用于氢能驱动船舶的柔性直流环网供电系统及其工作方法

本发明属于船舶电力系统和供电系统，更具体地，涉及一种用于氢能驱动船舶的柔性直流环网供电系统及其工作方法。

背景技术：

1、氢能驱动船舶是一种高能量利用效率的新型绿色船舶，能够减少化石燃料消耗和航行中的污染物排放。传统机械推进系统存在噪声大、调速范围小、灵活性和经济性差等问题，而氢燃料电池作为一种新型绿色动力装置，具有零排放、无污染、可再生等特点，可替代内燃机，实现船舶动力系统的转型升级。氢燃料电池能量密度高、转换效率高、环境适应性强，是理想的船舶电力推进系统动力源。

2、采用氢燃料电池作为主电源的船舶目前广泛采用辐射型供电系统作为直流供电系统，氢燃料电池与储能系统分别连接至两条直流母线上，并通过两条直流母线分配电力，两条直流母线由一个母联开关连接，左、右推进器、侧推器、辅助负载、日用负载等经变频器分别连接到两条直流母线上，其主要优点在于结构简单，投资成本低。

3、然而，现有的辐射型供电系统存在一些不可忽略的缺陷：

4、第一、电源与负载只能连接至两条直流母线上，使得两条直流母线需要配置更粗的电缆来获得更高的传输容量，且仅通过两条母线传输使得负荷更为集中，容易引发输电线路的过载问题，增加系统运行的风险；

5、第二、该系统由于存在供电可靠性差和灵活性差的缺点，因此当母线故障或检修时，会导致所有与母线连接的负载断电，从而影响所有连接的电源和负载；

6、第三、该系统采用锂电池作为储能系统的电源，在长期使用中可能需要频繁更换元件，增加维护成本，且控制模式单一，调度运行不够灵活，限制了对潮流变化的适应能力，也难以兼顾多种性能需求。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于氢能驱动船舶的柔性直流环网供电系统及其工作方法，其目的在于，解决现有辐射型供电系统由于负荷集中，导致容易引发输电线路过载的技术问题，以及故障隔离能力差、故障恢复时间长、供电可靠性低的技术问题，以及控制模式单一、调度运行不够灵活、难以适应潮流变化、难以兼顾各种性能需求的技术问题。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于氢能驱动船舶的柔性直流环网供电系统，包括直流环网主系统、第一氢燃料电池供电系统(1)、第一复合储能系统(2)、第二氢燃料电池供电系统(3)、第二复合储能系统(4)、第一区域负载系统(5)、第二区域负载系统(6)、监测系统(7)、能量管理系统(8)、日用交流配电网系统(14)、第一辅助负载(15)、以及第二辅助负载(16)，第一氢燃料电池供电系统(1)、第一复合储能系统(2)，直流环网主系统包括第一直流母线(10)、第二直流母线(11)、第三直流母线(12)、以及第四直流母线(13)，这四根直流母线通过四个固态开关(9)首尾电连接；

3、第一氢燃料电池供电系统(1)、第一复合储能系统(2)与第一直流母线电连接，第二氢燃料电池供电系统(3)、第二复合储能系统(4)与第二直流母线(11)电连接；

4、第一区域负载系统(5)分别与第一直流母线(10)以及第三直流母线(12)电连接，第二区域负载系统(6)分别与第二直流母线(11)以及第四直流母线(13)电连接；

5、监测系统(7)通过弱电信号线路分别与第一氢燃料电池供电系统(1)、第二氢燃料电池供电系统(3)、第一复合储能系统(2)、第二复合储能系统(4)、第一区域负载系统(5)、以及第二区域负载系统(6)电连接，并与第一直流母线(10)第二直流母线(11)、第三直流母线(12)、以及第四直流母线(13)电连接，以实时监测各个系统与直流母线的实时状态；

6、能量管理系统(8)与监测系统(7)、第一氢燃料电池供电系统(1)、第二氢燃料电池供电系统(3)、第一复合储能系统(2)、以及第二复合储能系统(4)电连接；

7、日用交流配电网系统(14)分别与第三直流母线(12)以及第四直流母线(13)电连接；

8、第一辅助负载(15)与第三直流母线(12)电连接，第二辅助负载(16)与第四直流母线(13)电连接。

9、优选地，第一区域负载系统(5)与第一辅助负载(15)设置于氢能驱动船舶的左舷区域，第二氢燃料电池供电系统(3)、第二复合储能系统(4)、第二区域负载系统(6)与第二辅助负载(16)设置于氢能驱动船舶的右舷区域；

