CN107534300B - 动态混合控制 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对船舶中的发电厂进行控制的系统和方法。该系统包括至少一个配电板，该配电板还包括多个发电厂部件，所述发电厂部件包括诸如发电机和能量存储元件的供电设备、至少一个耗能器件以及动态混合控制单元，该动态混合控制单元包括用于监控预定发电厂和船舶相关参数的测量装置以及用于对发电厂在未来不同时间范围内的功率和能量需求进行计算和预测的计算装置。该系统利用所述功率和能量需求对所述发电厂部件之间的功率和能量进行预先规划和分配以最小化瞬变，该瞬变包括发电厂的电压、频率变化和发电机的负荷变化。

Description

动态混合控制

技术领域

本发明涉及混合船舶或装置中使用的电力管理系统。

背景技术

目前大多数现代化船舶使用柴油发电系统，这意味着推进装置(例如推进器)借助由柴油机驱动的电动发电机组(MGS)提供给该推进装置的功率被电力驱动。一些针对柴油发动机的其他MGS替代物可以是燃料电池、燃气轮机、双燃料发动机以及其类似物。MGS控制系统最常见的实现包括用于速度控制的管理器和用于通过功率管理系统(PMS)进行设定点调整的自动电压控制单元，或替代性地，所有这些都在单个单元内完成。

大多数船舶还包括至少两个控制系统：调节发电厂网络参数或电网参数的第一控制系统和调节所述船舶的运动的第二控制系统。第二控制系统通常通过控制包括位置、速度和航向的参数来实现调节。在更先进的船舶中，运动例如偏航、俯仰、滚转、起伏、摇摆和浪涌也可以由单独的控制系统或由另一个控制系统来控制。

所述第一控制系统或PMS维持电网上的安全操作条件。PMS范围内的功能包括监控诸如电压和频率之类的电网参数以及根据特定情况断开MGS和耗能器件的能力。PMS可以根据电网上普遍状况启动或停止MGS。对于电网参数的轻微调节，PMS可以改变正在运行的MGS上的负荷状况，而不是启动或停止一个或多个待机MGS。其他PMS功能可以包括对电网上的各种保护和断路器的管理以及对耗能器件的管理。

所述第二控制系统(例如动态定位(DP)系统)的功能通常包括对推进装置的控制以实现诸如速度、航向和位置之类的定位相关要求，以及还可以包括对船舶稳定性的控制，例如通过补偿诸如船舶上的起伏和摆动的运动对船舶的稳定性进行控制。

在典型的动态情况下，当DP系统试图维持船舶位置时，DP系统向各种推进装置(例如推进器)发出指令或信号以控制船舶参数。所述指令通常导致电网上的波动，所述波动与来自耗能器件的变化的能量需求相关联。然后，PMS根据电网上观察到的变化来尝试调节发电厂参数。为了满足增大的需求，PMS可以改变在线MGS上的负荷或向待机MGS发出启动指令。从发出对MGS的启动命令到所述MGS开始向电网供电可能需要几秒钟。根据波动的动态和控制回路的延迟，所述控制系统可能变得不稳定，并且可能导致诸如电网部分停电或全部停电之类的情况。为了防止这种情况经常发生，系统通常以一定的净空运行(例如以部分负荷运行的MGS)以处理系统中的突然瞬变情况。MGS的部分负荷是不可取的因为它导致高燃料消耗以及污染。负荷低于某一限度可能对MGS的健康和使用寿命有害。

海洋产业多年来期望不增加频率和/或电压变化或潜在停电的风险的前提下减少在线MGS的数量。如上所述，减少在线MGS的数量有若干好处，例如减少排放、降低燃料消耗以及减少发动机维护。对于电网上给定的总功率输出，以高负荷运行较小的MGS组通常更经济和环保，而不是以低负荷运行较大的MGS组。然而，能够处理诸如电网上的频率和电压变化之类的瞬变的净空要求通常需要的MCS多于稳定状态或恒定负荷操作所需的MGS。

