混合动力船舶的功率与能量控制方法与流程

本发明涉及的是一种船舶动力系统的控制方法，具体地说是一种混合动力电力推进船舶的功率/能量管理方法。

背景技术：

在海事航运领域，经济和环保一直都是备受关注的话题。早期的电力推进采用燃机轮机、柴油发动机等热燃机作为原动机进行供电。以柴-电推进系统为例，需要根据航行中可能出现的最大动力需求确定柴油发电机组的容量。而在其实际的运行中，需要发电系统最大功率输出的情况并不多，反而更多的是处于较低负荷运行的状态。由柴油发电机的比油耗-功率特性可知，其最佳工作点一般在额定功率的80％附近，长期偏离最佳工作点的运行会降低燃油利用率，造成燃油利用效率低、碳/氮等排放物增加等问题。随着可再生能源技术和储能技术的成熟，采用储能装置或清洁能源与传统发电设备组成多源混合供电系统成为了一种新趋势。由于传统交流网络需要考虑同步和调相等问题，当有多个发电设备接入时需要电压和频率同时满足条件，较为复杂。而船舶采用直流配电技术能够更加便捷的实现不同种类的发电设备的并联运行，同时也避免了无功功率流等问题。

对于混合动力船舶而言，需要对多种供电设备进行协调控制以充分发挥其优势，同时还应当实现全船的经济和绿色运行。实施功率/能量管理控制，是实现这一目的的手段之一。目前对混合动力船舶的功率/能量管理方法大多采用集中式控制。申请号为cn201710284023的专利文件中提出一种基于小波-模糊逻辑的混合动力船舶能量管理系统及控制方法，利用小波变换的方法将功率需求分解成高中低三个频段，分别分配作为超级电容、蓄电池和燃料电池的初始参考功率；然后根据功率需求和混合储能装置的soc情况，制定模糊逻辑来对初始参考功率进行修正。此方法虽然能较为合理的实现功率分配，但是存在对通信网络的要求高和依赖强的弊端，当存在任一通信环节出现故障或通讯延迟时，则无法保证系统的功率平衡。在申请号为cn201310264651的专利文件中提出的混合动力船舶电力推进系统的能量管理与控制方法中，将船舶混合动力系统分为柴储混合供电和纯电动两种工作模式，并根据储能装置的soc和系统功率的供需关系，制定模式切换的逻辑。通过储能对负荷功率削峰填谷，以维持发电机组的经济运行。但其提出管理方法需要对系统各部分功率实时采集和实时通信传递，该发明存在集中式控制强依赖系统通信能力的缺点。同时，其提出的简单的逻辑判断也很难在复杂多变的外部条件情况下，均制定出系统的优化运行方案。

为避免集中式控制对通讯的强依赖的不足，申请号为cn201610523930的专利文件中公开了一种面向船舶直流综合电力的分散式控制系统，其利用本地控制器控制电力系统中的直流发电单元，省去了中央控制器和通信设备，提高了船舶中压直流综合电力控制系统的可靠性。但该发明仅注重考虑直流母线的电压的快速稳定，由于缺少一定的通信支撑，无法对各部分的信息进行整合与利用，在进行系统级层面的优化调度和更高级层面的控制时存在性能限制。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可靠且考虑系统级层面的混合动力船舶的功率与能量控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)建立混合动力系统的分层控制架构，所述分层控制架构包括执行层、中间层和决策层；

(2)决策层通过预先录入的历史航程数据、设定的目标进行优化计算，并结合实时采集的混合动力系统运行信息进行校正，通过决策得出各发电设备的输出功率；

(3)决策层同时将指令更新的周期下达至中间层，中间层对控制指令是否按时更新进行检查，当中间层未能按时接收到决策层下达的功率指令时，转为由中间层和执行层联合控制，等待通信恢复后，再由决策层进行船舶动力系统的全系统层面的的优化功率/能量管理；

(4)当决策层有指令更新时，中间层的输出功率调节控制器同步触发，对决策层的功率指令进行响应，控制器对发电设备的输出功率进行反馈调节，将控制器生成的功率偏差校正项输出至执行层的下垂控制器中；

