一种船用燃气轮机电网混合储能功率分配方法及设备组成比例

本发明专利技术属于船舶控制技术领域，公开了一种船用燃气轮机电网混合储能功率分配方法，包括：利用参数优化的VMD算法进行储能装置的初次功率分配；利用两个并联的模糊控制器，进行储能装置的二次功率分配：将分解后的高频部分传输到飞轮储能系统进行调节，将低频部分传输到蓄电池进行调节；由模糊控制器调整产生的脉冲负载和混合储能系统之间的能量差由微型燃气轮机发电机提供。本发明专利技术获得了不同负荷形式下的船舶燃气轮机发电系统的协调控制；本发明专利技术实现了燃气轮机电网中储能系统的功率分配和运行状态优化；本发明专利技术显著减小了高能脉冲负载对船舶燃气轮机微电网的冲击。对船舶燃气轮机微电网的冲击。对船舶燃气轮机微电网的冲击。

【技术实现步骤摘要】
一种船用燃气轮机电网混合储能功率分配方法及设备


[0001]本专利技术属于船舶控制
，尤其涉及一种船用燃气轮机电网混合储能功率分配方法及设备。

技术介绍

[0002]目前，各种新型的高功率脉冲负载逐渐在船舶上得到规模化应用。然而，将这些负载连接到船舶电力系统中将会导致系统的功率在短时间内突变。尤其是当燃气轮机作为原动机时，其缓慢的功率响应特性，将会影响同步发电机的升压能力，进而导致系统不能提供脉冲负载的瞬态功率需求，无法在短时间内维持船舶电力系统的稳定。
[0003]能量储存系统是缓解船舶电力系统功率波动的一种有效的解决方案。在不同类型的储能系统中，飞轮储能系统(Flywheel energy storage system,简称FESS)具有功率密度高、暂态响应能力强和工作温度范围宽等特点，被广泛应用于可再生能源系统和船舶电力系统中。但是，飞轮储能的能量密度相对较低、待机损耗高。另一方面，以铅酸蓄电池、锂离子电池、镍氢电池和镍镉电池为代表的蓄电池具有能量密度高、功率密度低等特点。为了增强整体性能，飞轮储能系统通常与蓄电池结合形成混合储能系统(Hybrid energy storage system,简称HESS)。该混合储能系统通常用于可再生能源电力系统的调频和调载，也可用于船舶电力系统中以稳定电网参数。在现有的关于飞轮和蓄电池组成的混合储能系统能量分配相关技术和研究，主要存在以下问题。
[0004]一是由飞轮储能和蓄电池组成的HESS通常应用于风能、太阳能等可再生能源电力系统，用以平抑电源输出功率的波动，而在船舶电力系统的应用还较少。可再生能源电力系统中，系统的电力负载相对稳定，但是作为功率源的风能、太阳能等具有显著的间歇性、随机性和不可预测性。而船舶电力系统的特性与之不同。在船舶电力系统中，因为高功率脉冲负载的使用，电网负载的功率变化比较明显，而作为功率源的发电燃气轮机的输出功率相对稳定且可以按需调节。上述差异导致船舶电力系统和可再生能源系统中HESS的总体协同控制、能量分配策略有较大差别。
[0005]而且，在将HESS应用于船舶电力系统的研究中，HESS通常作为设备级别的储能装置，并在其末端连接脉冲负载。这种结构下，HESS仅满足脉冲负载的功率需求，但是并不能平滑推进负载等其他类型负载的波动。虽然这种配置减轻了脉冲负载的影响，但是未能充分发挥船舶电力系统中发电原动机的调节性能。并且，该结构需要配置更大容量的储能系统，导致船舶上空间和重量需求增加，可能影响整体船舶性能。
[0006]二是对于由飞轮储能和蓄电池组成的HESS的功率分配，基于变分模态分解(Variational mode decomposition，简称VMD)分解的方法应用还较少。HESS补偿微电网功率波动的基本思想是将不平衡的功率按照频率高低进行分解，分解后的功率由各个储能系统通过控制变流器来响应，共同调节直流母线电压稳定。常用的功率分配方法有滤波分解、小波分解、经验模态分解和变分模态分解(VMD)等。上述方法各有特点：滤波分解中的低通滤波器在滤波过程中容易产生一定的延迟，这会导致储能系统功率的不合理分配。小波分
解的结果对基函数的选择有很强的依赖性。经验模态分解在递归分解过程中不能精确地将频率相的模态函数分离，分解后的各模态函数存在模态混叠现象。VMD方法可以自适应地确定各模态的最佳中心频率和带宽，并可以完成固有模态函数的有效分离和信号的频域划分，是一种非常高效的信号处理方法。而当前，VMD算法在船用微型燃气轮机直流微电网混合储能中飞轮储能和蓄电池功率分配的应用还未见报道，这一方法和技术值得深入研究。
[0007]三是基于参数优化的VMD算法尚未应用到船用微型燃气轮机直流微电网功率分配。现有的应用VMD分解的研究中，往往会对VMD的参数进行优化，从而提高分解的准确性和鲁棒性。参数优化的VMD方法应用，一般聚焦在可再生能源电力系统中，而在船舶电力系统中，参数优化VMD方法的应用尚未见报道。由于可再生能源电力系统的电源和负载特性与船舶电力系统的有很大区别，因此，有必要研究船舶电力系统中VMD的参数优化。
[0008]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术尚没有将VMD算法在船用微型燃气轮机直流微电网混合储能中飞轮储能和蓄电池功率分配的应用；现有的船用燃气轮机直流电力系统容易受脉冲负载的影响。

