CN110510095A - 一种混合动力船舶的能量控制系统及其控制方法 - Google Patents

一种混合动力船舶的能量控制系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种混合动力船舶的能量控制系统，其特征在于：包括协调控制模块、驾驶室控制模块、供配电检测模块、光伏发电模块、柴油发电机、混合储能模块、直流母线、交流母线和双向逆变器。还提供了一种混合动力船舶的能量控制系统的控制方法，其特征在于：协调控制模块能根据混合储能模块当前的剩余荷电量和直流母线功率变化量，来分别调整光伏发电模块、柴油发电机和混合储能模块的功率输出。按本发明所述的能量控制系统及控制方法来对船舶各能量模块的功率输出进行协调控制和管理，能使船舶混合动力系统的各个能量模块充分发挥各自的优势，相互协调工作，更加充分利用能源，减少能源浪费，在减少环境污染的同时降低船舶的运营成本。

Description

一种混合动力船舶的能量控制系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及交通运输电气工程技术领域，特别是一种混合动力船舶的能量控制系统及其控制方法。
背景技术
目前，船舶通常使用柴油发电机为其驱动装置供电，其优点在于柴油发电机机组的建设成本低、维护简单、运行可靠耐久，但柴油发电机需要持续添加油料，不仅成本高，且污染大、不环保。随着新能源技术的发展，超级电容器和蓄电池正越来越多地被运用在船舶的混合储能及电能供应上，而近年来对太阳能等可再生新型能源的利用也是发展的趋势，如果能将传统的柴油发电与太阳能发电、超级电容器和蓄电池混合储能供电相结合，运用到船舶驱动装置的能源供应系统中，将可极大节约燃油、降低污染、降低运营成本。为了充分发挥上述各个动力供应单元的优势，亟待一个针对上述混合能量模块的控制系统及控制方法，来协调和控制各个能量模块在船舶的不同工作状态下的功率输出的协调管理，以达到混合动力船舶运行效率、排放和动力性的最佳状态。
发明内容
针对背景技术的问题，本发明提供一种混合动力船舶的能量控制系统，还提供一种针对上述能量控制系统的控制方法，以解决现有技术无法根据船舶的实际工作状态对柴油发电、光伏发电和混合储能模块之间的功率输出进行协调控制和管理，各个能源模块之间相互冲突，船舶混合动力系统各个能源模块之间利用不充分、利用效率低的问题。
本发明提供一种混合动力船舶的能量控制系统，其特征在于：包括协调控制模块、驾驶室控制模块、供配电检测模块、光伏发电模块、柴油发电机、混合储能模块、直流母线、交流母线和双向逆变器；所述协调控制模块包括高通滤波器和低通滤波器；所述光伏发电模块包括光伏发电单元和DC/DC变换器；所述混合储能模块包括超级电容器、蓄电池、第一双向DC/DC变换器和第二双向DC/DC变换器；
所述驾驶室控制模块、供配电检测模块、超级电容器和蓄电池均与协调控制模块连接；所述光伏发电单元与DC/DC变换器连接；所述超级电容器与第一双向DC/DC变换器连接；所述蓄电池与第二双向DC/DC变换器连接；所述DC/DC变换器、第一双向DC/DC变换器、第二双向DC/DC变换器和供配电检测模块均与直流母线连接；所述双向逆变器的直流端与直流母线连接，所述双向逆变器的交流端与交流母线连接；所述柴油发电机与交流母线连接；所述DC/DC变换器的控制部、第一双向DC/DC变换器的控制部、第二双向DC/DC变换器的控制部、双向逆变器的控制部和柴油发电机的控制部均与协调控制模块连接；
所述驾驶室控制模块能将船舶的工作状态信号传输给协调控制模块；所述船舶的工作状态包括：加速行进、匀速行进和减速行进。
所述供配电检测模块能检测直流母线上电能的功率变化量dP，并能将所述功率变化量dP的信号传输给协调控制模块；
所述光伏发电单元能将光能转化为电能输出；
所述DC/DC变换器能将光伏发电单元输出的电能传输到直流母线上；
所述第一双向DC/DC变换器用于实现超级电容器与直流母线之间的电能双向流动；
所述第二双向DC/DC变换器用于实现蓄电池与直流母线之间的电能双向流动；
所述双向逆变器用于实现直流母线与交流母线之间的电能双向流动；
