CN115489324A - 一种全电船制动能量回收利用系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全电船制动能量回收利用系统。本发明系统包括复合储能系统、推进系统、双向逆变系统和信号采集与控制系统。能量回收利用方法包括：接收制动指令以及获取相关设备状态参数；根据水流速度计算推进电机目标电磁转矩以匹配螺旋桨负载，使得发电机运行在最大功率点；根据推进电机转速、蓄电池最大充电功率和超级电容的容量配置充电功率；根据蓄电池SOC值和超级电容状态反馈实际制动转矩指令；根据水流速度变化反馈推进电机实时目标转矩，以调节螺旋桨转速及桨叶螺距，使得水能利用率保持最大。本发明能够有效发挥纯电动船舶动力系统的潜能，提高全电船的能量利用效率和续航能力。

Description

一种全电船制动能量回收利用系统及方法

技术领域

本发明涉及新能源船舶电力推进领域，具体涉及一种采用最大功率点跟踪策略的全电船制动能量回收利用系统及方法。

背景技术

船舶动力系统作为船舶的核心系统，直接关系到船舶的主要性能，因此寻求对船舶动力系统的优化设计方法是船舶设计的热点。船舶采用电力推进系统能够实现动力装置的灵活布置，充分利用机舱空间，并改善燃油消耗，提高船舶能效。而全电船除了采用电动机替代柴油机驱动螺旋桨，还将传统的电力推进船舶的发电柴油机替换为燃料电池等新能源装备或采用各类储能装置从而实现船舶的零碳排放。

船舶制动过程就是使船体停航的过程，具有能量回馈大的特点，目前常采用的方式是通过电阻将这部分回馈能量耗散掉，即在制动过程中接入制动电阻，将制动过程中的制动能量转化为热能的形式消耗掉，这种形式的优点是结构简单、成本低，但同时也存在制动效率低的问题，在频繁的制动工况下需要配置更大的制动电阻，存在大量的能量浪费；而采用能量存储的方式也能够有效解决船舶制动过程中回馈能量的问题，根据储能器件分类，主要有采用超级电容器储能、飞轮储能、蓄电池储能和超导磁储能。其中飞轮储能控制相对复杂，存在摩擦损耗等问题影响使用寿命；超导储能装置成本偏高，且单位体积能量密度低，实际应用存在困难。而蓄电池储能已经发展的比较成熟，在风力发电、轨道交通，航空航天领域都以成功应用；超级电容则具备能量密度高、循环使用寿命长、快速充放电等特点，更能适应工作环境复杂的船舶电力推进系统。

本发明的船舶制动能量回收利用系统，结合了全电船本身的动力装置特性，通过蓄电池和超级电容的充电功率灵活配置，采用了最大功率点跟踪策略来实现全电船制动过程的能量回收，提高了系统的能量回收效率；该系统充分发挥了全电船的储能系统优势，能够解决蓄电池循环寿命差和超级电容容量配置的问题，对提高船舶能效水平具有重要作用。

发明内容

本发明提供了一种采用最大功率点跟踪策略的全电船制动能量回收利用系统及方法，实现全电船制动过程的高效能量回收。

本发明采用以下技术方案：

本发明提供的全电船制动能量回收利用系统，主要由复合储能系统、推进系统、双向逆变系统和信号采集与控制系统组成。复合储能系统通过直流母线与推进系统相连接，并通过信号采集与控制系统对电网和各个设备进行数据监测。双向逆变系统与直流母线和推进电机相连，用于在船舶制动能量回收过程中，将推进电机转化的交流电能转换为直流电能输送到直流母线。

所述复合储能系统包括动力电池组和串联的超级电容组，动力电池组作为全电船的能量来源，通过DC/DC变换器与直流母线相连，用于存储船舶制动过程的能量并向直流电网上的负载提供电能；

所述推进系统包括推进电机和可调螺距螺旋桨（CPP），推进电机在船舶制动过程中作为发电机向电网输送电能，可调螺距螺旋桨通过调整桨叶螺距以在船舶制动过程中实现水能利用率保持最大；

