CN115347549A - 一种电动船舶上液流电池储能系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电动船舶上液流电池储能系统及控制方法，储能系统包括安装于船舶上压舱室内的若干液流电池储能单元以及安装于船舶上的光伏组件，光伏组件通过DC/DC模块连接于直流母线上，液流电池储能单元通过DC/DC模块连接于直流母线上，船舶上的直流用电负荷与直流母线电连接，船舶的电力推进系统通过DC/DC模块连接于直流母线上，储能系统还设有外接直流电的直流充电接口以及外接交流电的交流充电接口，直流充电接口与直流母线电连接，交流充电接口与交流母线电连接，交流母线通过变压器及AC/DC模块与直流母线相连，船舶上的交流用电负荷与交流母线电连接。
Description
技术领域
本发明涉及储能技术领域，具体涉及一种电动船舶上液流电池储能系统及控制方法。
背景技术
船舶作为水路交通运输的重要载体，对于货物的运输起到重要的作用。传统船舶上的用能多依赖于不可再生资源，为践行低碳、环保理念，船舶上的动力系统能源需求也逐渐倾向于电动化、清洁化方向发展。船舶作为用能终端，其能源主要依赖于船舶自携能源，将液流电池储能系统引入船舶上作为电动船舶的供电能源，可以满足电动船舶电力推进系统及船舶上用电负荷的用能，以清洁能源替代传统不可再生资源方式供给能量，可以减少对环境的污染。另外，船舶为提高其稳定性通常在底舱设有压舱水，而液流电池是由电堆单元和电解液单元构成，电解液的形态与传统船舶上使用的压舱水形态近似，将液流电池的电解液单元布设在底舱代替传统的压舱水，可以实现压舱与供能的双重作用。基于船舶航行的特点，布设在船舶上的液流储能系统在具体配置时，需要考虑的因素较多，容量配置上至少要满足单次航行所需用能，还不能容量富余量过多影响船舶货物运输的装载量，作为压舱的考量，还需要满足船舶压舱的重量要求等，本案正是基于上述环境下而提出。
发明内容
本发明首先公开一种电动船舶上液流电池储能系统，能够满足电动船舶电力推进系统的用电及船舶上其他负荷用电需求，且可起到压舱的作用。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种电动船舶上液流电池储能系统，包括安装于船舶上压舱室内的若干液流电池储能单元以及安装于船舶上的光伏组件，光伏组件通过DC/DC模块连接于直流母线上，液流电池储能单元通过DC/DC模块连接于直流母线上，船舶上的直流用电负荷与直流母线电连接，船舶的电力推进系统通过DC/DC模块连接于直流母线上，储能系统还设有外接直流电的直流充电接口以及外接交流电的交流充电接口，直流充电接口与直流母线电连接，交流充电接口与交流母线电连接，交流母线通过变压器及AC/DC模块与直流母线相连，船舶上的交流用电负荷与交流母线电连接；
船舶上的液流电池储能系统按公式1进行配置：
上式中，各个参数符号含义如下：
PVRB为液流电池储能单元的额定输出功率，单位为kW；
PEP为船舶电力推进系统的最大输出功率，单位为kW；
PLOAD为船舶上用电总负荷功率，单位为kW；
PDCDC为所选用的与液流电池储能单元连接的DC/DC模块的单体容量，单位为kW；
nDCDC为所选用的与液流电池储能单元连接的DC/DC模块的单体个数，单位为个；
PVRB_N为所选用液流电池储能单元的单体额定输出功率，单位为kW；
nVRB为所选用液流电池储能单元的单体个数，单位为个；
EVRB为船舶上所装载的液流电池储能单元的总容量，单位为kWh；
t为船舶以额定功率运行单次航行所需时间，单位为h；
k1为考虑电力推进系统及负荷用能存在损耗而设定大于1的冗余系数，单位为无量纲；
k2为考虑液流电池储能单元输出损耗而设定大于1的冗余系数，单位为无量纲；