所述协调控制模块能获取超级电容器的剩余荷电量SOC1及蓄电池的剩余荷电量SOC2；所述协调控制模块能对输入信号进行处理并输出相应的控制信号；所述协调控制模块的输入信号包括：船舶的工作状态信号、直流母线上电能的功率变化量dP信号、超级电容器的剩余荷电量SOC1信号及蓄电池的剩余荷电量SOC2信号；所述协调控制模块输出的控制信号包括：DC/DC变换器的控制信号；第一双向DC/DC变换器的控制信号；第二双向DC/DC变换器的控制信号；柴油发电机的控制信号。
本发明还提供一种针对上述混合动力船舶的能量控制系统的控制方法，包括：当船舶启动运行后：
一)所述驾驶室控制模块将当前船舶的工作状态信号传输给协调控制模块；
二)所述协调控制模块对收到的所述工作状态信号进行判断：当所述工作状态为减速行进时，进入步骤三)；当所述工作状态为加速行进或匀速行进时，进入步骤四)；
三)所述协调控制模块控制光伏发电模块、混合储能模块和柴油发电机的功率输出均为零；然后返回步骤一)；
四)所述供配电检测模块将当前直流母线上电能的功率变化量dP信号传输给协调控制模块；同时，所述协调控制模块获取超级电容器当前的剩余荷电量SOC1及蓄电池当前的剩余荷电量SOC2；
五)所述协调控制模块根据公式一对收到的所述SOC1和所述SOC2进行处理，得到混合储能模块当前的剩余荷电量SOC；
六)所述协调控制模块按方法二对所述SOC和收到的所述dP进行处理，分别得到当前的光伏发电输出功率PPV、柴油发电输出功率PDG、超级电容器功率PSC和蓄电池功率Pbat；
七)所述协调控制模块根据所述PPV向DC/DC变换器发出控制指令，控制光伏发电单元的电能输出；同时，所述协调控制模块根据所述PDG向柴油发电机的控制部发出控制指令，控制柴油发电机的电能输出；同时，所述协调控制模块根据PSC向第一双向DC/DC变换器发出控制指令，控制超级电容器与直流母线之间的电能流动；同时，所述协调控制模块根据Pbat向第二双向DC/DC变换器发出控制指令，控制蓄电池与直流母线之间的电能流动；
当柴油发电输出功率PDG的模糊取值为零时，所述协调控制模块根据清晰化处理后得到的PDG值向双向逆变器发出控制指令，控制双向逆变器工作于将直流逆变成交流的状态；当柴油发电输出功率PDG的模糊取值为高或适中时，所述协调控制模块根据清晰化处理后得到的PDG值向双向逆变器发出控制指令，控制双向逆变器工作于将交流整流成直流的状态；
然后，返回步骤一)；
所述公式一为：
SOC＝k1×SOC1+k2×SOC2
其中，k1和k2分别为所述SOC1和所述SOC2的权重系数，k1为设定值，k2＝1-k1；当船舶的工作状态为加速行进时，所述k1的取值范围为：0.7-0.9；当船舶的工作状态为匀速行进时，所述k1的取值范围为：0.1-0.3；
所述方法二包括：
1)所述协调控制模块根据模糊推理表一采用模糊推理及清晰化处理获取所述PPV；同时，协调控制模块根据模糊推理表二采用模糊推理及清晰化处理获取所述PDG；同时，协调控制模块根据模糊推理表三采用模糊推理及清晰化处理获取混合储能模块调整功率PHESS；
2)所述协调控制模块根据船舶当前的工作状态信号对所述PHESS进行处理得到所述PSC和Pbat：当船舶工作状态为加速行进时，所述高通滤波器根据公式二和公式三对所述PHESS进行处理分别获取所述PSC和Pbat；当船舶工作状态为匀速行进时，所述低通滤波器根据公式四和公式五对所述PHESS进行处理分别获取所述Pbat和PSC；
所述公式二为：
其中，ω为所述PHESS的频率；ω1为高通滤波器的截止频率，所述ω1为设定值；
所述公式三为：
Pbat＝PHESS-PSC
所述公式四为：
其中，ω2为低通滤波器的截止频率，所述ω2为设定值；
所述公式五为：
PSC＝PHESS-Pbat
所述模糊推理表一为：
SOC的模糊论域为{L，M，H}，其中：L表示低，M表示适中，H表示高；
dP的模糊论域为{NB，NS，ZO，PS，PB}，其中：NB表示负大，NS表示负小，ZO表示零，PS表示正小，PB表示正大；
PPV的模糊论域为{HPV，MPV，ZOPV}，其中：HPV表示高，MPV表示适中，ZOPV表示零；
所述模糊推理表二为：
SOC的模糊论域为{L，M，H}，其中：L表示低，M表示适中，H表示高；
dP的模糊论域为{NB，NS，ZO，PS，PB}，其中：NB表示负大，NS表示负小，ZO表示零，PS表示正小，PB表示正大；