NO 334364教导了用于减少配电系统的频率和电压变化的系统。所述系统利用预测负荷变化的前馈信号来最小化电网上的所述变化。虽然NO 334364中教导的系统将减少MGS的快速瞬变，但并不能消除MGS上的可变负荷状况。

现有技术广泛地涵盖了从电池存储和获得储备容量的技术。这种系统(也被称为混合动力系统)将传统MGS与可充电电池相结合，旨在降低MGS的燃料消耗和净空需求。例如Zahedi，B.等于2014年6月1日在Journal of Power Sources(Elsevier)第255卷第341至352页发表的文章“通过直流混合动力系统优化全电动船的效率”提出了一种优化算法以使各种负荷条件下的燃油消耗最小化。该研究通过包括柴油发动机、同步发生器-整流单元、全桥双向转换器和锂离子电池组作为能量存储器来进行。

De Bruecker，S.等在IEEE的2009年电动船舶技术研讨会(ESTS 2009)的第310-352页中的文章“插电式混合电动船舶的可能应用”概述了用于存储混合动力船舶的电池能量的各种选择。

US2011/0281478A1(Blumenthal)描述了用于海洋推进的能源组合以降低化石燃料消耗和污染。在所提出的解决方案中，还包括使用可充电电池。

WO2009/030807 A2涉及用于对海洋船舶中的负荷响应进行改进的装置。

所述公开出版物均没有教导对能量存储元件或电池和发电机或MGS之间的功率和能量分配进行规划和控制的系统或方法。现有技术固有的该问题和其它问题将通过以下具体实施方式中概述的以及所附权利要求书中指出的本发明特征而得到解决。

发明内容

本发明涉及一种动态混合控制系统(DHS)，该系统包括用于以改进的方式利用混合配电系统中的每个供电设备的特性而不损害对动态定位船舶的船舶控制的机构。

在本文中，我们使用诸如MGS、发电机或供电设备的术语，除非特别指出，不限于或丧失通用性指的是电力发电机，该电力发电机包括诸如柴油发电机(DG)、燃气轮机、双燃料发动机和与燃料类型无关的其类似物之类的机械装置。

我们还将互换地使用能量存储装置、能量存储单元、电池或电容器这些术语，除非特别指出，否则而不限于或丧失通用性地指代以能量的存储和释放为特征的供电设备，例如在电池的情况下分别与充电和放电相关联。

本发明提出的系统包括耦接到至少两个不同的供电设备的能量控制系统(ECS)，所述供电设备向DP系统提供电力，该DP系统包括DP控制系统和由所述供电设备供电的推进器。这些供电设备中的至少一个是发电机，并且所述供电设备中的至少一个是电能存储装置。ECS适于对系统各部分的能量和功率的分配和流动进行规划和控制。

根据本发明的DP控制系统对低频(LF)或逐渐变化的功率和能量需求进行预测。所述预测被ECS使用以在慢供电设备和快供电设备之间分担负荷。在这种情况下，发电机、MGS及其类似物可以被称为慢供电设备，而能量存储装置或电池可以被称为快供电设备。所提出的慢供电设备和快供电设备的术语是相当定性的，即在某些实施例中，通常需要几秒或更长的响应时间来开始向负荷供电的MGS被分类为慢供电设备。在另一个实施例中，诸如充足电的电池或充足电的电容器或其类似物之类的供电设备被分类为快供电设备，因为它们几乎可以立即向负荷供电。

传统的功率管理系统在本质上通常是反应性的，换句话说，这样的系统在它们检测到电网参数的偏差后开始起作用。关键电网参数通常包括电压和频率，此外连接到电网的发电机需要相位同步。在典型的反应性系统中，在系统检测到电网参数相对于它们各自的标称值的变化后发送调节发电机的命令。如果电网参数的所述偏差或瞬变是由诸如推进器的高功率耗能器件引起的，则所述瞬变通常将很大。该情况将要求功率管理系统以某种方式忽略临时瞬变，例如在挪威专利NO 20131161中提出的，否则可能导致发电机不必要的瞬变，从而导致磨损、燃料消耗和污染的增加以及在最坏的情况下导致电网的崩溃，这取决于调节电网参数的反馈回路的稳定性。随着连接到电网上的大功率耗能器件的数量增加，该问题的复杂性增加。

