一种多电源动力的船舶直流电力推进系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及船舶技术领域，具体涉及了一种多电源动力的船舶直流电力推进系统及其工作方法。

背景技术

目前，船舶动力来源主要为柴油机、燃气轮机等，在其提供动力的同时还会排放大量的硫氧化物、二氧化碳、氮氧化合物、颗粒物等大气污染物，对环境和大气造成严重的污染。近年来随着电力电子技术、变频电机制造技术、交流电机变频调速技术和计算机控制技术的日益成熟，船舶电力推进系统以其所具备的经济性、机动性、操纵性、安全性、环保性等优势，使其装船率逐年上升。在电力推进船舶的发展进程中，交流电力系统以功能块技术成熟、开发快捷等优势，成为当前电力推进船舶的主流方案。然而，交流电力系统也存在控制复杂，谐波污染等问题，长期困扰着电力推进船舶的发展。随着可控整流技术以及斩波逆变技术的进步，加上能源价格的上升，船舶直流组网电力系统的发展引起了关注。

早期交流电力推进系统优于直流电力推进的主要原因是，交流电力系统通过使用变压器能够容易地改变电压，而直流电力系统实现电压的改变较为困难，并且传统直流系统维护成本高。然而，近些年电力电子技术的飞速发展，使得电力电子器件可以轻松实现变压。因此，船舶直流电力推进系统的优势越来越明显，其主要优点有：

（1）提高柴油发电机效率和节省燃油消耗。在船舶交流电力系统中，柴油机与定速发电机相连，在指定的电力系统频率工作。当船舶电力系统处在低负载需求时，柴油发电机则处在低负荷定转速下工作，此时能量效率大幅下降，同时会排放大量污染气体。而采用直流电力系统，柴油发电机可以根据电力系统所需要负载调整转速，从而使柴油机处在最优工况点上，提高系统能量效率。

（2）系统集成度提高，节省空间与降低重量。将交流电力系统改造为直流系统后，交流配电板、推进变压器以及THD滤波器都不需要配置。

（3）电能传输损耗降低。直流电网的频率为0Hz，电缆不会产生集肤效应，并且对新能源设备的接入与储能系统的应用性更好。

为了达到节能减排和满足功率需求的目的，越来越多的船舶采用纯电力推进模式，采用更加清洁的动力源来代替传统的柴油机发电模式，如光伏发电、LNG发电、燃料电池、蓄电池等，通过清洁能源发电并网到船舶电力系统，以提供功率。

当采用光伏发电、LNG发电、燃料电池、蓄电池为电力供给单元时，为了整个电力系统的平稳运行、相关系统的使用寿命和设备的安全，电力供给单元的运行状况就显得至关重要，所以对船舶的能量管理进行优化就显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能提高船舶舒适度、利于环保，且可以在短时间内完成充电的多电源动力的船舶直流电力推进系统。本发明的推进系统通过燃料电池把氢气的化学能转化为电能，并储存在复合电源中。光伏发电机组和风力发电装置能够收集多种形式的能源，并且把这多种形式的能源转化为电能。然后复合电源发出电能供给推进电机带动螺旋桨转动，从而为船舶行驶提供动力，提高能源转化率。

本发明的一种多电源动力的船舶直流电力推进系统，包括供电模块、电力推进装置、充电装置、直流母线、能量转换装置、直流配电装置和能量管理模块。

所述供电模块包括燃料电池组、锂电池组、超级电容、太阳能光伏发电组件、风力发电装置。

所述电力推进装置包括变频器、推进电机、操作控制台、轴系以及螺旋桨。

所述充电装置包括直流充电装置和交流充电装置。

所述直流母线是指所有的能源都以直流的方式汇总到母线上，再送给电力推进装置。所述母线是能源系统的汇合点。

所述能量转换装置包括双向DC/DC转换器、单向DC/DC转换器、DC/AC转换器和逆变器。

所述能量管理模块是指根据功率负载需求来合理分配燃料电池组、锂电池组、超级电容、太阳能光伏发电组件、风力发电装置的能量输出。

本发明采用公共的直流母线系统进行组网，燃料电池组发生化学反应将化学能转化为电能，产生的电流通过DC/DC转换器后与公共的直流母线连接。

推进电机通过逆变器与公共的直流母线连接，实现了船舶负载发生变化时，调整燃料电池组的发电量；使船舶电网能够工作在正常的电压下，提高发电和推动两个环节的集成性和协调性。