(5)对直流母线电压进行实时检测，并根据需要对母线电压恢复控制器进行触发，该控制器工作后生成电压偏差校正项，并输出至执行层的下垂控制器中；

(6)执行层接收来自中间层的控制指令，通过下垂控制对多个并联发电设备之间的功率协调控制，执行层直接读取本地信息，获得当前发电设备的使用状态，当指标到达设定的阈值时，触发下垂系数自调节功能，对发电设备的下垂系数进行调整；

(7)执行层控制发电设备及其变换器实现对各发电设备输出功率的调节。

针对混合动力船舶中动力源种类多，单独采用集中式控制方法则存在对通信网络的要求高和依赖强的确定、单独采用分散式控制则存在不能计及全局信息，不能实现全局意义上的优化这一问题，本发明将分层控制应用到船舶混合动力系统中，提出了一种面向混合动力船舶的基于分层控制的功率/能量管理策略。

本发明提出的分层控制方法与现有技术相比，其有益效果体现在以下方面：

(1)将集中式控制和分散控制的优点进行有机结合，同时降低了集中式控制对通讯方面的要求、避免了其在通讯方面的缺点；同时，相比分散控制，可以更全面的利用电力系统的信息，能实现全船电力层面的优化，进而为实现舰船能量管理的高级功能提供了支撑和技术基础。

(2)本发明在电力功率/能量调度方面，兼顾考虑了设备级和全系统级层面的优化，实施中，仅需要采集电力系统的部分必要信息即可实施对电力系统运行中的经济环保的优化管理。

附图说明

图1为混合动力船舶的配电结构。

图2为分层控制的通信连接示意图。

图3为分层控制的总体框图。

图4为分层控制的控制流程图。

图5为不同类型发电设备的典型下垂曲线。

图6-1静止类发电设备的下垂控制流程。

图6-2旋转类发电设备的下垂控制流程。

图7为母线电压恢复控制器的触发流程。

具体实施方式

本发明所述的混合动力系统包括混合动力发电子系统，配电子系统，推进电机，螺旋桨和其他船载交/直流负载以及对应的电力电子变换装置。其中，混合动力发电子系统包括旋转类发电设备(柴油发电机组+ac/dc变流器)和静止类发电设备(超级电容器组、锂电池组+dc/dc变换器)。

本发明的混合动力船舶的功率与能量控制方法是一种基于分层控制的混合动力船舶的功率/能量管理方法，包括如下步骤：

(1)建立混合动力系统的分层控制架构。包括执行层(主控制层)、中间层(次级控制层)和决策层(顶层控制层)。

(2)决策层通过预先录入的历史航程数据，根据人为设定的目标(如最佳排放、最佳燃油效率等目标)进行优化计算，并结合实时采集的系统运行信息进行校正，通过决策得出各发电设备的输出功率。

(3)为了保证系统的稳定运行，决策层同时将指令更新的周期下达至中间层，以便中间层对控制指令是否按时更新进行检查(“按时”指考虑正常通信延迟的时间内)。当中间层未能按时接收到决策层下达的功率指令时，转为由中间层和执行层联合控制，以维持系统母线电压稳定为首要目标，保证动力系统的稳定运行。等待通信恢复后，再由决策层进行船舶动力系统的全系统层面的的优化功率/能量管理。

(4)当决策层有指令更新时，中间层的输出功率调节控制器同步触发，对决策层的功率指令进行响应。控制器对发电设备的输出功率进行反馈调节，将控制器生成的功率偏差校正项输出至执行层的下垂控制器中。

(5)对直流母线电压进行实时检测，并根据需要对母线电压恢复控制器进行触发，该控制器工作后将会生成电压偏差校正项，并被输出至执行层的下垂控制器中。

(6)执行层接收来自中间层的控制指令，通过下垂控制实现多个并联发电设备之间的功率协调控制。执行层能够直接读取本地信息，获得当前发电设备的使用状态，当某些指标到达设定的阈值时，触发下垂系数自调节功能，对发电设备的下垂系数进行调整。

(7)最终，执行层控制发电设备及其变换器来实现对各发电设备输出功率的调节。

为了更清楚地说明本发明的具体实施方案，下面结合附图对具体实施方案进行描述。附图主要用作示意和辅助说明，并非单指这种结构，其他经过变化的以直流母线为骨干的电力网架结构也均可以采用本发明方法实施。

