CN111392017A - 柴电混合动力船舶多能源能量管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种柴电混合动力船舶多能源能量管理系统，数据处理单元根据数据采集单元采集的参数以及历史数据，采用模型预测控制算法计算一定时间后的负载需求功率；以此负载功率需求为输入、系统燃油消耗最低为目标函数，系统安全运行为约束条件，采用动态规划算法求取发电侧优化组合，以所述的一定时间为周期，对柴油发电机组和超级电容储能单元的启停和输出功率进行调控。本发明利用超级电容削峰填谷的工作特性，通过能量管理系统及其控制策略协调柴油发电机组和超级电容储能单元输入输出功率，以降低柴油机排放和提高燃油效率，达到节约能源的目的。

Description

柴电混合动力船舶多能源能量管理系统

技术领域

本发明属于船舶领域，具体涉及一种柴电混合动力船舶多能源能量管理系统。

背景技术

随着全球贸易和航运业的发展，全球航运燃料消耗量逐年增加，由于燃料消耗与污染物及温室气体排放成正相关，若不采取措施，预计到2050年航运业二氧化碳排放量将占全球人为二氧化碳排放量的8％左右。此外，航运业已占全球氮氧化物排放量的15％，如果不加以控制，预计也将增加。与此同时，巴黎公约也要求大幅减少温室气体排放并实现降低2℃的全球变暖目标。

为了确保经济和环境效益，国际海事组织(IMO)已经制定了相应的国际法规，如出台国际防止船舶污染公约(MARPOL)，船舶能效管理计划(SEEMP)和能源效率设计指数(EEDI)等。这些法规的出台旨在对船舶排放施加越来越严格限制的同时，也反应了其希望未来航运业能大幅降低化石燃料的消耗与污染物的排放。

目前的船舶节能减排措施分为技术措施和营运措施等。其中，技术措施包括改变船舶设计、从废气再循环(EGR)和选择性催化还原后处理(SCR)等技术角度去减少船舶柴油机因推进和发电造成的NOx排放、寻找替代燃料等。营运措施包括规划航线、加强管理和对船体进行维护保养等。

然而，以上措施依旧无法改变柴油机在民用船舶动力装置中占绝对统治地位的事实，它所占比例超过了95％，也无法彻底改变船舶能效低的问题，无法实现较为理想的节能减排。并且由于船舶负载侧需求波动较大，具有随机性特点，对动力系统的功率平衡带来影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种柴电混合动力船舶多能源能量管理系统，能够降低柴油机排放和提高燃油效率，从而达到节能的目的。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种柴电混合动力船舶多能源能量管理系统，其特征在于：它包括：

数据采集单元，用于采集电网参数、推进系统参数、燃油消耗参数和通航环境参数；

数据通讯单元，用于将数据采集单元采集的参数进行上传至数据处理单元；

数据处理单元，用于根据数据采集单元采集的参数以及历史数据，采用模型预测控制算法计算一定时间后的负载需求功率；以此负载功率需求为输入、系统燃油消耗最低为目标函数，系统安全运行为约束条件，采用动态规划算法求取发电侧优化组合，以所述的一定时间为周期，对柴油发电机组和超级电容储能单元的启停和输出功率进行调控；

数据存储单元，用于存储数据采集单元采集的参数以及历史数据，供数据处理单元调用。

按上述方案，所述的数据采集单元包括电流传感器、电压传感器、动态扭力测试仪、油耗仪、温度传感器、风速风向仪、计程仪、测深仪和定位单元；其中，

电流传感器和电压传感器用于采集动力系统的电流和电压信号；动态扭力测试仪用于采集柴油发电机和电动机的转速及扭矩；油耗仪用于采集柴油发电机的燃油消耗，这些数据用于后续控制系统的计算。

温度传感器用于采集柴油发电机的温度信号；风速风向仪用于采集船舶所处环境的风速和风向；计程仪用于采集船舶行驶路程；测深仪用于采集船舶所处水域水位深度；定位单元用于采集船舶当前位置信息，这些数据用于显示和报警。

按上述方案，所述的数据通讯单元包括串口服务器、以太网交换机和协议转换器；其中数据采集单元分别通过串行通讯接口与串口服务器连接，串口服务器通过以太网与以太网交换机连接，所述的数据处理单元和数据存储单元分别与以太网交换机连接；协议转换器用于中继和协议转换。

按上述方案，系统燃油消耗最低的目标函数为：

(k＝0,1,2...)

