CN107026448A - 基于多智能体的混合动力船舶微电网系统 - Google Patents
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Abstract
本发明披露一种基于多智能体的混合动力船舶能量管理系统，使得船舶通过使用清洁可再生能源达到减少排放和燃料消耗，同时能够在一个安全且经济的方式下运行的目的。分为三个部分和两个层级。三个部分分别是微电网部分、柴油机组部分和负载部分。两个层级为设备级和控制级。微电网部分包括燃料电池、风力涡轮机、微型燃汽轮机、光伏阵列及储能系统ESU。负载中加入了智能体。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于多智能体的混合动力船舶能量管理系统(Power and EnergyManagement System, PEMS)设计方法，主要设计出一种区别于传统船舶电网的微电网结构，使得混合动力船舶能够有效的使用清洁可再生能源达到减少排放和燃料消耗，同时能够在一个安全且经济的方式下运行。
背景技术
考虑到燃油储量的不断下降以及全球环境问题的愈加严峻，可再生能源就是解决这些问题的一个合理选择，这些可再生能源包括了太阳能、风能、燃料电池、生物质能、潮汐能、海洋温差能等。可再生能源在船舶上的应用逐渐走入了人们的视野，越来越多的人希望使用可再生能源代替燃油。然而，大部分的可再生能源都会受到大气条件的影响，不具有稳定、持续的供能能力，所以当我们使用多种可再生能源作为混合动力船舶动力源的时候，就需要设计一个合理的船舶能量管理系统。与传统船舶相比，混合动力船舶有着诸多优势：高效的能源利用、最优的动力控制与分配、稳定性的提升、船舶动力性能的增强等。
由多种能源可以组成一个微电网，将微电网应用于船舶电网中并结合能量管理系统对船舶动力进行分配控制是混合动力船舶的一个研究方向。相较于传统的电力系统，微电网有着独特的优点：确保了能量供给的多样性、由储能设备所提供的扰动抵御能力、能源效率稳定性的提高等。
总而言之，面对这诸如环境问题、政治问题等反面的挑战，混合动力船舶综合电力系统的概念正在愈发变得流行起来。而随着船舶动力系统自动化程度的越来越高，发电和功率分配过程也变得越来越复杂，此时建立起一个特定的系统就显得十分必要，也就是建立一个能源管理系统以确保船舶能够在一个安全且经济的方式下运行。虽然对于能源管理系统没有一个明确的定义，但很多学者都致力于找到一个合适的方法在下一代电力集成系统(Next Generation Integrated Power System, NGIPS)船舶上进行功率与能量管理。目前的趋势是对能源管理系统采用一个分层、分散化的结构。
发明内容
针对上述现状与相关技术存在的问题，本发明设计了一种基于多智能体和改进电力系统的混合动力船舶微电网系统，这是区别于传统船舶动力系统的部分。首先，对混合动力船舶微电网的组成进行介绍。
微电网作为混合动力船舶的动力源，主要包含了燃料电池、风力涡轮机、微型燃汽轮机、光伏阵列、微电网及储能系统ESU。其中，燃料电池和光伏阵列通过DC/DC转换器连接到微电网的直流母线上，而风力涡轮机和微型燃气轮机则通过一个AC/DC转换器连接到微电网的直流母线上。微电网的直流母线通过一个隔离装置连接到船舶电力系统的直流母线上。每个动力源的发电单元及ESU都会与一个发电智能体相连并受其控制。
在一个完整的混合动力船舶动力系统中，除了微电网部分，还有柴油机部分和负载。其中，柴油机在混合动力船舶的动力系统中扮演者次要的角色，这是由于微电网中的各个动力源能够提供船舶所需的主要动力。不过，当微电网发生故障时柴油机将会与电力系统相连并会立即给船舶供能。另外，微电网会受到环境因素的影响，这是因为风力和太阳能光伏阵列十分依赖天气条件。所以控制柴油机的智能体需要从控制风力涡轮机、光伏阵列、燃料电池及ESU的智能体中实时的接受信息，在必要的时候可以对柴油机进行控制。