需要注意的是：图5仅用作展示不同类型发电设备的下垂特性(单象限/两象限)，并非该类型设备下垂的唯一情况。图6-2仅以本实施例中旋转类发电设备的下垂控制为例进行说明，采用柴油机驱动的永磁同步电机作为发电机组仅是燃机发电机组的一种组成形式，其原动机和发电机均有其他形式可选，如：燃气轮机、同步发电机。同样，对于整流设备的选择应该结合电压等级、传输功率以及其他工程需求，优选的采用适宜的整流设备，如：mmc(模块化多电平变流器)、多脉波二极管/晶闸管整流等。

针对混合动力船舶中动力源种类多，单独采用集中式控制方法则存在对通信网络的要求高和依赖强的确定、单独采用分散式控制则存在不能计及全局信息，不能实现全局意义上的优化这一问题，本发明将分层控制应用到船舶混合动力系统中，提出了一种基于分层控制的混合动力船舶的功率/能量管理策略，能够结合系统层面的优化操作对混合能源进行功率控制。

混合动力船舶采用了一种三层的控制结构，该结构使用通信网络但不完全依赖；当系统通信发生传输阻塞/延迟或局部/全局通信故障时，则下级控制层(执行层和中间层)独立工作，来完成相应的控制任务，维持船舶动力系统的非全系统层面最优但稳定的运行功率/能量管理。

图1为本发明适用的一种混合动力船舶的配电结构。其中，混合动力发电子系统由柴油发电机组，锂电池组，超级电容组组成。柴油发电机组经电压源型变流器整流后接入主母线，锂电池组和超级电容组分别经双向dc/dc变换器(或经多端口dc/dc变换器)接入主母线。该船舶混合动力系统采用多直流电压等级的直流配电架构，采用双母线冗余配置。船舶的电力负荷主要分电力推进负荷(推进变频器-推进电机-螺旋桨)和服务负荷(交流/直流)两大类。其中，电力推进负荷直接与主直流母线相连，而服务负荷则与次级低电压直流母线相连，并根据负荷类型配有相应的电力变换器。

分层控制的总体架构和各层的职能

图3为分层控制的总体架构。各层的职能如下：

(1)执行层：采用下垂控制实现不同并网发电设备之间的功率分配，接收和执行上级控制层下达的指令，并提供下垂系数自调节功能。

(2)中间层：用于直流母线电压恢复和输出功率的微调节。设置母线电压恢复控制器对系统母线电压进行实时检测，以电压偏差和持续时间作为双重触发阈值，控制器触发后将母线电压恢复至允许范围以内。设置输出功率调节控制器，用于接收并处理决策层的功率指令，触发周期与决策层的指令下达周期同步。

(3)决策层：作为整个能量控制体系的“大脑”，它在获取的各个发电设备的相关运行信息和负荷需求信息后(包括发电设备和各变换器端口的输出电压、电流，以及船舶航行的预期功率消耗情况)，通过预测优化计算制定出混合动力系统优化运行方案(实现高燃油利用率和低污染气体排放等目标)，并通过信息系统传达至中间层中。

确定各层之间的关联关系

在功率/能量的分层控制架构中，决策层的时间尺度最大，并间歇地给出控制指令，但拥有能量管理的最高优先级，可以直接对另两个控制层进行指导干预；执行层主要的控制对象是各发电设备，对他们的输出功率进行本地连续实时控制，对同一个发电设备的两次控制指令之间的时间尺度最短，控制指令在三个控制层中的优先级最低。

通常情况下，船舶的航行可分为几种操作方案，例如：进出坞、加减速，巡航。这些操作之间的衔接不会随机排列，而是遵循一定的航行规律，例如：船只无法在加速过程中直接入坞停泊，也不会在巡航后进行出坞操作。利用这一航行规律可以科学地预估未来一段时间的操作情况，并对船舶的功率/能量的管理进行优化。