所述双向逆变系统，主电路拓扑采用二极管中点钳位三电平逆变器结构，主开关器选用IGBT，既可工作在逆变状态，产生交流输出，也可工作在有源整流状态，向电网回馈能量；

所述信号采集与控制系统由上位机、PLC信号采集与控制单元和传感器组成，由传感器采集相关设备数据，上位机接收PLC控制器采集的数据，PLC与上位机通过工业以太网TCP/IP方式进行数据通讯，PLC信号采集与控制单元主要是以硬件接线与串口通信完成控制功能。

本发明提供的的全电船制动能量回收利用方法，具体包括以下步骤：

S1接收制动指令以及获取相关设备状态参数；

S2根据水流速度计算推进电机目标电磁转矩以匹配螺旋桨负载，使得发电机运行在最大功率点；

S3根据推进电机转速、蓄电池最大充电功率和超级电容的容量配置充电功率；

S4根据蓄电池SOC值和超级电容状态反馈实际制动转矩指令；

S5根据水流速度变化反馈推进电机实时目标转矩，以调节螺旋桨转速使得水能利用率保持最大。

所述S1步骤中，接收制动指令和获取相关设备状态参数包括制动信号、水流速度V、推进电机转速n、推进功率、船速Vs、蓄电池的SOC值和最大充电功率Pch-max、超级电容的SOC值。

所述步骤S1中制动信号为船舶驾驶台发出的车钟令。

所述的蓄电池SOC值和超级电容SOC值通过控制器采样确定，反映蓄电池实际剩余的电量和超级电容的实际剩余容量；所述的蓄电池最大充电功率Pch-max为蓄电池的额定电压U×电池最大充电电流Imax。

所述推进电机目标转矩指令由水流动能和螺旋桨能量回收系数计算得到电机能量回收功率，并作为推进电机工作的最大功率点。

所述S3步骤的流程如下：

S31根据推进电机转速、螺旋桨能量回收系数计算推进电机能量回收功率Ph；

S32根据蓄电池最大充电功率Pch-max与推进电机能量回收功率Ph关系，若Ph>Pch-max，且SOC<1,则蓄电池工作在最大充电功率下，剩余部分功率由超级电容承担；若Ph<Pch-max,且SOC<1,则蓄电池工作在最大能量回收功率下；在任何能量回收功率下，若蓄电池SOC=1，则由超级电容承载能量回收功率。

所述S4步骤中，根据蓄电池SOC值和超级电容剩余容量对目标制动转矩指令进行修正，以得到实时制动转矩指令。

所述S5步骤中，根据水流速度变化即水流动能的变化，重新校正能量回收功率，并作为实时目标转矩的调节依据，以调节螺旋桨桨叶螺距，保持水能利用率最大。

相对于现有技术的有益效果：

本发明通过复合储能系统、推进系统、双向逆变系统和信号采集与控制系统,实现了以下功能：

其一，实现了船舶制动能量回收利用，相对于现有飞轮储能控制的模式，使用寿命长，摩擦能耗低。

相对于现有蓄电池储能模式，本发明的船舶电网采用直流组网技术，减少了系统需要的配电板和变压器，与复合储能系统具有更好的兼容性。

其二，结合了全电船本身的动力装置特性，实现蓄电池和超级电容的充电功率灵活配置，从而实现了最大功率点跟踪策略来实现全电船制动过程的能量回收，能量回收效率得以提高。

其三，根据水流速度变化即水流动能的变化，重新校正能量回收功率，并作为实时目标转矩的调节依据，以调节螺旋桨桨叶螺距，保持水能利用率最大，配合其二进一步提高能量回收效率和续航能力。

附图说明

图1为本发明实施例一的全电船制动能量回收利用系统结构示意图；

图2为本发明实施例一的全电船动力系统结构图；

图3为本发明实施例一的双向逆变系统拓扑结构图；

图4为本发明实施例一的信号采集与控制流程图；

图5为本发明实施例二的流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的全电船制动能量回收利用方法的具体实施方式作进一步的详细说明。

