CN113113916B - 一种舰船综合电力系统中多目标能量调控方法 - Google Patents

Abstract

一种舰船综合电力系统多目标能量调控方法，包括以下步骤：通过求解舰船综合电力系统的预设优化模型，确定系统能量分配方案，其中，所述预设优化模型的目标函数为最大化脉冲负载总效能、舰船最大续航时长与航行速度的加权和；根据系统能量分配方案，调控发电功率分配至加速、克服阻力以及脉冲负载工作部分的功率值，对各脉冲负载并联的设备级储能装置的充放电过程进行控制，实现兼顾多个运行目标的能量调控。本发明中对各脉冲负载并联的设备级储能装置的充放电过程进行控制，实现兼顾多个运行目标的能量调控，达到整体性能最优的系统能量调控，有效提升舰船生存性能。

Description

一种舰船综合电力系统中多目标能量调控方法

技术领域

本发明属于能源技术领域，具体涉及一种舰船综合电力系统中多目标能量调控方法。

背景技术

近年来，随着工程应用中对舰船性能的要求不断提高，舰船综合电力系统(SIPS)的发展已成为必然趋势。SIPS通过将舰船推进动力和电力系统合二为一，实现了系统能量的统一管理和动态分配。脉冲负载作为舰船配备的重要负荷，通常在短时间内消耗大量能量，在没有合理调控方案的情况下，可能给系统带来负面影响，需要通过储能设备的辅助以及采用合理的调控方法来保障系统的安全稳定运行，同时优化其总效能。

对于舰船综合电力系统能量调控问题，已有学者提出了考虑多脉冲负载的优化控制策略。在优化模型中考虑了系统运行所需要满足的最大充放电功率以及暂态稳定性约束条件，通过合理编排设备级储能接入系统的时刻及其充电过程，即梯形充电曲线各阶段时长，实现脉冲负载效能最大化。

而在工程实际应用中，SIPS通常需要满足多个运行目标，其中主要关注脉冲负载压制能力以及巡航过程中机动性的优化。当舰船运行在应急模式或压制模式下，脉冲负载的部署对于执行特殊任务并保障舰船安全运行至关重要，但并非唯一需要优化的性能。在面对突发情况时，例如紧急转移、遭遇恶劣天气等，舰船采用应急模式，优化目标应优先考虑机动性，并兼顾脉冲负载的压制能力。舰船在追赶进攻、撤离防御等场景中则通常处于压制模式，此时压制能力为主要的优化目标，同时也需要考虑机动性。另外，考虑到SIPS通常处于孤立运行状态，受到有限能量供给的约束，续航时长也应纳入优化目标以提升舰船的生存性能。

已有文献针对舰船多脉冲负载的协调控制进行了研究，但优化目标仅考虑最大化脉冲负载总效能，没有兼顾其他性能，未涉及多个目标间的协调，难以在工程实际应用中实现舰船整体运行性能的优化。

发明内容

本发明的目的是提供了一种舰船综合电力系统中多目标能量调控方法。

一种舰船综合电力系统多目标能量调控方法，包括以下步骤：

S1，通过求解舰船综合电力系统的预设优化模型，确定系统能量分配方案，其中，所述预设优化模型的目标函数为最大化脉冲负载总效能、舰船最大续航时长与航行速度的加权和；

S2，根据系统能量分配方案，调控发电功率分配至加速、克服阻力以及脉冲负载工作部分的功率值，对各脉冲负载并联的设备级储能装置的充放电过程进行控制，实现兼顾多个运行目标的能量调控。

本发明进一步的改进在于，所述舰船综合电力系统包括发电机，普通负载，脉冲负载，与母线相连的系统级储能以及与各脉冲负载并联的设备级储能装置。

本发明进一步的改进在于，步骤S1中，预设优化模型的目标函数如下：

其中，β和ξ分别为机动性指标和舰船续航时长的权重系数，m为系统中可调控脉冲负载数，U_i为第i个脉冲负载每次动作所需能量，n_i为第i个脉冲负载在工作时长内完整工作周期数，v_T为工作时段末瞬时速度，v_a为工作时长内平均速度，T为工作时长。