PDG的模糊论域为{HDG，MDG，ZODG}，其中：HDG表示高，MDG表示适中，ZODG表示零；
所述模糊推理表三为：
SOC的模糊论域为{L，M，H}，其中，L表示低，M表示适中，H表示高；
dP的模糊论域为{NB，NS，ZO，PS，PB}，其中，NB表示负大，NS表示负小，ZO表示零，PS表示正小，PB表示正大；
PHESS的模糊论域为{NHC，NMC，ZOC，PMC，PHC}，其中，NHC表示负高，NMC表示负中，ZOC表示零，PMC表示正中，PHC表示正高。
本发明的原理在于：本能量控制系统中，光伏发电模块和混合储能模块都与直流母线连接，柴油发电机也通过交流母线和双向逆变器与直流母线连接，发明人通过研究发现，其实光伏发电模块、柴油发电模块以及混合储能模块的功率输出调节量都是与直流母线上电能的功率变化量及混合储能模块的荷电量相关的，如何建立前三个能量模块的功率输出量与后两者之间的对应关系，是对各个能量模块之间协调控制的关键。发明人创造性地引入模糊推理的方法很好地解决了上述关键问题：首先，针对不同的能量模块生成不同的模糊推理表，然后将当前母线上电能的功率变化量dP和混合储能模块当前的剩余荷电量SOC输入至各个模糊推理表，将这两个输入量分别经过模糊化转换为用人类自然语言描述的模糊量，而后根据模糊推理表中的模糊推理规则，经过模糊推理输出对应的能量模块功率输出量的模糊取值，再经过清晰化处理，即得到对应能量模块功率输出量的精确值。
对于混合储能模块来说，蓄电池具有能量密度高的优点，但其缺点是功率密度较低；而超级电容器具有功率密度大、效率高的优点，但同时也存在着能量密度低的缺点。蓄电池的主要作用在于满足船舶长期匀速行驶过程中高能量的需求，而超级电容器组的主要作用在于满足船舶加速行驶过程中高功率的需求。在船舶长期匀速行驶过程中，推进电机功率需求不大，这时主要由蓄电池发挥主要作用，超级电容器组发挥辅助作用；当船舶加速行驶过程中，推进电机功率需求大，这时超级电容器发挥主要作用，蓄电池发挥辅助作用。因此，不能简单地对超级电容器的剩余荷电量SOC1和蓄电池的剩余荷电量SOC2取平均值，从而得到混合储能模块的剩余荷电量SOC，并将其运用于模糊推理表中，而应针对船舶不同的工作状态，对SOC1和SOC2取不同的权重：当船舶长期匀速行驶过程中，对所述SOC2取较大的权重，对所述SOC1取较小的权重；当船舶加速行驶的过程中，对所述SOC1取较大的权重，对所述SOC2取较小的权重；再将二者求和得到混合储能模块的剩余荷电量SOC，如此求得的所述SOC更能与船舶的工作状态匹配，能更加充分提高混合储能模块的工作效率。
对于混合储能模块的调整功率PHESS，分配的原理与上述原理类似：当船舶长期匀速行驶过程中，蓄电池发挥主要作用，可采用低通滤波器将PHESS中的低频分量分配给蓄电池，作为蓄电池功率调整的指令，控制蓄电池的充电或放电，将其余分量分配给超级电容器，作为超级电容器功率调整的指令，控制超级电容器的充电或放电；当船舶加速行驶过程中，超级电容器发挥主要作用，可采用高通滤波器将PHESS中的高频分量分配给超级电容器，作为超级电容器功率调整的指令，控制超级电容器的充电或放电，将其余分量分配给蓄电池，作为蓄电池功率调整的指令，控制蓄电池的充电或放电。上述分配方式充分考虑了超级电容器和蓄电池在船舶不同的工作状态发挥的作用不同，进一步使两者得到充分利用，提高了混合储能模块的利用率和效率。
由此可见，采用本发明的方法，具有以下的有益效果：采用本发明所述的能量控制系统及控制方法来对柴油发电、光伏发电和混合储能模块之间的功率输出进行协调控制和管理，能使船舶混合动力系统的各个能量模块充分发挥各自的优势，相互协调工作，更加充分利用能源，减少能源浪费，在减少环境污染的同时降低船舶的运营成本。
附图说明
本发明的附图说明如下。
附图1为本发明所述控制系统的结构示意图。
图中：1、协调控制模块；2、驾驶室控制模块；3、供配电检测模块；4、光伏发电单元；5、DC/DC变换器；6、超级电容器；7、蓄电池；8、第一双向DC/DC变换器；9、第二双向DC/DC变换器；10、柴油发电机；11、直流母线；12、交流母线；13、双向逆变器。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
