一种船舶用可再生能源混合动力系统的制作方法

本发明属于可再生能源混合动力技术领域，具体涉及一种船舶用可再生能源混合动力系统。

背景技术：

如今一方面伴随着传统的化石能源（煤、石油、天然气等）的日渐枯竭，另一方面面临着全球环境的不断恶化。因此，对绿色、节能、环保、可再生能源的需求意识空前高涨。传统能源的不断使用对河道、海域的污染已经到了岌岌可危的程度，据有关调查研究显示，世界海洋环境中的污染至少有35%以上来源于船舶，而其最为主要的就是油污，这不但危害了生物资源的多样性，对于人类的生命健康也产生了威胁。针对这种时代的需求，最近几十年人们一直致力于通过开发替代能源解决此类问题，并提出了许多解决方案，如蓄电池或者内燃机与蓄电池联合供能等方式，但已有方案船舶的续航能力有限或者无法彻底摆脱化石能源。因氢燃料电池具有零排放和高能量密度等优点，可以作为船舶运行的主要动力源，但是由于燃料电池的动态响应差，针对工况的剧烈变化，可能会导致功率无法适应工况的需求；超级电容具有功率密度较高且反应迅速，可以很好的适应工况的变化，蓄电池具有性能稳定、安全可靠、功率密度高、能量密度低等特点，故如果将蓄电池和超级电容进行组合，则能够很好承担船舶在运行过程中工况的突变和波动；针对船舶具有光照面积大，光照直接等特点，将太阳能光伏电池运用到船舶上，当功率需求高时，可直接将太阳能转化为电能供电，当功率需求小时，将太阳能光伏电池与质子交换膜水电解器相连，进行水解制备氢气和氧气，作为燃料电池的燃料以及备用氧气，则能够为船舶节省大量能源。故本发明采用以氢燃料电池作为主要供能装置、太阳能光伏电池作为辅助供能装置，蓄电池和超级电容的进行能量回收和功率补充，并采用质子交换膜水电解器进行电解制备氢气和氧气。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述船舶在航行过程中采用化石能源系统和传统可再生能源系统进行驱动的问题和不足，提供一种船舶用可再生能源混合动力系统。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种船舶用可再生能源混合动力系统，包括太阳能光伏电池、燃料电池、蓄电池、超级电容、质子交换膜水电解器、直流/交流逆变器和永磁同步电动机；所述太阳能光伏电池连接质子交换膜水电解器，所述太阳能光伏电池、燃料电池还分别经第一单向升压型变换器、第二单向升压型变换器接入直流母线，所述蓄电池、超级电容分别经第一双向升降压型变换器、第二双向升降压型变换器接入直流母线，所述直流母线经直流/交流逆变器与永磁同步电动机相连，以带动船舶正常工作；还包括一用于控制各模块工作状态的控制器，以控制整个系统的工作模式。

在本发明实施例中，所述质子交换膜水电解器的输出端还与储氢容器、储氧容器连接，所述储氢容器与燃料电池的氢气供给端连接。

在本发明实施例中，当环境光强大于预设光强阈值，且需求功率小于预设功率阈值时，控制器通过太阳能光伏电池控制质子交换膜水电解器工作，产生氢气、氧气，并通过储氢容器、储氧容器存储，以为燃料电池提供燃料和备用氧气。

在本发明实施例中，控制器能够根据太阳能光伏电池的放电特性，对第一单向升压型变换器进行占空比调节，控制第一单向升压型变换器的输入电流大小，从而实现对太阳能光伏电池输出功率的控制。

在本发明实施例中，控制器能够根据燃料电池的放电特性，对第二单向升压型变换器进行占空比调节，控制第二单向升压型变换器的输入电流大小，从而实现对燃料电池输出功率的控制。

在本发明实施例中，控制器能够对第一双向升降压型变换器进行占空比调节，具体的：升压模式下，采用第一双向升降压型变换器的升压型变换器模式控制输出电压大小，为直流母线提供稳定的电压及补充因工况突变造成的功率需求；降压模式下，采用第一双向升降压型变换器的降压型变换器模式控制充电电压大小，为蓄电池提供稳定的充电电压。

在本发明实施例中，所述蓄电池为锂电池。

在本发明实施例中，控制器能够对第二双向升降压型变换器进行占空比调节，具体的：升压模式下，采用第二双向升降压型变换器的升压型变换器模式控制输出电压大小，为直流母线提供稳定的电压及补充因工况突变造成的功率需求；降压模式下，采用第二双向升降压型变换器的降压型变换器模式控制充电电压大小，为超级电容提供稳定的充电电压。

在本发明实施例中，该系统的工作方式如下：

（1）针对太阳能的利用，当功率需求大于预设功率阈值时，通过太阳能光伏电池将太阳能转化为电能进行能量供给；当功率需求小于预设功率阈值时，利用太阳能通过太阳能光伏电池发电进行质子交换膜水电解器水解制备氢气、氧气，并分别存储入储氢容器和储氧容器，以为燃料电池提供燃料和备用氧气；