10、第一氢燃料电池供电系统(1)和第二氢燃料电池供电系统(3)完全相同，第一复合储能系统(2)和第二复合储能系统(4)完全相同；

11、第一氢燃料电池供电系统(1)包括氢燃料电池(1-1)、升压直流变换器(1-2)、直流断路器(1-3)、以及保护模块(1-4)，氢燃料电池(1-1)依次经过升压直流变换器(1-2)、直流断路器(1-3)、以及保护模块(1-4)与第一直流母线(10)电连接；

12、第一复合储能系统(2)包括锂电池(2-1)、第一双向直流变换器(2-3)、超级电容(2-2)、第二双向直流变换器(2-4)、直流断路器(2-5)、以及保护模块(2-6)，锂电池(2-1)通过第一双向直流变换器(2-3)、直流断路器(2-5)、以及保护模块(2-6)与第一直流母线(10)电连接，超级电容(2-2)通过第二双向直流变换器(2-4)、直流断路器(2-5)、以及(保护模块2-6)与第一直流母线(10)电连接。

13、优选地，第一区域负载系统(5)和第二区域负载系统(6)完全相同，第一辅助负载(15)和第二辅助负载(16)完全相同；

14、第一区域负载系统(5)包括推进电机(5-1)、侧推器(5-2)、冲击负载(5-3)、dc/ac逆变器(5-4)、第一区域配电板(5-5)、保护模块(5-6)以及直流断路器(5-7)，推进电机(5-1)、侧推器(5-2)和冲击负载(5-3)均通过dc/ac逆变器(5-4)、直流断路器(5-7)与第一区域配电板(5-5)电连接，第一区域配电板(5-5)通过保护模块(5-6)分别与第一直流母线(10)以及第二直流母线12电连接；

15、第一辅助负载(15)包括(保护模块15-1)、直流断路器(15-2)、dc/ac逆变器(15-3)、隔离变压器(15-4)、以及辅助设备(15-5)，辅助设备(15-5)通过隔离变压器(15-4)、dc/ac逆变器(15-3)、直流断路器(15-2)、以及保护模块(15-1)连接至第三直流母线(12)。

16、优选地，日用交流配电网系统(14)包括保护模块(14-1)、直流断路器(14-2)、dc/ac逆变器(14-3)、隔离变压器(14-4)、交流断路器(14-5)、一对交流配电板(14-6)、母联开关14-7、以及一对日用负载(14-8)；

17、第三直流母线(12)和第四直流母线(13)都经过保护模块(14-1)、直流断路器(14-2)、dc/ac逆变器(14-3)、隔离变压器(14-4)、交流断路器(14-5)、以及保护模块(14-1)分别连接至一个交流配电板(14-6)；

18、两个交流配电板(14-6)通过母联开关(14-7)彼此连接，并通过交流断路器(14-5)分别为各自对应的一个日用负载(14-8)供电。

19、按照本发明的另一方面，提供了一种用于氢能驱动船舶的柔性直流环网供电系统的工作方法，包括以下步骤：

20、(1)第一氢燃料电池供电系统、第二氢燃料电池供电系统产生电能，并将其升压至500v分别输出至第一直流母线和第二直流母线，第三、第四直流母线通过固态开关与第一直流母线和第二直流母线电连接，以获得500v的直流电压，同时监测系统根据第一氢燃料电池供电系统和第二氢燃料电池供电系统的输出电压与输出电流判断二者的运行状态处于正常状态、过载状态、还是故障状态，如果二者皆处于正常状态，则转入步骤(5)，如果其中一个处于故障状态、另一个处于正常状态或过载状态，则转入步骤(2)，如果二者皆处于过载状态，则转入步骤(3)，如果二者皆处于故障状态，则能量管理系统发出故障报警信号，并转入步骤(12)；