实施例1，一种全电船制动能量回收利用系统，如图一所示，该全电船制动能量回收利用系统主要由复合储能系统、推进系统、双向逆变系统和信号采集与控制系统这几部分组成。其中，电能通过直流电网进行传输；复合储能系统通过直流母线、双向逆变系统与推进系统相连，用于制动能量的回收储存；复合储能系统、船舶电网和推进系统之间的能量流是双向的，在制动能量回收状态下，能量由螺旋桨向推进电机、船舶电网、储能装置传输；信号采集与控制系统分别与船舶电网、推进电机和可调螺距螺旋桨相连，用于监测各个设备的运行状态；双向逆变系统直流端和交流端分别与船舶电网和推进电机相连，用于向推进电机供电和在制动过程中将推进电机发出的交流电转换为直流电。

如图二所示为全电船动力系统结构图，其中所述复合储能系统包括动力电池组和超级电容组，动力电池组采用的蓄电池为磷酸铁锂电池，与一个双向DC/DC变换器串联后接入直流电网，动力电池组作为全电船的能量来源，通过双向DC/DC变换器与直流母线相连后，用于存储船舶制动过程的能量并向直流电网上的负载提供电能；超级电容组可根据全电船功率需求采用多个超级电容器通过串并联组成超级电容组，这样可以在同样的容量需求下减小单个超级电容的等效容值，减小惯性时间常数，使得充放电过程加快，并降低系统成本；复合储能系统综合了蓄电池能量密度高的特性和超级电容充放电速度快、寿命长的优点，对于全电船来说，在增加了超级电容储能单元后，能够有效吸收船舶制动过程的回馈能量，降低频繁大功率充放电对蓄电池寿命的影响。在船舶制动能量回收状态下，制动能量回收的能量流为：水流推动螺旋桨旋转，即由螺旋桨吸收水流的动能转化为机械能；并带动推进电机转子旋转，推进电机在该过程下作为发电机将机械能转化为电能；推进电机产生的电能通过逆变系统整流后输入到船舶直流电网中，并按前述充电策略分配各储能设备的充电功率，以及电网负载设备的耗能，最终完成船舶制动过程中能量的转化、利用和储能。

所述推进系统包括推进电机和可调螺距螺旋桨（CPP），推进电机在船舶制动过程中作为发电机向电网输送电能，可调螺距螺旋桨通过调整桨叶螺距以在船舶制动过程中实现水能利用率保持最大；在船舶制动过程中，可调螺距螺旋桨可以根据水流速度调整桨叶螺距，并跟随水流速度变化进行实时调整，使得螺旋桨能够最大化利用水流的动能；推进电机与螺旋桨相连接，在制动过程中，推进电机工作在发电模式下，由螺旋桨驱动推进电机进行发电，实现船舶制动过程的能量回收。

所述双向逆变系统，如图三所示，主电路拓扑采用二极管中点钳位三电平逆变器结构，主开关器选用IGBT，既可工作在逆变状态，产生交流输出，也可工作在有源整流状态，向电网回馈能量，采用的三电平逆变器结构，能够有效降低开关元器件所承受的关断电压，对推进电机的冲击小；在逆变器中对IGBT设置有保护电路，通过设置限流电感来抑制逆变器的电流变化率并保护IGBT关断时的过电压；在双向逆变系统的交流输出端，需要连接一个三相的LRC滤波器，用于减少输出电压的谐波，以保护推进电机避免受到脉冲电压的冲击。

所述信号采集与控制系统如图四由上位机、PLC信息采集及控制单元、变送器和传感器组成。具体采集过程是由传感器采集推进电机的转速、电压、电流信息，蓄电池组的温度与电压数据，超级电容组的电流和电压数据，可调螺距螺旋桨的桨叶位移数据，然后通过变送器将信号传递给PLC；PLC与上位机通过工业以太网TCP/IP方式进行数据通讯，PLC与设备控制单元主要是以硬件接线与串口通信完成控制功能。