PM为船舶电力推进系统中电动机功率，单位为kW；
Ps为船舶螺旋桨的轴功率，单位为kW；
ηS为船舶螺旋桨的轴系效率；
ηM为船舶电力推进系统中电动机效率；
ηEP为船舶电力推进系统效率；
mballast为船舶上实际配备的压舱重量，单位为吨；
Mmax为船舶上所需最大压舱重量，单位为吨；
mVRB_N为所选用的液流电池储能单元的单体重量，单位为吨。
进一步，所述液流电池储能单元包括全钒液流电池。
本发明还公开上述电动船舶上液流电池储能系统的控制方法，基于船舶的航行状态设计了与之对应的控制策略，不仅能满足船舶航行所需电能自供给，还充分利用了船舶停泊状态下，令船舶上布设的液流电池储能系统能参与到电网的辅助服务中，将船舶上传统的低品位能源向高品位能源转化，充分调动起船舶潜在本征“源”属性特征的有效开发利用。
为了实现上述目的，该控制方法采用如下技术方案实现：
一种电动船舶上液流电池储能系统的控制方法，包括如下内容：
系统判断当前船舶所处状态，基于当前所处状态启动与之对应的控制策略，系统设定的船舶状态包括“航行状态”和“停泊状态”，“航行状态”下船舶在行进移动，“停泊状态”下船舶处于静止不动；
“航行状态”对应的控制策略为工况一，该工况下由储能系统中配置的光伏组件及液流电池储能单元共同出力，满足船舶电力推进系统及船舶上负荷用电需求；
“停泊状态”至少包括三种运行模式，即“充电模式”、“静止模式”和“辅助服务模式”，“辅助服务模式”下分为“调峰模式”和“调频模式”，“停泊状态”下储能系统与电网连接；
“静止模式”对应的控制策略为工况二，该工况下储能系统中配置的液流电池储能单元不与外部产生能量交互，储能系统中配置的光伏组件与电网共同出力，满足船舶上负荷用电需求；
“充电模式”对应的控制策略为工况三，该工况下储能系统中配置的光伏组件及电网共同出力，给配置的液流电池储能单元充电及满足船舶上负荷用电需求；
“调峰模式”下，先判断所处时段为用电低谷时段还是用电高峰时段，若为用电低谷时段则执行“填谷模式”对应的工况四，该工况下由电网为液流电池储能单元充电及给船舶上负荷供电；若为用电高峰时段则执行“削峰模式”对应的工况五，该工况下液流电池储能单元放电满足船舶上负荷用电需求，并且液流电池储能单元放电为电网补充电能；
“调频模式”下执行工况六，该工况下液流电池储能单元与电网实时交互电能。
进一步，船舶执行“航行状态”所对应的工况一，按以下公式2进行控制：
上式中，PPV(t)为光伏组件的实时输出功率，单位为kW；
PMPPT为光伏组件的实时最大功率点跟踪功率，单位为kW；
PVRB_dis(t)为液流电池储能单元的实时放电功率，单位为kW；
PEP(t)为船舶电力推进系统的实时需求功率，单位为kW；
PLOAD(t)为船舶上用电总负荷的实时需求功率，单位为kW。
进一步，船舶处于“停泊状态”下，船舶向电网调度上报当前船舶状态、船舶上液流电池储能单元的储能情况、下一次航行时间及地点信息，根据电网调度指令选择“停泊状态”下的运行模式。
进一步，船舶执行“静止模式”所对应的工况二，按以下公式3进行控制，直至接收到新的调度指令后退出当前模式：
PLOAD(t)＝PPV(t)+PGRID(t) (公式3)
上式中，PLOAD(t)为船舶上用电总负荷的实时需求功率，单位为kW；
PPV(t)为光伏组件的实时输出功率，单位为kW；
PGRID(t)为电网经双向充电装置与船舶实时交互功率，单位为kW；
船舶执行“充电模式”所对应的工况三，按以下公式4进行控制，直至液流电池储能单元的荷电状态大于所设定的荷电状态上限阈值即退出当前模式：
上式中，PMPPT为光伏组件的实时最大功率点跟踪功率，单位为kW；
PVRB_ch(t)为液流电池储能单元的实时充电功率，单位为kW；
