一种船舶岸电系统分层式功率柔性调控方法及系统

技术领域

本发明涉及到船舶岸电系统电能质量治理与能量管理技术领域，尤其涉及到一种船舶岸电系统分层式功率柔性调控方法及系统。

背景技术

船舶岸电是指船舶在靠泊期间停止使用船上的柴油发电机，船上通风、照明、制冷等其他设施运转都改由码头供电，，从而减少船舶废气排放和碳排放的供电方式。船舶岸电作为最具前景的电能替代技术之一。然而随着接入的冲击性负荷急剧增多，负荷功率短时间内的大幅变化，不仅引起了电压波动等电能质量问题，也增大了电网的电能损耗，不利于船舶岸电系统的稳定运行。

为平抑负荷侧功率的强波动变化，目前最有效的手段是采用储能技术进行功率的瞬时补偿，从而实现对冲击负荷功率的削峰填谷。但是，当前储能系统的功率补偿策略研究多数面向新能源并网，较少涉及船舶岸电系统。此外，基于规则的功率补偿策略依赖经验和静态数据，难以保证全局最优；基于优化的功率补偿策略由于算法复杂，实时性不高，有时可能造成系统失稳。因此针对船舶岸电系统的功率波动抑制，现有技术中尚未有一种既能提高功率补偿实时性、又能提升岸电系统经济运行程度和确保储能系统稳定运行的功率补偿策略。

发明内容

鉴于现有技术的上述不足，本发明提供一种船舶岸电系统分层式功率柔性调控方法及系统，有效解决功率补偿策略实时性低、岸电系统经济运行程度低和储能系统运行不稳定的问题。

第一方面，本发明提供一种船舶岸电系统分层式功率柔性调控方法，所述方法包括：

获取船舶岸电系统的负荷有功功率、负荷无功功率和电池荷电状态；

基于所述负荷有功功率、负荷无功功率和电池荷电状态求解优化层和规则层的各项指标下的有功补偿值和无功补偿值，其中：

所述优化层自上而下依次为储能系统动作频率指标和变压器经济运行指标，规则层自上而下依次为电池荷电状态指标和冲击负荷功率平抑指标；

根据所述各项指标下的有功补偿值和无功补偿值确定功率柔性调控装置的有功功率补偿值和无功功率补偿值，其中：

所述功率柔性调控装置包括高性能锂电池组、功率变换器和电流电压传感器，通过并联的方式接入所述船舶岸电系统。

作为优选的，所述基于所述负荷有功功率、负荷无功功率和电池荷电状态求解优化层和规则层的各项指标下的有功补偿值和无功补偿值包括：

确定所述储能系统动作频率指标下的有功补偿值P

计算变压器的有功转移分量ΔP

根据所述变压器经济运行指标下的有功补偿值P

作为优选的，所述储能系统动作频率指标代表储能系统动作频繁程度，间接反映储能系统的动作损耗，若第i个采样时刻的储能系统动作状态值x

那么对应时间段内储能系统的动作频率f为：

上式中，n为采样点数；T

作为优选的，所述变压器经济运行指标代表变压器综合功率损耗率，间接反映变压器的功率损耗，所述变压器综合功率损耗率ΔP

其中，P

作为优选的，所述变压器综合功率损耗率在最佳负载系数S

ΔP

上式中，，μ为最佳经济系数，且0<μ<1。

作为优选的，所述电池荷电状态指标代表储能系统的剩余容量，间接反映储能系统当前的功率输出能力，在极端情形下需设计限制因子函数来防止电池组出现过充过放现象，所述极端情形包括：soc＜soc

上式中，soc是电池当前时刻的荷电状态；soc

作为优选的，所述冲击负荷功率平抑指标用以平抑冲击性负荷功率，阻止负荷功率越过继电保护限值，造成船舶岸电系统作业的中断，则最终功率柔性调控装置的功率补偿值需要满足：