21、(2)能量管理系统发出故障报警信号，并自动切断发生故障的氢燃料电池供电系统与直流环网主系统的连接，同时监测系统判断另一个氢燃料电池供电系统中氢燃料电池的运行状态是正常状态还是过载状态，如果其处于正常状态，则进入步骤(5)，如果其处于过载状态，则进入步骤(3)；

22、(3)能量管理系统发出过载报警信号，并自动降低处于过载状态的氢燃料电池的输出功率至额定输出功率，并判断此时第一直流母线和第二直流母线的电压是否出现严重跌落，如果是则进入步骤(4)，否则进入步骤(5)；

23、(4)能量管理系统依据重要性对第一区域负载系统、第二区域负载系统、第一辅助负载、第二辅助负载、日用负载进行选择性切除，直到处于过载状态的氢燃料电池供电系统恢复至正常状态、且第一直流母线和第二直流母线的电压保持稳定为止，然后进入步骤(5)；

24、(5)能量管理系统向第一复合储能系统和第二复合储能系统发送控制指令，使第一复合储能系统和第二复合储能系统全部进入电压波动平抑模式，然后转入步骤(6)；

25、(6)能量管理系统获取来自监测系统采集的第一区域负载系统、第二区域负载系统、第一辅助负载、第二辅助负载的电压与电流信号，并根据各自的电压与电流信号生成对应的功率信号，采用二阶滤波控制策略对该功率信号进行分解，以得到第一复合储能系统中第一锂电池的参考功率、第二复合储能系统中第二锂电池的参考功率、第一复合储能系统中第一超级电容的参考功率、以及第二复合储能系统中第二超级电容的参考功率，然后进入步骤(7)；

26、(7)判断第一复合储能系统中第一锂电池的参考功率是否大于其最大功率，如果是，则能量管理系统将第一锂电池的参考功率调整为其最大功率，然后转入步骤(8)，否则直接转入步骤(8)；

27、(8)判断第一复合储能系统中第一超级电容的参考功率是否大于其最大功率，如果是则能量管理系统将第一超级电容的参考功率调整为其最大功率，然后转入步骤(9)，否则直接转入步骤(9)；

28、(9)判断第二复合储能系统中第二锂电池的参考功率是否大于其最大功率，如果是则能量管理系统将第二锂电池的参考功率调整为其最大功率，然后转入步骤(10)，否则直接转入步骤(10)；

29、(10)判断第二复合储能系统中第二超级电容参考功率是否大于其最大功率，如果是则能量管理系统将第二超级电容的参考功率调整为其最大功率，然后转入步骤(11)，否则直接转入步骤(11)

30、(11)第一复合储能系统中的双向直流变换器采用功率跟踪控制方式使其中第一锂电池和第一超级电容的功率分别保持在其参考功率附近，同时第二复合储能系统中的双向直流变换器采用功率跟踪控制策略，使其中第二锂电池和第二超级电容的功率分别保持在其参考功率附近，然后进入步骤(20)；

31、(12)第一复合储能系统中第一锂电池的双向直流变换器切换为电压定值控制方式，第二复合储能系统中第二锂电池的双向直流变换器切换为电压定值控制方式，然后进入步骤(13)；

32、(13)监测系统监测第一复合储能系统中第一锂电池的功率是否超过其最大功率，如果超过则判断第一锂电池处于过载状态，能量管理系统控制第一复合储能系统中第一锂电池的双向直流变换器发出过载报警信号，并自动降低第一锂电池的功率至最大功率120kw，转入步骤(14)，如果未超过，则直接转入步骤(14)；

33、(14)监测系统监测第二复合储能系统中的第二锂电池的功率是否超过其最大功率，如果超过则判断第二锂电池处于过载状态，则能量管理系统控制第二复合储能系统中第二锂电池的双向直流变换器发出过载报警信号并自动降低第二锂电池的功率至最大功率，然后转入步骤(15)；如果未超过，则直接转入步骤(15)；

34、(15)监测系统监测第一直流母线和第二直流母线的电压值，并判断此时第一直流母线和第二直流母线电压是否出现严重跌落，如果是，则能量管理系统依据负载重要性对第一区域负载系统、第二区域负载系统、第一辅助负载、第二辅助负载、日用负载进行选择性切除，直到第一直流母线和第二直流母线的电压保持稳定为止，然后进入步骤(16)，否则直接转入步骤(16)；

