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集成储能系统的全电船大信号稳定性分析
Large-Signal Stability Analysis of All-Electric Ships With Integrated Energy Storage Systems
| 作者 | Litao Zheng · Yingbing Luo · Sidun Fang · Tao Niu · Guanhong Chen · Ruijin Liao |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industry Applications |
| 出版日期 | 2025年3月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能系统 微电网 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 全电船舶 船载微电网 大规模储能系统 大信号稳定性分析 模型预测控制 |
语言:
中文摘要
配备高效直流（DC）船载微电网的全电动船舶（AESs）成为减少碳排放的重要手段。大规模储能系统（ESSs）可为船载微电网系统提供足够的运行灵活性，以缓解功率波动。然而，船载电池的供电能力在实际运行过程中会发生显著变化，可能导致船载微电网系统出现电压不稳定问题。本文针对船载微电网系统提出了一种考虑电池动态特性的大信号稳定性分析方法。首先，提出了一种新颖的全阶船载微电网系统模型，以全面捕捉系统的电动力学特性。然后，推导出考虑电池峰值电流约束的保守稳定性条件。基于这些条件，首次揭示了电池动态特性对系统大信号稳定性的影响。结果表明，系统的吸引域（DOA）会随电池不同状态发生显著变化。为在应用中验证这些影响，采用了一种考虑电池动态特性的通用模型预测控制（MPC）方法。仿真结果表明，直流（DC）电压骤降可降低11.27%，且电池始终能在健康功率范围内运行。
English Abstract
All-electric ships (AESs) with efficient direct current (DC) shipboard microgrids become a significant means to reduce carbon emissions. Large-scale energy storage systems (ESSs) can provide sufficient operating flexibility to mitigate power fluctuations for the shipboard microgrid system. However, the power supply capability of the shipboard battery can significantly vary during actual operation, potentially causing voltage instability in the shipboard microgrid system. This article proposes a large-signal stability analysis method that considers battery dynamics for the shipboard microgrid system. Firstly, a novel full-order shipboard microgrid system model is proposed to comprehensively capture system electrodynamics. Then, conservative stability conditions with battery peak current constraints are derived. Based on these conditions, the influences of battery dynamics on the large-signal stability of the system are revealed for the first time. The results show that the domain of attraction (DOA) of the system varies significantly with different battery states. To verify these influences in the application, a general model predictive control (MPC) method that considers battery dynamics is adopted. The simulation results demonstrate that the direct current (DC) voltage sags can be reduced by 11.27%, and the battery can always operate within a healthy power range.
S
SunView 深度解读
从阳光电源储能系统业务视角来看，这项针对全电船舶直流微电网的大信号稳定性研究具有重要的技术迁移价值。论文提出的考虑电池动态特性的稳定性分析方法，与我司在大规模储能系统集成中面临的核心挑战高度契合。
该研究的关键创新在于建立了全阶微电网系统模型，并首次揭示了电池动态特性对系统吸引域的显著影响。这为我司储能变流器（PCS）的控制策略优化提供了理论支撑。特别是论文中采用的模型预测控制（MPC）方法，成功将直流电压跌落降低11.27%，这对于提升我司储能系统在工商业微电网、离网场景中的电能质量具有直接借鉴意义。船舶微电网的高功率波动特性与新能源发电的间歇性本质相似，其稳定性分析方法可应用于我司"光储充"一体化解决方案的设计优化。
从技术成熟度评估，该方法已通过仿真验证，但距离工程化应用仍需解决计算复杂度和实时性问题。对阳光电源而言，主要机遇体现在三个方面：一是可增强储能系统在弱电网环境下的适应性，拓展海岛、偏远地区市场；二是提升电池全生命周期管理能力，通过动态约束优化延长电池寿命；三是为氢储融合系统等新兴业务提供稳定性分析工具。
技术挑战主要在于不同化学体系电池模型的适配性，以及多时间尺度控制的硬件实现成本。建议我司研发团队重点关注该方法在MW级储能变流器中的简化应用，结合现有STS（储能变流器）平台进行算法验证，逐步形成差异化的系统稳定性技术优势。