式中，k为时刻，N为优化时域内总的时段数；F_k为系统在第k时刻的总燃油消耗；T_m(k)为第k时刻励磁电机的转矩；ω_m(k)为第k时刻励磁电机的转速；函数G为惩罚函数；SOC(k)为第k时刻超级电容荷电状态，该数据由采集的电压电流数据计算得出。

按上述方案，系统安全运行的约束条件包括：

1)柴油发电机安全约束：

T_e,min≤T_e≤T_e,max

T_m,min≤T_m≤T_m,max

ω_e,min≤ω_e≤ω_e,max

ω_m,min≤ω_m≤ω_m,max

K_{de_min}P_{de_rate}≤P_de(t)≤P_{de_rate}

其中，^T _e为柴油发电机转矩，T_e,min和T_e,max分别为设定的柴油发电机转矩的最小值和最大值；T_m为励磁电机转矩，T_m,min和T_m,max分别为设定的励磁电机转矩的最小值和最大值；ω_e为柴油发电机转速，ω_e,min和ω_e,max分别为设定的柴油发电机转速的最小值和最大值；ω_m为励磁电机转速，ω_m,min和ω_m,max分别为设定的励磁电机转速的最小值和最大值；Pde_rate为柴油发电机额定功率；Kde_min为柴油发电机最小功率运行时的比例系数；P_de(t)为柴油发电机的实时输出功率；

2)超级电容储能单元充放电SOC约束：

由于超级电容储能单元在充放电过程中与前一时刻的状态数据有关，当前状态也会影响到下一时间段系统的运行，为了保证超级电容储能单元的稳定运行，针对超级电容储能单元的工作特点对其充放电功率和SOC上下限进行约束，具体如下：

SOC_capmin≤SOC_cap≤SOC_capmax

SOC_{cap_initial}≤SOC_{cap_end}

其中，SOCcapmin、SOCcapmax分别表示预设的超级电容SOC的下限值和上限值；SOC_{cap_initial}和SOC_{cap_end}分别为超级电容荷电荷量的初始值和终止值；

3)系统功率平衡约束：

p_de(t)+p_cap(t)＝p_load(t)

式中，p_de(t)为t时刻柴油发电机组的输出功率；p_cap(t)为t时刻超级电容的输出功率，其中正值为输出，负值为输入；p_load(t)为t时刻负载需求功率。

按上述方案，所述的SOCcap min、SOCcap max分别取0.2和0.9。

按上述方案，所述的数据存储单元采用循环归档方式，并根据存储空间和时间间隔指定信息归档数量。

按上述方案，所述的数据处理单元和数据存储单元由工控机组成。

按上述方案，所述的工控机还连有输入设备和显示器。

按上述方案，所述的动态规划算法具体包括以下步骤：

1)获取当前第k时刻的系统参数、需求转矩、转速及超级电容储能单元SOC，其值通过采集来的电压电流数据计算得出；

2)在当前k时刻，根据k+Δt时刻的负载需求功率，计算超级电容储能单元SOC的改变量ΔSOC；

3)在Δt时刻里以系统燃油消耗最低为目标进行局部的最优计算，通过贝尔曼动态规划化计算，获得k+Δt时域内的最优控制序列{u(k+1),u(k+2),...}；

4)将最优控制转矩序列的第一个值u(k+1)作为下一时刻的控制变量作用于被控励磁电机；

5)返回1)，重复计算过程直到达到设定条件。

本发明的有益效果为：利用超级电容削峰填谷的工作特性，通过能量管理系统及其控制策略协调柴油发电机组和超级电容储能单元输入输出功率，以降低柴油机排放和提高燃油效率，达到节约能源的目的。

附图说明

图1为本发明一实施例的系统框架图。

图2为基于动态规划算法的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

本发明提供一种柴电混合动力船舶多能源能量管理系统，如图1所示，它包括：

数据采集单元，用于采集电网参数、推进系统参数、燃油消耗参数和通航环境参数。所述的数据采集单元包括电流传感器、电压传感器、动态扭力测试仪、油耗仪、温度传感器、风速风向仪、计程仪、测深仪和定位单元(本实施例采用GPS定位单元，也可以采用北斗等)；其中，电流传感器和电压传感器用于采集动力系统的电流和电压信号。具体的，电压信号包括柴油发电机输出电压，AC/DC输出电压，超级电容组输入输出电压，逆变器电压。电流信号包括柴油发电机输出电流，AC/DC输出电流，超级电容组输入输出电流，逆变器电流。动态扭力测试仪用于采集柴油发电机和电动机的转速和转矩。油耗仪用于采集柴油机的油耗数据。这些数据用于后续的计算。温度传感器用于采集柴油发电机组的温度信号，以保证动力系统安全稳定运行。风速风向仪用于采集船舶所处环境的风速和风向；计程仪用于采集船舶行驶路程；测深仪用于采集船舶所处水域水位深度；定位单元用于采集船舶当前位置信息。这些数据起显示作用。