35、(16)能量管理系统获取监测系统采集的第一区域负载系统、第二区域负载系统、第一辅助负载、第二辅助负载的电压与电流信号，并根据各自的电压与电流信号生成对应的功率信号，采用一阶滤波策略该功率信号进行分解，以得到第一复合储能系统中第一超级电容的功率参考值、以及第二复合储能系统中第二超级电容的功率参考值，然后进入步骤(17)；

36、(17)判断第一复合储能系统中第一超级电容的参考功率是否大于其最大功率，如果是，则能量管理系统将第一超级电容的参考功率调整为其最大功率，并转入步骤(18)，否则直接转入步骤(18)；

37、(18)判断第二复合储能系统中第二超级电容的参考功率是否大于其最大功率，如果是，则能量管理系统将第二超级电容的参考功率调整为其最大功率，并转入步骤(19)，否则直接转入步骤(19)；

38、(19)第一复合储能系统中第一超级电容的双向直流变换器采用功率跟踪控制方式，使第一超级电容的功率保持在其参考功率附近，同时第二复合储能系统中第二超级电容的双向直流变换器采用功率跟踪控制方式，使第二超级电容的功率保持在其参考功率附近，然后进入步骤(20)；

39、(20)监测系统监测第一直流母线、第二直流母线、第三直流母线、第四直流母线的差动电流，并判断四个差动电流中的任何一个是否超过设定阈值，如果是则判断该差动电流所在直流母线的区域内发生短路故障，然后进入步骤(21)，否则进入步骤(29)；

40、(21)监测系统产生保护信号，并判断该短路的直流母线是否连接有氢燃料电池供电系统和复合储能系统，如果有则进入步骤(22)，否则进入步骤(27)；

41、(22)监测系统将保护信号发送至与短路的直流母线电连接且最近的固态开关，以及与该短路的直流母线电连接的氢燃料电池供电系统、复合储能系统、区域负载系统内的保护模块；保护模块将该短路的直流母线与这些氢燃料电池供电系统、复合储能系统、区域负载系统隔离；固态开关断开，以将该短路的直流母线和与其电连接的其他直流母线隔离，然后进入步骤(23)；

42、(23)位于该短路的直流母线连接的区域负载系统相对于该短路的直流母线另一侧的直流母线对与该短路的直流母线电连接的区域负载系统进行供电；直流环网主系统从由双燃料电池供电系统和双复合储能系统供电转为由单个氢燃料电池供电系统和单个复合储能系统供电，同时监测系统判断该单一氢燃料电池供电系统的运行状态是处于正常状态、过载状态还是故障状态，如果处于正常状态，则转入步骤(26)，如果处于过载状态，则转入步骤(24)，如果处于故障状态，则转入步骤(25)；

43、(24)能量管理系统发出过载报警信号，并自动降低该单个氢燃料电池供电系统的输出功率至额定输出功率，并判断此时第一直流母线和第二直流母线的电压是否出现严重跌落，如果是则转入步骤(26)，否则转入步骤(27)；

44、(25)能量管理系统发出故障报警信号，并将单个复合储能系统中锂电池的双向直流变换器切换为电压定值控制方式，同时监测系统判断该单一复合储能系统中锂电池的功率是否超过其最大功率，如果是则说明锂电池处于过载状态，能量管理系统控制该单个复合储能系统中锂电池的双向直流变换器发出过载报警信号，并自动降低单个复合储能系统中锂电池的功率至最大功率，然后转入步骤(26)，否则转入步骤(28)；

45、(26)能量管理系统依据重要性对第一区域负载系统、第二区域负载系统、第一辅助负载、第二辅助负载、日用负载进行选择性切除，直至第一直流母线和第二直流母线的电压保持稳定为止，然后进入步骤(28)，

46、(27)监测系统将保护信号发送至与短路的直流母线电连接且最近的固态开关，以及与该短路的直流母线电连接的区域负载系统内的保护模块，保护模块将该短路直流母线与区域负载系统隔离；固态开关断开，以将该短路的直流母线和与其电连接的其他直流母线隔离，位于该短路的直流母线连接的区域负载系统相对于该短路的直流母线另一侧的直流母线对与该短路的直流母线电连接的区域负载系统进行供电，然后进入步骤(28)；