按照消耗功率的特点可以将船舶耗电操作分为三类：

1.消耗功率较为稳定，存在小幅波动，如：巡航，小功率服务负荷的启停等。

2.消耗功率有一定变化，但不反复，如：加减速，大功率负载的投切等。

3.消耗功率出现频繁剧烈反复的变化，如：进出坞，特殊作业船舶的动力定位操作等。

上述三类操作的功率变化特点和维持时间不同，结合科学预测以及车钟等设备的操作信息告知，可以对耗电操作进行预判。对于第1类操作，决策层每15min更新一次控制指令；对于第2类操作，决策层每5min更新一次控制指令；对于第3类操作，决策层每3min更新一次控制指令。对于变化周期更短的操作，可以转由中间层连同执行层直接进行控制。

需要注意的是，指令更新周期还与信息的接收、发送时间有关，可以根据具体的实施例进行调整。同时，决策层将指令更新的周期也下达至中间层，便于中间层对控制指令是否及时更新进行检查。

图3为分层控制的总体控制框图，从控制策略的角度交代了各层级间控制量的关系。图4为分层控制的执行流程图，侧重展示完整的控制流程。

如图3和图4所示，决策层录入航行历史数据并读取系统运行信息，经过优化计算和不断校正决策出各发电设备的输出功率将其作为控制指令下达至中间层的输出功率调节控制器中。

当决策层有指令更新时，中间层的输出功率调节控制器同步触发，对决策层的功率指令进行响应。控制器对发电设备的输出功率进行反馈调节，将控制器生成的功率偏差校正项δvp输出至执行层中，通过执行层控制各发电设备，实现输出功率的调节。而中间层的母线电压恢复控制器对系统的母线电压进行实时检测，当检测到母线电压存在较大偏差且持续时间过长时(参照gb或ieee过压/欠压的幅值和持续时间标准)，触发装置向母线电压恢复控制器发送触发信号(s＝1)，将电压偏差校正项δvv输出至执行层中，利用执行层重新调节各发电单元的输出电压，最终使得母线电压恢复至允许的偏差范围内(根据系统功率情况可设定不同的偏差范围)。

执行层通过下垂控制实现多个并联发电设备之间的功率协调控制，并具有下垂系数自调节功能。当中间层有指令下达时，执行层对其进行接收并改变原有下垂特性曲线，最终通过改变发电设备的端口输出电压改变流向母线的功率。同时，执行层能够直接读取本地信息，获得当前发电设备的使用状态，当某些指标到达设定的阈值时，触发下垂系数自调节功能，对发电设备的下垂系数进行调整。

此外，为了保证系统的稳定运行，决策层将指令更新的周期也下达至中间层，以便中间层对控制指令是否及时更新进行检查。当中间层因通信原因未能按时(考虑正常通信延迟在内)接收到决策层下达的功率指令时，全船电力系统转为由中间层和执行层联合控制，以维持系统母线电压稳定为首要目标，保证动力系统的稳定运行。等待通信恢复后，再由决策层进行船舶动力系统的全系统层面的的优化功率/能量管理。

各控制层具体实施方案

各控制层的具体实施方法如下：

执行层(主控制层)：

本实施例中的混合动力发电子系统中的发电设备均通过可控电力电子变换器连接到直流母线上，能够通过控制电力电子变换器来控制功率传输的多少，其最终的反映形式都是变换器端口的直流电压与直流母线上的功率交换，因此可以统一建立电压和功率之间的下垂关系。传统直流系统中的电压-功率下垂关系如(1)所示。

其中，为第i个发电设备t时刻的变换器端口输出电压参考值，为变换器的空载输出电压，一般以此作为下垂曲线的初始设定点。mi为第i个发电设备的初始下垂系数，一般受发电设备的容量影响，poi(t)为第i个变换器t时刻的输出功率，可通过第i个变换器t时刻的端口电压测量值voi(t)和输出电流测量值ioi(t)相乘得到。

需要注意的是：静止类发电设备下垂曲线的电压设定点一般为其额定输出电压，而旋转类发电设备下垂曲线的电压设定点一般为空载电压(略高于额定电压)。

下垂系数mi用于表征第i个发电设备输出功率和输出电压之间的关系。如图5所示，在直流系统中，对于静止类发电设备而言，其输出功率呈两象限特性(第一象限表示放电行为，第二象限表示充电行为)；而对于旋转类发电设备而言，其输出功率仅在第一象限内。