船舶进入“辅助服务模式”后，基于船舶所停靠地的电网调度需求来判断运行于“调峰模式”还是运行于“调频模式”；
船舶执行“填谷模式”所对应的工况四，按以下公式5进行控制，直至液流电池储能单元的荷电状态大于所设定的荷电状态上限阈值即退出当前模式：
PVRB_ch(t)+PLOAD(t)＝PGRID(t) (公式5)
上式中，PVRB_ch(t)为液流电池储能单元的实时充电功率，单位为kW；
船舶执行“削峰模式”所对应的工况五，按以下公式6进行控制，直至液流电池储能单元的荷电状态小于所设定的荷电状态下限阈值即退出当前模式：
PVRB_dis(t)＝PGRID(t)+PLOAD(t) (公式6)
上式中，PVRB_dis(t)为液流电池储能单元的实时放电功率，单位为kW；
船舶执行“调频模式”所对应的工况六，按以下公式7进行控制：
PVRB(t)＝PGRID(t) (公式7)
上式中，PVRB(t)为响应电网实时调频需求时，液流电池储能单元的充电或放电功率，单位为kW。
进一步，船舶运行于“调频模式”时，退出该工作模式满足如下条件之一即可：
条件1：接收到改变新工作模式的调度指令后退出“调频模式”；
条件2：系统内输入下一次启航时间以及判断阈值，若船舶当前停泊时间距离下一次启航时间小于该判断阈值，并且当前运行时段处于用电低谷期，则退出“调频模式”按照工况四执行，直至液流电池储能单元的荷电状态大于所设定的荷电状态上限阈值即退出工况四；
条件3：系统内输入下一次启航时间以及判断阈值，若船舶当前停泊时间距离下一次启航时间小于该判断阈值，并且当前运行时段处于非用电低谷期，则退出“调频模式”按照工况三执行，直至液流电池储能单元的荷电状态大于所设定的荷电状态上限阈值即退出工况三；
条件4：系统内输入下一次启航时间以及判断阈值，若船舶当前停泊时间距离下一次启航时间大于该判断阈值，则退出“调频模式”返回到系统对当前船舶所处状态的判断步骤。
本发明所设计的液流电池储能系统不仅能满足电动船舶航行过程中的负荷用电，也作为电力推进系统的供电来源，采用清洁能源替代传统的不可再生能源，有利于环境保护，并且所配置的液流电池储能单元还可替代船舶压舱水起到压舱的作用，可谓一举多得；针对船舶航行自身特点，本发明所给出的设备容量配置及控制方法也是基于该特定应用场景所考量，既满足船舶配重要求、供电需求，也不会过多影响船舶货物的装载量，其控制策略上依据船舶状态不同而采用不同控制方法，在船舶停泊时段令储能系统参与到电网服务中，可以为船舶增加营收，也可以缓解电网削峰填谷的压力。
附图说明
图1为实施例中电动船舶上液流电池储能系统拓扑结构示意图；
图2为电动船舶上采用压舱水+储能压舱方式布设示意图；
图3为电动船舶上采用全储能压舱方式布设示意图；
图4为电动船舶上液流电池储能系统控制方法流程图；
图5为电动船舶航行状态下的控制策略流程图；
图6为电动船舶停泊状态下的控制策略流程图。
具体实施方式
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。
本实施例首先公开一种电动船舶上液流电池储能系统，如图1所示，关键组成单元可分为“源”、“储”、“荷”三类。“源”：航行状态下，船舶上配置的液流电池储能单元为船舶行进提供主要能量源；停泊状态下，需要给船舶上的液流电池储能单元充电或船舶上负荷供电时，此时的“源”主要依托布置在码头、锚点及海上浮标处的交流或直流充电插头来补给，或者利用船舶上配置的柔性光伏组件来补给电能。“储”：设置全钒液流电池储能单元作为储能设备，在航行状态下为船舶电力推进系统及负荷提供电能，在停泊状态下，可以接入电网根据调度需要辅助调峰调频。“荷”：此处包括船舶上电力推进系统、船舶上机械设备、照明、泵等各类交直流用电设备。
