柴电混合动力船舶能量管理方法、装置、设备及存储介质

本发明涉及船舶能量管理，具体涉及柴电混合动力船舶能量管理方法、装置、设备及存储介质。

背景技术：

1、目前大多数船舶主驱动动力源仍旧以内燃机为主，虽然具有功率密度大、中间环节少、高可靠性等优点，但当工作在部分负荷以及低负荷时，效率较低、排放恶化、噪声较大，严重影响了船舶的经济性和排放性。混合动力船舶系统由两种或以上动力来源(如柴油机、储能电池、超级电容、燃料电池或其他清洁能源)构成。这种新型船舶系统不仅在经济性方面有着比较大的优势，而且拥有燃油消耗低、排放低、产生污染物少及噪音小等特点，减少了对生态环境的影响。

2、作为混合动力系统的关键技术之一，能量管理系统是维持船舶系统稳定运行，提高船舶续航能力及优化动力源能量输出的关键控制系统。船舶能量管理策略划分为基于规则、基于全局优化和基于实时优化的能量管理策略。

3、申请号为cn201910588192.5的中国专利文件中提出一种基于负荷预测的多能源船舶能量管理控制器及其控制方法，首先预测船舶所需功率，然后采集柴油发电机和储能元件的各项参数，获取当前柴油发电机的发电裕量和储能元件的剩余电量，最后根据设置的阈值完成柴油发电机和储能元件的功率分配。此方法基于制定的固定规则分配动力源功率，易于实现，但依赖于专家经验和实验测试结果，主观性强，有着一定的局限性。

4、申请号为cn202111254097.5的中国专利文件中提出了一种风光柴储混合多能源船舶能量管理方法，建立以燃油消耗、偏离蓄电池参考荷电状态为目标，容量、功率限制等为约束条件的风光柴储混合多能源船舶能量管理模型，利用动态规划算法求解模型并将得到的最优控制变量序列作为风光柴储混合多能源船舶最优能量管理策略。基于全局优化的能量管理策略在理论上可以实现动力源能量分配最优化处理，但是其强烈依赖于固定循环工况，并且由于计算量大，对硬件的要求很高。基于实时优化的能量管理算法无法求解出系统最优解，但是由于可以求出系统次优解，运算量大大减少，降低了硬件成本，在实际系统中具备应用的潜力。

技术实现思路

1、根据现有技术的不足，本发明的目的是提供柴电混合动力船舶能量管理方法、装置、设备及存储介质，建立柴电混合动力船舶系统模型，通过开发模型预测控制器并引入多参数二次规划算法，得到实时船舶功率分配控制率，达到船舶提高燃油经济性与减少气体排放的目的，不依赖专家经验、实验测试结果和固定循环工况，计算量小。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

3、柴电混合动力船舶能量管理方法，包括以下步骤：

4、建立柴电混合动力船舶系统模型；

5、利用柴电混合动力船舶系统模型，开发模型预测控制器，制定实时能量管理策略，获取隐式模型预测控制系统；

6、引入多参数二次规划算法，将隐式模型预测控制系统转化为显式的分段仿射模型，通过离线与在线计算求解能量管理问题，得到优化后的船舶功率分配控制率。

7、进一步地，柴电混合动力船舶系统模型为混合柴油机模型、储能系统模型、轴带电机模型、齿轮箱系统。

8、进一步地，混合柴油机模型利用实验数据建模的方法建立，油耗由机械功率和曲轴转速转矩的函数表示；

9、储能系统模型采用电池rc模型；

10、轴带电机模型利用实验数据用非线性三维映射图描述轴带电机效率；

11、柴油机或电机的速度和转矩经过齿轮箱系统驱动船舶行进，齿轮箱系统效率为设定值。

12、进一步地，柴电混合动力船舶系统模型表示为：

13、ηj(pe+ηmpbatt)＝preq

14、式中，preq为船舶需求功率，pe为柴油机输出功率，pbatt为电池输出功率，ηm、ηj分别为轴带电机效率和齿轮箱系统效率。

15、进一步地，制定实时能量管理策略，具体步骤如下：

16、获得船舶当前船舶需求功率preq，结合当前时刻柴油机的油耗数据be和电池的soc值，根据混合动力船舶系统模型开发模型预测控制器，获取预测时域中的油耗数据和soc：

