[发明专利]基于多智能体的混合动力船舶微电网系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于多智能体的混合动力船舶能量管理系统(Power and Energy Management System, PEMS)设计方法，主要设计出一种区别于传统船舶电网的微电网结构，使得混合动力船舶能够有效的使用清洁可再生能源达到减少排放和燃料消耗，同时能够在一个安全且经济的方式下运行。

背景技术

考虑到燃油储量的不断下降以及全球环境问题的愈加严峻，可再生能源就是解决这些问题的一个合理选择，这些可再生能源包括了太阳能、风能、燃料电池、生物质能、潮汐能、海洋温差能等。可再生能源在船舶上的应用逐渐走入了人们的视野，越来越多的人希望使用可再生能源代替燃油。然而，大部分的可再生能源都会受到大气条件的影响，不具有稳定、持续的供能能力，所以当我们使用多种可再生能源作为混合动力船舶动力源的时候，就需要设计一个合理的船舶能量管理系统。与传统船舶相比，混合动力船舶有着诸多优势：高效的能源利用、最优的动力控制与分配、稳定性的提升、船舶动力性能的增强等。

由多种能源可以组成一个微电网，将微电网应用于船舶电网中并结合能量管理系统对船舶动力进行分配控制是混合动力船舶的一个研究方向。相较于传统的电力系统，微电网有着独特的优点：确保了能量供给的多样性、由储能设备所提供的扰动抵御能力、能源效率稳定性的提高等。

总而言之，面对这诸如环境问题、政治问题等反面的挑战，混合动力船舶综合电力系统的概念正在愈发变得流行起来。而随着船舶动力系统自动化程度的越来越高，发电和功率分配过程也变得越来越复杂，此时建立起一个特定的系统就显得十分必要，也就是建立一个能源管理系统以确保船舶能够在一个安全且经济的方式下运行。虽然对于能源管理系统没有一个明确的定义，但很多学者都致力于找到一个合适的方法在下一代电力集成系统(Next Generation Integrated Power System, NGIPS)船舶上进行功率与能量管理。目前的趋势是对能源管理系统采用一个分层、分散化的结构。

发明内容

针对上述现状与相关技术存在的问题，本发明设计了一种基于多智能体和改进电力系统的混合动力船舶微电网系统，这是区别于传统船舶动力系统的部分。首先，对混合动力船舶微电网的组成进行介绍。

微电网作为混合动力船舶的动力源，主要包含了燃料电池、风力涡轮机、微型燃汽轮机、光伏阵列、微电网及储能系统ESU。其中，燃料电池和光伏阵列通过DC/DC转换器连接到微电网的直流母线上，而风力涡轮机和微型燃气轮机则通过一个AC/DC转换器连接到微电网的直流母线上。微电网的直流母线通过一个隔离装置连接到船舶电力系统的直流母线上。每个动力源的发电单元及ESU都会与一个发电智能体相连并受其控制。

在一个完整的混合动力船舶动力系统中，除了微电网部分，还有柴油机部分和负载。其中，柴油机在混合动力船舶的动力系统中扮演者次要的角色，这是由于微电网中的各个动力源能够提供船舶所需的主要动力。不过，当微电网发生故障时柴油机将会与电力系统相连并会立即给船舶供能。另外，微电网会受到环境因素的影响，这是因为风力和太阳能光伏阵列十分依赖天气条件。所以控制柴油机的智能体需要从控制风力涡轮机、光伏阵列、燃料电池及ESU的智能体中实时的接受信息，在必要的时候可以对柴油机进行控制。

负载管理在能量管理系统中有着非常重要的作用。船舶负载可分为工作负载和推进负载，工作负载和推进负载都从公共总线上获得电力驱动。智能体将会获取关于负载的信息然后将其发送给系统中央控制器，而中央控制器会返回一个指令给发电智能体以给负载供能。所有的负载都可被分为两类：切断负载和非切断负载。在最坏的假设下，负载智能体能够关闭一些切断负载或通过快速的负载切断来保护整个电力系统。

相比于传统的混合动力船舶能量系统，该混合动力船舶能量管理系统具有以下优点：

（1）传统的混合动力船舶动力系统中的动力源大多是直接与DC/DC或AC/DC转换器相连，这种结构虽然简单，但是由于如风能、太阳能这样的清洁能源都属于不稳定能源，十分依赖于环境条件，当环境发生变化时风力涡轮机和太阳光伏板可能会无法正常发电，这就会影响船舶能量系统的正常供能。本发明将风力涡轮机、光伏板、燃料电池等动力源和储能装置都与一个智能体相连，每个智能体都能够获取所控制对象的实时状态，再将这些状态信息传递到能量管理系统的中央控制器中，由中央控制器统一分配能量，能够始终保证船舶能量系统的正常工作，并且可以提高整个能力系统的工作效率。