电动船舶上液流电池储能系统的具体连接结构如下：包括安装于船舶上压舱室内的若干液流电池储能单元以及安装于船舶上的光伏组件，光伏组件通过DC/DC模块连接于直流母线上，液流电池储能单元通过DC/DC模块连接于直流母线上，船舶上的直流用电负荷与直流母线电连接，船舶的电力推进系统通过DC/DC模块连接于直流母线上，储能系统还设有外接直流电的直流充电接口以及外接交流电的交流充电接口，直流充电接口与直流母线电连接，交流充电接口与交流母线电连接，交流母线通过变压器及AC/DC模块与直流母线相连，船舶上的交流用电负荷与交流母线电连接。
本发明选用全钒液流电池作为储能单元，主要考虑到液流电池的功率单元和容量单元相互独立，功率单元为电堆单元，容量单元为电解液单元，电解液的形态与船舶上所使用的压舱水形态近似，将液流电池的容量单元布设在船舶底部的压舱室内，可以取代压舱水起到压舱作用，还能为船舶提供电能，起到“供能”与“压舱”的双重作用。
传统船舶压载舱通常布设于船底舱、艏、艉尖舱及边舱，往往通过装载海水或货物以提高船舶的稳定性。本发明的船舶储能单元中的电解液体为水溶液，与传统压舱液体形态、密度相似，可实现压舱替代。将液流电池储能单元布设于原有压载舱内时，可结合航线距离、电力推进系统功率、压舱需求等现实条件，按图2所示部署为“压舱水+储能压舱”方式，或按图3所示部署为“全储能压舱”方式。如船体较大，单个压载舱体积较大，即单舱可装配储能单元容量较大，则在满足船舶用能需求优先装配储能单元后，在原有艏、艉尖舱及边舱等其他压载舱仍装配压舱水或压舱物，以满足船舶重量平衡，即该场景下采用“压舱水+储能压舱”方式。如船体适中，或单次航程较远，则船舶尽可能装配储能单元以满足船舶用能需求，全部压载舱均装配储能单元，该场景下采用“全储能压舱”方式。
对于船舶上的储能系统在容量配置时，要全面考虑船舶运输的特点进行设计，需要考量的原则包括：
a.船舶电力推进系统及船上负荷用能全部由液流电池储能单元来保障；
b.船载液流电池储能单元的总容量需满足船舶单次航行至目的地的全部用能需求；
c.船舶上配置的DC/DC模块个数视所选用单体标准化设备容量决定；
d.船舶上配置的液流电池储能单元的单体个数，视所选用标准化液流电池储能单元的单体设备容量决定；
e.配备的船载液流电池储能单元的重量应满足船舶压舱重量要求，若难以满足，则额外配备压舱物协同液流电池储能单元共同满足。
本实施例中船舶上的液流电池储能系统各个设备的配置具体按以下公式1进行设计：
上式中，各个参数符号含义如下：
PVRB为液流电池储能单元的额定输出功率，单位为kW；
PEP为船舶电力推进系统的最大输出功率，单位为kW；
PLOAD为船舶上用电总负荷功率，单位为kW；
PDCDC为所选用的与液流电池储能单元连接的DC/DC模块的单体容量，单位为kW；
nDCDC为所选用的与液流电池储能单元连接的DC/DC模块的单体个数，单位为个；
PVRB_N为所选用液流电池储能单元的单体额定输出功率，单位为kW；
nVRB为所选用液流电池储能单元的单体个数，单位为个；
EVRB为船舶上所装载的液流电池储能单元的总容量，单位为kWh；
t为船舶以额定功率运行单次航行所需时间，单位为h；
k1为考虑电力推进系统及负荷用能存在损耗而设定大于1的冗余系数，单位为无量纲；
k2为考虑液流电池储能单元输出损耗而设定大于1的冗余系数，单位为无量纲；
PM为船舶电力推进系统中电动机功率，单位为kW；
Ps为船舶螺旋桨的轴功率，单位为kW；
ηS为船舶螺旋桨的轴系效率；
ηM为船舶电力推进系统中电动机效率；
ηEP为船舶电力推进系统效率；
mballast为船舶上实际配备的压舱重量，单位为吨；
Mmax为船舶上所需最大压舱重量，单位为吨；
mVRB_N为所选用的液流电池储能单元的单体重量，单位为吨。