技术实现思路

[0009]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种船用燃气轮机电网混合储能功率分配方法及设备。
[0010]本专利技术是这样实现的，一种船用燃气轮机电网混合储能功率分配方法，所述船用燃气轮机电网混合储能功率分配方法包括：
[0011]当系统稳态运行、未接入脉冲负载时，利用微型燃气轮机提供系统的能量需求；
[0012]当接入脉冲负载时，利用参数优化的VMD算法进行储能装置的初次功率分配；利用两个并联的模糊控制器，进行储能装置的二次功率分配：将分解后的高频部分通过模糊控制器传输到飞轮储能系统进行调节；将低频部分通过电池模糊控制器传输到电池进行调节；由模糊控制器调整产生的脉冲负载和混合储能系统之间的能量差由微型燃气轮机发电机提供。
[0013]具体过程为，当接入脉冲负载时，利用参数优化的VMD算法分解脉冲负载的电流信号，并根据不同储能装置的特性进行初次电流分配，将高频部分作为飞轮储能系统的初始电流信号，低频部分作为蓄电池的初始电流信号；
[0014]运用飞轮模糊控制器调整飞轮电流的初始参考信号，将飞轮实际转速与飞轮电流初始参考信号作为飞轮模糊控制器的输入，输出为修正后的飞轮电流参考信号；
[0015]运用电池模糊控制器调整电池电流的初始参考信号，将电池的实际荷电状态与电池电流的初始参考信号作为电池模糊控制器的输入，输出为修正后的电池电流参考信号；
[0016]将修正后的飞轮电流参考指令作为充电和放电指令传递给飞轮的双向AC/DC变流器；将飞轮内部电流和电压以及直流母线电压馈送到双向AC/DC逆变器；通过控制所述双向AC/DC逆变器，调节飞轮设备电流的方向与大小；
[0017]修正后的电池电流参考指令作为充电和放电指令传递给电池的双向DC/DC变流器，将电池内部电流和电压以及直流母线电压馈送到双向DC/DC逆变器；通过控制所述双向DC/DC逆变器，调节电池电流的方向与大小。
[0018]进一步，所述船用燃气轮机电网混合储能功率分配方法还包括：
[0019]微型燃气轮机驱动同步发电机发电，燃气轮机轴的转速反馈到微型燃气轮机控制器；微型燃气轮机控制器对参考转速与实际转速的差值进行调节，输出相应的燃油控制信号，燃油控制系统根据接收到的燃油控制信号调节燃油阀的开度，调节转速；
[0020]励磁控制器对参考直流母线电压与实际直流母线电压的差值进行调节，输出对应的励磁电压，调节励磁电流，控制直流母线电压；
[0021]进一步，所述船用燃气轮机电网混合储能功率分配方法包括以下步骤：
[0022]步骤一，当系统稳态本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种船用燃气轮机电网混合储能功率分配方法，其特征在于，包括：当系统稳态运行、未接入脉冲负载时，利用微型燃气轮机提供系统的能量需求；当接入脉冲负载时，利用参数优化的VMD算法分解脉冲负载的功率信号，并根据不同储能装置的特性进行初次电流分配，将高频部分作为飞轮储能系统的初始电流信号，低频部分作为蓄电池的初始电流信号；运用飞轮模糊控制器调整飞轮电流的初始参考信号，将飞轮实际转速与飞轮电流初始参考信号作为飞轮模糊控制器的输入，输出为修正后的飞轮电流参考信号；运用电池模糊控制器调整电池电流的初始参考信号，将电池的实际荷电状态与电池电流的初始参考信号作为电池模糊控制器的输入，输出为修正后的电池电流参考信号；将修正后的飞轮电流参考指令作为充电和放电指令传递给飞轮的双向AC/DC变流器；将飞轮内部电流和电压以及直流母线电压馈送到双向AC/DC逆变器；通过控制所述双向AC/DC逆变器，调节飞轮设备电流的方向与大小；修正后的电池电流参考指令作为充电和放电指令传递给电池的双向DC/DC变流器，将电池内部电流和电压以及直流母线电压馈送到双向DC/DC逆变器；通过控制所述双向DC/DC逆变器，调节电池电流的方向与大小。