本发明提出了一种允许规划不同场景的功能，以及该功能不仅预先准备PMS以处理即将到来的瞬变而且还适当地部署使用前馈的快供电设备，以这样的方式使得由本发明提出的所得到的系统取得实质性消除电网波动的效果。

D.Radan在他的博士论文“海洋电力系统的综合控制”中提到推进负荷率限制以减少由于推进负荷引起的原动机(发动机)的过度压力，这是海洋工业中常见的方法，其中固定转换速率限位被设置在电动推进器上。更进一步，Radan在论文中的另一部分列出了能量存储装置例如电池、电容器和其类似物，作为衰减发电机上的频率变化的可能性之一。所述文件没有教导基于供电设备的可用性来适配负荷斜坡使得位置控制的响应(例如加速度)相对于配电系统的响应被缩放。本发明还提出了一种将负荷控制与船舶的位置/速度控制相关联的方法，该方法相对于目前发现的现有技术而言是新颖的。

附图说明

下面将参照附图更详细地描述本发明，通过实施例的方式来说明本发明。

图1示出了包括不同供电设备和耗能器件的典型发电厂的实施例。

图2示出了根据本发明提出的系统的实施例。

图3示出了根据本发明的前馈处理系统的实施例。

图4示出了根据本发明的适应供电设备的前馈处理机制的实施例。

具体实施方式

图1示出了包括诸如MGS的各种发电机的典型发电厂设置的示例，在该示例中MGS被称为柴油发电机(DG)组(103)，在该具体示例中能量存储装置是电池(101)。流向和来自电池的功率和能量由转换器(102)进行适配。所述转换器(102)将电荷发送到电池时通常执行从交流(AC)型信号、电流或电压到直流(DC)信号、电流或电压的第一转换。描述这种第一转换的另一个术语是整流。所述转换器(102)在将电荷从电池发送到配电板或电网时还执行从电池的DC电压到AC域信号(通常为电压)的第二转换。描述这种第二转换的另一个术语是逆变。根据本发明的一个实施例，系统可以使用所述AC电压的附加调节，例如通过使用变压器(115)或具有相似功能的其它装置来对所述AC电压进行附加调节。所述变压器(115)可以用于在配电板侧实现与电池侧相比更高的交流电压(升压)。类似地，在向电池(101)充电时，相同的变压器(115)执行降压操作，即降低从配电板侧到电池侧的电压水平。在本发明的另一个实施例中，能量存储装置(101)是电容器。在本发明的替代实施例中，系统可以使用具有相似功能的多个电池、电容器或其他装置的组合来利用与每种类型的能量存储装置相关联的优点。

虽然图1所示的示例讨论了包括AC配电板和某些DC组件的特定实施例，但是本发明不以任何方式对系统中的特定配电板配置或AC域或DC域的范围进行限制。所提出的DHC概念同样适用于其他总线系统，包括完全DC或其他混合AC/DC系统。

在一个实施例中，主配电板被分成不同的部分。具体参考图1中的示例，第一部分称为主配电板端口侧(110)，第二部分称为主配电板右舷侧。所述部分通常与断路器(112)耦接。所述配电板还可以细分成其他部分，例如以在主配电板的特定部分发生故障或维修的情况下提高系统的可用性。主配电板还可以供应功率到低压配电板(120)，在这种情况下使用例如变压器(116)或其类似物实现电压转换。

主配电板还连接到多个耗能器件(104)或者具体参考图1所示的示例的推进器。每个推进器(104)由单独的控制模块(114)适配，该控制模块用于例如设置推进器的功率和负荷率限制。

每个供电设备和耗能器件通过单独的保护断路器(113)耦接到特定的配电板部分。所述断路器用于在无论何时需要时将特定供电设备或耗能器件与配电板断开连接，例如在发生故障或隔离特定设备进行维修的情况下。