本实施例还公开上述电动船舶上液流电池储能系统的控制方法，基于船舶的航行状态设计了与之对应的控制策略，不仅能满足船舶航行所需电能自供给的控制管理，还充分利用了船舶停泊状态下，令船舶上布设的液流电池储能系统能参与到电网的辅助服务中，将船舶上传统的低品位能源向高品位能源转化，充分调动起船舶潜在本征“源”属性特征的有效开发利用。
具体采用的控制方法结合图4所示进行说明，包括如下内容：
系统判断当前船舶所处状态，基于当前所处状态启动与之对应的控制策略，系统设定的船舶状态包括“航行状态”和“停泊状态”，“航行状态”下船舶在行进移动，“停泊状态”下船舶处于静止不动；
“航行状态”对应的控制策略为工况一，该工况下由储能系统中配置的光伏组件及液流电池储能单元共同出力，满足船舶电力推进系统及船舶上负荷用电需求；
“停泊状态”至少包括三种运行模式，即“充电模式”、“静止模式”和“辅助服务模式”，“辅助服务模式”下分为“调峰模式”和“调频模式”，“停泊状态”下储能系统与电网连接；
“静止模式”对应的控制策略为工况二，该工况下储能系统中配置的液流电池储能单元不与外部产生能量交互，储能系统中配置的光伏组件与电网共同出力，满足船舶上负荷用电需求；
“充电模式”对应的控制策略为工况三，该工况下储能系统中配置的光伏组件及电网共同出力，给配置的液流电池储能单元充电及满足船舶上负荷用电需求；
“调峰模式”下，先判断所处时段为用电低谷时段还是用电高峰时段，若为用电低谷时段则执行“填谷模式”对应的工况四，该工况下由电网为液流电池储能单元充电及给船舶上负荷供电；若为用电高峰时段则执行“削峰模式”对应的工况五，该工况下液流电池储能单元放电满足船舶上负荷用电需求，并且液流电池储能单元放电为电网补充电能；
“调频模式”下执行工况六，该工况下液流电池储能单元与电网实时交互电能。
上述给出的控制方案中，对于船舶处于“航行状态”时的控制策略如图5所示，其所对应的工况一，按以下公式2进行控制：
上式中，PPV(t)为光伏组件的实时输出功率，单位为kW；
PMPPT为光伏组件的实时最大功率点跟踪功率，单位为kW；
PVRB_dis(t)为液流电池储能单元的实时放电功率，单位为kW；
PEP(t)为船舶电力推进系统的实时需求功率，单位为kW；
PLOAD(t)为船舶上用电总负荷的实时需求功率，单位为kW。
船舶处于“停泊状态”时，可以将船舶上的储能系统通过岸电设施连接电网，既可以为储能系统进行蓄能充电，也可以参与到电网的辅助服务中，协助电网降低负荷峰谷差，协同保障电力系统的稳定运行。船舶处于“停泊状态”下，船舶向电网调度上报当前船舶所处状态、船舶上液流电池储能单元的储能情况、下一次航行时间及地点等相关信息，根据电网调度指令选择“停泊状态”下的运行模式。
“停泊状态”下各个运行模式具体按以下给出内容执行，如图6所示，船舶执行“静止模式”所对应的工况二，按以下公式3进行控制，直至接收到电网新的调度指令后退出当前模式：
PLOAD(t)＝PPV(t)+PGRID(t) (公式3)
上式中，PLOAD(t)为船舶上用电总负荷的实时需求功率，单位为kW；
PPV(t)为光伏组件的实时输出功率，单位为kW；
PGRID(t)为电网经双向充电装置与船舶实时交互功率，单位为kW。
船舶停泊后，若液流电池储能单元荷电状态较低，并且船舶将会在未来较短时间内需再次启航，适用于执行“充电模式”进行控制，该模式所对应的工况三，按以下公式4进行控制：
上式中，PMPPT为光伏组件的实时最大功率点跟踪功率，单位为kW；
PVRB_ch(t)为液流电池储能单元的实时充电功率，单位为kW。
当能量管控系统监测到液流电池储能单元的荷电状态大于所设定的荷电状态上限阈值，即满足公式SOC＞SOCMAX，则退出“充电模式”，其中，SOC为液流电池储能单元的实时荷电状态，SOCMAX为设定的液流电池储能单元荷电状态上限阈值。