上式中，|S

第二方面，本发明提供一种船舶岸电系统分层式功率柔性调控系统，所述系统包括：

获取单元，用于获取船舶岸电系统的负荷有功功率、负荷无功功率和电池荷电状态；

计算单元，用于基于所述负荷有功功率、负荷无功功率和电池荷电状态求解优化层和规则层的各项指标下的有功补偿值和无功补偿值，其中：

所述优化层自上而下依次为储能系统动作频率指标和变压器经济运行指标，规则层自上而下依次为电池荷电状态指标和冲击负荷功率平抑指标；

确定单元，用于根据所述各项指标下的有功补偿值和无功补偿值确定功率柔性调控装置的有功功率补偿值和无功功率补偿值，其中：

所述功率柔性调控装置包括高性能锂电池组、功率变换器和电流电压传感器，通过并联的方式接入所述船舶岸电系统。

第三方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如本发明第一方面所述船舶岸电系统分层式功率柔性调控方法的步骤。

第四方面，本发明提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如本发明第一方面所述船舶岸电系统分层式功率柔性调控方法的步骤。

本发明提供的一种船舶岸电系统分层式功率柔性调控方法及系统组成结构上包括优化层和规则层，优化层旨在提升岸电系统的经济运行程度，降低储能系统动作损耗和变压器综合功率损耗，通过求解功率柔性调控装置局部或全局的功率补偿值的优化解来实现；规则层旨在提升锂电池储能系统循环寿命和应对极端运行工况能力，同时平抑冲击负荷功率，避免功率补偿值的优化解造成系统失稳，确保船舶岸电系统运行的稳定。本发明将优化指标和规则指标有机地相结合，通过空间上的排列避免了迭代过程，这样不仅提高了功率柔性调控装置的执行效率和实时性，也能保障船舶岸电系统的稳定运行，同时实现了船舶岸电系统的经济运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种船舶岸电系统分层式功率柔性调控方法流程图；

图2为本发明实施例提供的船舶岸电系统和功率柔性调控装置的原理图；

图3为本发明实施例提供的分层式功率柔性调控方法的原理图；

图4为本发明实施例提供的变压器综合功率损耗率函数示意图；

图5为本发明实施例提供的经济运行状态下功率转移矢量图；

图6为本发明实施例提供的非经济运行状态下功率转移矢量图；

图7为本发明实施例提供的限制因子函数示意图；

图8为本发明实施例提供的船舶岸电系统和功率柔性调控系统结构框图；

图9为本发明实施例提供的电子设备结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案作进一步清楚、完整地描述。需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请实施例中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。

本申请实施例中的术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。本申请的描述中，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列部件或单元的系统、产品或设备没有限定于已列出的部件或单元，而是可选地还包括没有列出的部件或单元，或可选地还包括对于这些产品或设备固有的其它部件或单元。本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

船舶岸电作为最具前景的电能替代技术之一,当前储能系统的功率补偿策略研究多数面向新能源并网，较少涉及船舶岸电系统。同时，基于规则的功率补偿策略依赖经验和静态数据，难以保证全局最优；基于优化的功率补偿策略由于算法复杂，实时性不高，有时可能造成系统失稳，因此针对船舶岸电系统的功率波动抑制尚未有一种既能提高功率补偿实时性、又能提升岸电系统经济运行程度和确保储能系统稳定运行的功率补偿策略。

本发明实施例提供一种船舶岸电系统分层式功率柔性调控方法及系统，采用优化层+规则层的分层式结构，有效解决功率补偿策略实时性低、岸电系统经济运行程度低和储能系统运行不稳定的问题。

图1为本发明实施例提供的一种船舶岸电系统分层式功率柔性调控方法流程图，包括：

S1、获取船舶岸电系统的负荷有功功率、负荷无功功率和电池荷电状态；

图2为本发明实施例提供的船舶岸电系统和功率柔性调控装置的原理图，如图2所示，船舶岸电系统中箱式变压器的高压侧连接10kV三相进线，一次绕组采用星型连接方式，二次绕组采用三角连接方式，负荷侧为水上浮吊，工作时其功率具有瞬时冲击特征，易引起继电保护，造成船舶岸电系统运行中断，在公共连接点处功率柔性调控装置以并联的方式接入，功率柔性调控装置包括高性能锂电池组、功率变换器和电流电压传感器。

