一种面向无人船的多动力源系统及其调度方法技术方案

本发明专利技术公开了一种面向无人船的多动力源系统及其调度方法，该系统包括柴油发电机组、外部交流电源、磷酸铁锂动力电池组、光伏发电系统和用于控制各个能源系统的调度分配的多动力源调度模块，该方法根据常规用电设备特定工况下的需求功率、光伏发电系统的输出功率预测模型、柴油发电机组的输出功率PG和磷酸铁锂动力电池组输出功率，根据负载需求功率，调度磷酸铁锂动力电池组、光伏发电系统和柴油发电机组供电。本发明专利技术阐述了无人船多动力源系统的构成，以及不同工况下的能源调度方法，在保证无人船各方面性能满足运行要求的前提下，最大化利用新能源系统，实现能量的优化分配与控制，实现全船运行燃油成本最低，污染物排放最少。

A Multi-Power Source System for Unmanned Vehicles and Its Scheduling Method

The invention discloses a multi-power source system for an unmanned ship and its dispatching method. The system comprises a diesel generator set, an external AC power supply, a lithium iron phosphate power battery set, a photovoltaic power generation system and a multi-power source dispatching module used to control dispatching and distribution of various energy systems. The method is based on the demand power of conventional power equipment under specific conditions, and a photovoltaic power generation system. According to the load demand power, the output power of lithium iron phosphate power battery, photovoltaic power generation system and diesel generator is dispatched. The invention expounds the composition of the multi-power source system of the unmanned ship and the energy dispatching method under different working conditions. Under the premise of guaranteeing all aspects of the performance of the unmanned ship to meet the operation requirements, the new energy system is utilized to maximize the optimal distribution and control of energy, and the fuel cost of the whole ship operation is lowest, and the emission of pollutants is lowest.

【技术实现步骤摘要】
一种面向无人船的多动力源系统及其调度方法
本专利技术涉及船舶电力推进控制研究领域，特别涉及一种面向无人船的多动力源系统及其调度方法。
技术介绍