本发明进一步的改进在于，工作时长内平均速度v_a通过下式计算：

其中，T为工作时长，v(t)为t时刻船速。

本发明进一步的改进在于，预设优化模型的约束包括脉冲负载运行周期约束、系统瞬时功率平衡约束、系统级储能能量上下限约束、性能指标下限约束以及系统能量下限约束。

本发明进一步的改进在于，脉冲负载运行周期约束表达式为：

其中，s_i表示脉冲负载接入系统前等待时长，c_i表示与第i个脉冲负载并联的设备级储能单次充电时长，c_1,i,c_2,i,c_3,i分别对应设备级储能梯形充电曲线功率上升阶段、最大充电功率阶段以及功率下降阶段时长，d_i表示第i个设备级储能单次放电时长，

表示向下取整。

本发明进一步的改进在于，步骤S1中，采用基于关键点的粒子群优化算法求解舰船综合电力系统的预设优化模型。

本发明进一步的改进在于，所述基于关键点的粒子群优化算法具体包括：首先随机初始化一组解，检查是否满足所有约束，若不满足则重新进行初始化，直至满足；在每轮迭代时，仅保留满足约束条件的可行解，利用群体以及每个点已搜索到的最优位置，对点集进行更新；迭代结束后，求得最优解。

本发明进一步的改进在于，根据系统能量分配方案，调控发电功率分配至加速功率、克服阻力功率以及脉冲负载工作部分的功率包括以下步骤：t时刻舰船发电功率p_G(t)由初始时刻p_G(0)＝kv₀ ³，按照上升斜率γ^u增长，至t₁时刻达到最大发电功率p_G,max，随后进入常规运行状态，至t₂时刻常规运行状态结束，发电功率开始按下降斜率γ^d减小，在工作时长结束时刻降至工作时长T时刻舰船发电功率p_G(T)＝kv_T ³；

其中，v_T为工作时段末瞬时速度，k为舰船航行所受阻力功率与速度间关系的比例系数，v₀为初始船速；

设定加速功率p_Na(t)在[0,t₁]内线性增加，在[t₁,t₂]内维持定值p_l，至t₂时刻起以待确认斜率k^d减小，定值p_l和待确认斜率k^d使得加速功率曲线与时间轴所围成的梯形面积等于舰船加速所需总能量值；

基于加速功率曲线求得工作时长内舰船的航行速度，根据舰船克服阻力功率p_Nf(t)与速度的关系式确定加速功率；舰船发电功率减去加速功率及克服阻力功率得到脉冲负载工作部分的功率。

本发明进一步的改进在于，对各脉冲负载并联的设备级储能装置的充放电过程进行控制，实现兼顾多个运行目标的能量调控包括以下步骤：根据已知的各设备级储能在单个运行周期内充电总能量值，以及充电功率最大上升、下降斜率的约束，确定不同设备级储能的梯形充电曲线功率上升阶段、最大充电功率阶段以及功率下降阶段时长。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

本发明提供的一种舰船综合电力系统多目标能量调控方法，采用脉冲负载总效能、最大续航时长、航行平均速度及工作时段末时刻速度的加权和最大化作为目标函数，建立求解舰船综合电力系统的预设优化模型，确定系统能量分配方案，根据系统能量分配方案，调控发电功率分配至加速、克服阻力以及脉冲负载工作部分的功率值，对各脉冲负载并联的设备级储能装置的充放电过程进行控制，实现兼顾多个运行目标的能量调控，达到整体性能最优的系统能量调控，有效提升舰船生存性能。

进一步的，针对舰船实际工作场景要求确定目标函数中各性能指标的权重系数，并通过基于关键点的粒子群优化算法求解得到最优系统能量分配方案以及设备级储能充电策略，从而实现兼顾多个运行目标、达到整体性能最优的系统能量调控。

