CN108923470A - 多能源船舶能量管理方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多能源船舶能量管理方法和系统，该系统包括人机交互系统、船舶能量管理控制器、数据传输总线、复合储能系统、光伏发电系统、燃油发电机系统、负载系统、直流母线。船舶能量管理控制器连接数据传输总线实现对各系统的管理和控制，通过人机交互系统进行实况展示；复合储能系统包括超级电容器、锂电池以及对应DC/DC双向变换控制器；光伏发电系统以及燃油发电机系统中光伏发电板和燃油发电机通过对应的单向变换控制器连接至直流母线；负载系统中负载通过控制器连接至直流母线。该方法从船舶的整体能量管理出发，采用分层控制体系，实现数据的实时监测与采集、能量的调度与分配、重要参数显示和报警等功能。

Description

多能源船舶能量管理方法和系统

技术领域

本发明属于船舶能量管理技术领域，尤其涉及一种多能源船舶能量管理方法和系统。

背景技术

船舶能量管理系统用于对发电单元进行调配，保持母线电压的稳定，其性能直接影响着船舶经济性指标、技术指标和安全性，是船舶安全、可靠、高效运行的重要保障，在船舶上具有极其重要的作用。

多能源船舶电力系统由多种能源联合供电，是一个复杂而多变的系统，在船舶运行过程中，各能量源之间的运行需依靠合理的能量管理系统，实现船舶在不同运行工况下各电力系统间的功率匹配，以及各供电单元的功率调配。并且为保证在安全可靠的航行条件下，充分利用太阳能为船舶供电，实现节能减排的效果，在传统的功率切换方法基础上，还需要设计合理的能量管理控制策略。因此多能源船舶的能源管理系统以及其控制策略的发展，是制约多能源船舶发展的关键性问题之一。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种多能源船舶能量管理方法和系统，达到准确性高，并且能够可靠高效运行的目的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：首先提供一种多能源船舶能量管理系统，包括人机交互系统、船舶能量管理控制器、数据传输总线、复合储能系统、光伏发电系统、燃油发电机系统、负载系统、直流母线，船舶能量管理控制器连接数据传输总线对采集到的复合储能系统、光伏发电系统、燃油发电机系统、负载系统信息通过程序运算后，向各系统控制器输出控制信号，通过人机交互系统进行实况显示；船舶电力采用共直流母线的方式，复合储能系统、光伏发电系统、燃油发电机系统、负载系统并联连接至直流母线以及数据传输总线；人机交互系统包括上位机监控系统、延伸报警系统、电压/电流传感器，上位机监控系统将电压/电流传感器采集至船舶能量管理控制器内的原始数据进行处理，并在监控界面进行显示，延伸报警系统对于电力系统中异常情况进行故障报警。

按上述技术方案，船舶能量管理控制器为工业用可编程逻辑控制器，对船舶各系统信息进行逻辑程序处理。

按上述技术方案，复合储能系统包括超级电容器、锂电池以及对应DC/DC双向变换控制器，以并联的方式接入直流母线，用于船舶能量的储存和供给。

按上述技术方案，光伏发电系统以及燃油发电机系统中光伏发电板和燃油发电机通过对应的单向变换控制器连接至直流母线；负载系统中负载通过负载控制器连接至直流母线。

还提供一种基于权利要求1的多能源船舶能量管理方法，包括以下步骤，步骤一，将多能源船舶能量管理系统划分为：配电调度层、集中控制层和设备控制层；步骤二，配电调度层为船舶能量管理控制器，根据主程序控制策略设定下发调度指令，对整个电力系统能量的参数进行监控和管理；步骤三，在集中控制层搭建光伏、复合储能、燃油发电机、负载能量管理系统，作为上下层之间信息交互的桥梁，实现电能调度、实时数据监测、负荷需求管理功能；步骤四，设备控制层为光伏发电板、锂电池、超级电容器、燃油发电机的变换控制器以及负载控制器，实现各自的最大功率点跟踪、功率调节及充放电管理功能。

按上述技术方案，主程序控制策略采用阈值限定法进行功率分配控制，包含如下控制方法：

(1)检测系统是否正常，若系统故障，则报警并返回，若系统正常则进入后续控制程序；

(2)在运行状态下，光伏发电系统的光伏输出功率P_pv大于负荷需求功率P_load时，判断复合储能系统SOC值是否正常；若正常，则对复合储能系统充电，充满后接入卸载电阻；若不正常只控制光伏发电系统进行供电，多余电量接入卸载电阻进行卸载；

