[发明专利]一种混合动力船舶的能量控制系统及其控制方法

权利要求书

1.一种混合动力船舶的能量控制系统的控制方法，其特征在于：所涉及的硬件包括协调控制模块(1)、驾驶室控制模块(2)、供配电检测模块(3)、光伏发电模块、柴油发电机(10)、混合储能模块、直流母线(11)、交流母线(12)和双向逆变器(13)；所述协调控制模块包括高通滤波器和低通滤波器；所述光伏发电模块包括光伏发电单元(4)和DC/DC变换器(5)；所述混合储能模块包括超级电容器(6)、蓄电池(7)、第一双向DC/DC变换器(8)和第二双向DC/DC变换器(9)；

所述驾驶室控制模块(2)、供配电检测模块(3)、超级电容器(6)和蓄电池(7)均与协调控制模块(1)连接；所述光伏发电单元(4)与DC/DC变换器(5)连接；所述超级电容器(6)与第一双向DC/DC变换器(8)连接；所述蓄电池(7)与第二双向DC/DC变换器(9)连接；所述DC/DC变换器(5)、第一双向DC/DC变换器(8)、第二双向DC/DC变换器(9)和供配电检测模块(3)均与直流母线(11)连接；所述双向逆变器(13)的直流端与直流母线(11)连接，所述双向逆变器(13)的交流端与交流母线(12)连接；所述柴油发电机(10)与交流母线(12)连接；所述DC/DC变换器(5)的控制部、第一双向DC/DC变换器(8)的控制部、第二双向DC/DC变换器(9)的控制部、双向逆变器(13)的控制部和柴油发电机(10)的控制部均与协调控制模块(1)连接；

所述驾驶室控制模块(2)能将船舶的工作状态信号传输给协调控制模块(1)；所述船舶的工作状态包括：加速行进、匀速行进和减速行进；

所述供配电检测模块(3)能检测直流母线(11)上电能的功率变化量dP，并能将所述功率变化量dP的信号传输给协调控制模块(1)；

所述光伏发电单元(4)能将光能转化为电能输出；

所述DC/DC变换器(5)能将光伏发电单元(4)输出的电能传输到直流母线(11)上；

所述第一双向DC/DC变换器(8)用于实现超级电容器(6)与直流母线(11)之间的电能双向流动；

所述第二双向DC/DC变换器(9)用于实现蓄电池(7)与直流母线(11)之间的电能双向流动；

所述双向逆变器(13)用于实现直流母线(11)与交流母线(12)之间的电能双向流动；

所述协调控制模块(1)能获取超级电容器(6)的剩余荷电量SOC₁及蓄电池(7)的剩余荷电量SOC₂；所述协调控制模块(1)能对输入信号进行处理并输出相应的控制信号；所述协调控制模块(1)的输入信号包括：船舶的工作状态信号、直流母线(11)上电能的功率变化量dP信号、超级电容器(6)的剩余荷电量SOC₁信号及蓄电池(7)的剩余荷电量SOC₂信号；所述协调控制模块(1)输出的控制信号包括：DC/DC变换器(5)的控制信号；第一双向DC/DC变换器(8)的控制信号；第二双向DC/DC变换器(9)的控制信号；柴油发电机(10)的控制信号；

所述控制方法包括：

当船舶启动运行后：

一)所述驾驶室控制模块(2)将当前船舶的工作状态信号传输给协调控制模块(1)；

二)所述协调控制模块(1)对收到的所述工作状态信号进行判断：当所述工作状态为减速行进时，进入步骤三)；当所述工作状态为加速行进或匀速行进时，进入步骤四)；

三)所述协调控制模块(1)控制光伏发电模块、混合储能模块和柴油发电机的功率输出均为零；然后返回步骤一)；

四)所述供配电检测模块(3)将当前直流母线(11)上电能的功率变化量dP信号传输给协调控制模块(1)；同时，所述协调控制模块(1)获取超级电容器(6)当前的剩余荷电量SOC₁及蓄电池(7)当前的剩余荷电量SOC₂；

五)所述协调控制模块(1)根据公式一对收到的所述SOC₁和所述SOC₂进行处理，得到混合储能模块当前的剩余荷电量SOC；

六)所述协调控制模块(1)按方法二对所述SOC和收到的所述dP进行处理，分别得到当前的光伏发电输出功率P_PV、柴油发电输出功率P_DG、超级电容器功率P_SC和蓄电池功率P_bat；