两类发电设备的初始下垂系数可由下式计算：

其中，为第i个静止类发电设备的初始下垂系数，δvmax为直流母线的最大可允许的运行偏差，为第i个静止类发电设备的最大充电功率，为第i个静止类发电设备的最大放电功率，为第i个旋转类发电设备的初始下垂系数，为第i个旋转类发电设备的最大输出功率。

在实际应用中，可以改变发电设备的下垂系数以获得更好广泛的功能，如：对处于重载情况的发电机组(或soc不足的储能设备)增大下垂系数有利于过载(过放)保护。

因此在本发明采用的分层控制架构中，执行层中增设了下垂系数自调节功能，且执行层需要接收中间层和决策层的干预，因此需要对(1)中的下垂关系进行修正。修正后的形式如(4)所示。

其中，m′i为第i个发电设备的改进下垂系数，δvv为母线电压恢复控制器输出的电压偏差校正项，δvp为输出功率调节控制器输出的功率偏差校正项。

ki为第i个发电设备的下垂系数调节比例，与发电设备的参数相关，设置ki的初始值为1。

静止类发电设备的下垂系数调节比例可由(5)得出。

其中，soci(t)为第i个静止类发电设备的实时荷电状态，n为放大幂次，用于提升调节效果。当soc在适当的范围内时，维持初始值；当soc低于0.3时，改变并作用于第一象限，抑制放电行为；当soc高于0.8时，改变并作用于第二象限，抑制充电行为。

旋转类发电设备的下垂系数调节比例可由(6)得出。

其中，为第i个旋转类发电设备处于经济工作点时的输出功率，取值取决于具体机型，一般在额定功率的75％-85％之间，poi(t)为第i个旋转类发电设备的实时输出功率，为第i个旋转类发电设备的额定功率，n为放大幂次，用于提升调节效果。当发电设备当前的输出功率较低时，改变并减小下垂系数，使发电设备分担更多的负荷功率；当发电设备当前的输出功率较高时，改变并增大下垂系数，抑制功率再度增加的趋势，并提供额外的过载保护。

下面结合图6-1和图6-2介绍静止类和旋转类发电设备下垂控制的具体实施步骤。

1)静止类发电设备(以储能设备#1为例)

步骤1：采集储能设备#1变换器端口的实时输出电压vo1(t)和实时输出电流io1(t)，对采集量进行低通滤波操作后计算得出变换器端口的实时输出功率po1(t)。

步骤2：将实时输出功率po1(t)作为下垂控制器的输入量，按照式(4)的关系得到变换器的参考输出电压并将其作为下垂控制器的输出量。

步骤3：将参考输出电压和实时输出电压vo1(t)的差值输入到电压控制器中，经过比例-积分(pi)调节，得到输出电流的参考值

步骤4：将参考输出电流与储能设备的实际输出电流i1(t)的差值输入到电流控制器中，经过比例-积分(pi)调节，并经过pwm环节后，得到占空比为d1(t)的dc/dc变换器的触发脉冲。

2)旋转类发电设备

步骤1：同静止类发电设备，需要根据下垂关系和实测功率计算出变换器的参考输出电压此处不赘述。

步骤2：将参考输出电压和实时输出电压vo(t)的差值输入到电压控制器中，经过比例-积分(pi)调节，得到q轴参考输出电流为实现单位功率因数最大化，设置d轴参考输出电流为

步骤3：检测发电机输出端口的交流电流ia(t)、ib(t)、ic(t)。对其进行abc-dq坐标变换得到id(t)、iq(t)。并将d轴、q轴电流参考值与实际值之间的差值输入至电流前馈解耦控制器中，得到d、q轴电压参考值和

步骤4：进行dq-αβ坐标变换得到αβ坐标系下的vα(t)和vβ(t)。利用空间矢量脉宽调制(svpwm)得到三相pwm整流器的开关信号s1-s6。

(2)中间层(次级控制层)：

执行层的下垂控制操作，会造成了直流母线电压偏离额定电压，即出现电压偏差δvbus，其偏差值同发电设备的下垂系数m′i和实际输出功率poi(t)之间的相关关系如式(7)所示。