附图说明

图1为含多脉冲负载的舰船综合电力系统简化拓扑结构。

图2为设备级储能充电功率曲线。

图3为系统能量分配示意图。

图4为最优能量调控策略对应功率曲线。

图5为不考虑能量受限相关约束条件下最优调控策略对应功率曲线。

图6为不同ξ取值对应多目标优化结果。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了满足舰船在工程实际中多个运行目标的协调优化，需要合理的能量调控方法保障系统的安全性并实现整体性能的最优化。通过引入衡量不同运行要求的指标，并以加权和的形式构造目标函数，同时考虑系统运行约束条件，能够优化舰船综合电力系统的能量分配策略，通过所提出的生存性能改进方法则可以进一步提升舰船在极端工作环境中的性能。

本发明的所述舰船综合电力系统包括发电机，普通负载，脉冲负载，与母线相连的系统级储能以及与各脉冲负载并联的设备级储能装置。

本发明的方法包括以下步骤：

S1，通过求解舰船综合电力系统的预设优化模型，确定系统能量分配方案以及设备级储能装置充电各阶段时长，其中，所述预设优化模型的目标函数为最大化脉冲负载总效能、舰船最大续航时长与航行速度等性能指标的加权和；

S2，根据能量分配方案，调控各时刻发电功率分配至加速功率、克服阻力功率以及脉冲负载工作部分的功率，同时对与各脉冲负载并联的设备级储能装置的充放电过程进行控制，以实现兼顾多个运行目标的能量调控。

在进行S1之前，本发明先给出以下定义和假设：

1)根据现有研究，系统拓扑可简化为如图1所示结构，各脉冲负载与设备级储能并联后接入舰船综合电力系统母线，工作过程通常具有周期性；

2)系统向设备级储能充电功率可近似为图2所示梯形曲线，对于特定的脉冲负载，充电梯形面积以及储能向脉冲负载充分放电过程时间均为定值；

3)根据相应文献，可近似认为舰船航行所受阻力功率与行驶速度的三次方成正比；

4)假设在工作时长内，初始船速为已知量，发电功率按一定上升斜率增大至最大值后保持恒定，随后线性减小；

5)舰船发电机在工作时段初始时刻与末时刻输出功率均等于克服阻力所需功率，即舰船运行在匀速行驶状态；

6)近似认为普通负载等于加速功率与克服阻力所需功率之和，舰船上生活用电等其余普通负载消耗的功率与加速功率及克服阻力所需功率相比较小，可忽略不计；

7)假设在脉冲负载单次动作过程中消耗的能量与设备级储能向脉冲负载放电时间成正比，即认为放电功率恒定。

对于舰船的压制能力，采用脉冲负载总效能，即在工作时长内脉冲负载消耗的总能量进行衡量，表达式如下：

其中U_∑表示脉冲负载总效能，U_i表示第i个脉冲负载每次动作所需能量，n_i为第i个脉冲负载在工作时长内完整工作周期数，m为系统中可调控脉冲负载数。

舰船的航行速度满足下式：

其中E_a(t)为t时刻内用于加速部分的能量，p_Na(t)表示t时刻加速功率，v(t)为t时刻船速，m₁为舰船质量，v₀为初始船速。

舰船航行过程中的机动性通过工作时长内平均速度v_a与工作时段末瞬时速度v_T之和进行衡量，平均速度可表示为：

其中，T为工作时长。平均速度可有效衡量该运行阶段加速策略的效果，而末时刻速度则能有效反应舰船在随后运行过程中的性能。

续航能力则采用运行过程中可维持系统剩余能量不低于其下限的工作时长T衡量。由于舰船通常处于独立运行状态，易受外界扰动影响，导致系统可用能量受限，因此，舰船的续航时长能够有效反应有限能量场景下舰船综合电力系统的生存性能。

基于以上分析，通过加权求和的形式，可构造如下优化目标函数：

其中，β和ξ分别为机动性指标和舰船续航时长的权重系数。对于特定取值的权重系数，根据预设模型求解用于加速、克服阻力以及供给脉冲负载的各部分能量最优分配方案以及每个设备级储能的最优充电策略，从而实现整体性能优化。

另外，所述预设优化模型还包括系统正常运行所需满足的脉冲负载运行周期约束、系统瞬时功率平衡约束、系统级储能能量上下限约束、各性能指标下限约束以及系统能量下限约束条件。