数据通讯单元，用于将数据采集单元采集的参数进行上传至数据处理单元。所述的数据通讯单元包括串口服务器、以太网交换机和协议转换器；其中数据采集单元分别通过串行通讯接口与串口服务器连接，串口服务器通过以太网与以太网交换机连接，所述的数据处理单元和数据存储单元分别与以太网交换机连接；协议转换器用于中继和协议转换。

数据处理单元，用于根据数据采集单元采集的参数以及历史数据，采用模型预测控制算法计算一定时间(5分钟或10分钟)后的负载需求功率；以此负载功率需求为输入、系统燃油消耗最低为目标函数，系统安全运行为约束条件，采用动态规划算法求取发电侧优化组合，以所述的一定时间(5分钟或10分钟)为周期，对柴油发电机组和超级电容储能单元的启停和输出功率进行调控，以应对系统运行过程中负载需求的波动。

数据存储单元，用于存储数据采集单元采集的参数以及历史数据，供数据处理单元调用。数据存储模块根据实际使用需要将网络上各类型数据存储在数据库中，数据库的类型可选用SQL，在实际使用中，若需要调用或查询相关数据可通过数据处理模块间接完成。数据的记录以数据库方式存储在平台服务器的硬盘上。信息管理采取循环归档方式并指定信息归档数量(根据存储空间和时间间隔)，旧信息将被新信息自动替代。

本实施例中，数据处理单元和数据存储单元由工控机组成。工控机还连有输入设备和显示器。数据通讯单元按照通讯类型的区分可分为两类：下位串行通讯及上位以太网通讯。上位机(即工控机)通过RS485通讯方式连接到以太网交换机，以太网交换机通过光纤通讯连接各串口服务器，串口服务器通过RS485通讯方式连接各传感器。人机界面显示单元通过显示器对下位机采集的数据进行读取显示，对部分综合性的参数通过数学模型处理后进行显示。

在表现形式上人机界面编写主要通过管控一体化软件编写完成。其中下位采集的数据，组态软件可自行从网络读取，如:电网参数、主机参数等；部分综合性的参数则需要通过数学模型计算后进行相应显示，如:自动模式下的相关操作。

人机界面在整体效果上力求贴近实际，界面按照总界面→分系统分层设计。界面按照整体构成可分为:界面一:基本信息录入；界面二:操作建议及基本信息(主界面)；界面三:船舶油耗信息；界面四:船舶电耗信息；界面五：通航环境信息；界面六：软件管理界面。以上各界面的布局均按照图型和控件搭配的形式完成。

本发明在应用时，设计一种柴电混合动力船舶能量控制策略，能量管理系统根据直流组网中的功率需求确定各发电单元的输出，根据超级电容储能单元的荷电状态控制超级电容的充放电。在能量的调度计算时，以系统燃油消耗最小为目标函数进行计算，使柴油机组工作在高效区范围内，降低燃油消耗；使超级电容储能单元工作在设定的荷电状态以内，保证整个系统的安全稳定运行。

系统燃油消耗最低的目标函数为：

式中，k为时刻，N为优化时域内总的时段数；F_k为系统在k时刻的总的燃油消耗；T_m(k)为k时刻励磁电机的转矩；ω_m(k)为k时刻励磁电机的转速；函数G为惩罚函数；SOC(k)为k时刻超级电容荷电状态，该数据由采集的电压电流数据计算得出。