七)所述协调控制模块(1)根据所述P_PV向DC/DC变换器(5)发出控制指令，控制光伏发电单元(4)的电能输出；同时，所述协调控制模块(1)根据所述P_DG向柴油发电机(10)的控制部发出控制指令，控制柴油发电机(10)的电能输出；同时，所述协调控制模块(1)根据P_SC向第一双向DC/DC变换器(8)发出控制指令，控制超级电容器(6)与直流母线(11)之间的电能流动；同时，所述协调控制模块(1)根据P_bat向第二双向DC/DC变换器(9)发出控制指令，控制蓄电池(7)与直流母线(11)之间的电能流动；

当柴油发电输出功率P_DG的模糊取值为零时，所述协调控制模块(1)根据清晰化处理后得到的P_DG值向双向逆变器发出控制指令，控制双向逆变器工作于将直流逆变成交流的状态；当柴油发电输出功率P_DG的模糊取值为高或适中时，所述协调控制模块(1)根据清晰化处理后得到的P_DG值向双向逆变器发出控制指令，控制双向逆变器工作于将交流整流成直流的状态；

然后，返回步骤一)；

所述公式一为：

SOC＝k₁×SOC₁+k₂×SOC₂

其中，k₁和k₂分别为所述SOC₁和所述SOC₂的权重系数，k₁为设定值，k₂＝1-k₁；当船舶的工作状态为加速行进时，所述k₁的取值范围为：0.7-0.9；当船舶的工作状态为匀速行进时，所述k₁的取值范围为：0.1-0.3；

所述方法二包括：

1)所述协调控制模块(1)根据模糊推理表一采用模糊推理及清晰化处理获取所述P_PV；同时，协调控制模块(1)根据模糊推理表二采用模糊推理及清晰化处理获取所述P_DG；同时，协调控制模块(1)根据模糊推理表三采用模糊推理及清晰化处理获取混合储能模块调整功率P_HESS；

2)所述协调控制模块(1)根据船舶当前的工作状态信号对所述P_HESS进行处理得到所述P_SC和P_bat：当船舶工作状态为加速行进时，所述高通滤波器根据公式二和公式三对所述P_HESS进行处理分别获取所述P_SC和P_bat；当船舶工作状态为匀速行进时，所述低通滤波器根据公式四和公式五对所述P_HESS进行处理分别获取所述P_bat和P_SC；

所述公式二为：

其中，ω为所述P_HESS的频率；ω₁为高通滤波器的截止频率，所述ω₁为设定值；

所述公式三为：

P_bat＝P_HESS-P_SC

所述公式四为：

其中，ω₂为低通滤波器的截止频率，所述ω₂为设定值；

所述公式五为：

P_SC＝P_HESS-P_bat

所述模糊推理表一为：

SOC的模糊论域为{L，M，H}，其中：L表示低，M表示适中，H表示高；

dP的模糊论域为{NB，NS，ZO，PS，PB}，其中：NB表示负大，NS表示负小，ZO表示零，PS表示正小，PB表示正大；

P_PV的模糊论域为{H_PV，M_PV，ZO_PV}，其中：H_PV表示高，M_PV表示适中，ZO_PV表示零；

所述模糊推理表二为：

SOC的模糊论域为{L，M，H}，其中：L表示低，M表示适中，H表示高；

dP的模糊论域为{NB，NS，ZO，PS，PB}，其中：NB表示负大，NS表示负小，ZO表示零，PS表示正小，PB表示正大；

P_DG的模糊论域为{H_DG，M_DG，ZO_DG}，其中：H_DG表示高，M_DG表示适中，ZO_DG表示零；

所述模糊推理表三为：

SOC的模糊论域为{L，M，H}，其中，L表示低，M表示适中，H表示高；

dP的模糊论域为{NB，NS，ZO，PS，PB}，其中，NB表示负大，NS表示负小，ZO表示零，PS表示正小，PB表示正大；

P_HESS的模糊论域为{NH_C，NM_C，ZO_C，PM_C，PH_C}，其中，NH_C表示负高，NM_C表示负中，ZO_C表示零，PM_C表示正中，PH_C表示正高。