21世纪，世界各国纷纷把战略目标从陆地转向海洋，我国也提出了近一步经略海洋，建设海洋强国的宏伟目标，坚持走依海富国、以海强国、人海和谐的发展道路。2016年，国家发改委、科技部、工信部、中央网信办制定的《“互联网+”人工智能三年行动实施方案》，并在“推进重点领域智能产品创新”模块中明确指出要推动人工智能技术在无人系统领域的融合应用，发展无人飞行器、无人船等多种形态的无人设备，无人船的设计研发推广工作被列为重点实施项目，这是国家出台的首个关于无人船行业的重要支持政策，意味着无人船行业发展已上升至国家战略层面。与传统的船舶动力系统相比，电力推进系统具有调速范围广、驱动力大、易于正反转、体积小、布局灵活、安装方便、便于维修、易于实现遥控、振动和噪音小等优点，电力推进成为了无人船动力推进的首选。但在目前，大多数的电力推进船舶的电能仍然还是使用柴油发电获得，碳氧化合物、硫氧化物、氮氧化物以及空气颗粒物等物质排放造成的环境污染问题依然存在。利用太阳能、风能、波浪能等一系列“绿色”能源产生电能来推进船舶，可以从根本上解决柴发电推系统的污染问题，因而受到了世界各国的关注。但是由于太阳能、风能、波浪能等“绿色”能源产生的能量十分有限，带负载能力和续航能力不足以支持较大吨位的无人船长时间持续航行。多动力源推进系统利用柴油发电、太阳能及蓄电池的储能，可节约燃油、降低营运成本，是极具发展前景的船舶能源综合优化利用系统，成为了现阶段船舶节能减排领域的研究热点。面向无人船的多动力源调度的目标是针对无人船典型工况，充分利用新能源系统，进行能量的优化分配与控制，实现运行燃油成本最低，污染物排放最少。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种面向无人船的多动力源系统及其调度方法。为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术一种面向无人船的多动力源系统，包括用于推动发电机发电的柴油发电机组、用于磷酸铁锂动力电池组充电的外部交流电源、用于存储电能与放电给无人船提供驱动能量的磷酸铁锂动力电池组、用于将光能转换为电能的光伏发电系统和用于控制各个能源系统的调度分配的多动力源调度模块。所述柴油发电机组包括多台柴油发电机，柴油发电机推动相连的同轴发电机发电，所述同轴发电机安装在船舶电站，所述船舶电站整流输出分别与直流总线、磷酸铁锂动力电池组相连；所述外部交流电源采用岸电或无人船外部的充电装置，整流输出给无人船磷酸铁锂动力电池组充电；所述磷酸铁锂动力电池组包括电池本体和BMS系统，用于储存光伏发电系统、外部电源和柴油发电机组的电能或磷酸铁锂动力电池组单独放电给无人船电推系统提供能量；所述光伏发电系统包括光伏矩阵和光伏控制器，安装在无人船的甲板面上和可伸展的光伏板铺设装置上，并将光能转换为电能存储在磷酸铁锂动力电池组；所述多动力源调度模块，与船舶电站、磷酸铁锂动力电池组、光伏控制器进行通信，根据多动力源系统的调度方法，执行能源分配策略，控制能源分配。作为优选的技术方案，所述多动力源调度模块包括功率计算模块和调度控制模块，所述功率计算模块包括常规用电设备需求功率计算模块、无人船电力推进功率计算模块、光伏发电系统输出功率计算模块和磷酸铁锂动力电池组最大允许放电功率计算模块，所述常规用电设备需求功率计算模块，用于计算无人船常规用电设备在特定工况下的需求功率；所述无人船电力推进功率计算模块，用于计算无人船在结合风向、风速、水流方向、流速、航速和航向参数下的电力推进功率；所述光伏发电系统输出功率计算模块，用于计算光伏发电系统在结合天气、季节、光照度、时间参数下的输出功率；所述磷酸铁锂动力电池组最大允许放电功率计算模块，用于从磷酸铁锂动力电池组BMS中实时获取动力电池状态数据计算磷酸铁锂动力电池组最大允许放电功率；所述调度控制模块与计算模块进行通信，用于收集功率计算模块数据，根据无人船运动状态计算无人船总需求功率，发送能源分配指令到柴油发电机组、磷酸铁锂动力电池组和光伏发电系统。