如附图1所示的混合动力船舶的能量控制系统，其特征在于：包括协调控制模块1、驾驶室控制模块2、供配电检测模块3、光伏发电模块、柴油发电机10、混合储能模块、直流母线11、交流母线12和双向逆变器13；所述协调控制模块包括高通滤波器和低通滤波器；所述光伏发电模块包括光伏发电单元4和DC/DC变换器5；所述混合储能模块包括超级电容器6、蓄电池7、第一双向DC/DC变换器8和第二双向DC/DC变换器9；
所述驾驶室控制模块2、供配电检测模块3、超级电容器6和蓄电池7均与协调控制模块1连接；所述光伏发电单元4与DC/DC变换器5连接；所述超级电容器6与第一双向DC/DC变换器8连接；所述蓄电池7与第二双向DC/DC变换器9连接；所述DC/DC变换器5、第一双向DC/DC变换器8、第二双向DC/DC变换器9和供配电检测模块3均与直流母线11连接；所述双向逆变器13的直流端与直流母线11连接，所述双向逆变器13的交流端与交流母线12连接；所述柴油发电机10与交流母线12连接，交流母线12上还连接有推进电机等用电负载；所述DC/DC变换器5的控制部、第一双向DC/DC变换器8的控制部、第二双向DC/DC变换器9的控制部、双向逆变器13的控制部和柴油发电机10的控制部均与协调控制模块1连接；
所述驾驶室控制模块2能将船舶的工作状态信号传输给协调控制模块1；所述船舶的工作状态包括：加速行进、匀速行进和减速行进。
所述供配电检测模块3能检测直流母线11上电能的功率变化量dP，并能将所述功率变化量dP的信号传输给协调控制模块1；
所述光伏发电单元4能将光能转化为电能输出；
所述DC/DC变换器5能将光伏发电单元4输出的电能传输到直流母线11上；
所述第一双向DC/DC变换器8用于实现超级电容器6与直流母线11之间的电能双向流动；
所述第二双向DC/DC变换器9用于实现蓄电池7与直流母线11之间的电能双向流动；
所述双向逆变器13用于实现直流母线11与交流母线12之间的电能双向流动；
所述协调控制模块1能获取超级电容器6的剩余荷电量SOC1及蓄电池7的剩余荷电量SOC2；所述协调控制模块1能对输入信号进行处理并输出相应的控制信号；所述协调控制模块1的输入信号包括：船舶的工作状态信号、直流母线11上电能的功率变化量dP信号、超级电容器6的剩余荷电量SOC1信号及蓄电池7的剩余荷电量SOC2信号；所述协调控制模块1输出的控制信号包括：DC/DC变换器5的控制信号；第一双向DC/DC变换器8的控制信号；第二双向DC/DC变换器9的控制信号；柴油发电机10的控制信号。
本发明还提供一种针对上述混合动力船舶的能量控制系统的控制方法，包括：
当船舶启动运行后：
一)所述驾驶室控制模块2将当前船舶的工作状态信号传输给协调控制模块1；
二)所述协调控制模块1对收到的所述工作状态信号进行判断：当所述工作状态为减速行进时，进入步骤三)；当所述工作状态为加速行进或匀速行进时，进入步骤四)；
三)所述协调控制模块1控制光伏发电模块、混合储能模块和柴油发电机的功率输出均为零；然后返回步骤一)；当船舶工作状态为减速行进时，实际是船舶的推进电机处于制动减速的工作状态，此时推进电机无需各个能量模块或设备为其提供驱动电能；
四)所述供配电检测模块3将当前直流母线11上电能的功率变化量dP信号传输给协调控制模块1；同时，所述协调控制模块1获取超级电容器6当前的剩余荷电量SOC1及蓄电池7当前的剩余荷电量SOC2；
五)所述协调控制模块1根据公式一对收到的所述SOC1和所述SOC2进行处理，得到混合储能模块当前的剩余荷电量SOC；
所述公式一为：
SOC＝k1×SOC1+k2×SOC2
其中，k1和k2分别为所述SOC1和所述SOC2的权重系数，k1为设定值，k2＝1-k1；当船舶的工作状态为加速行进时，超级电容器6发挥主要作用，蓄电池7发挥辅助作用，所述k1的取值范围为：0.7-0.9；当船舶的工作状态为匀速行进时，超级电容器6发挥辅助作用，蓄电池7发挥主要作用，所述k1的取值范围为：0.1-0.3；
六)所述协调控制模块2按方法二对所述SOC和收到的所述dP进行处理，分别得到当前的光伏发电输出功率PPV、柴油发电输出功率PDG、超级电容器功率PSC和蓄电池功率Pbat；
所述方法二包括：
