一种船舶分布式能量管理方法、系统及基于分区的船舶电力系统

本发明涉及船舶能量管理，特别是涉及一种船舶分布式能量管理方法、系统及基于分区的船舶电力系统。

背景技术：

1、船舶能量管理是指针对各种航行工况，通过一系列技术，自动选择供配电及保护策略。目前对船舶能量管理的研究多为集中式，具有易于实现，且能够收敛到全局最优解的优点。但，船载负荷受海况、季节、风向、船舶航行方式等因素影响较大，环境的干扰和巡航计划的变化会导致推进负荷的不确定性和波动，从而增加负荷预测和能量管理的难度。

技术实现思路

1、发明目的：为解决环境干扰和巡航计划变化导致的推进负荷的不确定性和波动，从而增加负荷预测和能量管理的难度，本发明提出了一种船舶分布式能量管理方法、系统及基于分区的船舶电力系统，实现提高燃油效率、降低海洋运输的燃油消耗以及增强船舶运行的抗扰性。

2、技术方案：一种船舶分布式能量管理方法，将根据电气设备的物理位置将船舶电力系统分为多个区域；在每个区域中均包括主电源和辅助电源；以及在每个区域内，执行以下步骤实现能量管理：

3、步骤1：获取当前区域内的负载需求，以及获取邻居区域传输的功率；

4、步骤2：根据当前区域内的负载需求，确定辅助电源的工作状态；

5、步骤3：根据当前区域内的负载需求和辅助电源的工作状态，确定主电源的工作状态；

6、步骤4：基于当前区域内的负载需求、主电源的工作状态和辅助电源的工作状态，构建当前区域内最小等效燃油消耗目标函数及约束条件；

7、步骤5：采用改进的交替方向乘子法求解目标函数，得到约束条件下，目标函数最小时的主电源的最优工作状态和辅助电源的最优工作状态；

8、步骤6：按照步骤5得到的主电源的最优工作状态和辅助电源的最优工作状态，对当前区域内的主电源和辅助电源进行控制。

9、进一步的，所述主电源为柴油发电机，所述辅助电源为蓄电池。

10、进一步的，所述的最小等效燃油消耗目标函数，表示为：

11、

12、

13、式中，表示在s+1次迭代时第i区域的控制变量，表示在s+1次迭代时从第i区域传输到第j区域的传输功率，表示在s次迭代时第i区域的控制变量，表示在s次迭代时从第i区域传输到第j区域的传输功率，表示第i个区域的拉普拉斯算子在第s次迭代时的值，表示所有区域柴油主电源等效油耗与辅助电源等效油耗的和，ρ表示常数，表示一个向量与另一个向量之间的欧几里得距离的平方，zmid,i,j为相邻区域之间传输功率的中间值；zi,j表示第i区域与第j区域之间传输功率的局部变量；u＝[ndg,ib]t表示控制变量，ndg表示柴油发电机机的转速，ib表示蓄电池的电流。

14、进一步的，所述约束条件包括：船舶电能供给约束条件，表示为：

15、

16、其中，pi,dg为第i个区域柴油发电机的功率，pi,b为第i个区域蓄电池的功率，pi,lowfreq为第i个区域低频负载的总功率需求量，pi,j为从第i区域传输到第j区域的传输功率，n为船舶电力系统的总区域数，ni表示第i个区域的邻居集合，tk表示第tk时刻。

17、进一步的，所述约束条件包括：柴油发电机转速约束条件，表示为：

18、ni,dg(tk)∈[ndg.min,ndg.max]

19、其中，ni,dg为柴油发电机转速，ndg.min、ndg.max分别为柴油发电机的最小转速与最大转速；

20、所述约束条件还包括：蓄电池充放电电流约束条件，表示为：

21、ii,b(tk)∈[ib,min,ib,max]