图2示出了包括如本发明中提出的动态混合控制单元(220)的系统的实施例。所提出的系统由包括如下模块，所述模块包括控制规则(210)，推力分配逻辑(211)，推力分配优化(212)，能量控制单元(213)和耗能器件负荷控制(206)。

为了简单起见，图2只示出了典型的信号名称和流程。所述信号名称标记在表示系统中各个模块之间的信号流的箭头上。

所提出的控制规则模块(210)的范围包括计算每个受控轴中的力需求，以便例如由PID控制器补偿操作者或系统特定位置及速度与实际船舶位置及速度的测量值(201)之间的偏差。控制规则(210)接收指示由能量控制单元(213)计算出的最大负荷斜坡的信号值。所述负荷斜坡通常限制推进器的响应时间，并因此限制船舶的加速度或加加速度(jerk)的可用变化。所接收的最大负荷斜坡值被控制规则模块(210)转换成最大加加速度值。所述最大加加速度值被控制规则(210)使用以调整参数，例如调节位置和速度控制器中的PID增益值以确保即使负荷斜坡下降到非常低的值所述控制器不会变得不稳定。换句话说，控制规则模块(210)的范围包括监控所述PID增益值以确保控制器的稳定性。

为了改变船舶的位置或航向，控制规则(210)产生恒定的加加速度轨迹以获取参数的参考值，所述参数包括位置和速度控制器在所述变化过程中使用的位置、速度和加速度。例如，在Haschke等人在IROS会议，Nice 2008中发表的“时间最优、加加速度限制的轨迹的在线规划”描述了典型的加加速度轨迹发生器。当产生轨迹时，轨迹生成把最大加加速度考虑在内以确保船舶能够遵循得出的轨迹参考。

力需求加法器模块(203)从测量模块(202)接收包括对包括风和张力在内的力的实时测量的输入。推力分配优化模块(212)解决了非线性优化问题以便计算包括由DP控制系统控制的每个推进器、螺旋桨和舵的推力量和方向的参数，使得由力需求加法器(203)给出的每个轴的推力需求得到满足。优化问题的其他限制也可以适用，例如功率限制和封锁推力瓦。推力分配优化模块(212)中解决的最小化问题的主要目标之一是最小化耗能器件(例如推进器和螺旋桨)的总功率消耗。推力分配逻辑(211)通常建立由推力分配优化模块(212)解决的优化问题的目标和约束。

在本发明提出的DHC系统的一个实施例中，解决了两个优化问题。第一个问题涉及DP控制系统所需的力的分配，并且导致系统提供发送到推进器的命令信号。所述分配将由能量控制单元(213)计算的最大负荷斜坡考虑在内，使得由推力分配优化(212)提供的推进器命令信号的变化总是与最大负荷斜坡信号的变化一致。推力分配优化模块(212)解决的第二个问题使用由力需求加法器(203)提供给推力分配逻辑(211)的低频(LF)力需求。所述LF力需求被推力分配优化(212)转换为每个推进器的LF推力值，并用于计算每个推进器的LF功率需求。所述LF功率需求被发送到能量控制单元(213)，其中LF功率需求被用作计算MGS基础负荷的参考之一。

远离位置设定点漂移的DP受控船舶通常具有增大的功率需求，直到控制系统将船舶位置重新与位置设定点对准。DP控制系统估计每个特定漂移的最大功率使用(例如通过利用预测模型)并计算NO 334364中所述的功率使用的积分。在本发明的另一个实施例中，所述功率估计被使用在DHC中以规划和执行功率分配。在本发明的另一个实施例中，所述预测模型基于船的实际运行时间特性被例行更新以提高所述模型的准确性。