δvbus＝m′i·poi(t)(7)

如图7所示，母线电压恢复控制器实时监测直流母线电压vdc(t)，将其与直流母线电压的额定值vdcn进行比较，得到电压偏差。当电压偏差的幅值和偏差持续时间均大于设定的阈值时，母线电压恢复控制器触发，向执行层输出母线电压校正项δvv。通过改变下垂曲线的初始电压设定点来平移原下垂曲线，由执行层直接控制发电设备将母线电压恢复到可允许范围内。

中间层中还设有输出功率调节控制器，用于对各发电单元的输出功率进行调节。当决策层有功率指令更新时，输出功率调节控制器同步触发，接收决策层更新的功率指令并将其和当前设备的实际输出功率poi(t)进行比较。得到功率偏差后，由控制器对偏差进行校正，将得到的功率偏差校正项δvp输出至执行层的下垂控制器中。通过改变各发电设备的端口输出电压影响其向母线流入的功率，最终达到输出功率调节的目的。

(3)决策层(顶层控制层)：

决策层负责对已有的二层控制体系进行调整以满足优化的、经济高效的系统运行。在本实施例的混合动力船舶中，旋转类发电设备(柴油发电机组)为主动力源。该船舶运行时的经济成本和污染气体排放均同柴油机的燃油利用效率强相关，因此需要将其作为系统优化运行的重要目标。此外，采取多种能源混合供电时的功率分配与协调控制也直接影响到全船的供电质量和供电的稳定性，还需要进行发电方和需求方的综合管理。

在本实施例中，决策层接收系统中各发电设备的本地信息，包括：柴油发电机组额定输出功率pgn、最小响应时间tg，爬坡功率限制pramp、外特性曲线(用以表征柴油发电机组的比油耗率sfoc与输出功率po之间的关系)；锂电池组的最大充放电功率额定容量elib_max，荷电状态soclib(t)，荷电状态的上下限最小响应时间tlib；超级电容组的最大充放电功率额定容量esc_max，荷电状态socsc(t)，荷电状态的上下限以及各接口变换器的输出功率poi(t)的情况(由端口电压voi(t)和电流ioi(t)计算得到)。此外，决策层还需要船舶航行的历史数据，以便得到航行的预估消耗功率

制定的相关约束如下：

系统功率平衡：

∑poi(t)＝pload(8)

锂电池组约束：

超级电容组约束：

决策层利用上述信息制定混合发电系统的优化运行方案，并根据由决策层将优化得到得各发电设备的输出功率下达至中间层中予以执行。

在实际航行过程中，船舶消耗的功率受行驶海况和气象的影响，其实际消耗的功率与预估值存在一定的差异，导致系统中会存在不平衡功率。由于系统中的发电功率和负荷功率均通过直流母线上进行传递，因此系统的不平衡功率可同直流母线电压的建立如式(11)的关系。

其中，vc为直流母线上连接的电容两端的电压，即为直流母线电压vdc(t)，c为该电容的容值，isource为各发电设备的总输出电流，iload为各负载的总消耗电流。

由式(11)可以看出当系统出现不平衡功率时，会反映到直流母线电压的增减上，因此中间层中的母线电压恢复控制器在恢复母线电压的同时还能够在一定范围内起到维持系统功率平衡的作用，即能在一定程度上缓解决策层的功率调度偏差。

本发明提出了一种基于分层控制的混合动力船舶的功率/能量管理方法，将集中式控制和分散控制的优点进行有机结合，同时降低了集中式控制对通讯方面的要求、避免了其在通讯方面的缺点；同时，相比分散控制，可以更全面的利用电力系统的信息，兼顾考虑了设备级和全系统级层面的优化，为实现舰船能量管理的高级功能提供了支撑和技术基础。该结构使用通信网络但不完全依赖；当系统通信发生传输阻塞/延迟或局部/全局通信故障时，则下级控制层(执行层和中间层)独立工作，来完成相应的控制任务，能够维持船舶动力系统的非全系统层面最优但稳定的运行功率/能量管理。

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，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。