所述直流母线通过逆变器连接船舶日用负载。将船舶公共的直流母线提供的直流电源进行逆变转换成频率和电压可调的交流输出，为负载设备提供可调节的电源，使负载设备正常工作。

采用燃料电池组作为发电模块，燃料电池组发出直流电通过DC/DC转换器直接与直流母线连接。

所述超级电容与锂电池组构成复合储能装置，采用并联拓扑结构。所述复合储能装置通过DC/DC转换器与直流母线直接相连。

所述太阳能光伏发电组件包括太阳能板、采样电路、放大电路以及转换装置等，通过输电网络，并入到直流母线中。

所述风力发电装置包括柱状的风力采集结构、采样电路、放大电路以及转换装置，通过输电网络，并入到直流母线中。

燃料电池组、光伏发电机组和风力发电装置，可以将发出的电能通过连接交流充电装置，直接给锂电池组充电。

推进电机通过逆变器与直流母线连接，推进电机通过轴系连接螺旋桨。

所述直流配电装置是船舶的电能管理系统，其预先绘制负载功率曲线，得到不同时间段所需要的功率负载，即通过与推进电机、推进系统及其他负荷系统的控制器连接，监控整船的电能负荷需求；直流配电装置的监控结果用于设置燃料电池和复合电源的充放电功率，使得能够满足各个负载的功率需求。

所述能量管理模块，为了实现最少能耗、最少排放、最大续航能力，并保证船舶电力系统稳定工作。

一种多电源动力的船舶直流电力推进系统的工作方法，包括以下步骤：

在正常的航行过程中，多电源动力的船舶电力推进系统的工况主要分为两种，燃料电池组作为主动力源，锂电池组、光伏发电机组和风力发电装置作为辅助动力源，该工况为工作模式1；锂电池组作为主动力源，燃料电池组、光伏发电机组和风力发电装置作为辅助动力源，该工况为工作模式2。

工作模式1，系统中燃料电池组始终在最佳效率工作状态下运行，其输出功率Pe为定值，当船舶需求功率P1小于燃料电池组提供功率Pe时，燃料电池组除了给船舶提供能量之外，还可以向锂电池组和超级电容充电，光伏发电机组和风力发电装置正常工作。

工作模式2，当船舶需求功率P1大于燃料电池组提供功率Pe时，通过锂电池组放电补充系统能量，根据锂电池组工作特点，在其荷电状态(SOC)能满足系统功率的需求时，有锂电池组全部提供能量，当SOC下降到一定程度后，就需要燃料电池组、光伏发电机组和风力发电装置来满足功率需求。

在航行过程中，根据功率需求曲线，将曲线分为对应的高频、稳定、低频几部分，然后按照对应的工作模块输出功率。该规则的输入功率为低频功率，且在于控制超级电容的荷电状态(State Of Charge,SOC)在合理范围内，通过不同的输出策略，来防止锂电池组的瞬时大功率放电，保护锂电池组的健康。其中Pload为所需的功率负载；PLload为低频负载功率；Pbmin为锂电池组输出功率最低值；Pbmax为锂电池组输出功率最大值；Puc为超级电容承担功率；Pbat为锂电池组承担的功率，而对于光伏发电机组和风力发电装置，它们的工作形式相对来说比较稳定，长时间都会处于发电状态，不会受到功率需求负载变化而变化太大，只需要通过相应的控制模块来调整启停时间即可。