本专利技术面向无人船的多动力源系统的调度方法，包括下述步骤：根据无人船的电力负荷计算书，建立进出港、海上航行、装卸货、停泊和应急航行5种典型工况下常规用电设备的负荷数据库，计算出常规用电设备在特定工况下的需求功率：其中j＝1,2…5，Pij表示第i种用电设备在第j种工况下的需求功率；结合风速、风向、水流方向、流速、航速和航向的参数输入，建立无人船电力推进功率计算模型PE；结合天气、季节、光照度、时间因素，构建光伏发电系统的输出功率预测模型PM，实现光伏发电功率的预测；从磷酸铁锂动力电池组BMS中实时获取动力电池状态数据，建立磷酸铁锂动力电池组的最大允许放电功率预测模型PBmax；根据常规用电设备在特定工况下的需求功率Pd、光伏发电系统的输出功率预测模型PM、柴油发电机组的输出功率PG和磷酸铁锂动力电池组输出功率PB，建立无人船多动力源能源调度方法，采用的方式为：当PG>PM>PB时，随着负载需求功率增大，能源调度顺序为磷酸铁锂动力电池组单独供电、光伏发电系统单独供电、磷酸铁锂动力电池组和光伏发电系统组合供电、柴油发电机组单独供电、磷酸铁锂动力电池组和柴油发电机组组合供电、光伏发电系统和柴油发电机组组合供电，当柴油发电机组单独供电时，磷酸铁锂动力电池组处于充电状态。当PG>PB>PM时，随着负载需求功率增大，能源调度顺序为光伏发电系统单独供电、磷酸铁锂动力电池组单独供电、磷酸铁锂动力电池组和光伏发电系统组合供电、柴油发电机组单独供电、光伏发电系统和柴油发电机组组合供电、磷酸铁锂动力电池组和柴油发电机组组合供电，当柴油发电机组单独供电时，磷酸铁锂动力电池组处于充电状态。作为优选的技术方案，所述建立无人船电力推进功率计算模型PD的步骤具体如下所述：由船舶水动力学对船舶运动过程的描述可知，无人船的电力推进功率可由公式(1)表示：其中，PE为拖曳功率，ηD为推进效率；而拖曳功率PE可由公式(2)表示为：其中，RT是无人船航行过程中受到的阻力，vs为无人船的航速，CT为阻力系数，ρW为水的密度，v为水的流速，S为船体浸湿面积；联立公式(1)、(2)，可求得PD如公式(3)所述：根据实际航行环境可确定CT、ρW、ηD的值，访问无人船调度控制模块数据库，可获取传感器测得的vs、v、S数据信息，即可计算出无人船在不同情况下的电力推进所需功率PD。作为优选的技术方案，所述光伏发电系统的输出功率预测模型PM的步骤具体如下所述：光伏的输出功率PM由公式(4)得出：其中PPVR表示光伏组件的额定功率，单位为kW；为当前实际辐射量；为气温为25℃时的辐射量，单位为kW/m2；αP的单位为％/℃，αP和fPV均为常数；Tc为组件实际温度值；Tc,STC为25℃的标准温度；组件的实际温度Tc可表示为公式(5)：其中，Ta为环境温度；TNO通常取42℃～46℃之间的一个常数。作为优选的技术方案，所述建立磷酸铁锂动力电池组的最大允许放电功率预测模型PBmax的步骤具体如下所述：磷酸铁锂动力电池组放电功率PB为公式(6)得出：P本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向无人船的多动力源系统，其特征在于，包括用于推动发电机发电的柴油发电机组、用于磷酸铁锂动力电池组充电的外部交流电源、用于存储电能与放电给无人船提供驱动能量的磷酸铁锂动力电池组、用于将光能转换为电能的光伏发电系统和用于控制各个能源系统的调度分配的多动力源调度模块，所述柴油发电机组包括多台柴油发电机，柴油发电机推动相连的同轴发电机发电，所述同轴发电机安装在船舶电站，所述船舶电站整流输出分别与直流总线、磷酸铁锂动力电池组相连；所述外部交流电源采用岸电或无人船外部的充电装置，整流输出给无人船磷酸铁锂动力电池组充电；所述磷酸铁锂动力电池组包括电池本体和BMS系统，用于储存光伏发电系统、外部电源和柴油发电机组的电能或磷酸铁锂动力电池组单独放电给无人船电推系统提供能量；所述光伏发电系统包括光伏矩阵和光伏控制器，安装在无人船的甲板面上和可伸展的光伏板铺设装置上，并将光能转换为电能存储在磷酸铁锂动力电池组；所述多动力源调度模块，与船舶电站、磷酸铁锂动力电池组、光伏控制器进行通信，根据多动力源系统的调度方法，执行能源分配策略，控制能源分配。

【技术特征摘要】