为了进一步说明本发明的一些关键能力，下面介绍了本发明实现的特征列表。

动态容量：

在根据本发明的系统和方法中，ECS(213)自动适配发电厂配置和MGS类型以及诸如电池或电容器之类的能量存储单元，并且计算任何特定瞬时(kW/s)的可用负荷斜坡的总量。计算的总负荷斜坡值被发送到DP控制系统并被使用以使得由推力分配优化(212)提供的推进器命令信号的变化总是与最大负荷斜坡信号的变化相协调。在另一个实施例中，系统基于所连接MGS和电池单元的特性的变化自动考虑动态或可用的瞬时功率容量的变化，因为电池的动态容量可以基于电池的充电/放电速率而显著变化。充电/放电速率通常与电池的操作条件(例如温度)相关联。例如，如果电池已经被驱动接近或高于额定C级，则电池温度通常将升高，这可能要求所述电池在高负荷运行(例如快速放电)后的一定时间内以较低的功率输送速率(kW/s)和/或最大总放电量(kW)运行。kW/s值还被发送并使用在耗能器件负荷控制(206)内作为额外保护或其他不受DP控制的耗能器件。

在本发明的又一个实施例中，如果DP控制系统发现总可用负荷斜坡(kW/s)值小于特定场景中所需要的负荷斜坡值，则DP系统将指示与所述需要之间的差额的信号传送到ECS模块(213)。在本发明的另一个实施例中，ECS(213)提高一个或多个MGS的设定点或者在待机状态下向一个或多个MGS发出启动命令以满足由DP系统传达的要求。

来自DP的低频(LF)前馈：

在本发明的一个实施例中，系统使用ECS中的LF前馈功率需求预测来设置正在运行中的MGS单元上的基础负荷设定点。通过这样做实现了运行中的MGS单元的稳定负荷。MGS根据DP系统中的LF天气预报和预测模型被补偿。可变负荷条件被诸如电池或电容器的能量存储单元吸收。根据所提出的特征，系统不需要等待电池的充电状态改变以移动MGS单元的设定点。因此，与传统系统(包括采用混合动力供应设备的系统)的反应性相反，本系统主动采取行动。这被总结为下表(表I)中本发明与传统非混合方案和传统混合方案的简化比较。

表I：本发明与传统功率系统的比较

充电状态负荷控制单元(SLCU)：

在本发明的另一实施例中，ECU(213)包括在基于电池充电状态(SOC)反馈信号计算的MGS上保持一定负荷水平的充电状态负荷控制单元(SLCU)。SLCU计算MGS系统总负荷的所需增量，并通过将所述增量的预定分数加到基础负荷模式中运行的每个MGS单元的LF设定点而在运行的MGS之间分配所述负荷。这种分配的优点包括MGS单元的稳定负荷。在本发明的另一实施例中，添加到一个运行中的MGS的预定分数与添加到其他运行中的MGS的分数不同，用于进一步优化负荷，例如基于特定MGS的特性优化负荷。

在本发明的又一个实施例中，SLCU还响应于电力系统中的所有其他负荷变化，并且将这些负荷变化包括所述增量计算中。所述其他负荷变化通常指与除DP和预测系统之外的耗能器件相关的负荷。

在本发明的一个实施例中，在极端情况下，如果能量存储单元不能处理瞬时负荷(kW/s)步骤，则将相应的额外负荷直接添加到MGS单元的设定点而不是等待SLCU适应新情况。

在本发明的另一个实施例中，SLCU接收用于预报或预测功率消耗的信号，该功率消耗包括来自DP系统的总负荷消耗。所述信号通常涉及运动参数和天气相关数据，所述运动参数包括(例如基于轨迹计算的)预测或计划的船舶移动。在本发明的又一个实施例中，所述信号被使用在所提出的前馈方案中以适配SLCU的行为。在本发明的另一个实施例中，系统例行地比较预报或预测的准确性并适配DP系统以提高未来预测或预报的准确性。