(3)在运行状态下，光伏发电系统的光伏输出功率P_pv小于负荷需求功率P_load时，判断复合储能系统SOC值是否正常；若不正常，则断开复合储能系统，由光伏发电系统与燃油发电机系统进行联合供电；若正常，则判断光伏输出功率P_pv与复合储能系统充/放电功率P_HESS之和是否大于负荷需求功率P_load；若小于，则启动燃油发电机进行供电，以实现电网稳定；若大于，则由光伏发电系统与复合储能系统进行联合供能。

本发明产生的有益效果是：多能源分层能量管理系统能够协调各能量源的工作状态，使各系统系统工作在当前环境下的最大功率点，保证各装置安全可靠的运行，最大限度的利用可再生能源进行发电，有效地提高新能源的利用率，保证多能源船舶电力系统的安全性与稳定性，确保船舶航行的稳定性和安全性，提高船舶续航力及经济性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例多能源船舶分层能量管理系统结构示意图；

图2为本发明实施例多能源船舶能量管理系统人机信息交互结构示意图；

图3为本发明实施例多能源船舶能量管理系统能量流动控制结构示意图；

图4为本发明实施例多能源船舶能量分层管理方法示意图；

图5为本发明实施例多能源船舶能量管理器主控制流程图；

其中，100.人机交互系统200.船舶能量管理控制器300.数据传输总线400.复合储能系统500.光伏发电系统600.燃油发电机系统700.负载系统800.直流母线102.延伸报警系统103.上位机监控系统104.电压/电流传感器201.能量管理控制器300.数据传输总线401.锂电池402.锂电池DC/DC双向变换控制器403.超级电容器404.超级电容器DC/DC双向变换控制器501.光伏发电板502.光伏DC/DC单向变换控制器601.燃油发电机602.燃油发电机AC/DC单向变换控制器701.负载702.负载控制器800.直流母线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例中，本发明提供一种多能源船舶分层能量管理系统，如图1、图2、图3所示，包括人机交互系统100、船舶能量管理控制器200、数据传输总线300、复合储能系统400、光伏发电系统500、燃油发电机系统600、负载系统700、直流母线800。能量管理控制器200连接数据传输总线300对采集到的各系统信息通过程序运算后，向各系统控制器输出控制信号，实现对各系统能量的管理和控制，并通过人机交互系统100进行实况显示；船舶电力采用共直流母线的方式，复合储能系统400、光伏控制系统500、燃油发电机系统600、负载系统700并联连接至直流母线800以及数据传输总线300；

进一步地，人机交互系统包括上位机监控系统103、延伸报警系统102、电压/电流传感器104，上位监控系统103将电压/电流传感器104采集至船舶能量管理控制器200内的原始数据进行处理后在监控界面进行显示，延伸报警系统102对于电力系统中异常情况进行故障报警；

进一步地，船舶能量管理控制器200为工业用可编程逻辑控制器，对船舶各系统信息进行逻辑程序处理；

进一步地，复合储能系统400包括锂电池401、超级电容器403以及对应锂电池DC/DC双向变换控制器402、超级电容器DC/DC双向变换控制器404，以并联的方式接入直流母线800，用于船舶能量的储存和供给；

进一步地，光伏发电系统500以及燃油发电机系统600中光伏发电板501通过光伏DC/DC单向变换控制器502、燃油发电机601通过燃油发电机AC/DC单向变换控制器602连接至直流母线；负载系统700中负载701通过负载控制器702连接至直流母线800。

本发明还提供一种多能源船舶分层能量管理方法，如图4所示，包括以下步骤，步骤一，将多能源船舶能量管理系统划分为：配电调度层、集中控制层和设备控制层；步骤二，配电调度层为船舶能量管理控制器200，根据主程序控制策略设定下发调度指令，对整个电力系统能量的重要参数进行监控和管理；步骤三，在集中控制层搭建光伏、复合储能、燃油发电机、负载能量管理系统，作为上下层之间信息交互的桥梁，实现电能优化调度、实时数据监测、负荷需求管理功能，完成对能量管理系统的智能控制和协调管理；步骤四，设备控制层为锂电池DC/DC双向变换控制器402、超级电容器DC/DC双向变换控制器404、光伏DC/DC单向变换控制器502、燃油发电机AC/DC单向变换控制器602、负载控制器702，通过数据传输总线300上的控制信号调控，实现各自的最大功率点跟踪、功率调节及充放电管理功能；

