[发明专利]一种基于频率法的混合动力船舶的能量管理方法

说明书

本发明提出了一种运用频率法来改进混合动力船舶的能量管理方法。用满足混合动力船舶能量需求的锂电池作为可变速柴油永磁发电机组的辅助装置。锂电池模块通过升压变压器连接到直流总线，可变速的柴油发电机是通过三相整流控制器连接到直流总线上，然后直流总线上的电流通过逆变器提供给电机作为推进系统。这个推进系统能达到混合动力船舶在推进操作中的大量能量需求包括负载的能量需求和内部装置的需求。

技术领域

本发明涉及混合动力船舶的能量管理领域，具体涉及一种基于频率法的混合动力船舶的能量管理方法。

背景技术

混合动力船舶的关键技术就是其能量管理方法，目的是在满足船舶动力性能的前提下，将多种能源合理分配、协调控制，使得各部件高效的运行。国内外对混合动力船舶的能量管理方法已做了一些研究；有学者利用混合动力船舶推进系统的动态特性，提出分级优化的能量控制方法；也有国内的学者提出基于逻辑门限的能量管理方法，但还处于设计阶段；此外，有些学者还提出基于模糊逻辑控制的混合动力能量控制方法，但缺乏实际应用效果的论证。但这些控制方法未考虑到船舶负载功率的波动给柴油发电机组的带来的影响，这会影响柴油发电机组的工作性能和使用寿命；基于此，本发明提出了一种基于频率法的能量管理方法来最小化负载功率波动带给柴油发电机组的影响。

发明内容

本发明针对混合动力船舶的能量管理方法，提出了一种运用频率法来改进混合动力船舶的能量管理方案，由于混合动力船舶功率需求的波动，柴电机组需要一些辅助装置，为了提高混合动力船舶动力性能，用锂电池作为柴电机组的辅助装置并且它可以减少功率起伏对柴油发电机组的影响。能量存储系统可以在所需时间范围内减轻并且消除负载功率波动，在本项发明中，用锂电池作为储能装置，内部的能量管理采用直流总线配置，采用直流总线配置相较交流而言可以减少静态转换器的数量也可以减小控制的复杂性；这样可以使混合动力船舶的能量分配更合理。然而，国内目前还没有在混合动力船舶电力推进系统中运用该能量管理方法。

混合动力船舶的两组动力源分别为柴油发电机组和锂电池组；前者发出的交流电经过AC/DC装置后变为直流电，锂电池组产生的直流电通过DC/DC装置之后，这两种原本不同性质的两种电流就可以并到直流母盘；之后，电流通过逆变器供电给推进电机带动螺旋桨的运转；该能量管理方法主要包括以下步骤：

步骤一、将负载电流分为高低频分量

提出的能量管理方法是基于采用多项式控制策略的频率分布法，该方法通过一个低通滤波器把负载电流分成高频和低频成分；这些成分必须根据其动态性能分配给直流母线的连接源，高频分量HF分配到锂电池，低频分量LF分配到柴油发电机组；表达式为：

式中I_ch表示负载电流，I_busbatref表示负载电流的高频分量，I_redref表示负载电流的低频分量；

步骤二、控制高频部分

基于频率分布法的能量管理，使用的低通滤波器的时间常数为0.32s，参考电流可以从降/升压变换器的输入和输出之间的电力平衡中估计如下表达式所示，I_busbatref可以从低通滤波器中获得；

式中I_batref表示电池的参考电流，V_bus表示直流总线的端电压，V_bat表示电池的端电压；

为了获得无干扰情况下的最小静态误差，故选择R_bat(Z^-1)，T_bat(Z^-1)和S_bat(Z^-1)作为降/升压变换器的多项式矫正器，表达式为：