当船舶停泊时间较长，为增加船舶额外营收，充分发挥船舶上储能系统的作用，可以将储能系统接入电网参与到辅助调峰调频服务，即储能系统进入“辅助服务模式”，该模式下又分为“调峰模式”和“调频模式”，基于船舶所停靠地的电网调度需求来判断适合运行于“调峰模式”还是运行于“调频模式”。一般情况下，当停泊时间相对较长，可以根据评估停靠地的电价政策来启动执行“调峰模式”；若停泊时间比较适中(不长不短)，可以根据评估停靠地的电价政策来启动执行“调频模式”。
“调峰模式”下，根据储能系统运行时段是处于电网的用电高峰还是低谷时段，又具体分为“填谷模式”和“削峰模式”。“填谷模式”所对应的工况四，按以下公式5进行控制，
PVRB_ch(t)+PLOAD(t)＝PGRID(t) (公式5)
上式中，PVRB_ch(t)为液流电池储能单元的实时充电功率，单位为kW。
当能量管控系统监测到液流电池储能单元的荷电状态大于所设定的荷电状态上限阈值，即满足公式SOC＞SOCMAX，则退出“填谷模式”。
“削峰模式”所对应的工况五，按以下公式6进行控制，
PVRB_dis(t)＝PGRID(t)+PLOAD(t) (公式6)
上式中，PVRB_dis(t)为液流电池储能单元的实时放电功率，单位为kW。
当能量管控系统监测到液流电池储能单元的荷电状态小于所设定的荷电状态下限阈值，即满足公式SOC＜SOCMIN，则退出“削峰模式”，SOCMIN为设定的液流电池储能单元荷电状态下限阈值。
当船舶有新航运或其他任务时，跳出“调峰模式”，系统根据船舶状态，重新确定下一运行模式，否则，系统在“调峰模式”持续循环。
“调频模式”下所对应的工况六，按以下公式7进行控制：
PVRB(t)＝PGRID(t) (公式7)
上式中，PVRB(t)为响应电网实时调频需求时，液流电池储能单元的充电或放电功率，单位为kW。
船舶运行于“调频模式”下时，退出该工作模式满足如下条件之一即可：
条件1：接收到改变新工作模式的调度指令后退出“调频模式”；
条件2：系统内输入下一次启航时间以及判断阈值，若船舶当前停泊时间距离下一次启航时间小于该判断阈值，并且当前运行时段处于用电低谷期，则退出“调频模式”按照工况四执行，直至液流电池储能单元的荷电状态大于所设定的荷电状态上限阈值即退出工况四；
条件3：系统内输入下一次启航时间以及判断阈值，若船舶当前停泊时间距离下一次启航时间小于该判断阈值，并且当前运行时段处于非用电低谷期，则退出“调频模式”按照工况三执行，直至液流电池储能单元的荷电状态大于所设定的荷电状态上限阈值即退出工况三；
条件4：系统内输入下一次启航时间以及判断阈值，若船舶当前停泊时间距离下一次启航时间大于该判断阈值，则退出“调频模式”返回到系统对当前船舶所处状态的判断步骤。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种电动船舶上液流电池储能系统，其特征在于：包括安装于船舶上压舱室内的若干液流电池储能单元以及安装于船舶上的光伏组件，光伏组件通过DC/DC模块连接于直流母线上，液流电池储能单元通过DC/DC模块连接于直流母线上，船舶上的直流用电负荷与直流母线电连接，船舶的电力推进系统通过DC/DC模块连接于直流母线上，储能系统还设有外接直流电的直流充电接口以及外接交流电的交流充电接口，直流充电接口与直流母线电连接，交流充电接口与交流母线电连接，交流母线通过变压器及AC/DC模块与直流母线相连，船舶上的交流用电负荷与交流母线电连接；
船舶上的液流电池储能系统按公式1进行配置：
上式中，各个参数符号含义如下：
PVRB为液流电池储能单元的额定输出功率，单位为kW；
PEP为船舶电力推进系统的最大输出功率，单位为kW；