高频前馈，动态负荷预测(DLP)：

挪威专利NO334364介绍了DLP系统。在本发明的另一个实施例中，来自DP耗能器件的短期负荷变化从ECS(213)被分配到诸如电池的能量存储单元，以处理快速负荷变化或瞬变。ECS(213)从DP系统接收前馈信号，并在电池单元之间分配快速负荷瞬变。当从ECS(213)接收到命令时，电池单元开始向所述快速负荷变化供电。MGS单元遵循由ECS(213)设置的基础负荷设定点以保持稳定的负荷。根据所提出的系统，预先将电池准备就绪用于在将来的标称瞬态条件下传递功率，使得MGS单元不需要改变其负荷以满足所述需求，并且因此能够保持在MGS基础负荷设定点上的操作。在本发明的另一个实施例中，系统根据可用的电池容量、即将到来的负荷曲线的预报或预测和天气相关数据对MGS基础负荷设定点进行对准，使得系统防止快速负荷瞬变被MGS处理。在本发明的另一个实施例中，可用的电池容量被例行地估计或测量，例如通过温度测量、充电或放电曲线、电池操作历史、电池模型或其类似物、或者提供特定情况下可用电池容量的指示的其他测量。在本发明的另一实施例中，系统适配能量存储单元或电池的操作使得所述存储单元的寿命最大化。在本发明的另一个实施例中，系统在存储单元之间分配负荷使得某些预定参数被优化。在本发明的另一个实施例中，所述预定参数包括电池寿命、最大负荷瞬变、成本、故障之间的平均时间、燃料消耗和总功率消耗。

图3中例示出了根据本发明的DHC中的前馈处理机制的实施例。前馈信号的信号处理被分为两个主要类别，即短期信号(301)和长期信号(302)。该系统可以包括前馈信号的进一步细分，例如中期前馈信号，但是为了简单起见，图3中仅示出了两个类别。短期信号可以例如被定义为与在2秒级别或更少的时间帧内发生的事件相关联的信号。这种短期事件可以包括DP推进器分配设定点更改、MGS或DG跳闸检测和MGS跳闸预警。长期前馈机制(302)也与长期预测和监控负荷控制有关。长期前馈模块(302)发出与这些包括期望MGS负荷水平或MGS基础负荷、负荷分担模式、所需最小电池电量等级以及用于混合操作的特定控制模式(例如仅充电、峰值调平和岛屿模式)有关的命令。所述模块(302)接收包括DP操作模式、DP系统增益、天气和海洋活动相关预测以及电池充电水平要求或其它约束的输入。模块(302)还可以接收与发电厂有关的信号，其包括诸如断路器的状态、MGS和其他组件之类的发电厂设置、负荷状况和诸如充电水平、温度或与电池健康和状态有关的其他信号之类的电池相关参数。

图4示出了根据本发明的系统的实施例，其中示出了如何在MGS控制和ESU控制中使用前馈信号。发到MGS的前馈命令被MGS控制器(401)接收，所述控制器评估所接收的命令并适配内部控制器以实现期望的系统状态。MGS系统的内部控制器包括基础速度控制器、速度控制器、喷气(jet)辅助控制器和自动电压调节器(AVR)。所述内部控制器适配MGS运行参数。发到ESU的前馈信号被双向驱动单元(402)中的控制器接收。所述单元(402)的功能包括ESU电压(通常为DC)与发电厂电压(通常为AC)之间的转换、ESU的充电和放电控制以及根据可用功率或供应和需求向ESU发出命令。所述命令被ESU(403)的控制器接收，该控制器根据接收到的命令和各个ESU的状态适配ESU。

总之，本发明是一种用于对船舶的发电厂进行控制的系统和方法。所述发电厂包括至少一个配电板，并且所述配电板包括至少一个配电装置例如断路器。该系统还包括至少一个耗能器件；典型的耗能器件包括推进装置例如推进器和螺旋桨以及方向舵。所述系统还包括至少一个向所述配电板提供电力并以此提供能量的发电机，以及耦接到所述配电板的至少一个能量存储装置。通过耦接，这里意味着其他电气装置或组件可以在所述能量存储装置和配电板之间连接。所述其它电气装置或组件可以是断路器、变压器和功率转换器。