1)所述协调控制模块1根据模糊推理表一采用模糊推理及清晰化处理获取所述PPV；同时，协调控制模块1根据模糊推理表二采用模糊推理及清晰化处理获取所述PDG；同时，协调控制模块1根据模糊推理表三采用模糊推理及清晰化处理获取混合储能模块调整功率PHESS；
所述模糊推理表一为：
SOC的模糊论域为{L，M，H}，其中：L表示低，M表示适中，H表示高；
dP的模糊论域为{NB，NS，ZO，PS，PB}，其中：NB表示负大，NS表示负小，ZO表示零，PS表示正小，PB表示正大；
PPV的模糊论域为{HPV，MPV，ZOPV}，其中：HPV表示高，MPV表示适中，ZOPV表示零；
所述模糊推理表一的制定原理如下：
当混合储能模块当前的剩余荷电量SOC为低或适中，意味着需要对其进行充电，此时可不必考虑直流母线功率变化量dP的情况，光伏发电都应该输出高功率；
而当混合储能模块当前的剩余荷电量SOC为高，则不是必须要对其充电，此时就应该考虑直流母线功率变化量dP的情况。当直流母线功率变化量dP为负大、负小和甚至为零，意味着用电负载功率有较大、较小或无需求，此时光伏发电输出高功率，以满足用电负载功率需求和输电线路上损耗。当所述dP为正小或者正大，表示直流母线能提供的功率基本充足或很充足，此时光伏发电都应尽其所用，输出适中功率或者零功率可满足要求。
所述模糊推理表二为：
SOC的模糊论域为{L，M，H}，其中：L表示低，M表示适中，H表示高；
dP的模糊论域为{NB，NS，ZO，PS，PB}，其中：NB表示负大，NS表示负小，ZO表示零，PS表示正小，PB表示正大；
PDG的模糊论域为{HDG，MDG，ZODG}，其中：HDG表示高，MDG表示适中，ZODG表示零；
所述模糊推理表二的制定原理如下：
只要混合储能模块当前的剩余荷电量高或适中，意味着它能够提供船舶行驶所需的能源，此时可不必考虑直流母线功率变化量dP的情况，柴油发电机都不应投入使用，无输出功率，尽量减少柴油机燃料花费。
而当混合储能模块当前的剩余荷电量低，有可能没有足够的能量提供给船舶推进电机等用电负载，则需考虑当前直流母线功率变化量dP的情况。当所述dP为正大、正小或零时，表示直流母线功率无减小的趋势，光伏发电充足，双向逆变器工作于直流逆变为交流的状态，能够为用电负载提供能源，此时柴油发电机无输出功率；当所述dP为负大或负小，表示直流母线功率有不同程度的减小趋势，此时柴油发电机应投入使用，并输出高或适中的功率，双向逆变器工作于将交流整流成为直流的状态，用以让直流母线功率恢复。
所述模糊推理表三为：
SOC的模糊论域为{L，M，H}，其中，L表示低，M表示适中，H表示高；
dP的模糊论域为{NB，NS，ZO，PS，PB}，其中，NB表示负大，NS表示负小，ZO表示零，PS表示正小，PB表示正大；
PHESS的模糊论域为{NHC，NMC，ZOC，PMC，PHC}，其中，NHC表示负高，NMC表示负中，ZOC表示零，PMC表示正中，PHC表示正高；混合储能模块既可进行充电也可进行放电，模糊论域中的负高和负中都代表混合储能模块不同程度的充电状态，模糊论域中的正中和正高都代表混合储能模块不同程度的放电状态。
所述模糊推理表三的制定原理如下：
当混合储能模块当前的剩余荷电量为低时，意味着它不应提供能源，应根据当前直流母线功率变化量dP的情况，考虑对其进行充电或者保持现状。当直流母线功率有减小的趋势或不变，即所述dP为负大、负小或零时，混合储能模块保持现状，即所述PHESS为零；当直流母线功率有增大的趋势，即所述dP为正小或正大时，应对混合储能模块进行不同程度的充电，即所述PHESS为负中或负高；
当混合储能模块当前的剩余荷电量适中，应根据直流母线功率变化量dP的情况，考虑对其充电、放电或者保持现状。当直流母线功率有减小的趋势，应对混合储能模块进行不同程度的放电，即当所述dP为负大或负小时，所述PHESS为正高或正中；当直流母线功率不变，混合储能模块保持现状，即当所述dP为零时，所述PHESS为零；当直流母线功率有增大的趋势，应对混合储能系统进行不同程度的充电，即当所述dP为正小或正大时，所述PHESS为负中或负高；
当混合储能模块当前的剩余荷电量高，意味着混合储能模块可提供较大能源，根据直流母线功率变化量dP的情况，考虑对其放电或者保持现状。当直流母线功率有减小的趋势，应对混合储能系统进行不同程度的放电，即当所述dP为负大或负小时，所述PHESS为正高或正中；当直流母线功率不变，或有增大的趋势，混合储能系统保持现状，即当所述dP为零、正小或正大时，所述PHESS为零。