负载管理在能量管理系统中有着非常重要的作用。船舶负载可分为工作负载和推进负载，工作负载和推进负载都从公共总线上获得电力驱动。智能体将会获取关于负载的信息然后将其发送给系统中央控制器，而中央控制器会返回一个指令给发电智能体以给负载供能。所有的负载都可被分为两类：切断负载和非切断负载。在最坏的假设下，负载智能体能够关闭一些切断负载或通过快速的负载切断来保护整个电力系统。
相比于传统的混合动力船舶能量系统，该混合动力船舶能量管理系统具有以下优点：
（1）传统的混合动力船舶动力系统中的动力源大多是直接与DC/DC或AC/DC转换器相连，这种结构虽然简单，但是由于如风能、太阳能这样的清洁能源都属于不稳定能源，十分依赖于环境条件，当环境发生变化时风力涡轮机和太阳光伏板可能会无法正常发电，这就会影响船舶能量系统的正常供能。本发明将风力涡轮机、光伏板、燃料电池等动力源和储能装置都与一个智能体相连，每个智能体都能够获取所控制对象的实时状态，再将这些状态信息传递到能量管理系统的中央控制器中，由中央控制器统一分配能量，能够始终保证船舶能量系统的正常工作，并且可以提高整个能力系统的工作效率。
（2）传统的混合动力船舶动力系统中的动力源所发出的电量会通过转换器直接并入船舶电网，但是风能、太阳能这样的清洁能源的供能并不稳定，直接并入船舶电网会引起电网扰动，降低电能质量，本发明将动力源和储能单元组成一个微电网系统，这些动力源产生的电量都会传递到微电网的直流母线上，而微电网的直流母线通过一个隔离装置与船舶电网的直流母线相连，这样既可以保证新能源供电的独立性，又能确保船舶能量系统的稳定工作。
在本发明所设计的船舶微电网结构中，智能体作为控制单元，起着极为重要的作用，应当具有以下模块：1）通讯模块：通过通讯模块不同的智能体能够知道彼此的功率需求，因此智能体经过适当的调整就可以使得船舶运行在最佳的状态；2）数据库：在该部分，在各智能体之间进由通讯模块进行接收或传输的数据和信息都会被存储起来；3）分析及决策模块：当一个智能体从环境或通讯模块中获得信息时，分析及决策模块就需要处理这些输入数据，判断工作状态同时做出决定以满足船舶运行的安全性和经济性要求。上述三个部分是智能体的基本组成要素。事实上，一个智能体装置的具体结构和功能要复杂的多，可由它们在系统中所扮演的不同的角色而分成许多类别。例如与发电单元相连的智能体就叫做发电智能体，与控制负载的单元相连的就叫做负载智能体等。
一个智能体装置通过输入模块收集周边环境的信息；数据库会记录这些信息的特点以决定其功能；而算法模块会控制智能体工作以实现这些功能；通讯模块确保了各个智能体之间的信息传递，以实现对发电单元和负载管理系统的实时控制。
目前，许多营运的船舶已经成为了污染源。另一方面，关于排放规格的法律法规愈发严格，这就导致了当前营运的船舶面临着更大的挑战。考虑到这些原因，使用新能源作为船舶动力源可以有效减少环境污染和燃料消耗，同时还能有效的改善能源利用率。船舶微电网结构如图1所示。在船舶微电网中，风力涡轮机和微型燃气轮机通过一个AC/DC转换器连接到直流母线，，而其他的部分则通过一个DC/DC转换器连到直流母线上。由燃料电池、风力涡轮机、光伏阵列和微型燃气轮机组成船舶微电网的分布式发电单元，而电网中的另一个重要部分就是储能单元(Energy Storage Unit, ESU)，由于微电网系统是独立于船舶电网的，所以由微电网发出的多余电量将会储存在ESU中。相应的，当船舶电网及微电网中分布式发电单元所发出的电量无法满足船舶功率需求的时候，ESU将会给船舶供能。图2表示混合动力船舶能量管理系统的整体结构层次图。