1.一种面向无人船的多动力源系统，其特征在于，包括用于推动发电机发电的柴油发电机组、用于磷酸铁锂动力电池组充电的外部交流电源、用于存储电能与放电给无人船提供驱动能量的磷酸铁锂动力电池组、用于将光能转换为电能的光伏发电系统和用于控制各个能源系统的调度分配的多动力源调度模块，所述柴油发电机组包括多台柴油发电机，柴油发电机推动相连的同轴发电机发电，所述同轴发电机安装在船舶电站，所述船舶电站整流输出分别与直流总线、磷酸铁锂动力电池组相连；所述外部交流电源采用岸电或无人船外部的充电装置，整流输出给无人船磷酸铁锂动力电池组充电；所述磷酸铁锂动力电池组包括电池本体和BMS系统，用于储存光伏发电系统、外部电源和柴油发电机组的电能或磷酸铁锂动力电池组单独放电给无人船电推系统提供能量；所述光伏发电系统包括光伏矩阵和光伏控制器，安装在无人船的甲板面上和可伸展的光伏板铺设装置上，并将光能转换为电能存储在磷酸铁锂动力电池组；所述多动力源调度模块，与船舶电站、磷酸铁锂动力电池组、光伏控制器进行通信，根据多动力源系统的调度方法，执行能源分配策略，控制能源分配。2.根据权利要求1所述的面向无人船的多动力源系统，其特征在于，所述多动力源调度模块包括功率计算模块和调度控制模块，所述功率计算模块包括常规用电设备需求功率计算模块、无人船电力推进功率计算模块、光伏发电系统输出功率计算模块和磷酸铁锂动力电池组最大允许放电功率计算模块，所述常规用电设备需求功率计算模块，用于计算无人船常规用电设备在特定工况下的需求功率；所述无人船电力推进功率计算模块，用于计算无人船在结合风向、风速、水流方向、流速、航速和航向参数下的电力推进功率；所述光伏发电系统输出功率计算模块，用于计算光伏发电系统在结合天气、季节、光照度、时间参数下的输出功率；所述磷酸铁锂动力电池组最大允许放电功率计算模块，用于从磷酸铁锂动力电池组BMS中实时获取动力电池状态数据计算磷酸铁锂动力电池组最大允许放电功率；所述调度控制模块与计算模块进行通信，用于收集功率计算模块数据，根据无人船运动状态计算无人船总需求功率，发送能源分配指令到柴油发电机组、磷酸铁锂动力电池组和光伏发电系统。3.根据权利要求1和2所述的面向无人船的多动力源系统的调度方法，其特征在于，包括下述步骤：根据无人船的电力负荷计算书，建立进出港、海上航行、装卸货、停泊和应急航行5种典型工况下常规用电设备的负荷数据库，计算出常规用电设备在特定工况下的需求功率：其中j＝1，2…5，Pij表示第i种用电设备在第j种工况下的需求功率；结合风速、风向、水流方向、流速、航速和航向的参数输入，建立无人船电力推进功率计算模型PE；结合天气、季节、光照度、时间因素，构建光伏发电系统的输出功率预测模型PM，实现光伏发电功率的预测；从磷酸铁锂动力电池组BMS中实时获取动力电池状态数据，建立磷酸铁锂动力电池组的最大允许放电功率预测模型PBmax；根据常规用电设备在特定工况下的需求功率Pd、光伏发电系统的输出功率预测模型PM、柴油发电机组的输出功率PG和磷酸铁锂动力电池组输出功率PB，建立无人船多动力源能源调度方法，采用的方式为：当PG＞PM＞PB时，随着负载需求功率增大，能源调度顺序为磷酸铁锂动力电池组单独供电、光伏发电系统单独供电、磷酸铁锂动力电池组和光伏发电系统组合供电、柴油发电机组单独供电、磷酸铁锂动力电池组和柴油发电机组组合供电、光伏发电系统和柴油发电机组组合供电，当柴油发电机组单独供电时，磷酸铁锂动力电池组处于充电状态，当PG＞PB＞PM时，随着负载需求功率增大，能源调度顺序为光伏发电系统单独供电、磷酸铁锂动力电池组单独供电、磷酸铁锂动力电池组和光伏发电系统组合供电、柴油发电机组单独供电、光伏发电系统和柴油发电机组组合供电、磷酸铁锂动力电池组和柴油发电机组组合供电，当柴油发电机组单独供电时，磷酸铁锂动力电池组处于充电状态。4.根据权利要求3所述的调度方法，其特征在于，所述建立无人船电力推进功率计算模型...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖金超，刘继海，魏三喜，冯东英，熊俊峰，
申请(专利权)人：广州中国科学院沈阳自动化研究所分所，中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：广东,44