一种考虑储能安全和岸电供电的混合动力船舶能量管理方法及系统

本发明涉及船舶电力，特别是涉及一种考虑储能安全和岸电供电的混合动力船舶能量管理方法及系统。

背景技术：

1、混合动力船舶系统主要指由两种或两种以上电力来源(如汽轮机、柴油机、储能电池、等其他清洁能源)构成的使用电动机驱动的船舶系统。这种新型船舶系统不仅有着多动力源特性互补的优势，而且由于燃油消耗低、排放低、产生污染物少及噪音小等特点会减少对生态环境的影响，加之可利用岸电系统为船载储能系统充电，能够进一步降低排放，是船舶未来重要的发展方向。同时多动力源的耦合增加了船舶混合动力系统的复杂性，如何实现各动力源安全稳定、可靠高效运行成为混合动力能量管理系统迫切需要解决的关键问题。

2、已经获得实际应用和正在研究的船舶能量管理策略主要分为基于规则的、基于学习的以及基于优化的能量管理策略三类。基于规则的能量管理具有良好的实时性，简单容易实现，但在一定程度上依赖于专家经验和实验测试结果，在船舶领域应用相对较少，很难做到在多种工况下一直保持着较高的工作效率。基于学习的能量管理策略控制效果在很大程度上受网络结构设计及赏罚函数设计的影响，还需要短时间内对海量数据进行处理，在考虑不够全面的情况下，控制效果往往不太理想。

3、基于全局优化的能量管理策略，通过分析研究对象特点，确定优化目标及约束条件，使用优化算法完成对目标函数最优值的求解。因其可以达到全局最优或接近全局最优的控制效果，且适用于固定循环工况，在混合动力船舶的能量管理系统中被广泛应用。

4、但目前现有能量管理策略存在以下缺点：

5、(1)大多能量管理策略的制定是基于储能电池soc或储能系统整体健康状态作为系统的参考，而考虑单个储能电池组的健康状态(soh)和功率状态(sop)的能量管理方法研究较少。电池组的健康状态soh能反映当前储能pack的真实容量，功率状态sop能体现电池组短时峰值功率值，及时的根据当前电池状态(soh和sop)对系统进行能量管理有利于系统的安全稳定运行。

6、(2)基于规则的能量管理策略无法做到全局最优的管理分配，且目前基于优化策略的模型目标函数多是考虑运行成本、燃油消耗、排放污染的模型，少有对整船的安全性进行描述的策略，且能量管理的约束条件不能根据电池组当前状态做出实时调整；

7、(3)常见优化算法的跟踪收敛速度慢收敛效果差，算法性能无法满足船舶能量管理的要求。

8、因此，需要对储能状态检测、能量管理的数学模型、求解模型的预测算法等方面分别进行改进，在保障船舶各能源合理分配功率的同时，提升电力系统的安全与稳定性。

技术实现思路

1、发明目的：为解决现有能量管理策略存在的缺点，本发明提出了一种考虑储能安全和岸电供电的混合动力船舶能量管理方法及系统，利用负载和电源的工作特性，在保障船舶电力系统的正常运行和完成船舶的航行任务的前提下，提升船舶的综合性能表现。