2)所述协调控制模块1根据船舶当前的工作状态信号对所述PHESS进行处理得到所述PSC和Pbat：当船舶工作状态为加速行进时，此时，超级电容器发挥主要作用，而超级电容器主要用于对电能中的高频分量进行吸收和释放，所以采用高通滤波器根据公式二和公式三对所述PHESS进行处理分别获取所述PSC和Pbat；当船舶工作状态为匀速行进时，此时，蓄电池发挥主要做，而蓄电池主要用于对电能中的低频分量进行吸收和释放，所以采用低通滤波器根据公式四和公式五对所述PHESS进行处理分别获取所述Pbat和PSC；
所述公式二为：
其中，ω为所述PHESS的频率；ω1为高通滤波器的截止频率，所述ω1为设定值；
所述公式三为：
Pbat＝PHESS-PSC
所述公式四为：
其中，ω2为低通滤波器的截止频率，所述ω2为设定值；
所述公式五为：
PSC＝PHESS-Pbat
七)所述协调控制模块1根据所述PPV向DC/DC变换器5发出控制指令，控制光伏发电单元4的电能输出；同时，所述协调控制模块1根据所述PDG向柴油发电机10的控制部发出控制指令，控制柴油发电机10的电能输出；同时，所述协调控制模块1根据PSC向第一双向DC/DC变换器8发出控制指令，控制超级电容器6与直流母线11之间的电能流动；同时，所述协调控制模块1根据Pbat向第二双向DC/DC变换器9发出控制指令，控制蓄电池7与直流母线11之间的电能流动；
当柴油发电输出功率PDG的模糊取值为零时，所述协调控制模块1根据清晰化处理后得到的PDG值向双向逆变器发出控制指令，控制双向逆变器工作于将直流逆变成交流的状态，此时，柴油发电机不对外输出电能，推进电机等用电负载由光伏发电或/和混合储能模块提供电能，此时需要将直流母线上的电能传输到交流母线上供用电负载使用；当柴油发电输出功率PDG的模糊取值为高或适中时，所述协调控制模块1根据清晰化处理后得到的PDG值向双向逆变器发出控制指令，控制双向逆变器工作于将交流整流成直流的状态，此时，柴油发电机除了向用电负载供电外，还需要通过交流母线将柴油发电机输出的电能传输到直流母线上，以让直流母线的功率恢复到正常值；
然后，返回步骤一)；
当船舶停止运行后，上述控制过程停止。
本发明中应用到的模糊推理理论为现有技术中十分常见的处理手段，相关的内容，本领域技术人员可从现有技术的相关文献中获取。

Claims (2)

1.一种混合动力船舶的能量控制系统，其特征在于：包括协调控制模块(1)、驾驶室控制模块(2)、供配电检测模块(3)、光伏发电模块、柴油发电机(10)、混合储能模块、直流母线(11)、交流母线(12)和双向逆变器(13)；所述协调控制模块包括高通滤波器和低通滤波器；所述光伏发电模块包括光伏发电单元(4)和DC/DC变换器(5)；所述混合储能模块包括超级电容器(6)、蓄电池(7)、第一双向DC/DC变换器(8)和第二双向DC/DC变换器(9)；
所述驾驶室控制模块(2)、供配电检测模块(3)、超级电容器(6)和蓄电池(7)均与协调控制模块(1)连接；所述光伏发电单元(4)与DC/DC变换器(5)连接；所述超级电容器(6)与第一双向DC/DC变换器(8)连接；所述蓄电池(7)与第二双向DC/DC变换器(9)连接；所述DC/DC变换器(5)、第一双向DC/DC变换器(8)、第二双向DC/DC变换器(9)和供配电检测模块(3)均与直流母线(11)连接；所述双向逆变器(13)的直流端与直流母线(11)连接，所述双向逆变器(13)的交流端与交流母线(12)连接；所述柴油发电机(10)与交流母线(12)连接；所述DC/DC变换器(5)的控制部、第一双向DC/DC变换器(8)的控制部、第二双向DC/DC变换器(9)的控制部、双向逆变器(13)的控制部和柴油发电机(10)的控制部均与协调控制模块(1)连接；
所述驾驶室控制模块(2)能将船舶的工作状态信号传输给协调控制模块(1)；所述船舶的工作状态包括：加速行进、匀速行进和减速行进。
所述供配电检测模块(3)能检测直流母线(11)上电能的功率变化量dP，并能将所述功率变化量dP的信号传输给协调控制模块(1)；
所述光伏发电单元(4)能将光能转化为电能输出；
所述DC/DC变换器(5)能将光伏发电单元(4)输出的电能传输到直流母线(11)上；