具体如下：

（1）根据功率需求曲线，将曲线分为对应的高频、稳定、低频几部分，然后按照对应的工作模块输出功率。

（2）该规则的输入功率为低频功率，且在于控制超级电容的荷电状态(State OfCharge,SOC)在合理范围内，通过不同的输出策略，来防止锂电池组的瞬时大功率放电，保护锂电池组的健康。其中Pload为所需的功率负载；PLload为低频负载功率；Pbmin为锂电池组输出功率最低值；Pbmax为锂电池组输出功率最大值；Puc为超级电容承担功率；Pbat为锂电池组承担的功率。

（3）当超级电容SOC>90%，PLload＜Pbmin时，锂电池组不工作，超级电容承担低频负载；当Pbmax＞PLload＞Pbmin时，仅由锂电池组承担低频负载。

（4）当超级电容70%≤SOC≤90%，PLload＜Pbmin时，超级电容进入充电模式2；当Pbmax＞PLload＞Pbmin时，锂电池组输出，超级电容进入充电模式2；当PLload＞Pbmax，限制锂电池组输出功率，超级电容不充电。

（5）当超级电容SOC＜70%，PLload＜Pbmin时，超级电容进入充电模式1；当Pbmax＞PLload＞Pbmin时，锂电池组输出，超级电容进入充电模式1；当PLload＞Pbmax，限制锂电池组输出功率，超级电容不充电。

运用至实际航行时，详细能量管理规则如下：

当船舶靠岸时：由岸电给该系统中的锂电池组和超级电容充电，保证锂电池组和超级电容充电的能量；

启动时：使用超级电容配合燃料电池组和锂电池组补充启动时瞬间的较大能量；

刹车制动时：使用超级电容快速回收能量；

该规则还会根据船舶的供电情况对太阳能光伏发电组件和风力发电装置以及锂电池组进行管理，以保证船舶正常工作，其主要包括两种情况：

太阳能光伏发电组件和风力发电装置发电量充裕时，太阳能光伏发电组件和风力发电装置同时向锂电池组和整个推进系统供电；

当整船处于工况负载大于燃料电池组和锂电池组的供电时，太阳能光伏发电组件、风力发电装置主要向推进系统供电。

技术效果

本发明具有较高的集成度，较低的设备成本，设备数量相较于交流电力系统推进少，占地面积小及重量低，当负载发生变化时，可以灵活地分配燃料电池和复合储能模块的功率输出，为负载提供足够的能量输出。

本发明采用了超级电容和锂电池组构成复合储能装置，能够保证电池的正常工作，同时使电池组能够保持相对稳定的输出，延长了电池组的使用寿命。采用了能量管理模块，使燃料电池和复合储能装置更高效率输出，提高了整个系统的能源使用效率。

本发明没有使用传统的柴油机发电机组，而是采用多种清洁能源作为电力来源，具有节能减排的效果，同时可减少燃油消耗，降低运行成本。

附图说明

图1是本发明的结构框图；

图2是本发明的能量管理结构示意图；

图3是本发明的功率分配示意图；

图4是本发明的低频功率输出示意图；

图5是本发明的能量管理规则示意图；

图6是本发明的多种电源模块图；

图7是本发明的多电源动力的系统结构仿真图；

图8是本发明的负载随时间变化曲线图；

图9是本发明的电池放电电流值随时间变化曲线图；

图10是本发明的电池放电电压值随时间变化曲线图；

图11是本发明的锂电池组荷电量随时间变化曲线图；

图12是本发明的超级电容放电电流值随时间变化曲线图；

图13是本发明的超级电容端电压值随时间变化曲线图；

图14是本发明的燃料电池组输出曲线图；

图15是本发明的系统总输出曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明进行进一步说明。

实施例1，如图1-5所示，一种多电源动力的船舶直流电力推进系统，包括燃料电池模块、超级电容、锂电池模块、太阳能光伏发电组件、风力发电装置、直流配电装置、双向DC/DC转换器、单向DC/DC转换器、DC/AC转换器、逆变器、充电装置、电力推进装置（电机、螺旋桨等）、能量管理模块以及相应的输电网络和电力电子器件等。