PLOAD为船舶上用电总负荷功率，单位为kW；
PDCDC为所选用的与液流电池储能单元连接的DC/DC模块的单体容量，单位为kW；
nDCDC为所选用的与液流电池储能单元连接的DC/DC模块的单体个数，单位为个；
PVRB_N为所选用液流电池储能单元的单体额定输出功率，单位为kW；
nVRB为所选用液流电池储能单元的单体个数，单位为个；
EVRB为船舶上所装载的液流电池储能单元的总容量，单位为kWh；
t为船舶以额定功率运行单次航行所需时间，单位为h；
k1为考虑电力推进系统及负荷用能存在损耗而设定大于1的冗余系数，单位为无量纲；
k2为考虑液流电池储能单元输出损耗而设定大于1的冗余系数，单位为无量纲；
PM为船舶电力推进系统中电动机功率，单位为kW；
Ps为船舶螺旋桨的轴功率，单位为kW；
ηS为船舶螺旋桨的轴系效率；
ηM为船舶电力推进系统中电动机效率；
ηEP为船舶电力推进系统效率；
mballast为船舶上实际配备的压舱重量，单位为吨；
Mmax为船舶上所需最大压舱重量，单位为吨；
mVRB_N为所选用的液流电池储能单元的单体重量，单位为吨。
2.根据权利要求1所述的一种电动船舶上液流电池储能系统，其特征在于：所述液流电池储能单元包括全钒液流电池。
3.一种基于如权利要求1或2所述电动船舶上液流电池储能系统的控制方法，其特征在于，包括如下内容：
系统判断当前船舶所处状态，基于当前所处状态启动与之对应的控制策略，系统设定的船舶状态包括“航行状态”和“停泊状态”，“航行状态”下船舶在行进移动，“停泊状态”下船舶处于静止不动；
“航行状态”对应的控制策略为工况一，该工况下由储能系统中配置的光伏组件及液流电池储能单元共同出力，满足船舶电力推进系统及船舶上负荷用电需求；
“停泊状态”至少包括三种运行模式，即“充电模式”、“静止模式”和“辅助服务模式”，“辅助服务模式”下分为“调峰模式”和“调频模式”，“停泊状态”下储能系统与电网连接；
“静止模式”对应的控制策略为工况二，该工况下储能系统中配置的液流电池储能单元不与外部产生能量交互，储能系统中配置的光伏组件与电网共同出力，满足船舶上负荷用电需求；
“充电模式”对应的控制策略为工况三，该工况下储能系统中配置的光伏组件及电网共同出力，给配置的液流电池储能单元充电及满足船舶上负荷用电需求；
“调峰模式”下，先判断所处时段为用电低谷时段还是用电高峰时段，若为用电低谷时段则执行“填谷模式”对应的工况四，该工况下由电网为液流电池储能单元充电及给船舶上负荷供电；若为用电高峰时段则执行“削峰模式”对应的工况五，该工况下液流电池储能单元放电满足船舶上负荷用电需求，并且液流电池储能单元放电为电网补充电能；
“调频模式”下执行工况六，该工况下液流电池储能单元与电网实时交互电能。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：船舶执行“航行状态”所对应的工况一，按以下公式2进行控制：
上式中，PPV(t)为光伏组件的实时输出功率，单位为kW；
PMPPT为光伏组件的实时最大功率点跟踪功率，单位为kW；
PVRB_dis(t)为液流电池储能单元的实时放电功率，单位为kW；
PEP(t)为船舶电力推进系统的实时需求功率，单位为kW；
PLOAD(t)为船舶上用电总负荷的实时需求功率，单位为kW。
5.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：船舶处于“停泊状态”下，船舶向电网调度上报当前船舶状态、船舶上液流电池储能单元的储能情况、下一次航行时间及地点信息，根据电网调度指令选择“停泊状态”下的运行模式。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：船舶执行“静止模式”所对应的工况二，按以下公式3进行控制，直至接收到新的调度指令后退出当前模式：