所述第一双向DC/DC变换器(8)用于实现超级电容器(6)与直流母线(11)之间的电能双向流动；
所述第二双向DC/DC变换器(9)用于实现蓄电池(7)与直流母线(11)之间的电能双向流动；
所述双向逆变器(13)用于实现直流母线(11)与交流母线(12)之间的电能双向流动；
所述协调控制模块(1)能获取超级电容器(6)的剩余荷电量SOC1及蓄电池(7)的剩余荷电量SOC2；所述协调控制模块(1)能对输入信号进行处理并输出相应的控制信号；所述协调控制模块(1)的输入信号包括：所述船舶的工作状态信号、直流母线(11)上电能的功率变化量dP信号、超级电容器(6)的剩余荷电量SOC1信号及蓄电池(7)的剩余荷电量SOC2信号；所述协调控制模块(1)输出的控制信号包括：DC/DC变换器(5)的控制信号；第一双向DC/DC变换器(8)的控制信号；第二双向DC/DC变换器(9)的控制信号；柴油发电机(10)的控制信号。
2.一种混合动力船舶的能量控制系统的控制方法，其特征在于：所涉及的硬件包括协调控制模块(1)、驾驶室控制模块(2)、供配电检测模块(3)、光伏发电模块、柴油发电机(10)、混合储能模块、直流母线(11)、交流母线(12)和双向逆变器(13)；所述协调控制模块包括高通滤波器和低通滤波器；所述光伏发电模块包括光伏发电单元(4)和DC/DC变换器(5)；所述混合储能模块包括超级电容器(6)、蓄电池(7)、第一双向DC/DC变换器(8)和第二双向DC/DC变换器(9)；
所述驾驶室控制模块(2)、供配电检测模块(3)、超级电容器(6)和蓄电池(7)均与协调控制模块(1)连接；所述光伏发电单元(4)与DC/DC变换器(5)连接；所述超级电容器(6)与第一双向DC/DC变换器(8)连接；所述蓄电池(7)与第二双向DC/DC变换器(9)连接；所述DC/DC变换器(5)、第一双向DC/DC变换器(8)、第二双向DC/DC变换器(9)和供配电检测模块(3)均与直流母线(11)连接；所述双向逆变器(13)的直流端与直流母线(11)连接，所述双向逆变器(13)的交流端与交流母线(12)连接；所述柴油发电机(10)与交流母线(12)连接；所述DC/DC变换器(5)的控制部、第一双向DC/DC变换器(8)的控制部、第二双向DC/DC变换器(9)的控制部、双向逆变器(13)的控制部和柴油发电机(10)的控制部均与协调控制模块(1)连接；
所述驾驶室控制模块(2)能将船舶的工作状态信号传输给协调控制模块(1)；所述船舶的工作状态包括：加速行进、匀速行进和减速行进。
所述供配电检测模块(3)能检测直流母线(11)上电能的功率变化量dP，并能将所述功率变化量dP的信号传输给协调控制模块(1)；
所述光伏发电单元(4)能将光能转化为电能输出；
所述DC/DC变换器(5)能将光伏发电单元(4)输出的电能传输到直流母线(11)上；
所述第一双向DC/DC变换器(8)用于实现超级电容器(6)与直流母线(11)之间的电能双向流动；
所述第二双向DC/DC变换器(9)用于实现蓄电池(7)与直流母线(11)之间的电能双向流动；
所述双向逆变器(13)用于实现直流母线(11)与交流母线(12)之间的电能双向流动；
所述协调控制模块(1)能获取超级电容器(6)的剩余荷电量SOC1及蓄电池(7)的剩余荷电量SOC2；所述协调控制模块(1)能对输入信号进行处理并输出相应的控制信号；所述协调控制模块(1)的输入信号包括：船舶的工作状态信号、直流母线(11)上电能的功率变化量dP信号、超级电容器(6)的剩余荷电量SOC1信号及蓄电池(7)的剩余荷电量SOC2信号；所述协调控制模块(1)输出的控制信号包括：DC/DC变换器(5)的控制信号；第一双向DC/DC变换器(8)的控制信号；第二双向DC/DC变换器(9)的控制信号；柴油发电机(10)的控制信号。
所述控制方法包括：
当船舶启动运行后：
一)所述驾驶室控制模块(2)将当前船舶的工作状态信号传输给协调控制模块(1)；
二)所述协调控制模块(1)对收到的所述工作状态信号进行判断：当所述工作状态为减速行进时，进入步骤三)；当所述工作状态为加速行进或匀速行进时，进入步骤四)；
三)所述协调控制模块(1)控制光伏发电模块、混合储能模块和柴油发电机的功率输出均为零；然后返回步骤一)；