典型的能量存储装置包括电池和电容器。能量存储装置能够存储来自配电板的多余能量，并且能够将所述存储的能量通过配电板供应到与所述配电板耦接的一个或多个耗能器件。

包括所述发电机或多个发电机、所述能量存储装置或多个能量存储装置和所述耗能器件或多个耗能器件的发电厂部件耦接到动态混合控制(DHC)单元。所述DHC单元能够适配和控制每个所述发电厂部件以控制所述配电板上的功率和能量的分配和流动。例如，DHC单元能够提高一个或多个发电机的设定点，使得超过耗能器件使用的功率(或能量)被用于对诸如电池的能量存储装置充电。DHC单元还能够向处于待机状态的一个或多个发电机发出启动命令，使得所述待机发电机可以上线。类似地，如果合适，DHC单元可以发出命令以使一个或多个在线发电机处于待机状态。DHC单元还能够决定一个或多个能量存储装置的充电速度和放电速度。

所述DHC单元还包括用于监控预定发电厂和船舶相关参数的测量装置，所述发电厂和船舶相关参数包括力、张力、天气和海洋参数、速度、加速度、航向、电压、电流、频率、功率、相位以及能量存储装置参数。所述DHC单元还包括基于以下数据而对发电厂在未来不同时间段内的电力和能量要求进行计算和预测的计算装置：由测量装置监测的参数，预定模型，查找表以及与一个或多个发电机、一个或多个能量存储元件和一个或多个耗能器件相关的期望能量流动趋势。所述计算装置还包括用于存储或记录所述数据的存储装置。所述存储装置是例如诸如硬盘、基于闪存的存储器或存储器类型或存储介质之类的数字存储器。

根据本发明的系统利用由计算装置预测的所述功率和能量要求来对一个或多个发电机、一个或多个能量存储元件和一个或多个耗能器件之间的功率和能量进行预先规划和分配。换句话说，系统预先规划功率(以及通过规划功率规划能量)要求场景以用于即将到来的事件，并将所述场景分为至少两个不同的类别，第一类别包括低频要求，以及第二类别包括高频要求。低频功率(或能量)要求通常被用于调节一个或多个发电机的设定点，而高频功率(或能量)要求通常被用于预先准备一个或多个能量存储装置，使得配电板或电网上的瞬时负荷状况可以被所述一个或多个能量存储元件处理。通过这样做，该系统不仅能够最小化诸如电压和频率的电网参数的波动，还能够保持在线发电机上的相对恒定最佳负荷。所述最佳负荷是指如下标准，例如，所述发电机所在的工作区或工作点例如在燃料消耗方面是有效的，和/或其中所述发电机的磨损大约是最小的，和/或其中所述发电机的排放大约是最少的。这种标准可以由系统的操作者或用户指定，以作为系统用于调整或控制发电厂部件的预定输入之一。该系统还可以利用来自测量装置的测量来监控、计算和更新每个发电厂部件的优化标准。

该系统还能够计算、编程和监控参数，例如所需的电池电量、充电/放电速率、需要在线上的发电机数量、在线发电机的设定点、推力和需要加到不同耗能器件的负荷限制，以这样的方式使得每个不同场景下发电厂的整体功率消耗最小化。系统持续监控和更新所述参数以维持整个发电厂的有效工作。

由于电网波动大幅度减少，发电机系统的要求也大大降低。根据本发明的发电机通常不要求处理瞬时负荷状况，并且可以以最佳恒定负荷运行，使得磨损和污染也大大降低。通常以及用于最小化瞬变，包括发电厂的电压、频率变化和由于所述瞬变而导致的所述至少一个发电机的负荷变化。

该系统还实现了负荷控制系统和位置/速度控制系统之间的异常协调，使得所述系统协同工作而不是如传统系统中所观察到的可能相互对抗。

因此，该系统与传统系统相比实现了若干性能、成本和操作优势。如果需要，系统也可以被配置如传统系统那样工作。

Claims (17)

1.一种用于控制船舶中的发电厂的系统，所述发电厂包括：

至少一个配电板，其包括至少一个配电器件和至少一个耗能器件；以及

至少一个发电机，其向所述至少一个配电板供应电能；以及

至少一个能量存储装置，其耦接到所述配电板，所述能量存储装置能够存储来自所述配电板的多余能量，并且能够将所述存储的能量通过所述配电板供应到所述至少一个耗能器件，所述至少一个耗能器件包括推进装置；