2、技术方案：一种考虑储能安全和岸电供电的混合动力船舶能量管理方法，包括以下步骤：

3、步骤1：获取船舶各类负载的总需求功率和船舶发电机组输出总功率，确定储能系统调度指令，所述储能系统调度指令包括放电或充电；

4、步骤2：获取每个电池组的充放电电流和运行温度，预测得到每个电池组的预测健康状态；并计算每个电池组的电量状态和功率状态：

5、步骤3：结合船舶当前运行工况、每个电池组的预测健康状态、电量状态和功率状态，确定电池组充放电优先级；

6、步骤4：基于电池组充放电优先级，确定参与能量管理的电池组数量；

7、步骤5：建立考虑储能安全的能量管理目标函数以及约束方程；

8、步骤6：利用改进鲸鱼优化算法求解能量管理目标函数，得到最优解；

9、步骤7：根据最优解，对各电池组充放电功率进行控制；

10、其中，所述改进鲸鱼优化算法为在传统鲸鱼优化算法的基础上，引入tent映射初始化种群和非线性收缩机制得到。

11、本发明还公开了一种考虑储能安全和岸电供电的混合动力船舶能量管理系统，包括：

12、储能系统调度指令确定模块，用于获取船舶各类负载的总需求功率和船舶发电机组输出总功率，确定储能系统调度指令，所述储能系统调度指令包括放电或充电；

13、电池组的状态确定模块，用于获取每个电池组的充放电电流和运行温度，预测得到每个电池组的预测健康状态；并计算每个电池组的电量状态和功率状态；

14、电池组充放电优先级确定模块，用于结合船舶当前运行工况、每个电池组的预测健康状态、电量状态和功率状态，确定电池组充放电优先级；

15、参与能量管理的电池组数量确定模块，用于基于电池组充放电优先级，确定参与能量管理的电池组数量；

16、能量管理计算模块，用于建立考虑储能安全的能量管理目标函数以及约束方程，利用改进鲸鱼优化算法求解能量管理目标函数，得到最优解；

17、执行模块，用于根据最优解，对各电池组充放电功率进行控制；

18、其中，所述改进鲸鱼优化算法为在传统鲸鱼优化算法的基础上，引入tent映射初始化种群和非线性收缩机制得到。

19、有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

20、(1)本发明方法以电池组的soh、sop状态和当前船舶运行工况，确定储能电池组的充放电优级别判据和参与能量调度的电池组数量，然后建立soc一致性、放电深度、soc波动率、系统运行损耗为功率分配的目标，并使用改进鲸鱼算法对模型进行求解。该策略限制了旧电池组dod、平衡了电池组间的soc、能够使各电池组根据自身soh和sop状态自适应调整充放电深度和总充放电量，且使bess能够更好地参与电力系统调度，在一定程度上保证了船舶系统的安全运行；

21、(2)本发明方法根据不同运行工况的特点，设计考虑电池组soh和sop状态的充放电优先级排序，以及为提高船舶系统的运行安全可靠性，不再考虑整船的运行成本和污染排放等因素，建立了考虑单个电池组soc均衡、放电深度最小、soc波动率最小以及系统运行损耗最小的目标函数，并在约束条件中引入当前储能系统的健康和功率状态信息，对各个储能电池组的电量soc和功率p限制更严苛，以及引入改进鲸鱼算法对能量管理测量进行优化求解，实现了合理的调配船舶航行时的能量流动和计划岸电系统的充电策略。

技术特征：

1.一种考虑储能安全和岸电供电的混合动力船舶能量管理方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种考虑储能安全和岸电供电的混合动力船舶能量管理方法，其特征在于：所述的获取船舶各类负载的总需求功率和船舶发电机组输出总功率，确定储能系统调度指令，具体包括：

3.根据权利要求2所述的一种考虑储能安全和岸电供电的混合动力船舶能量管理方法，其特征在于：所述的计算每个电池组的电量状态和功率状态，具体包括：

4.根据权利要求3所述的一种考虑储能安全和岸电供电的混合动力船舶能量管理方法，其特征在于：所述的结合船舶当前运行工况、每个电池组的预测健康状态、电量状态和功率状态，确定电池组充放电优先级，具体包括：

5.根据权利要求4所述的一种考虑储能安全和岸电供电的混合动力船舶能量管理方法，其特征在于：所述的基于电池组充放电优先级，确定参与能量管理的电池组数量，具体包括：

6.根据权利要求5所述的一种考虑储能安全和岸电供电的混合动力船舶能量管理方法，其特征在于：所述的建立考虑储能安全的能量管理目标函数以及约束方程，具体包括：

7.根据权利要求6所述的一种考虑储能安全和岸电供电的混合动力船舶能量管理方法，其特征在于：所述的改进鲸鱼优化算法为在传统鲸鱼优化算法的基础上，引入tent映射初始化种群和非线性收缩机制得到，具体包括：

8.根据权利要求7所述的一种考虑储能安全和岸电供电的混合动力船舶能量管理方法，其特征在于：所述的利用改进鲸鱼优化算法求解能量管理目标函数，得到最优解，具体包括：

9.一种考虑储能安全和岸电供电的混合动力船舶能量管理系统，其特征在于：包括：

10.根据权利要求9所述的一种考虑储能安全和岸电供电的混合动力船舶能量管理系统，其特征在于：所述考虑储能安全的能量管理目标函数，表示为：

技术总结本发明公开了一种考虑储能安全和岸电供电的混合动力船舶能量管理方法及系统，包括：获取船舶各类负载的总需求功率和船舶发电机组输出总功率，确定储能系统调度指令；获取每个电池组的充放电电流和运行温度，得到每个电池组的预测健康状态、电量状态和功率状态：结合船舶当前运行工况、电池组的预测健康状态、电量状态和功率状态，确定电池组充放电优先级，并确定参与能量管理的电池组数量；建立考虑储能安全的能量管理目标函数以及约束方程；利用改进鲸鱼优化算法求解能量管理目标函数，得到最优解；根据最优解，对各电池组充放电功率进行控制；改进鲸鱼优化算法为在传统鲸鱼优化算法的基础上，引入Tent映射初始化种群和非线性收缩机制得到。技术研发人员：戴晓强,闫羲,王伟然,朱志宇,吴振飞,张健鹏,王传斌受保护的技术使用者：江苏科技大学技术研发日：技术公布日：2024/7/23