22、其中，ii,b为蓄电池充放电电流，ib,min、ib,max分别为蓄电池的最小与最大充放电电流；

23、所述约束条件还包括：蓄电池soc值约束条件，表示为：

24、soci,b(tk)∈[socb,min,socb,max]

25、其中，soci,b为蓄电池荷电状态，socb,min、socb,max分别为蓄电池最小与最大荷电状态；

26、所述约束条件还包括：船舶分区电力系统相邻区域交换功率约束条件，表示为：

27、pi,j∈[pi,j.min,pi,j.max]

28、其中，pi,j.min、pi,j.max分别为从第i区域传输到第j区域的功率的最小值和最大值。

29、进一步的，所述所有区域柴油主电源等效油耗与辅助电源等效油耗的和，表示为：

30、

31、mi,total(tk)＝kdg·mdg(tk)+mb(tk)

32、mdg＝sfoc·pdg(tk)/(ndg·3.6·106)

33、

34、mb(tk)＝efb(tk)·sfoceq·pb(tk)/(3.6·106)

35、

36、其中，mi,total(tk)表示第i个区域在第tk时刻时柴油主电源等效油耗与辅助电源等效油耗的和，mdg为柴油发电机的油耗，mb为蓄电池等效转换的油耗，ndg为柴油发电机的转速，a0～a4表示固定参数，kdg为柴油发电机的开关状态，efb为蓄电池的等效系数，sfoc为柴油发电机的油耗值，sfoceq为蓄电池的参考油耗值，pdg、pb分别为柴油发电机与蓄电池的功率；voc表示蓄电池的开路电压，ib表示蓄电池的电流，rb表示蓄电池的相关电阻参数；

37、蓄电池的等效系数efb表示为：

38、

39、其中，nchg、ndis分别表示蓄电池的充电效率与放电效率，kb为蓄电池的惩罚系数，可表示为：

40、

41、其中，μb为定值，socb.desire为蓄电池所需的soc状态。

42、进一步的，所述的采用改进的交替方向乘子法求解目标函数，得到约束条件下，目标函数最小时的柴油发电机的最优工作状态和蓄电池的最优工作状态，具体包括：

43、通过获取柴油发电机的转速ndg和蓄电池的电流ib，得到柴油发电机的功率pdg和蓄电池的功率pb；

44、获取柴油发电机的功率pdg、蓄电池的功率pb、蓄电池的荷电状态，最小等效燃油消耗目标函数、柴油发电机的开关信号kdg和低频负载功率plowfreq；

45、设置改进的交替方向乘子算法求解过程中各个基本参数，包括：控制变量ui、向相邻区域的传送功率pi,j、中间变量zi,j、中间变量zmid,i,j和中间变量λ；s为交替方向乘子法的迭代索引；

46、按照下式进行循环迭代：

47、

48、

49、

50、使用约束条件判别迭代结果属于可行解；

51、迭代结束，得到约束条件下，目标函数最小时的柴油发电机的最优工作状态和蓄电池的最优工作状态，实现最优功率分配。

52、本发明公开了一种船舶分布式能量管理系统，包括：

53、船舶当前负载需求获取模块，用于获取当前区域内的负载需求，以及获取邻居区域传输的功率；

54、辅助电源工作状态确定模块，用于根据当前区域内的负载需求，确定辅助电源的工作状态；

55、主电源工作状态确定模块，用于根据当前区域内的负载需求和辅助电源的工作状态，确定主电源的工作状态；

56、优化模块，用于当前区域内的负载需求、主电源的工作状态和辅助电源的工作状态，构建当前区域内最小等效燃油消耗目标函数及约束条件；采用改进的交替方向乘子法求解目标函数，得到约束条件下，目标函数最小时的主电源的最优工作状态和辅助电源的最优工作状态；