所述至少一个发电机、所述至少一个能量存储装置以及所述至少一个耗能器件耦接到动态混合控制DHC单元，所述DHC单元对所述至少一个配电板上的能量流动进行控制；

所述DHC单元还包括：

测量装置，用于监控预定发电厂和船舶相关参数；以及

计算装置，用于基于包括由所述测量装置监控的所述参数、预定模型和与所述至少一个发电厂、所述至少一个能量存储元件以及所述至少一个耗能器件有关的期望能量流动趋势的数据来计算和预测所述发电厂在未来不同时间范围内的功率和能量要求，

其中，

所述系统利用由计算装置预测的所述功率和能量要求来预先规划和分配所述至少一个发电机、所述至少一个能量存储元件和所述至少一个耗能器件之间的功率和能量以最小化包括发电厂中的电压、频率变化的瞬变和由所述瞬变导致的所述至少一个发电机上的负荷变化；以及

其中，

所述系统发送前馈信号以用于包括所述预测、所述预先规划和所述分配的功能；所述前馈信号包括，

功率需求；

适配能量存储装置以处理所述瞬变；

适配所述至少一个发电机的设定点；以及

设置对所述至少一个耗能器件的负荷限制，

其特征在于，所述系统还包括：

推力分配优化模块和力需求加法器模块，所述系统利用由所述力需求加法器模块计算的低频力需求信号来解决优化问题，以用于进一步计算针对所述推进装置的低频功率需求值；以及所述低频功率需求值还作为前馈信号被发送，以用于对所述发电厂中的功率和能量进行所述预先规划和所述分配，

其中所述DHC单元包括能量控制单元，所述能量控制单元基于所述至少一个能量存储装置和所述至少一个发电厂的状态来计算最大可用负荷斜坡值。

2.根据权利要求1所述的系统，其中由所述计算装置预测的所述功率和能量要求在所述系统中还被用于对所述至少一个发电机、所述至少一个能量存储元件和所述至少一个耗能器件之间的能量流动进行分配和适配，使得所述发电厂的总体能量消耗最小化。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述能量存储装置是电池。

4.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述能量存储装置是电容器。

5.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述测量和计算装置至少部分地包括动态负荷预测系统。

6.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述至少一个耗能器件还包括方向舵。

7.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述推进装置包括推进器和螺旋桨。

8.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述至少一个耗能器件是由与所述耗能器件中的每一个相关联的单个控制模块来适配。

9.根据权利要求1所述的系统，其中所述DHC单元至少部分地包括动态定位DP系统。

10.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述系统还包括推力分配模块，所述推力分配模块解决一个或多个非线性优化问题以计算包括每个推进装置的推力量、负荷率和方向的参数，以用于最小化发电厂的总体能量消耗。

11.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述系统基于由DP系统发出的力分配信号和所述最大可用负荷斜坡值来解决优化问题，并且然后发出针对所述推进装置的命令信号，使得针对所述推进装置的所述命令信号总是与所述最大可用负荷斜坡信号相协调。

12.根据权利要求11所述的系统，其中与所述低频功率需求值有关的所述前馈信号被所述能量控制单元使用以适配所述至少一个发电机的基础负荷。

13.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统还包括控制规则模块，所述控制规则模块将最大可用负荷斜坡值转换为最大加加速度值，所述最大加加速度值还被用于适配所述控制规则模块内的增益值以防止所述控制规则模块中控制器的不稳定性。

14.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述系统还包括用于所述至少一个能量存储装置的充电状态负荷控制单元，所述充电状态负荷控制单元发出电池充电状态SOC信号，其中所述系统使用所述SOC信号和由所述计算装置预测的所述能量要求来适配所述至少一个发电机的设定点或基础负荷。

15.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述前馈信号还包括高频前馈信号，所述高频前馈信号用于向所述至少一个能量存储装置分配瞬时负荷状况。

16.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述功率和能量要求的预测包括所述至少一个耗能器件在不同操作条件下的模型、查找表和能量消耗概况。

17.根据权利要求16所述的系统，其中所述模型、查找表和概况以预定的时间间隔更新，以提高所述模型、查找表和概况的准确性或有效性。

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