47、(28)直流环网主系统转为开环运行，并处理短路的直流母线的故障，然后进入步骤(29)；

48、(29)直流环网主系统保持闭环运行，过程结束。

49、优选地，步骤(1)中，监测系统根据第一氢燃料电池供电系统和第二氢燃料电池供电系统的输出电压与输出电流计算输出功率，当第一氢燃料电池供电系统和第二氢燃料电池供电系统启动正常，且输出功率不超过120kw时，氢燃料电池处于正常状态；当第一氢燃料电池供电系统和第二氢燃料电池供电系统启动正常，但输出功率超过120kw，则氢燃料电池供电系统处于过载状态；当第一氢燃料电池供电系统和第二氢燃料电池供电系统无法启动或输出功率为0kw，则氢燃料电池供电系统处于故障状态；

50、步骤(4)中第一区域负载系统、第二区域负载系统、第一辅助负载、第二辅助负载、以及日用负载按照各自的重要性分类成一类负载、二类负载和三类负载；其中一类负载是对于氢能驱动船舶的安全和基本操作至关重要、且必须始终保持被供电的负载，二类负载是对氢能驱动船舶的运行和舒适性至关重要、但在紧急情况下能够短时间被停止供电的负载；三类负载是对氢能驱动船舶的日常运行有帮助、但在紧急情况下能够长时间被停止供电的负载。

51、优选地，步骤(6)具体为，监测系统采集第一区域负载系统的电压与电流信号、第一辅助负载的电压与电流信号、第二区域负载系统的电压与电流信号、第二辅助负载的电压与电流信号，并将第一区域负载系统的电压与电流信号相乘转换为第一区域负载系统的功率信号，将第一辅助负载的电压与电流信号相乘转换第一辅助负载的功率信号，将第二区域负载系统的电压与电流信号相乘转换为第二区域负载系统的功率信号、将第二辅助负载的电压与电流信号相乘转换第二辅助负载的功率信号，随后将第一区域负载系统的功率信号与第一辅助负载的功率信号相加得到第一总功率信号，将第二区域负载系统的功率信号与第二辅助负载的功率信号相加得到第二总功率信号；其后，将第一总功率信号和第二总功率信号发送至能量管理系统，能量管理系统采用二阶滤波策略对第一总功率信号进行分解，得到第一低频功率、第一中频功率与第一高频功率，对第二总功率信号分解得到第二低频功率、第二中频功率与第二高频功率；其后，将第一与第二低频功率相加得到第一氢燃料电池供电系统和第二氢燃料电池供电系统的总参考输出功率，该功率由第一与第二氢燃料电池供电系统均分承担，将第一中频功率作为第一复合储能系统中第一锂电池的参考功率，第一高频功率作为第一复合储能系统中第一超级电容的参考功率，第二中频功率作为第二复合储能系统中第二锂电池的参考功率，第二高频功率作为第二复合储能系统中第二超级电容的参考功率。

52、优选地，步骤(11)中第一复合储能系统的功率跟踪控制过程具体为，首先，第一复合储能系统中的双向直流变换器获取监测系统采集的第一锂电池的实际输出电压vb和第一超级电容的实际输出电压vsc，将第一锂电池的参考功率pref_b除以第一锂电池的实际输出电压vb，得到第一锂电池的参考输出电流iref_b，并将第一超级电容的参考功率pref_sc除以第一超级电容的实际输出电压vsc，得到第一超级电容的参考输出电流iref_sc；随后，将第一锂电池的参考输出电流iref_b与第一锂电池的实际输出电流ib相减，得到电流误差δib，将参考电流iref_sc和第一超级电容的实际输出电流isc相减，得到电流误差δisc；其后，电流误差δib、δisc分别经过pi控制器，得到用于控制第一复合储能系统中第一锂电池的双向直流变换器的占空比信号db与第一复合储能系统中第一超级电容的双向直流变换器的占空比信号dsc，然后占空比信号db、dsc经脉冲宽度调制pwm控制第一复合储能系统中的第一锂电池的双向直流变换器与第一复合储能系统中的第一超级电容的双向直流变换器，进而调节第一锂电池与第一超级电容的功率，从而平滑环网供电系统的功率输出；