57、控制模块，用于按照优化模块得到的主电源的最优工作状态和辅助电源的最优工作状态，对当前区域内的主电源和辅助电源进行控制；

58、该船舶分布式能量管理系统适用于多个区域的船舶电力系统中，所述船舶电力系统根据电气设备的物理位置分为多个区域，在每个区域中均包括主电源和辅助电源；以及在每个区域内部署船舶分布式能量管理系统。

59、进一步的，所述主电源为柴油发电机，所述辅助电源为蓄电池；

60、所述的最小等效燃油消耗目标函数，表示为：

61、

62、

63、式中，表示在s+1次迭代时第i区域的控制变量，表示在s+1次迭代时从第i区域传输到第j区域的传输功率，表示在s次迭代时第i区域的控制变量，表示在s次迭代时从第i区域传输到第j区域的传输功率，表示第i个区域的拉普拉斯算子在第s次迭代时的值，表示所有区域柴油主电源等效油耗与辅助电源等效油耗的和，ρ表示常数，表示一个向量与另一个向量之间的欧几里得距离的平方，zmid,i,j为相邻区域之间传输功率的中间值；zi,j表示第i区域与第j区域之间传输功率的局部变量；u＝[ndg,ib]t表示控制变量，ndg表示柴油发电机机的转速，ib表示蓄电池的电流；

64、所述约束条件包括：船舶电能供给约束条件、柴油发电机转速约束条件、蓄电池充放电电流约束条件、蓄电池soc值约束条件和船舶分区电力系统相邻区域交换功率约束条件；

65、所述所有区域柴油主电源等效油耗与辅助电源等效油耗的和，表示为：

66、

67、mi,total(tk)＝kdg·mdg(tk)+mb(tk)

68、mdg＝sfoc·pdg(tk)/(ndg·3.6·106)

69、

70、mb(tk)＝efb(tk)·sfoceq·pb(tk)/(3.6·106)

71、

72、其中，mi,total(tk)表示第i个区域在第tk时刻时柴油主电源等效油耗与辅助电源等效油耗的和，mdg为柴油发电机的油耗，mb为蓄电池等效转换的油耗，ndg为柴油发电机的转速，a0～a4表示固定参数，kdg为柴油发电机的开关状态，efb为蓄电池的等效系数，sfoc为柴油发电机的油耗值，sfoceq为蓄电池的参考油耗值，pdg、pb分别为柴油发电机与蓄电池的功率；voc表示蓄电池的开路电压，ib表示蓄电池的电流，rb表示蓄电池的相关电阻参数；

73、蓄电池的等效系数efb表示为：

74、

75、其中，nchg、ndis分别表示蓄电池的充电效率与放电效率，kb为蓄电池的惩罚系数，可表示为：

76、

77、其中，μb为定值，socb.desire为蓄电池所需的soc状态。

78、本发明公开了一种基于分区的船舶电力系统，根据电气设备的物理位置分为多个区域；在每个区域中均包括主电源、辅助电源、局部控制器和能量管理系统；

79、所述局部控制器，用于收集本区域和邻居区域的信息，并根据来自能量管理系统的本区域内的最优功率分配策略，控制主电源和辅助电源；

80、所述能量管理系统，用于采用船舶分布式能量管理方法，利用来自局部控制器的信息，得到本区域内的最优功率分配策略；

81、所述船舶分布式能量管理方法为上述公开的一种船舶分布式能量管理方法。

82、有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

83、(1)本发明方法通过超级电容工作状态、分离船舶高频、低频负载、柴油发电机开/关信号，来确定各区域柴油发电机与蓄电池的工作状态，从而实现分布式能量管理策略，该管理策略不仅可以实现燃油效率体提高，还可以在航行过程中可以很好地保持能量储备；

84、(2)本发明方法可以实现能量的合理分配，提高能量利用率，节省能耗，有效保证系统工作的稳定性，易于实现、通用性强、可靠性高，具有广泛的应用前景；

85、(3)本发明提出的基于分区的船舶电力系统，每个区域都能够满足其本地负载需求，从而实现船舶更可靠和更有弹性的运行。