根据三相瞬时功率理论有：

上式中，P

S2、基于所述负荷有功功率、负荷无功功率和电池荷电状态求解优化层和规则层的各项指标下的有功补偿值和无功补偿值；

图3为本发明实施例提供的分层式功率柔性调控方法的原理图，组成结构上包括优化层和规则层，优化层位于上层，规则层位于下层。根据约束条件的从少到多，优化层中自上而下依次为储能系统动作频率指标和变压器经济运行指标，用于提升岸电系统的经济运行程度，通过求解功率柔性调控装置局部或全局的功率补偿值的优化解来实现。根据治理顺序的从后到先，规则层中自上而下依次为电池荷电状态指标和冲击负荷功率平抑指标，用于实时平抑负荷侧功率波动与确保储能系统的稳定运行，避免功率补偿值的优化解造成系统失稳。

步骤S2具体包括：

S21、确定所述储能系统动作频率指标下的有功补偿值P

储能系统动作频率指标代表储能系统动作频繁程度，间接反映储能系统的动作损耗，若第i个采样时刻的储能系统动作状态值x

那么对应时间段内储能系统的动作频率f为：

上式中，n为采样点数；T

为降低储能系统的动作损耗，储能系统应尽可能处于无动作状态，那么有：

上式中，P

在公共连接点处有如下功率关系：

上式中，P

将式(4)代入式(5)可得：

S22、计算变压器的有功转移分量ΔP

变压器经济运行指标代表变压器综合功率损耗率，间接反映变压器的功率损耗，所述变压器综合功率损耗率ΔP

上式中，P

同时为确保船舶岸电系统的稳定运行，变压器过负荷工作时功率不得超过其额定功率的20％。

图4为本发明实施例提供的变压器综合功率损耗率函数示意图，如图4所示，将负载系数β的区间分为最佳经济运行区间、经济运行区间和非经济运行区间，变压器的运行状态函数T

上式中，|S

变压器综合功率损耗率在最佳负载系数S

ΔP

上式中，μ为最佳经济系数，且0<μ<1。

根据所述变压器经济运行指标下的有功补偿值P

由式(6)和式(8)可得变压器当前运行状态，如果当前变压器运行状态不是最佳经济运行状态，需要转移变压器的运行状态，转移的方法是相邻法则，即非经济运行状态向经济运行状态转移，经济运行状态向最佳经济运行状态转移，且不得跨区间转移，目标转移点的位置为目标转移状态区间的中点，同时为提高电池荷电状态和网侧功率因数，转移差|S

变压器运行状态转移方法具体如下：

当变压器运行状态为最佳经济运行状态时，不需要转移变压器运行状态，那么有：

上式中，ΔP

当变压器运行状态为经济运行状态时，需要向最佳经济运行区间的中点转移，图5为本发明实施例提供的经济运行状态下功率转移矢量图，根据转移差的正负有如下两种情况：

情况1、当转移差|S

上式中，min|ΔS

因为功率柔性调控装置额定容量S

(1)当S

(2)当min|ΔS

上式中，α是转移角的余弦值。

(3)当S

情况2、当转移差|S

同理，分为以下三种情况：

(1)当S

(2)有min|ΔS

(3)当S

当变压器运行状态为非经济运行状态时，变压器运行状态需要向经济运行区间的中点转移，图6为本发明实施例提供的非经济运行状态下功率转移矢量图，根据转移差的正负同样具有两种情况，且具体转移情况与变压器运行状态从经济运行状态向最佳经济运行区间的中点转移时情况一致。

综合以上，可以得出：

上式中，P

S23、根据所述变压器经济运行指标下的有功补偿值P

电池荷电状态指标代表储能系统的剩余容量，间接反映储能系统当前的功率输出能力，为防止电池组出现过充过放，在极端情形下需对功率柔性调控装置的功率补偿值采取限幅措施，可通过设计限制因子函数来实现这一目的，这样可以提高电池组的循环寿命，甚至是避免储能系统可能的毁损。