脉冲负载运行周期约束能够保证工作时长内脉冲负载工作的完整性，脉冲负载运行周期约束具体表达式如下：

其中，s_i表示脉冲负载接入系统前等待时长，c_i表示与第i个脉冲负载并联的设备级储能单次充电时长，c_1,i,c_2,i,c_3,i分别对应设备级储能梯形充电曲线功率上升阶段、最大充电功率阶段以及功率下降阶段时长，d_i表示第i个设备级储能单次放电时长，

表示向下取整。设备级储能接入前等待时长以及充放电各阶段时长均为决策变量，根据图2所示的第i个设备级储能充电功率曲线，存在如下关系：

其中，E_i表示单个周期内设备级储能充电总能量，P_i为最大充电功率，R_u,i,R_d,i分别为充电功率最大上升、下降斜率。

另外，各脉冲负载动作次数应在系统所允许的上下限范围内，表达式为：

n_i ^l≤n_i≤n_i ^u

其中，n_i ^l为第i个脉冲负载动作次数下限，n_i ^u则为其上限。

系统瞬时功率平衡条件中，一方面基于船速、克服阻力所需功率、加速功率以及加速能量间的关系需对发电机提供的系统总能量进行合理分配，能量分配方案具体如下：

工作时长内系统能量分配方案如图3所示，图中为各部分功率曲线。发电功率由初始时刻p_G(0)＝kv₀ ³按斜率γ^u增长，在t₁时刻达到最大发电功率p_G,max并维持不变，在t₂时刻起按斜率γ^d减小至p_G(T)＝kv_T ³。其中，v_T为优化模型中的决策变量，k,v₀,γ^u,γ^d为已知参数。设定加速功率p_Na(t)在[0,t₁]内线性增加，在t₁时刻达到功率p_l后保持不变，直至t₂起以斜率k^d减小，最后在t₃时刻达到0。其中，p_l,k^d为决策变量，为确保加速过程在工作时长内完成，需要满足如下约束：

另外，舰船加速所需总能量与加速功率曲线所围成的梯形面积等效，即满足如下等式关系：

其中，t₁为进入常规运行状态时刻，t₂为结束常规运行状态时刻，t₃为停止加速时刻，功率曲线各关键时间节点表达式为：

由此，当发电功率曲线确定后，根据下式可求得加速功率最大值p_l为：

在确定加速功率曲线基础上，进一步根据如下关系式可求得克服阻力功率p_Nf(t)：

由此，舰船发电功率减去加速功率及克服阻力功率后剩余部分即为预留给脉冲负载工作的功率p_d(t)：

p_d(t)＝p_G(t)-p_Na(t)-p_Nf(t)

另一方面，进一步考虑多个脉冲负载的充电过程，设备级储能总充电功率较预留值的偏差需小于系统级储能与系统间交换功率的最大值。

瞬时功率平衡表达式为：

其中p_G为发电功率，p_S为系统级储能输出或吸收的功率，当其向系统放电时取值为正，当由系统为其充电时则为负，p_L,i为第i个设备级储能充电功率，p_NL为普通负载所消耗的功率，满足p_NL(t)＝p_Na(t)+p_Nf(t)。由预留给脉冲负载工作的功率值p_d(t)＝p_G(t)-p_NL(t)，上述时变的功率平衡等式可转化为如下不等式：

其中p_s,max为p_S绝对值的最大值。

由于系统级储能的容量限制，为保证系统安全稳定运行，其储存的能量e_S(t)应满足如下约束条件：

e_S,min≤e_S(t)≤e_S,max

其中η_c,η_d分别为充放电效率系数，p_S,c,p_S,d分别为系统级储能充电、放电功率，满足p_S,c(t)＝max{0,-p_S(t)}，p_S,d(t)＝max{0,p_S(t)}，e_S,max,e_S,min则分别储能上下限。