17、

18、

19、状态向量、控制输入、测量输入和输出定义为：

20、

21、其中，为单位时间柴油机燃油消耗；be为一段时间内燃油消耗量；pe为柴油机输出功率；preq为船舶所需功率，u(t)为t时刻的控制输入；

22、需要最小化的代价函数可以描述为：

23、

24、式中，n为预测时域的长度，q为状态权重值，r为输入惩罚量，yref为参考值，k为当前时刻，y(k+ik)为(k+ik)时刻输出值，yref(k+i)为(k+i)时刻输出参考值，u(k+i-1)为(k+i-1)时刻控制输入值；

25、通过跟踪soc参考值来实现最佳燃油经济性。

26、进一步地，离线计算的具体步骤如下：

27、s301、根据标准二次规划定义目标函数：

28、

29、s.t.gu≤w+sx

30、式中，q、r和p分别为状态、输入和终端权重矩阵；gu≤w+sx为约束条件，g、u、w均为约束组合，x(i)为i时刻输入值，xref(i)为i时刻输入参考值，u(i)为i时刻控制输入值，y(i)为i时刻输出值，yref(i)为i时刻输出参考值，xn和xnref分别为预测时域内的输入与输入参考值；

31、s302、二次规划问题可以通过一阶kkt条件求解：

32、

33、其中，h为适当维数的矩阵，z为控制变量，λ为约束组合，rm表示m维实数集；

34、s303、将控制变量z＝-h-1gtλ代入kkt条件中可得：

35、

36、s304、设和分别表示拉格朗日乘数相应的无效约束和有效约束：

37、

38、其中和对应于有效约束的集合；

39、s305、将代入z＝-h-1gtλ中，得到最优控制轨迹：

40、

41、s306、变量z的不等式约束如下：

42、

43、s307、将代入式中可以得到如下控制变量u的表达式：

44、

45、s308、取控制变量u的第一项作用于被控系统，可以得到：

46、u0＝f1x0+g1，x0∈cr1

47、s309、通过上述方法求得状态区域直至划分所有状态区域，控制变量u关于状态变量x的pwa函数如下式：

48、

49、式中，crj为与状态量xt相对应的状态区域，fj和gj是区域crj相对应的pwa函数的控制率参数，n为状态区域的数量。

50、进一步地，在线计算的具体步骤如下：

51、s310、对于初始状态，通过顺序查找定位对应的子区域；

52、s311、根据子区域得到对应的控制量；

53、s312、将该控制量作用于系统，在下一时刻检测系统状态变量；

54、s313、根据系统的状态量和可达分区搜索状态量所在状态分区；

55、s314、重复以上步骤，直至查表结束。

56、柴电混合动力船舶能量管理装置，包括：

57、柴电混合动力船舶系统模型建立模块，用于建立柴电混合动力船舶系统模型；

58、隐式模型预测控制系统获取模块，用于利用柴电混合动力船舶系统模型，开发模型预测控制器，制定实时能量管理策略，获取隐式模型预测控制系统；

59、优化船舶功率分配控制率获取模块，用于引入多参数二次规划算法，将隐式模型预测控制系统转化为显式的分段仿射模型，通过离线与在线计算求解能量管理问题，得到优化后的船舶功率分配控制率。

60、柴电混合动力船舶能量管理设备，包括处理器和用于存储能够在处理器上运行的计算机程序的存储器，处理器用于运行计算机程序时，执行上述柴电混合动力船舶能量管理方法。

61、一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现上述柴电混合动力船舶能量管理方法。

62、与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

63、本发明针对柴电混合动力船舶提出柴电混合动力船舶能量管理方法、装置、设备及存储介质，以提高燃油经济性，减少在线计算时间和微处理器硬件资源。将能量管理最优控制问题表述为多参数二次规划优化问题，通过离线求解多参数二次规划问题得到控制律。然后在线使用控制律来实现实时控制目的。该方法能够根据船舶负载所需功率和各动力源的功率输出实现能量管理目的。相较于基于规则和基于全局优化的能量管理策略，基于显式模型预测控制的能量管理策略在拥有与基于全局优化的能量管理策略相近的燃油优化性能下，大大减少微处理器计算时间，减少硬件成本。