极端情形包括：soc＜soc

图7为本发明实施例提供的限制因子函数示意图，限制因子函数为：

上式中，soc是电池当前时刻的荷电状态；soc

在极端情形时有：

上式中，P

在非极端情形时有：

S3、根据所述各项指标下的有功补偿值和无功补偿值确定功率柔性调控装置的有功功率补偿值和无功功率补偿值。

冲击负荷功率平抑指标用以平抑冲击性负荷功率，阻止负荷功率越过继电保护限值，造成船舶岸电系统作业的中断，那么最终功率柔性调控装置的功率补偿值需要满足：

上式中，|S

当|S

当|S

基于上述实施例中船舶岸电系统分层式功率柔性调控方法，本发明实施例第二方面还提供一种船舶岸电系统分层式功率柔性调控系统。

图8为本发明实施例提供的船舶岸电系统和功率柔性调控系统结构框图，如图8所示，该系统包括：

获取单元810，用于获取船舶岸电系统的负荷有功功率、负荷无功功率和电池荷电状态；

计算单元820，用于基于所述负荷有功功率、负荷无功功率和电池荷电状态求解优化层和规则层的各项指标下的有功补偿值和无功补偿值；

确定单元830，用于根据所述各项指标下的有功补偿值和无功补偿值确定功率柔性调控装置的有功功率补偿值和无功功率补偿值。

基于相同的构思，本发明实施例还提供了一种电子设备结构示意图，如图9所示，该服务器可以包括：处理器(processor)910、通信接口(Communications Interface)920、存储器(memory)930和通信总线940，其中，处理器910，通信接口920，存储器930通过通信总线940完成相互间的通信。处理器910可以调用存储器930中的逻辑指令，以执行如上述各实施例所述船舶岸电系统和功率柔性调控方法的步骤。例如包括：

S1、获取船舶岸电系统的负荷有功功率、负荷无功功率和电池荷电状态；

S2、基于所述负荷有功功率、负荷无功功率和电池荷电状态求解优化层和规则层的各项指标下的有功补偿值和无功补偿值；

S3、根据所述各项指标下的有功补偿值和无功补偿值确定功率柔性调控装置的有功功率补偿值和无功功率补偿值。

其中，处理器910可以为中央处理器(Central Processing Unit，CPU)。处理器还可以为其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。

此外，上述的存储器930中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

存储器930可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储处理器所创建的数据等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施方式中，存储器可选包括相对于处理器远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

基于相同的构思，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机程序，该计算机程序包含至少一段代码，该至少一段代码可由主控设备执行，以控制主控设备用以实现如上述各实施例所述船舶岸电系统和功率柔性调控方法的步骤。例如包括：

S1、获取船舶岸电系统的负荷有功功率、负荷无功功率和电池荷电状态；

S2、基于所述负荷有功功率、负荷无功功率和电池荷电状态求解优化层和规则层的各项指标下的有功补偿值和无功补偿值；

S3、根据所述各项指标下的有功补偿值和无功补偿值确定功率柔性调控装置的有功功率补偿值和无功功率补偿值。

基于相同的技术构思，本申请实施例还提供一种计算机程序，当该计算机程序被主控设备执行时，用以实现上述方法实施例。

所述程序可以全部或者部分存储在与处理器封装在一起的存储介质上，也可以部分或者全部存储在不与处理器封装在一起的存储器上。

基于相同的技术构思，本申请实施例还提供一种处理器，该处理器用以实现上述方法实施例。上述处理器可以为芯片。

综上所述，本发明实施例提供的一种船舶岸电系统分层式功率柔性调控方法及系统组成结构上包括优化层和规则层，优化层旨在提升岸电系统的经济运行程度，降低储能系统动作损耗和变压器综合功率损耗，通过求解功率柔性调控装置局部或全局的功率补偿值的优化解来实现；规则层旨在提升锂电池储能系统循环寿命和应对极端运行工况能力，同时平抑冲击负荷功率，避免功率补偿值的优化解造成系统失稳，确保船舶岸电系统运行的稳定。本发明将优化指标和规则指标有机地相结合，通过空间上的排列避免了迭代过程，这样不仅提高了功率柔性调控装置的执行效率和实时性，也能保障船舶岸电系统的稳定运行，同时实现了船舶岸电系统的经济运行。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。