进一步地，主程序控制策略采用阈值限定法进行功率分配控制，如图5所示，包含如下控制方法：

(1)首先检测系统是否正常，若系统故障，则报警并返回，若系统正常则可进入后续控制程序。

(2)在运行状态下，光伏发电系统500的光伏输出功率P_pv大于负荷需求功率P_load时，判断复合储能系统SOC值是否正常；若正常，则对复合储能系统400充电，充满后接入卸载电阻；若不正常只控制光伏发电系统进行供电，多余电量接入卸载电阻进行卸载。

(3)在运行状态下，小于负荷需求功率P_load需求，判断复合储能系统SOC值是否正常；若不正常，则断开复合储能系统，由光伏发电系统500与燃油发电机系统600进行联合供电；若正常，则判断光伏输出功率P_pv与复合储能系统充/放电功率P_HESS之和是否大于负荷需求功率P_load；若小于，则启动燃油发电机601进行供电，以实现电网稳定；若大于，则由光伏发电系统与复合储能系统进行联合供能。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种多能源船舶能量管理系统，其特征在于，包括人机交互系统、船舶能量管理控制器、数据传输总线、复合储能系统、光伏发电系统、燃油发电机系统、负载系统、直流母线，船舶能量管理控制器连接数据传输总线对采集到的复合储能系统、光伏发电系统、燃油发电机系统、负载系统信息通过程序运算后，向各系统控制器输出控制信号，通过人机交互系统进行实况显示；船舶电力采用共直流母线的方式，复合储能系统、光伏发电系统、燃油发电机系统、负载系统并联连接至直流母线以及数据传输总线；人机交互系统包括上位机监控系统、延伸报警系统、电压/电流传感器，上位机监控系统将电压/电流传感器采集至船舶能量管理控制器内的原始数据进行处理，并在监控界面进行显示，延伸报警系统对于电力系统中异常情况进行故障报警。

2.根据权利要求1所述的多能源船舶能量管理系统，其特征在于，船舶能量管理控制器为工业用可编程逻辑控制器，对船舶各系统信息进行逻辑程序处理。

3.根据权利要求1或2所述的多能源船舶能量管理系统，其特征在于，复合储能系统包括超级电容器、锂电池以及对应DC/DC双向变换控制器，以并联的方式接入直流母线，用于船舶能量的储存和供给。

4.根据权利要求1或2所述的多能源船舶能量管理系统，其特征在于，光伏发电系统以及燃油发电机系统中光伏发电板和燃油发电机通过对应的单向变换控制器连接至直流母线；负载系统中负载通过负载控制器连接至直流母线。

5.一种基于权利要求1的多能源船舶能量管理方法，其特征在于，包括以下步骤，步骤一，将多能源船舶能量管理系统划分为：配电调度层、集中控制层和设备控制层；步骤二，配电调度层为船舶能量管理控制器，根据主程序控制策略设定下发调度指令，对整个电力系统能量的参数进行监控和管理；步骤三，在集中控制层搭建光伏、复合储能、燃油发电机、负载能量管理系统，作为上下层之间信息交互的桥梁，实现电能调度、实时数据监测、负荷需求管理功能；步骤四，设备控制层为光伏发电板、锂电池、超级电容器、燃油发电机的变换控制器以及负载控制器，实现各自的最大功率点跟踪、功率调节及充放电管理功能。

6.根据权利要求5所述的多能源船舶能量管理方法，其特征在于，主程序控制策略采用阈值限定法进行功率分配控制，包含如下控制方法：

(1)检测系统是否正常，若系统故障，则报警并返回，若系统正常则进入后续控制程序；

(2)在运行状态下，光伏发电系统的光伏输出功率P_pv大于负荷需求功率P_load时，判断复合储能系统SOC值是否正常；若正常，则对复合储能系统充电，充满后接入卸载电阻；若不正常只控制光伏发电系统进行供电，多余电量接入卸载电阻进行卸载；

(3)在运行状态下，光伏发电系统的光伏输出功率P_pv小于负荷需求功率P_load时，判断复合储能系统SOC值是否正常；若不正常，则断开复合储能系统，由光伏发电系统与燃油发电机系统进行联合供电；若正常，则判断光伏输出功率P_pv与复合储能系统充/放电功率P_HESS之和是否大于负荷需求功率P_load；若小于，则启动燃油发电机进行供电，以实现电网稳定；若大于，则由光伏发电系统与复合储能系统进行联合供能。