柴电混合动力在运行时需要满足一定的安全约束条件才能保证系统的安全稳定运行。本发明系统安全运行的约束条件包括：

1)柴油发电机安全约束：

T_e,min≤T_e≤T_e,max

T_m,min≤T_m≤T_m,max

ω_e,min≤ω_e≤ω_e,max

ω_m,min≤ω_m≤ω_m,max

K_{de_min}P_{de_rate}≤P_de(t)≤P_{de_rate}

其中，T_e为柴油发电机转矩，T_e,min和T_e,max分别为设定的柴油发电机转矩的最小值和最大值；T_m为励磁电机转矩，T_m,min和T_m,max分别为设定的励磁电机转矩的最小值和最大值；ω_e为柴油发电机转速，ω_e,min和ω_e,max分别为设定的柴油发电机转速的最小值和最大值；ω_m为励磁电机转速，ω_m,min和ω_m,max分别为设定的励磁电机转速的最小值和最大值；Pde_rate为柴油发电机额定功率；Kde_min为柴油发电机最小功率运行时的比例系数；P_de(t)为柴油发电机的实时输出功率。

2)超级电容储能单元充放电SOC约束：

由于超级电容储能单元在充放电过程中与前一时刻的状态数据有关，当前状态也会影响到下一时间段系统的运行，为了保证超级电容储能单元的稳定运行，针对超级电容储能单元的工作特点对其充放电功率和SOC上下限进行约束，具体如下：

SOC_capmin≤SOC_cap≤SOC_capmax

SOC_{cap_initial}≤SOC_{cap_end}

其中，SOCcap min、SOCcap max分别表示预设的超级电容SOC的下限值和上限值，可分别取0.2和0.9；SOC_{cap_initial}和SOC_{cap_end}分别为超级电容荷电荷量的初始值和终止值；

3)系统功率平衡约束：

p_de(t)+p_cap(t)＝p_load(t)

式中，p_de(t)为t时刻柴油发电机组的输出功率；p_cap(t)为t时刻超级电容的输出功率，其中正值为输出，负值为输入；p_load(t)为t时刻负载需求功率。

本发明采用动态规划算法求取多能源混合动力系统的优化组合，如图2所示，所述的动态规划算法具体包括以下步骤：

1)获取当前第k时刻的系统参数、需求转矩、转速及超级电容储能单元SOC，其值通过采集来的电压电流数据计算得出；

2)在当前k时刻，根据k+Δt时刻的负载需求功率，计算超级电容储能单元SOC的改变量ΔSOC；

3)在Δt时刻里以系统燃油消耗最低为目标进行局部的最优计算，通过贝尔曼动态规划化计算，获得k+Δt时域内的最优控制序列{u(k+1),u(k+2),...}；

4)将最优控制转矩序列的第一个值u(k+1)作为下一时刻的控制变量作用于被控励磁电机；

5)返回1)，重复计算过程直到达到设定条件。

本发明柴电混合动力船舶能量管理系统遵循的是系统供需平衡原则，在满足各元器件安全工作的前提条件下，最大程度的实现系统燃油消耗最低。

本发明船舶多能源能量管理系统针对船舶运行工况复杂和负载波动较大，本发明提供了一种船舶柴电混合动力系统结构及其多能源能量管理系统，利用超级电容削峰填谷特性以及预测负载需求的方式进行多能源管理，可有效提高船舶燃油效率达到节能减排目的，并保证直流电网供电的稳定性。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种柴电混合动力船舶多能源能量管理系统，其特征在于：它包括：

数据采集单元，用于采集电网参数、推进系统参数、燃油消耗参数和通航环境参数；

数据通讯单元，用于将数据采集单元采集的参数上传至数据处理单元；

数据处理单元，用于根据数据采集单元采集的参数以及历史数据，采用模型预测控制算法计算一定时间后的负载需求功率；以此负载功率需求为输入、系统燃油消耗最低为目标函数，系统安全运行为约束条件，采用动态规划算法求取发电侧优化组合，以所述的一定时间为周期，对柴油发电机组和超级电容储能单元的启停和输出功率进行调控；

数据存储单元，用于存储数据采集单元采集的参数以及历史数据，供数据处理单元调用。

2.根据权利要求1所述的柴电混合动力船舶多能源能量管理系统，其特征在于：所述的数据采集单元包括电流传感器、电压传感器、动态扭力测试仪、油耗仪、温度传感器、风速风向仪、计程仪、测深仪和定位单元；其中，

电流传感器和电压传感器用于采集动力系统的电流和电压信号；动态扭力测试仪用于采集柴油发电机和电动机的转速及扭矩；油耗仪用于采集柴油发电机的燃油消耗；

温度传感器用于采集柴油发电机的温度信号；风速风向仪用于采集船舶所处环境的风速和风向；计程仪用于采集船舶行驶路程；测深仪用于采集船舶所处水域水位深度；定位单元用于采集船舶当前位置信息。