考虑到上述等式约束中含有积分，求解析解比较困难，因此将其转换为离散形式，具体表达式为：

其中t_j,j＝0,1,…,n_t为等差时间序列，满足0＝t₀＜t₁＜…＜t_nt＝T。

为了保证实现舰船综合电力系统整体性能优化，各性能指标值均需要满足特定的约束，具体如下式所示：

v_T,min≤v_T≤v_T,max

U_∑≥U_min

其中v_T,min为末时刻船速下限，v_T,max为末时刻船速上限，取决于最大可分配的加速能量，U_min为脉冲负载总效能值下限。

系统剩余能量下限约束决定了舰船运行过程中的工作时长T。系统剩余能量E_sys(t)具体表达式如下：

E_sys(t)＝E_sys0-E_a(t)-E_f(t)-E_p(t)

其中，E_sys0为初始系统能量，E_f(t),E_p(t)分别表示t时间内克服阻力、供给脉冲负载所消耗的能量，n_x,i(t)表示第i个脉冲负载在t时间内完整动作次数，m_x,i(t)表示第i个脉冲负载在t时刻前最后一个不完整工作周期内消耗的能量占单次完整动作所需能量的比例，第i个脉冲负载在t时间内完整动作次数与第i个脉冲负载在t时刻前最后一个不完整工作周期内消耗的能量占单次完整动作所需能量的比例两者表达式为：

为确保系统的安全稳定运行，系统剩余能量不得低于下限值E_min：

E_sys(t)≥E_min

下限值E_min可根据具体工作场景进行设定。

对于上述多目标能量优化调控模型，根据舰船具体工作场景的要求，确定目标函数中各指标相应权重系数取值。进一步的，采用基于关键点的粒子群优化算法求解预设优化模型，得到工作时长内各部分功率曲线和每个脉冲负载对应的设备级储能充电策略。

其中，所述基于关键点的粒子群优化算法具体如下：

首先，设定解空间的维数为N，随机初始化一组点的位置z和速度u，z对应为优化模型中的决策变量，即z＝{s_i,c_1,i,c_2,i,c_3,i,n_i,v_T,T,k^d}，u则代表规划的配置变化u＝{Δs_i,Δc_1,i,Δc_2,i,Δc_3,i,Δn_i,Δv_T,ΔT,Δk^d}，检查是否满足所有约束，若不满足则重新进行初始化，直至满足。将第j个点的位置z_j记为该点目前搜索到的最优位置q_j(j＝1,2,…,m)，并选取其中最优点的位置记为群体最优位置g。

设置迭代次数为M，在每轮迭代时，利用群体以及每个点已搜索到的最优位置，根据下式对各点的位置和速度进行带有随机性的更新。

u_j←wu_j+c₁R₁(q_j-z_j)+c₂R₂(g-z_j)

z_j←z_j+u_j

其中，R₁和R₂为[0,1]区间内均匀分布的随机数，u_j是点j的速度，z_j是点j的位置，q_j是点j已搜索到的最优位置，g则是全体点已搜索到的最优位置，w、c₁和c₂为设定的迭代参数。求得位置和速度的更新值后，判断新的点是否满足约束条件且目标函数更优。若均符合则更新q_j，否则不更新q_j。在所有点更新完成后，从q中选择最优点的位置作为新的g。迭代过程结束后，g即为算法求得的最优解。

其中，对于系统瞬时功率平衡约束条件的校验，由于设备级储能充电功率为分段线性函数，故总充电功率与预留值的最大差值必出现在功率不可微分时刻，需考察各设备级储能充电功率以及预留给脉冲负载工作部分功率曲线的不可微分点，故需校验系统瞬时功率平衡约束条件的时刻集合表达式如下：

步骤S2中根据能量分配方案，调控各时刻发电功率分配至加速、克服阻力以及脉冲负载工作部分的功率值，具体过程为：

t时刻舰船发电功率p_G(t)由初始时刻p_G(0)＝kv₀ ³，按照上升斜率γ^u增长，至t₁时刻达到最大发电功率p_G,max，随后进入常规运行状态，即在[t₁,t₂]内发电功率维持不变，至t₂时刻常规运行状态结束，发电功率开始按下降斜率γ^d减小，在工作时长结束时刻降至T时刻舰船发电功率p_G(T)＝kv_T ³；