附图说明
图1是船舶微电网的结构图；
图2是能量管理系统的整体结构层次图。
具体实施方式
实施案例
本发明的目的在于设计出一种混合动力船舶能量管理系统中新的微电网系统，使得船舶通过使用清洁可再生能源达到减少排放和燃料消耗，同时能够在一个安全且经济的方式下运行的目的。主要包括了以下步骤：
1、首先由于在混合动力船舶的动力系统中包含着多种不同的动力源，所以需要确定船舶微电网系统的能源组成和运行规则：
1）本发明选取燃料电池、风能和太阳能作为混合动力船舶的能量源，船舶的微电网系统应当能够根据船舶的运行状态选择一个合适的动力源，以满足船舶在不同状态下不同的功率需求。例如，当由燃料电池和光伏阵列所发出的电量能够满足船舶运行的功率需求，并且电池的电荷状态(SOC)超过80%时，就不需要其他的动力源来提供能量了。选择动力源的原则是必须要能够保证船舶的稳定性和安全性，基于这个原则才会考虑排放和经济性。
2）能量管理系统可以根据功率需求状况自动的启停负载。当某个紧急情况发生时，系统应当能够关停故障所涉及到的负载以确保船舶的安全性。
3）当微电网发生故障时，能量管理系统需要将微电网从船舶电力系统中快速的自动隔离出来。而且当柴油机发生故障时，系统应当使柴油机组中的一个或多个柴油机停止工作，并且暂停一些不是特别重要的负载以确保船舶的安全运行。当由微电网所提供的能量足以维持船舶正常运行时，系统也会相应的停掉柴油机组，从而减少能耗。
2、基于上述微电网系统的能源组成和运行规则，本发明将船舶能量管理系统分为了三个部分和两个层级。三个部分分别是微电网部分、柴油机组部分和负载部分。
1）微电网部分：该部分包含了燃料电池、风力涡轮机、微型燃汽轮机、光伏阵列及储能系统ESU。其中，燃料电池和光伏阵列通过DC/DC转换器连接到微电网的直流母线上，而风力涡轮机和微型燃气轮机则通过一个AC/DC转换器连接到微电网的直流母线上。微电网的直流母线通过一个隔离装置连接到船舶电力系统的直流母线上。每个动力源的发电单元及ESU都会与一个发电智能体相连并受其控制。
2）柴油机部分：相比于传统的船舶，在混合动力船舶的动力系统中扮演者次要的角色，这是由于微电网中的各个动力源能够提供船舶所需的主要动力。不过，当微电网发生故障时柴油机将会与电力系统相连并会立即给船舶供能。另外，微电网会受到环境因素的影响，这是因为风力和太阳能光伏阵列十分依赖天气条件。所以控制柴油机的智能体需要从控制风力涡轮机、光伏阵列、燃料电池及ESU的智能体中实时的接受信息，在必要的时候可以对柴油机进行控制。
3）负载：在一个完整的电力系统中，工作负载和推进负载都从公共总线上获得电力驱动。负载管理在能量管理系统中有着非常重要的功能。智能体将会获取关于负载的信息然后将其发送给系统中央控制器，而中央控制器会返回一个指令给发电智能体以给负载供能。所有的负载都可被分为两类：切断负载和非切断负载。在最坏的假设下，负载智能体能够关闭一些切断负载或通过快速的负载切断来保护整个电力系统。
所有的智能体都会与工业以太网总线相连，这样信息都可以在智能体和中央控制器之间进行收发。由微电网和柴油机组所发出的电量都会被传递到直流母线上，这样所有的电量可以被统一给工作负载和推进负载进行分配。
3、本发明所设计的能量管理系统从宏观上还可以分为两个层级：设备级和控制级。
1）设备级：包含了微电网、柴油机及负载。每个设备单元都会连接一个智能体，任何由设备所获取的信息都会发送给设备对应的智能体，然后智能体所发出的信息再通过现场总线传递到中央控制器上。