2.如权利要求1所述船用燃气轮机电网混合储能功率分配方法，其特征在于，所述船用燃气轮机电网中的一些控制方法包括：微型燃气轮机驱动同步发电机发电，燃气轮机轴的转速反馈到微型燃气轮机控制器；微型燃气轮机控制器对参考转速与实际转速的差值进行调节，输出相应的燃油控制信号，燃油控制系统根据接收到的燃油控制信号调节燃油阀的开度，调节转速；励磁控制器对参考直流母线电压与实际直流母线电压的差值进行调节，输出对应的励磁电压调节励磁电流，控制直流母线电压。3.如权利要求1所述船用燃气轮机电网混合储能功率分配方法，其特征在于，所述船用燃气轮机电网混合储能功率分配方法包括以下步骤：步骤一，当系统稳态运行、未接入脉冲负载时，利用微型燃气轮机提供系统的能量需求；当接入脉冲负载时，利用参数优化的VMD算法将脉冲负载功率自适应地分解为一系列频率从低到高的固有模态函数；步骤二，对每个固有模态函数进行希尔伯特变换分析边际频谱域中的信号特征；利用模态混叠程度确定低频和高频分量之间的边界；将脉冲负载功率的低频分量分配给电池系统，将高频分量分配给飞轮储能系统；步骤三，将高频部分通过模糊控制器传输到飞轮储能系统进行调节；将低频部分通过电池模糊控制器传输到电池进行调节；由模糊控制器调整产生的脉冲负载和混合储能系统之间的能量差由微型燃气轮机发电机提供。4.如权利要求3所述船用燃气轮机电网混合储能功率分配方法，其特征在于，所述利用参数优化的VMD算法将脉冲负载功率自适应地分解为一系列频率从低到高的固有模态函数，包括：利用人工蜂鸟算法、粒子群算法、算术优化算法等优化算法，结合脉冲负载信号的特点，对变分模态分解的特征参数进行优化。然后，利用参数优化的VMD算法将脉冲负载功率自适应地分解为一系列频率从低到高的固有模态函数。
5.如权利要求3所述船用燃气轮机电网混合储能功率分配方法，其特征在于，所述利用人工蜂鸟算法将脉冲负载功率自适应地分解为一系列频率从低到高的固有模态函数，包括：(1)输入原始脉冲负载功率波动信号并初始化人工蜂鸟算法的参数；并生成一系列随机解，对蜂鸟的访问表进行初始化；(2)对每个初始解进行VMD计算，并计算相应的适应度值；评估飞行状态；以50％的比例选择引导式觅食或领地性觅食，并计算相应的适应度函数值；(3)更新第i个食物源的位置；执行迁移采蜜策略，并计算相应的适应度值；确定当前迭代次数是否达到最大迭代次数；如果达到，则停止迭代；否则，继续迭代；(4)获取最优适应度值并保存最优位置。6.如权利要求5所述船用燃气轮机电网混合储能功率分配方法，其特征在于，所述对每个初始解进行VMD计算，并计算相应的适应度值包括：利用下式对每个初始解进行VMD计算：利用下式对每个初始解进行VMD计算：利用下式对每个初始解进行VMD计算：利用下式对每个初始解进行VMD计算：利用下式对每个初始解进...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁泽民，李月明，叶志成，余又红，刘永葆，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：