（2）对于蓄电池和超级电容，根据其荷电状态来判断工作模式，当蓄电池的荷电状态低于80%，超级电容的荷电状态高于50%而系统需求功率小于预设功率阈值时，对蓄电池进行充电，超级电容维持额定母线电压和需求功率的输出；当蓄电池的荷电状态高于80%，超级电容的荷电状态低于50%而系统的需求功率小于预设功率阈值时，对超级电容进行充电；

（3）针对动力源供能，对太阳能光伏电池、燃料电池分别采用第一、第二单向升压型变换器控制第一、第二单向升压型变换器的输入电流，具体的根据燃料电池和太阳能光伏电池的放电特性，即：当电池确定后，电流、电压和功率具有一一对应的关系，对于太阳能光伏电池、燃料电池，通过控制器对第一、第二单向升压型变换器进行占空比调节，进行第一、第二单向升压型变换器的输入电流控制，即可间接的实现对输出功率的控制；对蓄电池和超级电容分别采取第一、第二双向升降压型变换器的电压控制，当需求功率大于预设功率阈值时，选择蓄电池或超级电容中的一方，采用升压变换器模式，通过控制器对第一或第二双向升降压型变换器进行占空比调节，维持稳定的母线电压，补偿动力系统的功率需求，同时利用蓄电池和超级电容可进行高电流倍率、大功率、快速响应的放电特性，补偿动力系统功率需求；当需求功率小于预设功率阈值时，对蓄电池和超级电容其中需要充电的一方，采用降压变换器模式，通过控制器对第一或第二双向升降压型变换器进行占空比调节，控制充电电压，进行充电，对未进行充电的一方，采用升压变换器模式，通过控制器对第一或第二双向升降压型变换器进行占空比调节，控制母线电压，维持额定的母线电压

在本发明实施例中，所述第一单向升压型变换器、第二单向升压型变换器、第一双向升降压型变换器、第二双向升降压型变换器均为直流/直流变换器。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、采用可再生能源混合动力，摆脱了对传统化石能源的依赖，为船舶航行提供了完整的可再生能源的混合供能方案；

2、充分发挥蓄电池和超级电容的快速响应供电特性，满足工况突变时的功率需求，弥补燃料电池和光伏电池放电反应时间长的不足；

3、根据船舶光照充足的特征，充分利用太阳能，一方面当功率需求大时用来直接供能，另一方面当功率需求小时用来进行制氢和制氧，可作为燃料电池的燃料以及备用氧气；

4、将质子交换膜水电解器进行水解制氢运用到船舶上，与碱性水电解相比，使系统设计更加紧凑，电流密度大、转化效率高；

5、利用蓄电池和超级电容的可循环充放电等特性，回收船舶制动时的能量以及供能时的多余能源。

附图说明

图1：可再生混合动力系统整体结构图。

图2：燃料电池供电原理图。

图3：光伏电池供电原理图。

图4：蓄电池供/充电原理图。

图5：超级电容供/充电原理图。

图6：模式一的可再生能源功率需求及供给分配仿真图。

图7：模式一的蓄电池降压变换器模式的充电电压控制效果仿真图。

图8：模式一的超级电容升压变换器模式控制输出母线电压仿真图。

图9：模式一的光伏电池单向升压变换器输入电流控制效果图。

图10：模式一的燃料电池单向升压变换器输入电流控制效果图。

图11：模式二的可再生能源功率需求及供给分配仿真图。

图12：模式二的超级电容降压变换器模式的充电电压控制效果仿真图。

图13：模式二的蓄电池升压变换器模式控制输出母线电压仿真图。

图14：模式二的光伏电池单向升压变换器输入电流控制效果图。

图15：模式二的燃料电池单向升压变换器输入电流控制效果图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明公开一种船舶用可再生能源混合动力系统，本领域从业人员可以借鉴上述内容，在此基础上做出相应改进，需要在此声明的是，所有类似的替换和改动相对于从业人员而言是显而易见的，它们都视为包括在本专利之中，并且从业人员不得在本专利内容的基础上进行内容的改动或适当的变更与组合，对本专利技术进行应用。

本发明提供的一种船舶用可再生能源混合动力系统主要包括：由燃料电池、太阳能光伏电池、蓄电池、超级电容、质子交换膜水电解器、直流/直流变换器、直流/交流逆变器和永磁同步电动机以及控制系统等组成。

