船舶推进负载的GRU-LSTM融合预测网络及基于其的柴油机推进负载波动补偿系统和补偿方法与流程

本发明涉及一种船舶轴带发电领域，具体来说涉及一种船舶推进负载的gru-lstm融合预测网络及基于其的柴油机推进负载波动补偿系统和补偿方法。

背景技术：

1、随着工业技术的发展，对能源的消耗和环境问题也日趋严重，而现有船舶运输行业特别是一些大型远洋船舶更是石油能源的消耗大头，也是温室气体和大气污染排放的重要来源之一。因此很多国家开始重视节能和环保的发展，开始对船舶节省燃油消耗研究，

2、柴油机作为船舶能源的核心，柴油的使用决定了能源消耗，在负载稳定的情况下，柴油机的工作负载也会相应稳定不需要频繁调整油门大小，也会减少能源的消耗。一篇专利申请号为cn201910614324.7、名为一种船舶电站基于发电机负荷率-柴油机热效率协调控制系统的中国专利申请，通过船舶电站管理系统对发电机所发电量与实际需要电量进行比较，从而改变发电机台数，来降低柴油机组的额定功率，但是这种情况在应对负载波动较大的情况下，需要频发启停发电机数量，这将会对柴油机形成冲击，极大影响柴油机使用寿命。一篇专利申请号为cn201710179917.6、名为带有脉冲负载的船舶直流组网电力推进系统及调控方法的中国专利申请，通过直流组网，在船舶脉冲负载较大情况下打开电池进行放电来维持直流组网中负载的稳定，但是对于直流电网中负载较小情况并没有进行改进。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：提供一种船舶推进负载的gru-lstm融合预测网络。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种船舶推进负载的gru-lstm融合预测网络，包括序列输入层、数据预处理层、cnn层、丢弃层、第一全连接层、并列设置的gru层和lstm层、第二全连接层和输出层；

3、序列输入层为某一时刻影响推进负载因素与负载数据本身串联的1个向量，影响推进负载因素包括航速、海浪流速、海浪方向、风速、风向以及吃水深度，航速、海浪流速、海浪方向、风速、风向以及吃水深度以及负载串联成一个向量，作为序列输入层；利用滑动窗口形成新的时间序列数据；

4、数据预处理层对时间序列数据进行卡尔曼滤波；cnn层对滤波处理后的时间序列数据进行特征提取，cnn层通过卷积核运算提取数据局部变化趋势，提取多维时间序列特征；丢弃层的丢弃率为0.2；第一全连接层将经多次核卷积后形成的抽象特征进行汇总，将cnn输出的多维时间序列特征转化成一维向量，最后把转换后的一维向量分别传递给gru层和lstm层；

5、gru层和lstm层分别对cnn层提取的特征向量进行充分学习，记忆长期依赖的历史数据，最终得到其内部特征变化规律，以此对未来推进负载进行预测；gru层和lstm层预测的推进负载输出给第二全连接层；对gru层和lstm层预测的推进负载进行人工神经网络ann运算，得出最终的推进负载预测值由输出层输出。

6、本发明另一个所要解决的技术问题是：提供一种减小推进器负载波动的柴油机的推进负载波动补偿系统。

7、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种柴油机的推进负载波动补偿系统，包括轴带发电电路、电池组电路、pwm逆变电路和柴油发电机组，轴带发电电路用于船舶推进器的输出和整个系统的电力供应；电池组电路用于当推进负载出现剧烈波动时，通过电池组的充放电起到稳定电路系统；pwm逆变电路用于发电后电压的调制；柴油发电机组用于船舶发电；

8、轴带发电电路中包括柴油发动机、发电机、推进器、dv/dt滤波电路和全桥整流电路；柴油发动机与发电机和推进器同轴相连，发电机与dv/dt滤波电路相连，最后接入全桥整流电路；当柴油发动机工作时带动同轴的推进器和发电机旋转，发电机发出的三相交流电进入dv/dt滤波电路进行滤波，再进行全桥整流电路将三相电转变为直流电；