其中，v_T为工作时段末瞬时速度，k为舰船航行所受阻力功率与速度间关系的比例系数，v₀为初始船速，k,v₀,γ^u,γ^d为已知参数；

设定加速功率p_Na(t)在[0,t₁]内线性增加，在[t₁,t₂]即常规运行阶段内维持定值p_l，至t₂时刻起以待确定斜率k^d减小，p_l,k^d均为决策变量，应使得加速功率曲线(横轴是t，纵轴是功率)与时间轴所围成的梯形面积等于舰船加速所需总能量值。

然后，基于加速功率曲线可进一步求得工作时长内舰船的航行速度，从而根据舰船克服阻力功率p_Nf(t)与速度的关系式确定该部分功率；由此，舰船发电功率减去加速功率p_Na(t)及克服阻力功率p_Nf(t)后剩余部分为预留给脉冲负载工作部分的功率p_d(t)。

根据已知的各设备级储能在单个运行周期内充电总能量值，以及充电功率最大上升、下降斜率的约束，确定不同设备级储能的梯形充电曲线功率上升阶段、最大充电功率阶段以及功率下降阶段时长。

舰船上所有设备级储能充电功率之和与预留给脉冲负载工作功率间的差值则需要通过系统级储能进行平衡，当设备级储能总充电功率大于p_d(t)时，系统级储能向系统输出功率，反之则由系统吸收功率；因此，对设备级储能充放电过程的调控还应使得其总充电功率与p_d(t)的差值在系统级储能的最大调控功率范围内，从而保证系统的安全稳定运行。

下面通过一个实例对本发明实施例进行进一步说明，以下仅为本发明实施例的一个实例，本发明实施例并不以此为限。

对于带有8个脉冲负载的典型舰船综合电力系统，各脉冲负载参数设置如表1所示，其余系统参数如表2所示，舰船质量m₁为500,000吨，多目标优化及能量受限约束相关参数取值如表3所示，续航时长T作为决策变量进行求解。粒子群优化算法粒子数设为1000，迭代次数设为3000，积分步长为0.1。

表1脉冲负载参数

表2其余系统参数

表3多目标优化及能量受限约束相关参数

在给定的能量有限场景下，求解得到的最优能量调控结果如图4所示，相应目标函数取得最大值，为4454.32，续航时长为1822.1s。

在此基础上，不考虑模型中能量受限相关约束条件再次求解，对结果进行对比，研究时长作为给定参数设为T＝1822.1s。根据求解得到的最优调控策略，确定系统剩余能量达到下限的时刻。如图5所示，最优解在能量有限情况下最大续航时长为1747.6s。此外，该时段内脉冲负载总效能为1339，末时刻船速等于8.359m/s，目标函数值等于4390.85，低于前述结果。由结果可知，包含所述多目标能量优化调控模型能够实现舰船综合电力系统整体性能优化，有效提升生存性能。

进一步，研究权重系数ξ取值对舰船综合电力系统性能的影响。保持β值不变，设置ξ为不同值。在不同ξ取值条件下，分别进行10次求解，对结果取平均值作为最优解，如表4所示，相应的性能指标变化曲线如图6所示。

由结果可见，随着ξ取值增大，最优调控策略下的续航时长增大，而舰船压制能力与机动性的整体性能有一定程度的下降，反应了在能量有限情况下最优调控策略对各项性能的整体兼顾。当ξ>2时，由于系统能量以及系统级储能调节能力的限制，ξ增大对于最优解下续航时长增加的影响将大幅减小。表中结果可为舰船在不同工作场景中各项性能权重系数取值提供参考。

表4不同ξ取值条件下多目标能量优化调控最优解

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种舰船综合电力系统多目标能量调控方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，通过求解舰船综合电力系统的预设优化模型，确定系统能量分配方案，其中，所述预设优化模型的目标函数为最大化脉冲负载总效能、舰船最大续航时长与航行速度的加权和；

S2，根据系统能量分配方案，调控发电功率分配至加速、克服阻力以及脉冲负载工作部分的功率值，对各脉冲负载并联的设备级储能装置的充放电过程进行控制，实现兼顾多个运行目标的能量调控。