3.根据权利要求1所述的柴电混合动力船舶多能源能量管理系统，其特征在于：所述的数据通讯单元包括串口服务器、以太网交换机和协议转换器；其中数据采集单元分别通过串行通讯接口与串口服务器连接，串口服务器通过以太网与以太网交换机连接，所述的数据处理单元和数据存储单元分别与以太网交换机连接；协议转换器用于中继和协议转换。

4.根据权利要求1所述的柴电混合动力船舶多能源能量管理系统，其特征在于：系统燃油消耗最低的目标函数为：

式中，k为时刻，N为优化时域内总的时段数；F_k为系统在第k时刻的总燃油消耗；T_m(k)为第k时刻励磁电机的转矩；ω_m(k)为第k时刻励磁电机的转速；函数G为惩罚函数；SOC(k)为第k时刻超级电容荷电状态，该数据由采集的电压电流数据计算得出。

5.根据权利要求1所述的柴电混合动力船舶多能源能量管理系统，其特征在于：系统安全运行的约束条件包括：

1)柴油发电机安全约束：

T_e,min≤T_e≤T_e,max

T_m,min≤T_m≤T_m,max

ω_e,min≤ω_e≤ω_e,max

ω_m,min≤ω_m≤ω_m,max

K_{de_min}P_{de_rate}≤P_de(t)≤P_{de_rate}

其中，T_e为柴油发电机转矩，T_e,min和T_e,max分别为设定的柴油发电机转矩的最小值和最大值；T_m为励磁电机转矩，T_m,min和T_m,max分别为设定的励磁电机转矩的最小值和最大值；ω_e为柴油发电机转速，ω_e,min和ω_e,max分别为设定的柴油发电机转速的最小值和最大值；ω_m为励磁电机转速，ω_m,min和ω_m,max分别为设定的励磁电机转速的最小值和最大值；Pde_rate为柴油发电机额定功率；Kde_min为柴油发电机最小功率运行时的比例系数；P_de(t)为柴油发电机的实时输出功率；

2)超级电容储能单元充放电SOC约束：

由于超级电容储能单元在充放电过程中与前一时刻的状态数据有关，当前状态也会影响到下一时间段系统的运行，为了保证超级电容储能单元的稳定运行，针对超级电容储能单元的工作特点对其充放电功率和SOC上下限进行约束，具体如下：

SOC_capmin≤SOC_cap≤SOC_capmax

SOC_{cap_initial}≤SOC_{cap_end}

其中，SOCcapmin、SOCcapmax分别表示预设的超级电容SOC的下限值和上限值；SOC_{cap_initial}和SOC_{cap_end}分别为超级电容荷电荷量的初始值和终止值；

3)系统功率平衡约束：

p_de(t)+p_cap(t)＝p_load(t)

式中，p_de(t)为t时刻柴油发电机组的输出功率；p_cap(t)为t时刻超级电容的输出功率，其中正值为输出，负值为输入；p_load(t)为t时刻负载需求功率。

6.根据权利要求5所述的柴电混合动力船舶多能源能量管理系统，其特征在于：所述的SOCcapmin、SOCcapmax分别取0.2和0.9。

7.根据权利要求1所述的柴电混合动力船舶多能源能量管理系统，其特征在于：所述的数据存储单元采用循环归档方式，并根据存储空间和时间间隔指定信息归档数量。

8.根据权利要求1所述的柴电混合动力船舶多能源能量管理系统，其特征在于：所述的数据处理单元和数据存储单元由工控机组成。

9.根据权利要求8所述的柴电混合动力船舶多能源能量管理系统，其特征在于：所述的工控机还连有输入设备和显示器。

10.根据权利要求1所述的柴电混合动力船舶多能源能量管理系统，其特征在于：所述的动态规划算法具体包括以下步骤：

1)获取当前第k时刻的系统参数、需求转矩、转速及超级电容储能单元SOC，其值通过采集来的电压电流数据计算得出；

2)在当前第k时刻，根据k+Δt时刻的负载需求功率，计算超级电容储能单元SOC的改变量ΔSOC；

3)在Δt时刻里以系统燃油消耗最低为目标进行局部的最优计算，通过贝尔曼动态规划化计算，获得k+Δt时域内的最优控制序列{u(k+1),u(k+2),...}；

4)将最优控制转矩序列的第一个值u(k+1)作为下一时刻的控制变量作用于被控励磁电机；

5)返回1)，重复计算过程直到达到设定条件。

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