在该系统中，具体的实施方式为，如图1所示，太阳能光伏电池和燃料电池经单向升压型变换器与直流母线并联、燃料电池和超级电容经双向升降压型变换器与直流母线并联的方式连接，直流母线再经直流/交流逆变器与永磁同步电动机相连。质子交换膜水电解器与太阳能光伏电池并联，进行制氢和制氧，同时质子交换膜水电解器的氢气和氧气输出端与储氢容器和储氧容器相连，储氢容器再与燃料电池氢气输入端相连，储氧容器存储备用氧气。所述一种船舶用可再生混合动力系统在不同的工作条件选取不同的供电方式，针对太阳能的利用，当功率需求量大时，通过太阳能光伏电池将太阳能转化为电能进行能量供给；当功率需求量小时，将太阳能通过利用太阳能光伏电池发电进行质子交换膜水电解器水解制备氢气、氧气，并将氢气和氧气分别接入储氢容器和储氧容器，储氢容器与燃料电池氢气输入端相连，作为燃料电池的燃料，储氧容器存储备用氧气。对于蓄电池和超级电容，根据其荷电状态来判断工作模式，当蓄电池的荷电状态低于80%，超级电容的荷电状态高于50%而系统需求功率不高时，对蓄电池进行充电，超级电容维持额定母线电压和需求功率的输出；反之，当蓄电池的荷电状态高于80%，超级电容的荷电状态低于50%而系统的需求功率不高时，对超级电容进行充电。针对动力源供能的控制方法，对燃料电池和太阳能光伏电池采用单向升压型变换器控制单向升压型变换器的输入电流，如图2、图3所示，该控制原理主要是根据燃料电池和太阳能光伏电池的放电特性，即：当电池确定后，电流、电压和功率具有一一对应的关系，故对于燃料电池、太阳能光伏电池，通过控制器对单向升压型变换器进行占空比调节，进行单向升压型变换器的输入电流控制，就可以间接的实现对输出功率的控制。对蓄电池（图4）和超级电容（图5）采取双向升降压型变换器的电压控制，当需求功率无法满足的时候，选择蓄电池（图4）或超级电容（图5）中的一方，采用升压变换器模式，通过控制器对双向升降压型变换器进行占空比调节，维持稳定的母线电压，补偿动力系统的功率需求，同时利用蓄电池和超级电容可进行高电流倍率、大功率、快速响应的放电特性，补偿动力系统功率需求；当需求功率较小或者能量回收时，对蓄电池和超级电容其中需要充电的一方，采用降压变换器模式，通过控制器对双向升降压型变换器进行占空比调节，控制充电电压，进行充电。对未进行充电的一方，采用升压变换器模式，通过控制器对双向升降压型变换器进行占空比调节，控制母线电压，维持额定的母线电压。在其中的控制部分，主要技术参数为单向/双向的升降压型变换器的感抗、容抗、占空比调节的参数以及模型兼容性的搭配。

为验证上述一种可再生能源的混合动力系统，做以下模式设定并进行仿真：

模式一：燃料电池、光伏电池和超级电容为船舶供电，同时为蓄电池充电，设定电动机的额定工作母线电压为700v。

设定工况：船舶在0-2秒需求功率为12.250kw，2-4秒需求功率为14kw，4-6秒需求功率为16.333kw，其中燃料电池全程高功率输出，光伏电池作为辅助输出，超级电容作为功率补充以及满足工况变化时的功率波动，蓄电池处于被充电状态。

通过将太阳能光伏电池和燃料电池经单向升压型变换器与直流母线并联、蓄电池和超级电容经双向升降压型变换器与直流母线并联的方式连接，直流母线再经直流/交流逆变器与永磁同步电动机相连。对燃料电池、太阳能光伏电池采用单向升压型变换器控制单向升压型变换器的输入电流，进行功率输出；对蓄电池采用双向升降压型变换器的降压变换器模式控制充电电压。对超级电容采用双向升降压型变换器的升压变换器模式控制母线电压，维持额定的母线电压。其对输出功率和工作电压的控制效果十分良好，如图6、图7、图8、图9、图10所示，系统的输出功率、母线电压、充电电压和工作电流均在0.2秒内都已进入稳定状态，达到目标值，其中母线电压达到额定值700v，功率达到12.250kw。

模式二：燃料电池、光伏电池和蓄电池为船舶供电，同时为超级电容充电，设定电动机的额定工作电压为700v。

设定工况：船舶在0-2秒需求功率为12.250kw，2-4秒需求功率为14kw，4-6秒需求功率为16.333kw，其中燃料电池全程高功率输出，光伏电池作为辅助输出，蓄电池作为功率补充，满足工况变化时的功率波动，超级电容处于被充电状态。

通过将太阳能光伏电池和燃料电池经单向升压型变换器与直流母线并联、蓄电池和超级电容经双向升降压型变换器与直流母线并联的方式连接，直流母线再经直流/交流逆变器与永磁同步电动机相连。对燃料电池、太阳能光伏电池采用单向升压型变换器控制单向升压型变换器的输入电流，进行功率输出；对超级电容采用双向升降压型变换器的降压变换器模式控制充电电压。对蓄电池采用双向升降压型变换器的升压变换器模式控制母线电压，维持额定的母线电压。其对输出功率和工作电压的控制效果十分良好，如图11、图12、图13、图14、图15所示，系统的输出功率、母线电压、充电电压和工作电流均在0.2秒内都已进入稳定状态，达到目标值，其中母线电压达到额定值700v，功率达到12.250kw。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。