CN113158499A - 一种纯电池动力船舶综合电力系统的能量管理策略及系统 - Google Patents

一种纯电池动力船舶综合电力系统的能量管理策略及系统 Download PDF

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CN113158499A CN202110716477.XA CN202110716477A CN113158499A CN 113158499 A CN113158499 A CN 113158499A CN 202110716477 A CN202110716477 A CN 202110716477A CN 113158499 A CN113158499 A CN 113158499A
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Abstract

本发明公开了一种纯电池动力船舶综合电力系统的能量管理策略及系统，包括步骤：1）采集纯电池动力船将要航行的航线信息、同类型同主尺度船舶的航行信息；2）计算不同静水航速下的推进轴功率值、不同静水航速下的浅水阻力对航速影响值、水流速度及潮水速度的影响值得到实际的航速与电池输出功率的对应关系；3）构建航速与电池输出功率关系模型；4）根据剩余最大可航行时间、剩余电池电量为目标优化设计剩余航段的航行方案。本发明通过航线与已有船舶航行情况调研、航速与电池输出功率关系模型构建、剩余航程航行方案优化，提高电池动力船舶的航行经济性和应对突发事件的能力。

Description

一种纯电池动力船舶综合电力系统的能量管理策略及系统
技术领域
本发明涉及纯电池电动船能量管理技术领域，具体地指一种纯电池动力船舶综合电力系统的能量管理策略及系统。
背景技术
近年来，中国经济持续增长带动了水上运输货运量的快速增加，运输量增加的同时，船舶污染物和温室气体排放也显著增加，使得沿海和内河一些航线密级、船舶流量大的区域污染非常严重。为实现水运的绿色可持续发展，交通运输部以及地方政府相继出台了一系列纲领性文件，强调加强港口和船舶污染防治、推广应用新能源和清洁能源。船舶综合电力系统是实现我国绿色水运构想的核心技术。综合电力系统是将船舶所有一次能源统一转变成电能，并实现综合利用的新型动力系统，其由发电（和/或储能）、输配电、变配电、电力推进、能量管理等分系统组成。与当前柴油动力船相比，电池综合电力船在除实现零排放、超低噪声以外，还在经济性、能源综合利用效益、船舶智能化上具有显著优势。但相对于传统的机械推进船舶，纯电池动力船舶的初始采购成本较高，能量持续性不够强，无法像机械推进船舶那样一箱油可航行上千公里的距离，一般适合纯电池动力船舶的航程都在300km以下。为最小化单次航程的运行成本，保证能够在剩余电池容量下较快的到达目的地，并能够根据剩余电量进行航速和航行方案调节，实现对纯电池电动船舶的综合电力系统的进行能量优化调控。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，而提出一种纯电池动力船舶综合电力系统的能量管理策略及系统，能够根据剩余电量进行航速和航行方案调节，对纯电池电动船舶的综合电力系统进行能量优化调控。
为实现上述目的，本发明所设计的一种纯电池动力船舶综合电力系统的能量管理策略，其特殊之处在于，所述方法包括如下步骤：
1）采集纯电池动力船将要航行的航线信息、同类型同主尺度船舶的航行信息；
2）计算不同静水航速下的推进轴功率值、不同静水航速下的浅水阻力对航速影响值、水流速度及潮水速度的影响值，得到实际的航速与电池输出功率的对应关系；
3）根据所述实际的航速与电池输出功率的对应关系构建航速与电池输出功率关系模型；
4）根据剩余最大可航行时间、剩余电池电量为目标优化设计剩余航段的航行方案，采用差分进化算法求解电池输出功率关系模型，实时更新电池输出功率，得到航行优化方案。
优选地，所述步骤2）的具体步骤为：得到不同典型静水航速[0,v min,…,v i,…v max]下的推进功率
Figure 665981DEST_PATH_IMAGE001
，v min为航速最小值，v max为航速最大值，v i为航 段i的航速，
Figure 51963DEST_PATH_IMAGE002
为船舶停泊时的电池推进功率、
Figure 769384DEST_PATH_IMAGE003
为电池最小推进功率、
Figure 633435DEST_PATH_IMAGE004
为电池动 力船在航段i的推进功率、
Figure 618446DEST_PATH_IMAGE005
为电池最大推进功率，叠加浅水阻力对航速影响值、水流速度 及潮水速度的影响值，计算得到不同航速下的电池输出功率
Figure 909750DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 645625DEST_PATH_IMAGE007
为船舶停泊时的电池输出功率、
Figure 578946DEST_PATH_IMAGE008
为电池最小输出功率、
Figure 716666DEST_PATH_IMAGE009
为电池动力船在航段i的输出功率、
Figure 178871DEST_PATH_IMAGE010
为电池最大 输出功率。
优选地，所述步骤2）中实际航速V actual 的计算方法为：
Figure 870884DEST_PATH_IMAGE011
式中，V bat 为船舶静水航速，
Figure 575272DEST_PATH_IMAGE012
为静水航速V bat 对应的浅水阻力影响，V river 为河水 的水流速度，当顺流航行的时候为+，当逆流航行的时候为-。
优选地，所述静水航速与浅水效应影响航速间的关系，表示为：
Figure 36341DEST_PATH_IMAGE013
式中，
Figure 935027DEST_PATH_IMAGE014
为根据拟合模型计算的静水航速v i时的浅水效应值，k q1、k q2、k q3、k q4分别 为拟合参数。
优选地，所述步骤3）中航速与电池输出功率关系模型的表达式为：
Figure 645494DEST_PATH_IMAGE015
式中，
Figure 592721DEST_PATH_IMAGE016
为根据拟合模型计算的静水航速V i 时的电池输出功率，k p1、k p2、k p3、k p4分别为拟合参数。
优选地，所述步骤4）的具体步骤为：
41）确定剩余航程为D remain 、最晚到达时间T arrive ，剩余的K个航段的距离D 1 ,…D i ,…D K 、电池剩余能量D battery remain ；
42）定义电池动力船在剩余K个航段航行时的电池输出功率变量，
Figure 705033DEST_PATH_IMAGE017
，
并对其进行实数编码；
43）设置种群规模，根据约束条件产生初始种群；
44）根据当代种群中每个个体的值计算到达目的地时的电池剩余能量、到达时间，并以此为基础对当代种群进行非支配排序和拥挤度距离计算；
45）进行变异、交叉、选择差分进化操作，设置变异因子、交叉因子值；
46）将父代个体与子代个体进行判断和更新操作，优选更优个体；迭代次数加1，返回至44），直到迭代次数达到设置的最大值为止。
优选地，所述步骤43）中产生初始种群的约束条件为：
剩余能量约束：
Figure 7577DEST_PATH_IMAGE018
其中，
Figure 674181DEST_PATH_IMAGE019
为电池动力船在航段i的耗能量，
Figure 221837DEST_PATH_IMAGE020
为电池动力船在航段i的电池输出功 率，
Figure 188656DEST_PATH_IMAGE021
为电池动力船在航段i的航行时间；
其中，
Figure 897986DEST_PATH_IMAGE022
Figure 317466DEST_PATH_IMAGE023
为电池动力船在航段i的实际航行速度；
航行时间约束：
Figure 636190DEST_PATH_IMAGE024
式中，T remain 为最大剩余航行时间，该值通过最晚到达时间T arrive 转换计算得到；
输出功率约束：
Figure 457515DEST_PATH_IMAGE025
式中，P battery min 、P battery max 分别为电池最小输出功率、最大输出功率。
优选地，所述步骤1）中实时航线信息包括航线距离、航道深度、水流速度、潮水流速、充电站点位置、各充电站点的充电功率、充电站点的充电价格和驻泊点位置；同类型同主尺度船舶的航行信息包括不同航段的通常航行速度、单次航程的通常航行时间和航行过程中的休息区域和休息时间。
本发明还提出一种纯电池动力船舶综合电力的能量管理系统，所述系统执行上述的一种纯电池动力船舶综合电力系统的能量管理策略。
本发明所提出的一种纯电池动力船舶综合电力系统的能量管理策略及系统，通过航线与已有船舶航行情况调研、航速与电池输出功率关系模型构建、剩余航程航行方案优化，提高电池动力船舶的航行经济性和应对突发事件的能力。
附图说明
图1为本发明一种纯电池动力船舶综合电力系统的能量管理策略的流程图。
图2为本发明实施例中算例用航线示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
本发明所提出的一种纯电池动力船舶综合电力系统的能量管理策略，如图1所示，本方法的具体步骤如下：
步骤一：纯电池动力船航行航线与已有同型船航行信息调研。
收集纯电池动力船将要航行的航线信息、该航线上与纯电池动力船主尺度相当且执行类似运输任务船舶的航行信息，对数据进行标准化处理。其中，航线信息包括航线距离、航道深度、水流速度、潮水流速、充电站点位置、各充电站点的充电功率、充电站点的充电价格和驻泊点位置等；同类型同主尺度船舶的航行信息包括不同航段的通常航行速度、单次航程的通常航行时间和航行过程中的休息区域和休息时间等。
步骤二：航速与电池输出功率关系数据采集。
采集不同静水航速下的推进轴功率值、不同静水航速下的浅水阻力对航速影响值、水流速度及潮水速度的影响值得到实际的航速与电池输出功率的对应关系。
步骤三：航速与电池输出功率关系模型构建。
对于较远距离的运输航线，船舶可能会经历多种不同航道条件的河段，航速会受到航道水深、航道潮水、航道水流速度等的影响，而这些影响都会侧面反映到航速与电池输出功率的关系上。因此有必要构建航速与电池输出功率间的关系模型，该模型考虑了航道水深、航道潮水、航道水流速度的影响，融入了日用负载功率、电力电子设备效率等数据。
步骤四：基于剩余电量的剩余航段航行方案优化。
对于剩余航程为D remain ，剩余K个航段的距离分别为D 1 ,…D i ,…D K ，航行最晚到达时间为T arrive 的本次航程，根据剩余最大可航行时间、剩余电池电量优化多目标优化设计剩余航段的航行方案。多目标优化模型的目标分别为达时间最早、运行成本最低，求解算法为差分进化算法。
航速与电池输出功率间的关系模型主要通过船舶设计过程中的仿真计算、模型试验等得到一系列的典型静水航速下的推进轴功率值，以及典型静水航速下的浅水阻力对航速影响值，叠加上水流速度、潮水速度等之后即为实际的航速与电池输出功率关系。
通过船舶设计，得到不同典型静水航速[0,v min,…,v i,…v max]下的推进功率
Figure 868905DEST_PATH_IMAGE001
，v min为航速最小值，v max为航速最大值，v i为航段i 的航速，
Figure 41261DEST_PATH_IMAGE002
为船舶停泊时的电池推进功率、
Figure 930719DEST_PATH_IMAGE003
为电池最小推进功率、
Figure 872130DEST_PATH_IMAGE004
为电池动力船 在航段i的推进功率、
Figure 454421DEST_PATH_IMAGE005
为电池最大推进功率，叠加浅水阻力对航速影响值、水流速度及 潮水速度的影响值，计算得到不同航速下的电池输出功率
Figure 347029DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 40178DEST_PATH_IMAGE007
为船舶停泊时的电池输出功率、
Figure 773779DEST_PATH_IMAGE008
为电池最小输出功率、
Figure 526971DEST_PATH_IMAGE009
为电池动力船在航段i的输出功率、
Figure 408340DEST_PATH_IMAGE010
为电池最大 输出功率。
以上对应关系并没有用函数的关系表示出来，不利于作为综合电力系统能量管理的一部分对船舶航行进行能量优化调控，因此需通过对以上数据进行函数拟合可得到该电池动力船的静水航速与推进功率关系模型。参考静水航速与推进功率间的经验估算模型，并测试后，该关系模型可表示为：
Figure 905180DEST_PATH_IMAGE015
（1）
式中，
Figure 555604DEST_PATH_IMAGE016
为根据拟合模型计算的静水航速V i 时的电池输出功率，k p1、k p2、k p3、k p4分别为拟合参数。
此外，对于部分内河航段，如运河、部分支流等受水深、航速、航道宽度的影响，航行过程中会受到不同程度的浅水效应影响，船舶设计院在进行船舶设计时会通过专用工具计算不同航段、典型航速下浅水效应对船舶航速的影响值。但以上对应关系页没有用函数的关系表示出来，不利于作为综合电力系统能量管理的一部分对船舶航行进行能量优化调控，因此页需对以上数据进行拟合，得到静水航速与浅水效应影响航速间的关系。经测试，三阶函数模型能够较为精确的模拟静水航速与浅水效应影响航速间的关系，表示为：
Figure 712654DEST_PATH_IMAGE013
（2）
式中，
Figure 81318DEST_PATH_IMAGE014
为根据拟合模型计算的静水航速v i时的浅水效应值，k q1、k q2、k q3、k q4分 别为拟合参数。
因此，电池输出功率为
Figure 116271DEST_PATH_IMAGE026
时的实际航速V actual 的表达式为：
Figure 621201DEST_PATH_IMAGE011
（3）
式中，V bat 为根据式（2）计算的船舶静水航速，
Figure 653879DEST_PATH_IMAGE012
为静水航速V bat 对应的浅水阻力 影响，V river 为河水的水流速度。当顺流航行的时候为+，当逆流航行的时候为-。
多目标优化模型的差分进化算法求解计算步骤包括：
1）确定剩余航程为D remain 、最晚到达时间T arrive ，剩余的K个航段的距离的各自D 1 ,…D i ,…D K 、电池剩余能量D battery remain 。
2）定义电池动力船在剩余K个航段航行时的电池输出功率变量，
Figure 509840DEST_PATH_IMAGE017
，
并对其进行实数编码。
3）设置种群规模，根据约束条件产生初始种群。
对于每一个个体，都要根据电池剩余能量和到达时间对其数据进行检查。具体的约束条件为：
剩余能量约束：
Figure 847018DEST_PATH_IMAGE018
（4）
其中，
Figure 3193DEST_PATH_IMAGE019
为电池动力船在航段i的耗能量，
Figure 269089DEST_PATH_IMAGE020
为电池动力船在航段i的电池输出功 率，
Figure 550029DEST_PATH_IMAGE021
为电池动力船在航段i的航行时间。
其中，
Figure 192363DEST_PATH_IMAGE022
（5）
Figure 671886DEST_PATH_IMAGE023
为电池动力船在航段i的实际航行速度，该值通过式（2）~（4）函数计算而来。
航行时间约束：
Figure 905421DEST_PATH_IMAGE024
式中，T remain 为最大剩余航行时间，该值通过最晚到达时间T arrive 转换计算得到。
输出功率约束：
Figure 673657DEST_PATH_IMAGE025
式中，P battery min 、P battery max 分别为电池最小输出功率、最大输出功率。
4）根据当代种群中每个个体的值计算到达目的地时的电池剩余能量、到达时间，并以此为基础对当代种群进行非支配排序和拥挤度距离计算。
5）进行变异、交叉、选择等差分进化操作；设置变异因子、交叉因子值。
6）将父代个体与子代个体进行判断和更新操作，优选更优个体；迭代次数加1，返回至4），直到迭代次数达到设置的最大值为止。
算例分析：
假设某个航行于码头A与码头B间的内河纯电池动力船航线，该航线距离D AB =150km，可分为两个航段AF和BF，距离分别为D AF =90km、D BF =60km。码头A到码头B运输硝石、砂子等，从码头B到码头A运输钢材、煤炭等，即可认为该船在两地航行的时候每个航次均为满载航行。该纯电池动力船的电池容量为2200kW/h，满足船舶以静水11km/h的速度航行完全程，船舶静水最大航速为15km/h，此时推进电机轴功率为120kW。
BF间的水流速度为1.5km/h，航行时的平均日用负载功率为10kW，经船舶设计院设计后得到某个长度为55m的散货船其在不同航速下的浅水效应影响速度、推进功率、电池输出功率关系如表1所示，不同静水航速下的全程航行时间如表2所示。
表1 不同静水航速下的船舶参数
Figure 352638DEST_PATH_IMAGE027
采用式（1）可得到静水航速与电池输出功率间的关系表达式为：
Figure 952246DEST_PATH_IMAGE028
采用式（2）可得到静水航速与浅水效应影响速度间的关系表达式为：
Figure 763207DEST_PATH_IMAGE029
。
表2 不同静水航速下的全程航行时间
Figure 815477DEST_PATH_IMAGE030
假设当船舶从B返回A的过程中，行驶到距离A点还有80km的位置G，但因前段航程中遭遇了多次急加速、急减速，以及本次航行时的水流速度有所增加，导致前半程消耗了较多的电池能量，此时电池剩余容量为1200kWh（可用容量为760kWh），为保证船舶能够在剩余电池容量内航行到A点，必须对剩余的航段航速进行调整。
若由G点到A点的最大允许航行时间为12h，为保证电能有足够富余以应对各种情况，采用差分进化算法得到较优化的能量管理方案，即最小化剩余航段的电池电量使用。
求解的步骤为：
1）确定剩余航程、最晚到达时间，剩余航段的距离，电池剩余能量；
2）以剩余航段的航速为决策变量（航速与功率关系一一对应，也即使以功率为决策变量），用于生成实数编码的染色体；
3）设置种群规模为10、种群进化代数为200，变异因子为1.2、交叉因子为0.8；
4）设计优化目标为最小化剩余航段使用电量（也可以是包含使用电量、到达时间的一个多目标优化，此处为了算例简明，仅考虑剩余使用电量），约束条件包括最晚到达时间约束、能量约束、功率约束、速度约束等；
5）将静水航速与电池输出功率间的关系函数、静水航速与浅水效应影响速度间的关系函数带入，计算得到不同染色体个体的航行耗能和耗时。最终计算得到最优的个体为航速8.2km/h，航行时间为11.3h。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
最后需要说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本专利技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本专利进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本专利的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本专利的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种纯电池动力船舶综合电力系统的能量管理策略，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
1）采集纯电池动力船将要航行的航线信息、同类型同主尺度船舶的航行信息；
2）采集不同静水航速下的推进轴功率值、不同静水航速下的浅水阻力对航速影响值、水流速度及潮水速度的影响值得到实际的航速与电池输出功率的对应关系；
3）根据所述实际的航速与电池输出功率的对应关系构建航速与电池输出功率关系模型；
4）根据剩余最大可航行时间、剩余电池电量为目标优化设计剩余航段的航行方案，采用差分进化算法求解电池输出功率关系模型，实时更新电池输出功率，得到航行优化方案。
2.根据权利要求1所述的一种纯电池动力船舶综合电力系统的能量管理策略，其特征在于：所述步骤2）的具体步骤为：得到不同典型静水航速[0,v min,…,v i,…,v max]下的推进功率
Figure 896690DEST_PATH_IMAGE001
，v min为航速最小值，v max为航速最大值，v i为航段i的 航速，
Figure 350805DEST_PATH_IMAGE002
为船舶停泊时的电池推进功率、
Figure 332667DEST_PATH_IMAGE003
为电池最小推进功率、
Figure 370768DEST_PATH_IMAGE004
为电池动力船 在航段i的推进功率、
Figure 893017DEST_PATH_IMAGE005
为电池最大推进功率，叠加浅水阻力对航速影响值、水流速度及 潮水速度的影响值，计算得到不同航速下的电池输出功率
Figure 467217DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 416719DEST_PATH_IMAGE007
为船舶停泊时的电池输出功率、
Figure 178001DEST_PATH_IMAGE008
为电池最小输出功率、
Figure 707203DEST_PATH_IMAGE009
为电池动力船在航段i的输出功率、
Figure 870331DEST_PATH_IMAGE010
为电池最 大输出功率。
3.根据权利要求2所述的一种纯电池动力船舶综合电力系统的能量管理策略，其特征在于：所述步骤2）中实际航速V actual 的计算方法为：
Figure 512706DEST_PATH_IMAGE011
式中，V bat 为船舶静水航速，
Figure 292444DEST_PATH_IMAGE012
为静水航速V bat 对应的浅水阻力影响，V river 为河水的水 流速度，当顺流航行的时候为+，当逆流航行的时候为-。
4.根据权利要求3所述的一种纯电池动力船舶综合电力系统的能量管理策略，其特征在于：所述静水航速与浅水效应影响航速间的关系，表示为：
Figure 156494DEST_PATH_IMAGE013
式中，
Figure 377391DEST_PATH_IMAGE014
为根据拟合模型计算的静水航速v i时的浅水效应值，k q1、k q2、k q3、k q4分别为拟 合参数。
5.根据权利要求1所述的一种纯电池动力船舶综合电力系统的能量管理策略，其特征在于：所述步骤3）中航速与电池输出功率关系模型的表达式为：
Figure 934275DEST_PATH_IMAGE015
式中，
Figure 935729DEST_PATH_IMAGE016
为根据拟合模型计算的静水航速V i 时的电池输出功率，k p1、k p2、k p3、k p4分别 为拟合参数。
6.根据权利要求1所述的一种纯电池动力船舶综合电力系统的能量管理策略，其特征在于：所述步骤4）的具体步骤为：
41）确定剩余航程为D remain 、最晚到达时间T arrive ，剩余的K个航段的距离D 1 ,…D i ,…D K 和电池剩余能量D battery remain ；
42）定义电池动力船在剩余K个航段航行时的电池输出功率变量，
Figure 603470DEST_PATH_IMAGE017
，
并对其进行实数编码；
43）设置种群规模，根据约束条件产生初始种群；
44）根据当代种群中每个个体的值计算到达目的地时的电池剩余能量、到达时间，并以此为基础对当代种群进行非支配排序和拥挤度距离计算；
45）进行变异、交叉、选择差分进化操作，设置变异因子、交叉因子值；
46）将父代个体与子代个体进行判断和更新操作，优选更优个体；迭代次数加1，返回至44），直到迭代次数达到设置的最大值为止。
7.根据权利要求4所述的一种纯电池动力船舶综合电力系统的能量管理策略，其特征在于：所述步骤43）中产生初始种群的约束条件为：
剩余能量约束：
Figure 974147DEST_PATH_IMAGE018
其中，
Figure 701931DEST_PATH_IMAGE019
为电池动力船在航段i的耗能量，
Figure 128364DEST_PATH_IMAGE020
为电池动力船在航段i的电池输出功率，
Figure 334218DEST_PATH_IMAGE021
为电池动力船在航段i的航行时间；
其中，
Figure 795286DEST_PATH_IMAGE022
Figure 693972DEST_PATH_IMAGE023
为电池动力船在航段i的实际航行速度；
航行时间约束：
Figure 902974DEST_PATH_IMAGE024
式中，T remain 为最大剩余航行时间，该值通过最晚到达时间T arrive 转换计算得到；
输出功率约束：
Figure 912519DEST_PATH_IMAGE025
式中，P battery min 、P battery max 分别为电池最小输出功率、最大输出功率。
8.根据权利要求1所述的一种纯电池动力船舶综合电力系统的能量管理策略，其特征在于：所述步骤1）中实时航线信息包括航线距离、航道深度、水流速度、潮水流速、充电站点位置、各充电站点的充电功率、充电站点的充电价格和驻泊点位置；同类型同主尺度船舶的航行信息包括不同航段的通常航行速度、单次航程的通常航行时间和航行过程中的休息区域和休息时间。
9.一种纯电池动力船舶综合电力的能量管理系统，其特征在于：所述系统执行权利要求1~8中任一项所述的一种纯电池动力船舶综合电力系统的能量管理策略。
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