2.根据权利要求1所述的一种舰船综合电力系统多目标能量调控方法，其特征在于，所述舰船综合电力系统包括发电机，普通负载，脉冲负载，与母线相连的系统级储能以及与各脉冲负载并联的设备级储能装置。

3.根据权利要求1所述的一种舰船综合电力系统多目标能量调控方法，其特征在于，步骤S1中，预设优化模型的目标函数如下：

其中，β和ξ分别为机动性指标和舰船续航时长的权重系数，m为系统中可调控脉冲负载数，U_i为第i个脉冲负载每次动作所需能量，n_i为第i个脉冲负载在工作时长内完整工作周期数，v_T为工作时段末瞬时速度，v_a为工作时长内平均速度，T为工作时长。

4.根据权利要求3所述的一种舰船综合电力系统多目标能量调控方法，其特征在于，工作时长内平均速度v_a通过下式计算：

其中，T为工作时长，v(t)为t时刻船速。

5.根据权利要求2所述的一种舰船综合电力系统多目标能量调控方法，其特征在于，预设优化模型的约束包括脉冲负载运行周期约束、系统瞬时功率平衡约束、系统级储能能量上下限约束、性能指标下限约束以及系统能量下限约束。

6.根据权利要求5所述的一种舰船综合电力系统多目标能量调控方法，其特征在于，脉冲负载运行周期约束表达式为：

其中，s_i表示脉冲负载接入系统前等待时长，c_i表示与第i个脉冲负载并联的设备级储能单次充电时长，c_1,i,c_2,i,c_3,i分别对应设备级储能梯形充电曲线功率上升阶段、最大充电功率阶段以及功率下降阶段时长，d_i表示第i个设备级储能单次放电时长，

表示向下取整。

7.根据权利要求1所述的一种舰船综合电力系统多目标能量调控方法，其特征在于，步骤S1中，采用基于关键点的粒子群优化算法求解舰船综合电力系统的预设优化模型。

8.根据权利要求7所述的一种舰船综合电力系统多目标能量调控方法，其特征在于，所述基于关键点的粒子群优化算法具体包括：首先随机初始化一组解，检查是否满足所有约束，若不满足则重新进行初始化，直至满足；在每轮迭代时，仅保留满足约束条件的可行解，利用群体以及每个点已搜索到的最优位置，对点集进行更新；迭代结束后，求得最优解。

9.根据权利要求1所述的一种舰船综合电力系统多目标能量调控方法，其特征在于，根据系统能量分配方案，调控发电功率分配至加速功率、克服阻力功率以及脉冲负载工作部分的功率包括以下步骤：t时刻舰船发电功率p_G(t)由初始时刻p_G(0)＝kv₀ ³，按照上升斜率γ^u增长，至t₁时刻达到最大发电功率p_G,max，随后进入常规运行状态，至t₂时刻常规运行状态结束，发电功率开始按下降斜率γ^d减小，在工作时长结束时刻降至工作时长T时刻舰船发电功率p_G(T)＝kv_T ³；

其中，v_T为工作时段末瞬时速度，k为舰船航行所受阻力功率与速度间关系的比例系数，v₀为初始船速；

设定加速功率p_Na(t)在[0,t₁]内线性增加，在[t₁,t₂]内维持定值p_l，至t₂时刻起以待确认斜率k^d减小，定值p_l和待确认斜率k^d使得加速功率曲线与时间轴所围成的梯形面积等于舰船加速所需总能量值；

基于加速功率曲线求得工作时长内舰船的航行速度，根据舰船克服阻力功率p_Nf(t)与速度的关系式确定加速功率；舰船发电功率减去加速功率及克服阻力功率得到脉冲负载工作部分的功率。

10.根据权利要求1或9所述的一种舰船综合电力系统多目标能量调控方法，其特征在于，对各脉冲负载并联的设备级储能装置的充放电过程进行控制，实现兼顾多个运行目标的能量调控包括以下步骤：根据已知的各设备级储能在单个运行周期内充电总能量值，以及充电功率最大上升、下降斜率的约束，确定不同设备级储能的梯形充电曲线功率上升阶段、最大充电功率阶段以及功率下降阶段时长。

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