实施例2，如图五所示，为本发明公开的一种全电船制动能量回收利用方法，包括以下步骤：

S1、接收制动指令以及获取相关设备状态参数；

S2、根据水流速度计算推进电机目标电磁转矩以匹配螺旋桨负载，使得发电机运行在最大功率点；

S3、根据推进电机转速、蓄电池最大充电功率和超级电容的容量配置充电功率；

S4、根据蓄电池SOC值和超级电容状态反馈实际制动转矩指令；

S5、根据水流速度变化反馈电机实时目标转矩，以调节螺旋桨转速使得水能利用率保持最大。

所述S1步骤中，接收制动指令和获取相关设备状态参数包括制动信号、水流速度V、推进电机转速n、推进功率、船速Vs、蓄电池的SOC值和最大充电功率Pch-max、超级电容的SOC值。具体的，通过信号采集与控制系统对上述各个设备的运行参数进行采样，即蓄电池SOC值和超级电容SOC值通过控制器采样确定，反映蓄电池实际剩余的电量和超级电容的实际剩余容量；所述的蓄电池最大充电功率Pch-max为蓄电池的额定电压U×电池最大充电电流Imax；其中当控制器检测到船舶驾驶台发出了船舶制动的车钟电平信号时，即系统进入制动能量回收模式，执行S2步骤。

所述S2步骤中，当系统进入制动能量回收模式后，PLC对采集到的设备数据进行处理，并计算得到推进电机目标转矩指令；推进电机目标转矩指令由水流动能和螺旋桨能量回收系数计算得到推进电机能量回收功率，并作为推进电机工作的最大功率点；螺旋桨能量回收系数为螺旋桨叶尖速比和桨距角的函数关系，在不同水流速度下，根据螺旋桨转速确定的能量回收系数。

所述S3步骤的具体流程如下：

S31根据推进电机转速、螺旋桨能量回收系数计算推进电机能量回收功率Ph,推进电机能量回收功率按下式计算：

式中为螺旋桨能量回收系数，为水密度，为螺旋桨叶片扫掠面面积，V为船速。

S32根据蓄电池最大充电功率Pch-max与电机能量回收功率Ph关系，若Ph>Pch-max，且SOC<1,则蓄电池工作在最大充电功率下，剩余部分波动功率由超级电容承担；若Ph<Pch-max,且SOC<1,则蓄电池工作在最大能量回收功率下；在任何能量回收功率下，若蓄电池SOC=1，则由超级电容承载能量回收功率。

所述S4步骤中，根据蓄电池SOC值和超级电容剩余容量对目标制动转矩指令进行修正，以得到实时制动转矩指令；即根据对蓄电池SOC值和超级电容SOC值的实时监测，根据S3步骤的功率分配策略，实时调整能量回收模式，重新计算校正电机制动转矩。

所述S5步骤中，根据水流速度变化即水流动能的变化，重新校正能量回收功率，并作为实时目标转矩的调节依据，以调节螺旋桨桨叶螺距，保持水能利用率最大。

通过上述步骤，可以实现对全电船制动过程的能量回收利用，最大化利用船舶制动过程的回馈能量，能够有效发挥纯电动船舶动力系统的潜能，提高了全电船的能量利用效率，增加了船舶的续航能力。

此外，以上实施例并非是对本发明的限制，本发明所述的全电船能量回收利用系统及方法包括但不限于上述具体实施方式。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种全电船制动能量回收利用系统，其特征在于：包括复合储能系统、推进系统、双向逆变系统和信号采集与控制系统；