四)所述供配电检测模块(3)将当前直流母线(11)上电能的功率变化量dP信号传输给协调控制模块(1)；同时，所述协调控制模块(1)获取超级电容器(6)当前的剩余荷电量SOC1及蓄电池(7)当前的剩余荷电量SOC2；
五)所述协调控制模块(1)根据公式一对收到的所述SOC1和所述SOC2进行处理，得到混合储能模块当前的剩余荷电量SOC；
六)所述协调控制模块(1)按方法二对所述SOC和收到的所述dP进行处理，分别得到当前的光伏发电输出功率PPV、柴油发电输出功率PDG、超级电容器功率PSC和蓄电池功率Pbat；
七)所述协调控制模块(1)根据所述PPV向DC/DC变换器(5)发出控制指令，控制光伏发电单元(4)的电能输出；同时，所述协调控制模块(1)根据所述PDG向柴油发电机(10)的控制部发出控制指令，控制柴油发电机(10)的电能输出；同时，所述协调控制模块(1)根据PSC向第一双向DC/DC变换器(8)发出控制指令，控制超级电容器(6)与直流母线(11)之间的电能流动；同时，所述协调控制模块(1)根据Pbat向第二双向DC/DC变换器(9)发出控制指令，控制蓄电池(7)与直流母线(11)之间的电能流动；
当柴油发电输出功率PDG的模糊取值为零时，所述协调控制模块(1)根据清晰化处理后得到的PDG值向双向逆变器发出控制指令，控制双向逆变器工作于将直流逆变成交流的状态；当柴油发电输出功率PDG的模糊取值为高或适中时，所述协调控制模块(1)根据清晰化处理后得到的PDG值向双向逆变器发出控制指令，控制双向逆变器工作于将交流整流成直流的状态；
然后，返回步骤一)；
所述公式一为：
SOC＝k1×SOC1+k2×SOC2
其中，k1和k2分别为所述SOC1和所述SOC2的权重系数，k1为设定值，k2＝1-k1；当船舶的工作状态为加速行进时，所述k1的取值范围为：0.7-0.9；当船舶的工作状态为匀速行进时，所述k1的取值范围为：0.1-0.3；
所述方法二包括：
1)所述协调控制模块(1)根据模糊推理表一采用模糊推理及清晰化处理获取所述PPV；同时，协调控制模块(1)根据模糊推理表二采用模糊推理及清晰化处理获取所述PDG；同时，协调控制模块(1)根据模糊推理表三采用模糊推理及清晰化处理获取混合储能模块调整功率PHESS；
2)所述协调控制模块(1)根据船舶当前的工作状态信号对所述PHESS进行处理得到所述PSC和Pbat：当船舶工作状态为加速行进时，所述高通滤波器根据公式二和公式三对所述PHESS进行处理分别获取所述PSC和Pbat；当船舶工作状态为匀速行进时，所述低通滤波器根据公式四和公式五对所述PHESS进行处理分别获取所述Pbat和PSC；
所述公式二为：
其中，ω为所述PHESS的频率；ω1为高通滤波器的截止频率，所述ω1为设定值；
所述公式三为：
Pbat＝PHESS-PSC
所述公式四为：
其中，ω2为低通滤波器的截止频率，所述ω2为设定值；
所述公式五为：
PSC＝PHESS-Pbat
所述模糊推理表一为：
SOC的模糊论域为{L，M，H}，其中：L表示低，M表示适中，H表示高；
dP的模糊论域为{NB，NS，ZO，PS，PB}，其中：NB表示负大，NS表示负小，ZO表示零，PS表示正小，PB表示正大；
PPV的模糊论域为{HPV，MPV，ZOPV}，其中：HPV表示高，MPV表示适中，ZOPV表示零；
所述模糊推理表二为：
SOC的模糊论域为{L，M，H}，其中：L表示低，M表示适中，H表示高；
dP的模糊论域为{NB，NS，ZO，PS，PB}，其中：NB表示负大，NS表示负小，ZO表示零，PS表示正小，PB表示正大；
PDG的模糊论域为{HDG，MDG，ZODG}，其中：HDG表示高，MDG表示适中，ZODG表示零；
所述模糊推理表三为：
SOC的模糊论域为{L，M，H}，其中，L表示低，M表示适中，H表示高；
dP的模糊论域为{NB，NS，ZO，PS，PB}，其中，NB表示负大，NS表示负小，ZO表示零，PS表示正小，PB表示正大；
PHESS的模糊论域为{NHC，NMC，ZOC，PMC，PHC}，其中，NHC表示负高，NMC表示负中，ZOC表示零，PMC表示正中，PHC表示正高。
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