所述燃料电池模块，作为整个船舶电力推进系统的主要电能来源，选择由质子交换膜燃料电池（Proton-Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）构成的PEMFC燃料电池组。船上配置两个PEMFC燃料电池组，两个PEMFC燃料电池组通过单向DC/DC转换器并入到直流母线上。

所述超级电容与锂电池模块构成复合()电源。

所述锂电池模块包括由多个锂电池构成的锂电池组。

在相应选型上面，蓄电池方面选择电压范围、比功率、比能量和循环使用寿命更大的锂电池。电容方面选择充放电更快，容量更大的超级电容。

通过控制超级电容充放电，减缓锂电池组电流波动，延长其循环使用寿命。

复合电源起到削峰填谷的作用，使燃料电池尽可能在高效率区间工作，并且锂电池模块和超级电容采用并联拓扑结构。

在锂电池模块上，选择双向DC/DC转换器来完成电流的传输，双向DC/DC转换器用于稳定燃料电池输出电压和复合电源的端电压。

所述逆变器用于将直流电电流转换为交流电电流，供给负载。

太阳能光伏发电组件包括光伏电池板、采样电路、放大电路以及转换装置等，用于将太阳光能转化为电能，其中光伏电池板吸收光能转变为不稳定的直流电能，通过采样电路和放大电路，以及单向DC/DC转换器，将其转化为稳定的直流电流，输送到直流母线网络。

风力发电装置包括柱状的风力采集结构、采样电路、放大电路以及转换装置等，用于将风能转化为电能。所述柱状的风力采集结构可以采集各个方向的风力，提高发电效率，然后通过采样电路和放大电路以及单向DC/DC转换器，将其转化为稳定的直流电流，输送到直流母线网络。

当太阳能光伏发电组件和风力发电装置发电量充裕，并且负载功率需求不大时，太阳能光伏发电组件和风力发电装置可以通过DC/AC转换器连接锂电池组的直流充电装置，对锂电池组进行充电。

能量管理模块的工作原理主要是：

系统中PEMFC燃料电池组始终在最佳效率工作状态下运行，其输出功率为定值，当船舶需求功率小于PEMFC燃料电池组提供功率时，PEMFC燃料电池组除了给船舶提供能量之外，还可以向锂电池组和超级电容充电。

太阳能光伏发电组件和风力发电装置正常工作。

当船舶需求功率大于PEMFC燃料电池组提供功率时，通过锂电池组放电补充系统能量，根据锂电池组工作特点，在其荷电状态(SOC)能满足系统功率的需求时，有锂电池组全部提供能量，当SOC下降到一定程度后，就需要燃料电池组、太阳能光伏发电组件和风力发电装置来满足功率需求。

获得船舶当前需求功率，分为中高低三段，来决定各个模块（燃料电池模块、超级电容、锂电池模块、太阳能光伏发电组件和风力发电装置）的工作模式。然后通过CAN总线获得锂电池SOC值，提供能量控制规则，它实现了船舶电力推进系统中的多能量合理分配，提高能量的利用效率。

实施例2，如图1-15所示，一种多电源动力的船舶直流电力推进系统，在Matlab/Simulink中搭建该模型，其中燃料电池模块、超级电容、锂电池模块选择使用Simulink标准库中的对应模块，太阳能光伏发电组件、风力发电装置、能量管理模块和其他的元器件按照相应的结构在Simulink中搭建，得到的仿真模型如图6-7所示。

进行多次仿真实验，得到的数据如图8-15所示。

首先根据能量管理规则，把负载曲线分为高频、低频和中频段，如图8所示。然后运行模型，得到的数据。

通过上述实验数据可以看到，本系统在面对多工况的负载情况下，通过能量管理规则，划分负载曲线，并且合理分配相应模块的输出功率，能够很好的满足功率需求，超级电容和锂电池组构成的符合储能装置具有很好的工作效果，并且锂电池组的荷电状态比较稳定，有助于延长电池的使用寿命。

实施例3，在实施例1的基础上，增设固体氧化物燃料电池组，且与直流母线电连接。

此外，以上实施例并非是对本发明的限制，本发明所述包括但不限于上述具体实施方式。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求来限定。