53、步骤(12)中第一锂电池的双向直流变换器切换为电压定值控制方式这一过程具体为，首先，将第一直流母线电压设定值vref与第一复合储能系统中的第一锂电池的双向直流变换器输出电压vb相减得到电压差值δv；随后，电压差值δv经过pi控制器，得到占空比信号d，占空比信号d经pwm调制后控制第一复合储能系统中第一锂电池的双向直流变换器，进而维持第一直流母线电压的稳定。

54、优选地，步骤(16)具体为，监测系统采集第一区域负载系统的电压与电流信号、第一辅助负载的电压与电流信号、第二区域负载系统的电压与电流信号、第二辅助负载的电压与电流信号，并将第一区域负载系统的电压与电流信号相乘转换为第一区域负载系统的功率信号，将第一辅助负载的电压与电流信号相乘转换第一辅助负载的功率信号，将第二区域负载系统的电压与电流信号相乘转换为第二区域负载系统的功率信号、将第二辅助负载的电压与电流信号相乘转换第二辅助负载的功率信号，随后将第一区域负载系统的功率信号与第一辅助负载的功率信号相加得到第一总功率信号，将第二区域负载系统的功率信号与第二辅助负载的功率信号相加得到第二总功率信号；随后，将第一总功率信号和第二总功率信号发送至能量管理系统，能量管理系统采用一阶滤波策略对第一总功率信号进行分解，得到第一低频功率、第一高频功率，对第二总功率信号分解得到第二低频功率、第二高频功率；其后，将第一低频功率和第二低频功率相加得到总低频功率，该功率由第一复合储能系统和第二复合储能系统中的第一锂电池和第二锂电池均分承担，将第一高频功率作为第一复合储能系统中第一超级电容的参考功率，第二高频功率作为第二复合储能系统中第二超级电容的参考功率。

55、优选地，步骤(23)中，当第一直流母线短路时，第一氢燃料电池供电系统、第一复合储能系统与直流环网主系统断开，第一区域负载系统由第三直流母线进行供电；当第二直流母线短路时，第二氢燃料电池供电系统、第二复合储能系统与直流环网主系统断开，第二区域负载系统由第四直流母线进行供电；

56、步骤(27)中，当第三直流母线短路时，第一区域负载系统由第一直流母线供电；当第四直流母线短路时，第二区域负载系统由第四直流母线供电。

57、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

58、(1)本发明的柔性直流环网电力系统通过构建由多个分布式电源和负载组成的船舶微网，有效地分散了负荷，降低了单一路径的电流密度，从而提高了整个系统的供电容量与供电稳定性，因此能够解决现有辐射型供电系统由于负荷集中，导致容易引发输电线路过载的技术问题；

59、(2)本发明柔性直流环网电力系统的工作方法由于采用了步骤(20)-(28)，当某一段母线发生故障时，其能够采用相应的控制手段迅速隔离故障母线，由其他正常母线为与故障母线连接的负载进行供电，避免事故影响扩大，从而提高系统运行的可靠性，因此能够解决现有辐射型供电系统存在的故障隔离能力差、故障恢复时间长以及供电可靠性低的技术问题；

60、(3)本发明柔性直流环网电力系统的工作方法由于采用了步骤(6)-(19)，其通过不同的控制方式实现了电压波动平抑和提供电能支撑的功能，电压波动平抑模式下能够使锂电池和超级电容承担不同频率的功率，使得系统具有灵活的母线潮流控制方式，可以快速转移负荷功率的波动，使直流母线的电压波动显著减少；在电能支撑模式下，锂电池控制模式转为电压定值控制方式以支撑母线电压，确保了系统在氢燃料电池供电系统故障时的供电连续性，同时对超级电容采用一阶滤波策略也能够保证一定的电压波动平抑效果，优化了能源利用，实现了高效、安全、可靠的运行，因此能够解决现有辐射型供电系统存在的控制模式单一、调度运行不够灵活、难以适应潮流变化、难以兼顾各种性能需求的技术问题。