 V。当充电器正常工作时，它的输出电压满足DC/DC设计的输入电压范围，DC/DC模块可以正常工作。太阳能游船运行平稳。

2.3.2未充电状态

日常运行条件下，厦门地区光照充足，太阳能电池组发出的电量完全可以满足该游船的用电需求。这时岸用充电器仅仅接入电路，但没有工作。等效电路如图4所示[7]。

图4 系统等效电路

电容的电流：

当锂电池电压为50V时，开关K闭合瞬间：

3 仿真与分析

图5 48 V时DC/DC端输入电压

图6 48 V时DC/DC输出端电压

根据图5-8的仿真可知，当锂电池电压在不同工况时，在充电器（岸用）接入电路的瞬间，电池输出电压降低至13 V左右，并有一段时间处在40 V以下，这一输入电压已经低于DC/DC允许输入电压的最低值。因此，此时DC/DC输出端电压最低时降至10 V以下，从而使DC/DC在短暂时间内无法提供PLC正常工作所需电压，导致PLC发生重启现象。

图7 50 V时DC/DC端输入电压

图8 50 V时DC/DC输出端电压

4 解决方案

根据以上数学分析和仿真，如果采用原先设计电力系统将不可避免产生PLC重启现象，将大大降低系统运行稳定性和可靠性，甚至影响船舶运行安全。针对PLC供电的可靠性高要求，进行以下电力系统改进。在太阳能游艇上增加一组锂电池单独为PLC、继电器等元件供电，电池额定电压为24 V。该组电池状态由BMS电池能量管理系统监测控制，电池组充电由逆变器逆变24V直流电直接给电池组充电，如图9所示。

24 V电源系统控制策略为：当继电器K4闭合，24 V电池组开始给PLC等设备供电，同时24 V充电器持续给24 V电池组充电，保证该组电池电压维持在24 V左右。考虑到稳定性，当该组24 V电池组快要达到故障保护状态时，将会启用右边第三组48 V电池作为整船的24 V低压系统备用电源，此时控制充电器（岸用）开关K3断开，在48 V电池组连接到DC/DC的回路中串联一常开继电器K1。当启动备用模式时，岸用充电器开关K3断开，控制常开继电器K1闭合，右3 48V电池组开始为整个系统供电。这样充电器（岸用）在未工作状态下就不会接入到电力系统中，不会影响到DC/DC的性能。PLC、继电器等由单独的24 V锂电池供电大大提高了系统的稳定性。

图9 改进后的电力系统拓扑结构

该系统改造之后并用于实船，在实际应用中，BMS能量管理系统根据锂电池发出的实时信息不断调整充电状态，24 V电池组的电压基本维持在24 V左右，完全满足PLC、继电器等元件的工作要求。PLC没有再出现重启的情况，在改进后的电力系统拓扑结构下，整个系统运行稳定。

5 结论

通过对太阳能游览船电力系统框架的分析及建模仿真，找出了导致PLC偶尔重启故障的原因。这一问题的解决弥补了PLC供电系统设计之初的不足，使得整条船的控制系统更具稳定性。同时，使我们在设计电气系统时更加注重电源的匹配问题。本文涉及到的问题，在遇到类似情况时可作为参考。

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Research and Improvement of the Power System Topology in A Solar Sightseeing Ship

Ji Houzhi, Yu Wanneng, Li Suwen

(Marine Engineering Institute, Jimei University, Xiamen 361021, Fujian, China)

U665.13

A

1003-4862（2014）12-00074-04

2014-10-20

纪厚芝（1989-），男，研究生。研究方向：船舶电力推进及其控制。