所述复合储能系统包括动力电池组和串联的超级电容组，动力电池组作为全电船的能量来源，通过DC/DC变换器与直流母线相连；

所述推进系统包括推进电机和可调螺距螺旋桨，推进电机在船舶制动过程中作为发电机向电网输送电能；

所述双向逆变系统，主电路拓扑采用二极管中点钳位三电平逆变器结构，主开关器选用IGBT；

所述信号采集与控制系统由上位机、PLC信号采集与控制单元和传感器组成。

2.一种全电船制动能量回收利用系统，其特征在于：包括复合储能系统、推进系统、双向逆变系统和信号采集与控制系统；

所述复合储能系统包括动力电池组和串联的超级电容组，动力电池组作为全电船的能量来源，通过DC/DC变换器与直流母线相连，用于存储船舶制动过程的能量并向直流电网上的负载提供电能；

所述推进系统包括推进电机和可调螺距螺旋桨，推进电机在船舶制动过程中作为发电机向电网输送电能，可调螺距螺旋桨通过调整桨叶螺距，以在船舶制动过程中实现水能利用率保持最大；

所述双向逆变系统，主电路拓扑采用二极管中点钳位三电平逆变器结构，主开关器选用IGBT，既可工作在逆变状态，产生交流输出，也可工作在有源整流状态，向电网回馈能量；

所述信号采集与控制系统由上位机、PLC信号采集与控制单元和传感器组成，由传感器采集相关设备数据，PLC与上位机通过工业以太网TCP/IP方式进行数据通讯，PLC信号采集与控制单元主要是以硬件接线和串口通信完成控制功能。

3.一种全电船制动能量回收利用方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1接收制动指令和获取相关设备状态参数；

S2根据水流速度计算推进电机目标电磁转矩以匹配螺旋桨负载，使得发电机运行在最大功率点；

S3根据推进电机转速、蓄电池最大充电功率和超级电容的容量配置充电功率；

S4根据蓄电池SOC值和超级电容状态反馈实际制动转矩指令；

S5根据水流速度变化反馈电机实时目标转矩，以调节螺旋桨叶片螺距，使得水能利用率保持最大。

4.根据权利要求3所述的电动船制动能量回收利用方法，其特征在于：所述S1步骤中，接收制动指令和获取相关设备状态参数包括制动信号、水流速度V、推进电机转速n、推进功率、船速Vs、蓄电池的SOC值和最大充电功率Pch-max、超级电容的SOC值。

5.根据权利要求4所述的电动船制动能量回收利用方法，其特征在于：所述制动信号为船舶驾驶台发出的车钟令。

6.根据权利要求4所述的全电船制动能量回收利用方法，其特征在于：所述的蓄电池SOC值和超级电容SOC值通过控制器采样确定，反映蓄电池的实际剩余电量和超级电容的实际剩余容量；所述蓄电池的最大充电功率Pch-max由蓄电池的额定电压U×电池最大充电电流Imax计算确定。

7.根据权利要求3所述的全电船制动能量回收利用方法，其特征在于：所述推进电机目标转矩指令由水流动能和螺旋桨能量回收系数计算得到推进电机能量回收功率，并作为推进电机工作的最大功率点。

8.根据权利要求3所述的全电船制动能量回收利用方法，其特征在于：所述S3步骤的流程如下：

S31根据推进电机转速、螺旋桨能量回收系数计算推进电机能量回收功率Ph；

S32根据蓄电池最大充电功率Pch-max与推进电机能量回收功率Ph关系，若Ph>Pch-max，且SOC<1,则蓄电池工作在最大充电功率下，剩余部分功率由超级电容承担；若Ph<Pch-max,且SOC<1,则蓄电池工作在最大能量回收功率下；在任何能量回收功率下，若蓄电池SOC=1，则由超级电容承载能量回收功率。

9.根据权利要求3所述的全电船制动能量回收利用方法，其特征在于：所述S4步骤中，根据蓄电池SOC值和超级电容剩余容量对目标制动转矩指令进行修正，以得到实时制动转矩指令。

10.根据权利要求3所述的全电船制动能量回收利用方法，其特征在于：所述S5步骤中，根据水流速度变化即水流动能的变化，重新校正能量回收功率，并作为实时目标转矩的调节依据，以调节螺旋桨桨叶螺距，保持水能利用率最大。

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