PLOAD(t)＝PPV(t)+PGRID(t) (公式3)
上式中，PLOAD(t)为船舶上用电总负荷的实时需求功率，单位为kW；
PPV(t)为光伏组件的实时输出功率，单位为kW；
PGRID(t)为电网经双向充电装置与船舶实时交互功率，单位为kW；
船舶执行“充电模式”所对应的工况三，按以下公式4进行控制，直至液流电池储能单元的荷电状态大于所设定的荷电状态上限阈值即退出当前模式：
上式中，PMPPT为光伏组件的实时最大功率点跟踪功率，单位为kW；
PVRB_ch(t)为液流电池储能单元的实时充电功率，单位为kW；
船舶进入“辅助服务模式”后，基于船舶所停靠地的电网调度需求来判断运行于“调峰模式”还是运行于“调频模式”；
船舶执行“填谷模式”所对应的工况四，按以下公式5进行控制，直至液流电池储能单元的荷电状态大于所设定的荷电状态上限阈值即退出当前模式：
PVRB_ch(t)+PLOAD(t)＝PGRID(t) (公式5)
上式中，PVRB_ch(t)为液流电池储能单元的实时充电功率，单位为kW；
船舶执行“削峰模式”所对应的工况五，按以下公式6进行控制，直至液流电池储能单元的荷电状态小于所设定的荷电状态下限阈值即退出当前模式：
PVRB_dis(t)＝PGRID(t)+PLOAD(t) (公式6)
上式中，PVRB_dis(t)为液流电池储能单元的实时放电功率，单位为kW；
船舶执行“调频模式”所对应的工况六，按以下公式7进行控制：
PVRB(t)＝PGRID(t) (公式7)
上式中，PVRB(t)为响应电网实时调频需求时，液流电池储能单元的充电或放电功率，单位为kW。
7.根据权利要求3或6所述的控制方法，其特征在于：船舶运行于“调频模式”时，退出该工作模式满足如下条件之一即可：
条件1：接收到改变新工作模式的调度指令后退出“调频模式”；
条件2：系统内输入下一次启航时间以及判断阈值，若船舶当前停泊时间距离下一次启航时间小于该判断阈值，并且当前运行时段处于用电低谷期，则退出“调频模式”按照工况四执行，直至液流电池储能单元的荷电状态大于所设定的荷电状态上限阈值即退出工况四；
条件3：系统内输入下一次启航时间以及判断阈值，若船舶当前停泊时间距离下一次启航时间小于该判断阈值，并且当前运行时段处于非用电低谷期，则退出“调频模式”按照工况三执行，直至液流电池储能单元的荷电状态大于所设定的荷电状态上限阈值即退出工况三；
条件4：系统内输入下一次启航时间以及判断阈值，若船舶当前停泊时间距离下一次启航时间大于该判断阈值，则退出“调频模式”返回到系统对当前船舶所处状态的判断步骤。
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| CN116191479A (zh) * | 2023-04-26 | 2023-05-30 | 北京星辰新能科技有限公司 | 一种液流电池同时在线调峰调频系统及方法 |
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| CN113991783A (zh) * | 2021-10-29 | 2022-01-28 | 北京能高自动化技术股份有限公司 | 基于退役电池构建的光储充能源系统控制方法 |
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2022
- 2022-08-16 CN CN202210978327.0A patent/CN115347549B/zh active Active
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