[發明專利]基于多智能體的混合動力船舶微電網系統

在審

• 申請號: 201710363634.7
• 申請日: 2017-05-22
• 公開（公告）號: CN107026448A
• 公開（公告）日: 2017-08-08
• 發明（設計）人: 張承曦;王宇澄;高迪駒
• 申請（專利權）人: 上海海事大學
• 主分類號: H02J1/10
• 分類號: H02J1/10;H02J9/08;H02J13/00;B63H21/20
• 代理公司: 上海三和萬國知識產權代理事務所(普通合伙)31230
• 代理人: 陳偉勇

技術領域

本發明涉及一種基于多智能體的混合動力船舶能量管理系統(Power and Energy Management System, PEMS)設計方法，主要設計出一種區別于傳統船舶電網的微電網結構，使得混合動力船舶能夠有效的使用清潔可再生能源達到減少排放和燃料消耗，同時能夠在一個安全且經濟的方式下運行。

背景技術

考慮到燃油儲量的不斷下降以及全球環境問題的愈加嚴峻，可再生能源就是解決這些問題的一個合理選擇，這些可再生能源包括了太陽能、風能、燃料電池、生物質能、潮汐能、海洋溫差能等。可再生能源在船舶上的應用逐漸走入了人們的視野，越來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會受到大氣條件的影響，不具有穩定、持續的供能能力，所以當我們使用多種可再生能源作為混合動力船舶動力源的時候，就需要設計一個合理的船舶能量管理系統。與傳統船舶相比，混合動力船舶有著諸多優勢：高效的能源利用、最優的動力控制與分配、穩定性的提升、船舶動力性能的增強等。

由多種能源可以組成一個微電網，將微電網應用于船舶電網中并結合能量管理系統對船舶動力進行分配控制是混合動力船舶的一個研究方向。相較于傳統的電力系統，微電網有著獨特的優點：確保了能量供給的多樣性、由儲能設備所提供的擾動抵御能力、能源效率穩定性的提高等。

總而言之，面對這諸如環境問題、政治問題等反面的挑戰，混合動力船舶綜合電力系統的概念正在愈發變得流行起來。而隨著船舶動力系統自動化程度的越來越高，發電和功率分配過程也變得越來越復雜，此時建立起一個特定的系統就顯得十分必要，也就是建立一個能源管理系統以確保船舶能夠在一個安全且經濟的方式下運行。雖然對于能源管理系統沒有一個明確的定義，但很多學者都致力于找到一個合適的方法在下一代電力集成系統(Next Generation Integrated Power System, NGIPS)船舶上進行功率與能量管理。目前的趨勢是對能源管理系統采用一個分層、分散化的結構。

發明內容

針對上述現狀與相關技術存在的問題，本發明設計了一種基于多智能體和改進電力系統的混合動力船舶微電網系統，這是區別于傳統船舶動力系統的部分。首先，對混合動力船舶微電網的組成進行介紹。

微電網作為混合動力船舶的動力源，主要包含了燃料電池、風力渦輪機、微型燃汽輪機、光伏陣列、微電網及儲能系統ESU。其中，燃料電池和光伏陣列通過DC/DC轉換器連接到微電網的直流母線上，而風力渦輪機和微型燃氣輪機則通過一個AC/DC轉換器連接到微電網的直流母線上。微電網的直流母線通過一個隔離裝置連接到船舶電力系統的直流母線上。每個動力源的發電單元及ESU都會與一個發電智能體相連并受其控制。

在一個完整的混合動力船舶動力系統中，除了微電網部分，還有柴油機部分和負載。其中，柴油機在混合動力船舶的動力系統中扮演者次要的角色，這是由于微電網中的各個動力源能夠提供船舶所需的主要動力。不過，當微電網發生故障時柴油機將會與電力系統相連并會立即給船舶供能。另外，微電網會受到環境因素的影響，這是因為風力和太陽能光伏陣列十分依賴天氣條件。所以控制柴油機的智能體需要從控制風力渦輪機、光伏陣列、燃料電池及ESU的智能體中實時的接受信息，在必要的時候可以對柴油機進行控制。

負載管理在能量管理系統中有著非常重要的作用。船舶負載可分為工作負載和推進負載，工作負載和推進負載都從公共總線上獲得電力驅動。智能體將會獲取關于負載的信息然后將其發送給系統中央控制器，而中央控制器會返回一個指令給發電智能體以給負載供能。所有的負載都可被分為兩類：切斷負載和非切斷負載。在最壞的假設下，負載智能體能夠關閉一些切斷負載或通過快速的負載切斷來保護整個電力系統。

相比于傳統的混合動力船舶能量系統，該混合動力船舶能量管理系統具有以下優點：

（1）傳統的混合動力船舶動力系統中的動力源大多是直接與DC/DC或AC/DC轉換器相連，這種結構雖然簡單，但是由于如風能、太陽能這樣的清潔能源都屬于不穩定能源，十分依賴于環境條件，當環境發生變化時風力渦輪機和太陽光伏板可能會無法正常發電，這就會影響船舶能量系統的正常供能。本發明將風力渦輪機、光伏板、燃料電池等動力源和儲能裝置都與一個智能體相連，每個智能體都能夠獲取所控制對象的實時狀態，再將這些狀態信息傳遞到能量管理系統的中央控制器中，由中央控制器統一分配能量，能夠始終保證船舶能量系統的正常工作，并且可以提高整個能力系統的工作效率。