9、电池组电路中包括电池组和buck电路；经过全桥整流电路后的直流进入buck电路进行降压斩波后最后进入电池组；

10、pwm逆变电路包括逆变电路、pwm整流电路和负载；逆变电路将直流电转变成为交流电，经过pwm整流电路转变为220v/50hz的交流电，为船舶上负载供电。

11、本发明另一个所要解决的技术问题是：提供一种维持柴油的稳定工作，从而节约燃料并延长柴油机的使用寿命的上述柴油机的推进负载波动补偿系统的补偿方法。

12、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：柴油机的推进负载波动补偿系统的补偿方法，具体如下：

13、船舶推进柴油机的预测功率p柴＝p电池+p发电机+p推进，p电池为电池组的实时功率、p发电池为发电机的实时功率、p推进为上述推进负载的gru-lstm融合预测网络预测的推进负载功率，在预测的推进负载出现波动超过5％时，对p柴进行高通滤波，去除直流分量，得到了p柴的交流分量即波动分量，通过pi控制器将该波动分量和目标分量0进行比较，pi控制器的输出即为电池的充电电流，将该充电电流值作为输入，根据该电流值对电池实施充放电控制，由电池组来平衡波形，对功率波形进行修整，使得总体维持一个稳定的功率。

14、本发明的有益效果是：

15、通过推进负载gru和lstm融合预测网络对推进器负载进行预测，根据预测结果进行电池组进行充放电控制，避免根据推进器的实时负载进行电池组进行充放电控制导致的滞后性。

16、在海况条件不佳的情况下，推进器的负载呈现出剧烈的波动，通过电池组对柴油机的功率波动进行限制，由电池组承受功率的波动，达到稳定柴油机的功率，从而减少柴油机的能源消耗，增加柴油机的使用寿命。

17、当负载略微超过轴带发电机组的最大输出功率时，电池组可以短时间内提供电力，能够避免发电机组的频繁启停，延长发电机组的寿命。

18、在日用负载较低的情况下，柴油机轴带发电的产生功率大于总消耗功率时，能够对电池组进行充电，为电池组供电积蓄能量。

19、采用电池组，还能替代一台发电机组，减少船舶重量，能够带动更多货物。

技术特征：

1.一种船舶推进负载的gru-lstm融合预测网络，其特征在于：包括序列输入层、数据预处理层、cnn层、丢弃层、第一全连接层、并列设置的gru层和lstm层、第二全连接层和输出层；

2.一种柴油机的推进负载波动补偿系统，其特征在于：包括轴带发电电路、电池组电路、pwm逆变电路和柴油发电机组，轴带发电电路用于船舶推进器的输出和整个系统的电力供应；电池组电路用于当推进负载出现剧烈波动时，通过电池组的充放电起到稳定电路系统；pwm逆变电路用于发电后电压的调制；柴油发电机组用于船舶发电；

3.如权利要求2所述的柴油机的推进负载波动补偿系统的补偿方法，具体如下：

技术总结
本发明公开了一种船舶推进负载的GRU‑LSTM融合预测网络及基于其的柴油机推进负载波动补偿系统和补偿方法。预测网络通过推进负载GRU和LSTM融合预测网络对推进器负载进行预测，根据预测结果进行电池组冲放电控制，避免根据推进器的实时负载进行电池组冲放电控制导致的滞后性。柴油机推进负载波动补偿系统在海况条件不佳的情况下，推进器的负载呈现出剧烈的波动，通过电池组对柴油机的功率波动进行限制，由电池组承受功率的波动，达到稳定柴油机的功率。当负载超过轴带发电机组的最大输出功率时，电池组可以短时间内提供电力，能够避免发电机组的频繁启停，在日用负载较低的情况下，柴油机轴带发电的产生功率大于总消耗功率时，能够对电池组进行充电。

技术研发人员：邵诗逸,岳凡,常国梅,王亚荣,武治江,郭伟,徐国林
受保护的技术使用者：无锡赛思亿电气科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15