2）控制级：一个双冗余环的工业以太网会与中央管理控制平台相连，这样便于中央控制器能够迅速、准确的获取信息并发出相应的指令，提高整个系统的工作效率。控制级和设备级会通过一个网关相连。
4、为了改进能源的利用率、减少燃油消耗及排放，微电网系统应当积极的使用可再生能源同时提供高品质的电能。这就需要考虑三个关键问题：能源的选择、电能质量和故障反应。以下就是这三个问题的具体描述以及本发明所设计能量管理系统的解决方面方法：
1）能源的选择：在微电网的分布式发电单元里，至少要存在两种不同的能源，在本发明中选用了燃料电池、太阳能及风能作为动力源。
2）电能质量：船舶混合动力系统一个最重要的指标就是保持船舶的安全和稳定性，所以必须要能够对电能质量有一定的保证。一方面，在微电网系统中，太阳能和风能属于不稳定能源，其产生的脉冲负载会影响整个电力系统的稳定性，为了解决这样的问题，就需要使用储能系统。在本发明中使用电池作为储能系统，这是因为电池具有较高的能量密度和功率密度，故而可以维持较长时间的放电或充电状态，同时又具备良好的稳态性能，所以在电力推进船舶中有着较为广泛的应用。另一方面，风能、太阳能这些能源本身就具有不稳定性，其供能状况十分依赖于环境条件，这也会对电能质量产生影响。本发明将诸多动力源和储能单元组成微电网系统，通过一个隔离装置将之与船舶电网隔离开来，使得风能、太阳能这些动力源的不稳定性对于船舶电网的影响降到最低。
3）故障反应：当系统中由故障发生时，本发明所设计的能量管理系统应当能够快速且正确的工作以防止系统断电。通常情况下，系统会关断电力系统中某些不太重要的负载。事实上，船舶在不同的运行状态下对于功率有着不同的要求，需要相应的智能体能够在不同的船舶运行模式下区分出负载的重要优先级。
Claims (1)
1.一种基于多智能体的混合动力船舶能量管理系统，其特征在于包括微电网部分、柴油机组部分和负载部分；微电网部分包括燃料电池、风力涡轮机、微型燃汽轮机、光伏阵列及储能系统ESU；燃料电池和光伏阵列通过DC/DC转换器连接到微电网的直流母线上，而风力涡轮机和微型燃气轮机则通过一个AC/DC转换器连接到微电网的直流母线上；微电网的直流母线通过一个隔离装置连接到船舶电力系统的直流母线上；每个动力源的发电单元及ESU都会与一个发电智能体相连并受其控制；柴油机部分当微电网发生故障时，会与电力系统相连并立即给船舶供能；所以控制柴油机的智能体从控制风力涡轮机、光伏阵列、燃料电池及ESU的智能体中实时的接受信息，在必要的时候对柴油机进行控制；负载中的工作负载和推进负载从公共总线上获得电力驱动；智能体获取关于负载的信息然后将其发送给系统中央控制器，而中央控制器返回一个指令给发电智能体以给负载供能；负载都分为两类切断负载和非切断负载；负载智能体能够关闭一些切断负载或通过快速的负载切断来保护整个电力系统；所有的智能体都与工业以太网总线相连，使得信息可以在智能体和中央控制器之间进行收发；由微电网和柴油机组所发出的电量传递到直流母线上，从而被统一给工作负载和推进负载进行分配；智能体包括通讯模块、数据库、分析及决策模块；通讯模块使得不同的智能体能够知道彼此的功率需求，通过智能体的调整使得船舶运行在最佳状态；在各智能体之间进由通讯模块进行接收或传输的数据和信息被存储在数据库；分析及决策模块处理个智能体从环境或通讯模块中获得的信息，并判断工作状态同时做出决定以满足船舶运行的安全性和经济性要求；智能体包括发电智能体和负载智能体。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170808 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |