CN113619762B - 清洁能源直流供电系统及考虑供电约束的能源管理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种清洁能源直流供电系统及考虑供电约束的能源管理方法。系统包括三个供电分区，其中第一供电分区用于连接两组光伏发电系统，第二供电分区用于连接两组风力发电系统，第三供电分区用于连接两组内燃机发电系统，其中光伏发电系统和风力发电系统均包括蓄电池。本发明方法以船舶运行成本最小化为目标，考虑船舶电力系统N‑1供电能力约束和其他基本约束，确保船舶在航行时，即使船舶电源设备发生损坏，船舶仍然能够安全稳定运行，极大提高清洁能源船舶行驶过程中的安全性。

Description

清洁能源直流供电系统及考虑供电约束的能源管理方法
技术领域
本发明涉及船舶能源管理技术领域，具体而言，尤其涉及一种清洁能源直流供电系统及考虑供电约束的能源管理方法。
背景技术
绿色交通、清洁能源、人工智能和物联网技术的快速发展，推动了智能交通和现代化的发展。随着全球范围环境污染日趋严重，而航运业在环境污染占比巨大，各国航运业开始发展绿色船舶技术，清洁能源船舶的能源管理受到相关领域专家的广泛关注。
清洁能源船舶近年来发展迅速，但对于清洁能源船舶的电力系统能源管理，其安全性考虑的并不全面。由于船舶在航行过程中会面临各种不确定因素，重要设备的电源必须持续供电。当发电设备损坏时，船舶无法保证其安全稳定运行，清洁能源船舶电力系统的安全性需要提高。供电能力是衡量电力系统安全性的一个重要指标，N-1校验方法是目前得到普遍认可的电力系统安全性分析方法。因此在船舶电力系统高效、经济的同时，考虑清洁能源船舶的供电能力，使船舶满足N-1电力安全准则，确保船舶航行安全是十分必要的。
在现今清洁能源船舶的电力系统能源管理方法中，由于船舶的重要设备需要持续供电，并没有考虑到船舶航行在面临的复杂环境下供电设备损坏的情况，船舶的安全性无法得到保障。供电能力是衡量电力系统安全性的一个重要指标，已有的船舶能源管理系统并未考虑到其供电能力并且无法满足N-1 电力安全准则，这样船舶在航行时的安全性就无法得到保障。
发明内容
根据上述提出复杂环境下供电设备损坏无法为重要设备持续供电的技术问题，而提供一种清洁能源直流供电系统及考虑供电约束的能源管理方法。本发明提出一种清洁能源船舶直流供电系统及考虑其供电能力约束的能源管理方法，以船舶运行成本最小化为目标，考虑船舶电力系统N-1供电能力约束和其他基本约束，确保船舶在航行时，即使船舶电源设备发生损坏，船舶仍然能够安全稳定运行。
本发明采用的技术手段如下：
一种清洁能源直流供电系统，包括三个供电分区，其中第一供电分区用于连接两组光伏发电系统，第二供电分区用于连接两组风力发电系统，第三供电分区用于连接两组内燃机发电系统，其中光伏发电系统和风力发电系统均包括蓄电池；
所述第一供电分区包括第一斩波器和第二斩波器，所述第二供电分区包括第三斩波器和第四斩波器，所述第三供电分区包括第五斩波器和第六斩波器；
第一光伏发电系统通过DC/DC转换器连接到第一供电分区的第一斩波器，第一斩波器通过DC电缆分别与非重要负载、重要负载以及逆变器相连，所述逆变器再与逆变器负载相连，同时所述第一斩波器通过DC电缆与第二供电分区的第三斩波器相连；
第二光伏发电系统通过DC/DC转换器连接到第一供电区域的第二斩波器，第二斩波器通过DC电缆分别与非重要负载、重要负载以及逆变器相连，所述逆变器再与逆变器负载相连，同时所述第二斩波器通过DC电缆与第二供电区域的第四斩波器相连；
第一风力发电系统通过AC/DC转换器连接到第二供电区域的第三斩波器，第三斩波器通过DC电缆分别与非重要负载、重要负载以及逆变器相连，所述逆变器再与逆变器负载相连，同时所述第三斩波器通过DC电缆与第一供电区域的第一斩波器和第三供电区域的第五斩波器相连；
第二风力发电系统通过AC/DC转换器连接到第二供电区域的第四斩波器，第四斩波器通过DC电缆分别与非重要负载、重要负载以及逆变器相连，所述逆变器再与逆变器负载相连，同时所述第四斩波器通过DC电缆与第一供电区域的第二斩波器和第三供电区域的第六斩波器相连；
第一内燃机发电系统通过AC/DC转换器连接到第三供电区域的第五斩波器，第五斩波器通过DC电缆分别与非重要负载、重要负载以及逆变器相连，所述逆变器再与逆变器负载相连，同时所述第五斩波器通过DC电缆与第二供电区域的第三斩波器相连；
第二内燃机发电系统通过AC/DC转换器连接到第三供电区域的第六斩波器，第六斩波器通过DC电缆分别与非重要负载、重要负载以及逆变器相连，所述逆变器再与逆变器负载相连，同时所述第六斩波器通过DC电缆与第二供电区域的第四斩波器相连。
一种考虑供电约束的能源管理方法，基于上述一种清洁能源直流供电系统实现，所述方法包括以下步骤：
根据船舶各个发电系统的成本函数，构造出以系统运行成本最低为优化目标的目标函数，其中发电系统包括光伏发电系统、风力发电系统和内燃机发电系统；
根据船舶输出功率必须满足船舶用电需求总量的要求，设置等式约束条件；
基于清洁能源船舶直流供电系统N-1安全准则，设置供电能力约束，同时，根据船舶发电系统的配置，设置清洁能源船舶的输出功率以及爬坡速率的不等式约束条件，从而构建清洁能源船舶直流供电系统能量管理模型；
基于动态规划法对建立的清洁能源船舶直流供电系统能量管理模型进行求解，获取能源管理方案。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提出一种清洁能源船舶直流供电系统及考虑其供电能力约束的能源管理方法，以船舶运行成本最小化为目标，考虑船舶电力系统N-1供电能力约束和其他基本约束，确保船舶在航行时，即使船舶电源设备发生损坏，船舶仍然能够安全稳定运行，极大提高清洁能源船舶行驶过程中的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的清洁能源船舶直流供电系统结构图；
图2为本发明的船舶电力系统的能源管理模型建模流程图；
图3为本发明的船舶电力系统的能源管理算法流程图；
图4为本发明的风力发电系统、光伏发电系统和内燃机发电系统的输出功率仿真图；
图5为本发明的风力发电力的输出功率仿真图；
图6为本发明的光伏发电力的输出功率仿真图；
图7为本发明的内燃机发电系统1损坏时的输出功率仿真图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如图1所示，本发明提供了一种清洁能源直流供电系统，包括三个供电分区，其中第一供电分区用于连接两组光伏发电系统，第二供电分区用于连接两组风力发电系统，第三供电分区用于连接两组内燃机发电系统，其中光伏发电系统和风力发电系统均包括蓄电池。其中第一供电分区包括第一斩波器和第二斩波器，所述第二供电分区包括第三斩波器和第四斩波器，所述第三供电分区包括第五斩波器和第六斩波器。
第一光伏发电系统通过DC/DC转换器连接到第一供电分区的第一斩波器，第一斩波器通过DC电缆分别与非重要负载、重要负载以及逆变器相连，所述逆变器再与逆变器负载相连，同时所述第一斩波器通过DC电缆与第二供电分区的第三斩波器相连。
第二光伏发电系统通过DC/DC转换器连接到第一供电区域的第二斩波器，第二斩波器通过DC电缆分别与非重要负载、重要负载以及逆变器相连，所述逆变器再与逆变器负载相连，同时所述第二斩波器通过DC电缆与第二供电区域的第四斩波器相连。
第一风力发电系统通过AC/DC转换器连接到第二供电区域的第三斩波器，第三斩波器通过DC电缆分别与非重要负载、重要负载以及逆变器相连，所述逆变器再与逆变器负载相连，同时所述第三斩波器通过DC电缆与第一供电区域的第一斩波器和第三供电区域的第五斩波器相连。
第二风力发电系统通过AC/DC转换器连接到第二供电区域的第四斩波器，第四斩波器通过DC电缆分别与非重要负载、重要负载以及逆变器相连，所述逆变器再与逆变器负载相连，同时所述第四斩波器通过DC电缆与第一供电区域的第二斩波器和第三供电区域的第六斩波器相连。
第一内燃机发电系统通过AC/DC转换器连接到第三供电区域的第五斩波器，第五斩波器通过DC电缆分别与非重要负载、重要负载以及逆变器相连，所述逆变器再与逆变器负载相连，同时所述第五斩波器通过DC电缆与第二供电区域的第三斩波器相连。
第二内燃机发电系统通过AC/DC转换器连接到第三供电区域的第六斩波器，第六斩波器通过DC电缆分别与非重要负载、重要负载以及逆变器相连，所述逆变器再与逆变器负载相连，同时所述第六斩波器通过DC电缆与第二供电区域的第四斩波器相连。
本发明还提供了一种考虑供电约束的能源管理方法，基于上述清洁能源直流供电系统实现，包括以下步骤：
步骤1：构造目标函数：根据船舶各个发电系统的成本函数，其中包括光伏发电系统、风力发电系统和内燃机发电系统，构造出以系统运行成本最低为优化目标的目标函数；
步骤2：考虑到船舶输出功率一定要满足船舶用电需求总量，设置等式约束条件；
步骤3：为保证船舶能够安全稳定运行，考虑清洁能源船舶直流供电系统N-1安全准则，设置供电能力约束。同时，根据船舶发电系统的配置，设置清洁能源船舶的输出功率、爬坡速率等不等式约束条件；
步骤4：基于步骤1-3建立的清洁能源船舶直流供电系统能源管理模型，使用动态规划法对其进行求解。
所述的清洁能源船舶直流供电系统能源管理方法，其特征在于：步骤4 使用所述的动态规划算法，包含以下具体步骤：
步骤4.1：获取船舶当前所需总负荷，包括船舶中通讯用电，厨房用电，照明用电等用电设备，根据本发明所述的建模问题，考虑到一天24小时，把该问题分为24个时间段；
步骤4.2：输入船舶各个供电设备供电初值，共6个供电设备，初值设为 0；
步骤4.3：当前处于k时刻，根据k+Δt时的所需负荷，计算各个发电系统所需要提供的负荷量；
步骤4.4：在Δt时刻以系统的成本最小为目标计算局部最优值，即各个发电系统所需要提供的负荷量的局部最优解；
步骤4.5：确定各个供电系统供电量的状态转移矩阵，进行递推，得到[k] 时刻的能源管理方案；
步骤4.6：判断是否为最优方案，如果是，则输出能源管理方案。如果不是，则返回步骤4.1，反复计算直到满足所设定的约束条件，即该问题的最优解。
按上述技术方案，所述的基于供电能力约束的清洁能源船舶最优能源管理系统，其特征在于：
所述的清洁能源船舶直流供电系统能源管理方法，其特征在于：为保证船舶在整个航行过程总供能成本最小，步骤1所述的目标函数如下：
Figure BDA0003275926280000071
Pi,t，Pj,t，Pk,t∈Ω
其中，Pi,t为光伏发电机i在t时间段内的供电量，Ci,t(Pi,t)为光伏发电机i在t时间段内的供能成本函数；Pj,t为风能发电机i在t时间段内的供电量，Cj,t(Pj,t)为风能发电机i在t时间段内的供能成本函数；Pk,t为内燃机i在t时间段内的供电量，Ck,t(Pk,t)为风能发电机i在t时间段内的供能成本函数。N为设备数量，Ω为Pi,t，Pj,t，Pk,t可行区域。
按上述技术方案，所述的清洁能源船舶电力系统供电设备的成本函数如下：
C1,t(p1,t)＝300(p1,t)2+19
C2,t(p2,t)＝291(p2,t)2+19
C3,t(p3,t)＝250(p3,t)2+2000(p3,t)+20
C4,t(p4,t)＝210(p4,t)2+10
Figure BDA0003275926280000072
C6,t(p6,t)＝250(p6,t)2+2000(p6,t)+20
按上述技术方案，针对上述优化目标，采用动态规划对算例进行求解，得到图4，图5和图6。
按上述技术方案，清洁能源船舶直流供电系统能源管理方法，其特征在于：所述的光伏发电系统和风力发电系统都包含蓄电池。
按上述技术方案，所述的清洁能源船舶直流供电系统能源管理方法，其特征在于：
系统能源管理方法的约束条件有：
所述的清洁能源船舶直流供电系统能源管理方法，其特征在于：为保证船舶在整个航行过程稳定运行，船舶输出功率一定要满足船舶用电需求总量，设置等式约束条件，步骤2所述的等式约束条件如下：
Figure BDA0003275926280000081
其中，Lt为设备用电需求总量。
所述的清洁能源船舶直流供电系统能源管理方法，其特征在于：为保证船舶能够安全稳定运行，考虑清洁能源船舶直流供电系统N-1安全准则，设置供电能力约束。同时，根据船舶发电系统的配置，设置清洁能源船舶的输出功率、爬坡速率等不等式约束条件，步骤3所述的不等式约束条件如下：
供电能力约束：
Figure BDA0003275926280000082
其中，ΩSSR为船舶电力系统的的安全边界(System Security Region,SSR)，Bn为最大供电能力约束的第n个边界。In为第n台设备为联络中心的联络单元。
输出功率约束：
Pi,min≤Pi,t≤Pi,max
Pj,min≤Pj,t≤Pj,max
Pk,min≤Pk,t≤Pk,max
其中，Pi,min，Pi,max，Pj,min，Pj,max，Pk,min，Pk,max分别为智能船舶正常航行中允许光伏产电设备i输出电能的上限值与下限值，风机j输出电能的上限值与下限值，内燃机k输出电能的上限值与下限值。
爬坡速率约束：
Figure BDA0003275926280000083
Figure BDA0003275926280000084
Figure BDA0003275926280000085
其中，
Figure BDA0003275926280000091
分别为智能船舶中光伏发电机组，风力发电机组，内燃机发电设备所允许的最大爬坡速率。
本发明考虑了一种清洁能源船舶直流供电系统能源管理方法，各供电系统的的电力输出功率随时间变化的大小如图4所示，可以看出发电设备的功率能够满足船舶所需电负荷，并且能根据所需负荷的变化进行相应调整。
光伏发电和风力发电设备的输出功率的变化分别为图5和图6。从输出占比可以看出，风力发电设备的输出功率占比更高。在图5中，两台风力发电设备的输出功率相比较，设备5的发电功率更大。在图6中，两台光伏发电设备的输出功率相比较，设备4的发电功率更大。其输出功率的差别在于不同发电设备成本函数并不一样，为了保证船舶经济性，系统会优先使用成本低的功能设备以保证成本最小，所以输出功率会有所不同。
如果不考虑供电能力的情况下，C1设备(C1是指内燃机发电系统1)损坏时船舶电力系统的供电情况如图7所示。从图7中可以明显看出，当电力需求达到峰值时，船舶的供电不能满足船舶的供电需求。此时，船舶航行时的安全无法得到保证。
本发明综合考虑了一种清洁能源船舶直流供电系统及考虑其供电能力约束的能源管理方法，该系统的发电系统包括光伏发电系统、风能发电系统、内燃机发电系统。根据模型进行算例计算得到仿真，如图4,5,6，仿真给出了各供电设备供电量。仿真结果表明，该模型能够满足船舶电力系统所需负荷。在计算算例时，不仅考虑了船舶基本约束，还考虑了供电能力约束，使船舶电力系统满足N-1供电安全准则，这样能够使得船舶在面临复杂海况的航行时，哪怕供电设备受到损坏，船舶依旧能够安全行驶，船舶航行的安全性得到了提高。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。

Claims (5)

1.一种考虑供电约束的能源管理方法，其特征在于，基于一种清洁能源直流供电系统实现，所述清洁能源直流供电系统，包括三个供电分区，其中第一供电分区用于连接两组光伏发电系统，第二供电分区用于连接两组风力发电系统，第三供电分区用于连接两组内燃机发电系统，其中光伏发电系统和风力发电系统均包括蓄电池；
所述第一供电分区包括第一斩波器和第二斩波器，所述第二供电分区包括第三斩波器和第四斩波器，所述第三供电分区包括第五斩波器和第六斩波器；
第一光伏发电系统通过DC/DC转换器连接到第一供电分区的第一斩波器，第一斩波器通过DC电缆分别与非重要负载、重要负载以及逆变器相连，所述逆变器再与逆变器负载相连，同时所述第一斩波器通过DC电缆与第二供电分区的第三斩波器相连；
第二光伏发电系统通过DC/DC转换器连接到第一供电区域的第二斩波器，第二斩波器通过DC电缆分别与非重要负载、重要负载以及逆变器相连，所述逆变器再与逆变器负载相连，同时所述第二斩波器通过DC电缆与第二供电区域的第四斩波器相连；
第一风力发电系统通过AC/DC转换器连接到第二供电区域的第三斩波器，第三斩波器通过DC电缆分别与非重要负载、重要负载以及逆变器相连，所述逆变器再与逆变器负载相连，同时所述第三斩波器通过DC电缆与第一供电区域的第一斩波器和第三供电区域的第五斩波器相连；
第二风力发电系统通过AC/DC转换器连接到第二供电区域的第四斩波器，第四斩波器通过DC电缆分别与非重要负载、重要负载以及逆变器相连，所述逆变器再与逆变器负载相连，同时所述第四斩波器通过DC电缆与第一供电区域的第二斩波器和第三供电区域的第六斩波器相连；
第一内燃机发电系统通过AC/DC转换器连接到第三供电区域的第五斩波器，第五斩波器通过DC电缆分别与非重要负载、重要负载以及逆变器相连，所述逆变器再与逆变器负载相连，同时所述第五斩波器通过DC电缆与第二供电区域的第三斩波器相连；
第二内燃机发电系统通过AC/DC转换器连接到第三供电区域的第六斩波器，第六斩波器通过DC电缆分别与非重要负载、重要负载以及逆变器相连，所述逆变器再与逆变器负载相连，同时所述第六斩波器通过DC电缆与第二供电区域的第四斩波器相连；
所述方法包括以下步骤：
根据船舶各个发电系统的成本函数，构造出以系统运行成本最低为优化目标的目标函数，其中发电系统包括光伏发电系统、风力发电系统和内燃机发电系统；
根据船舶输出功率必须满足船舶用电需求总量的要求，设置等式约束条件；
基于清洁能源船舶直流供电系统N-1安全准则，设置供电能力约束，同时，根据船舶发电系统的配置，设置清洁能源船舶的输出功率以及爬坡速率的不等式约束条件，从而构建清洁能源船舶直流供电系统能量管理模型；
基于动态规划法对建立的清洁能源船舶直流供电系统能量管理模型进行求解，获取能源管理方案；
构建供电能力约束：
Figure FDA0003693749010000021
其中，ΩSSR为船舶电力系统的安全边界，Bn为最大供电能力约束的第n个边界，In为第n台设备为联络中心的联络单元，1≤n≤6。
2.根据权利要求1所述的一种考虑供电约束的能源管理方法，其特征在于，基于动态规划法对建立的清洁能源船舶直流供电系统能量管理模型进行求解，包括：
获取船舶当前所需总负荷，并将用电时间划分为24个时间段，所述总负荷至少包括船舶中通讯用电、厨房用电、照明用电；
将船舶供电设备的供电初值设置为0；
获取当前时刻k，根据k+Δt时的所需负荷，计算各个发电系统所需要提供的负荷量；
在Δt时刻以系统的成本最小为目标计算局部最优值，得到各个发电系统所需要提供的负荷量的局部最优解；
确定各个供电系统供电量的状态转移矩阵，进行递推，得到当前时刻k的能源管理方案；
判断是否为最优方案，如果是，则输出能源管理方案，否则重新获取船舶当前所需总负荷，并反复计算直到满足所设定的约束条件，得到能源管理方案的最优解。
3.根据权利要求1所述的一种考虑供电约束的能源管理方法，其特征在于，根据船舶各个发电系统的成本函数，构造出以系统运行成本最低为优化目标的目标函数，包括根据以下计算获取目标函数：
Figure FDA0003693749010000031
Pi,t，Pj,t，Pk,t∈Ω
其中，Pi,t为光伏发电机i在t时间段内的供电量，Ci,t(Pi,t)为光伏发电机i在t时间段内的供能成本函数；Pj,t为风能发电机i在t时间段内的供电量，Cj,t(Pj,t)为风能发电机i在t时间段内的供能成本函数；Pk,t为内燃机i在t时间段内的供电量，Ck,t(Pk,t)为风能发电机i在t时间段内的供能成本函数，N为设备数量，Ω为Pi,t，Pj,t，Pk,t可行区域。
4.根据权利要求3所述的一种考虑供电约束的能源管理方法，其特征在于，根据船舶输出功率必须满足船舶用电需求总量的要求，设置的等式约束条件为：
Figure FDA0003693749010000032
其中，Lt为设备用电需求总量。
5.根据权利要求3所述的一种考虑供电约束的能源管理方法，其特征在于，根据船舶发电系统的配置，设置清洁能源船舶的输出功率以及爬坡速率的不等式约束条件，包括：
构建输出功率约束：
Pi,min≤Pi,t≤Pi,max
Pj,min≤Pj,t≤Pj,max
Pk,min≤Pk,t≤Pk,max
其中，Pi,min为智能船舶正常航行中允许光伏产电设备i输出电能的下限值，Pi,max为智能船舶正常航行中允许光伏产电设备i输出电能的上限值，Pj,min为风机j输出电能的下限值，Pj,max风机j输出电能的上限值，Pk,min为内燃机k输出电能的上限值，Pk,max内燃机k输出电能的上限值；
构建爬坡速率约束：
Figure FDA0003693749010000041
Figure FDA0003693749010000042
Figure FDA0003693749010000043
其中，
Figure FDA0003693749010000044
为智能船舶中光伏发电机组发电设备所允许的最大爬坡速率，
Figure FDA0003693749010000045
为智能船舶中风力发电机组发电设备所允许的最大爬坡速率，
Figure FDA0003693749010000046
为智能船舶中内燃机发电设备所允许的最大爬坡速率。
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