本發(fā)明涉及一種基于多智能體的混合動(dòng)力船舶能量管理系統(tǒng)(powerandenergymanagementsystem,pems)設(shè)計(jì)方法，主要設(shè)計(jì)出一種區(qū)別于傳統(tǒng)船舶電網(wǎng)的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，使得混合動(dòng)力船舶能夠有效的使用清潔可再生能源達(dá)到減少排放和燃料消耗，同時(shí)能夠在一個(gè)安全且經(jīng)濟(jì)的方式下運(yùn)行。

背景技術(shù)：

考慮到燃油儲(chǔ)量的不斷下降以及全球環(huán)境問題的愈加嚴(yán)峻，可再生能源就是解決這些問題的一個(gè)合理選擇，這些可再生能源包括了太陽能、風(fēng)能、燃料電池、生物質(zhì)能、潮汐能、海洋溫差能等?？稍偕茉丛诖吧系膽?yīng)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(huì)受到大氣條件的影響，不具有穩(wěn)定、持續(xù)的供能能力，所以當(dāng)我們使用多種可再生能源作為混合動(dòng)力船舶動(dòng)力源的時(shí)候，就需要設(shè)計(jì)一個(gè)合理的船舶能量管理系統(tǒng)。與傳統(tǒng)船舶相比，混合動(dòng)力船舶有著諸多優(yōu)勢：高效的能源利用、最優(yōu)的動(dòng)力控制與分配、穩(wěn)定性的提升、船舶動(dòng)力性能的增強(qiáng)等。

由多種能源可以組成一個(gè)微電網(wǎng)，將微電網(wǎng)應(yīng)用于船舶電網(wǎng)中并結(jié)合能量管理系統(tǒng)對船舶動(dòng)力進(jìn)行分配控制是混合動(dòng)力船舶的一個(gè)研究方向。相較于傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)，微電網(wǎng)有著獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：確保了能量供給的多樣性、由儲(chǔ)能設(shè)備所提供的擾動(dòng)抵御能力、能源效率穩(wěn)定性的提高等。

總而言之，面對這諸如環(huán)境問題、政治問題等反面的挑戰(zhàn)，混合動(dòng)力船舶綜合電力系統(tǒng)的概念正在愈發(fā)變得流行起來。而隨著船舶動(dòng)力系統(tǒng)自動(dòng)化程度的越來越高，發(fā)電和功率分配過程也變得越來越復(fù)雜，此時(shí)建立起一個(gè)特定的系統(tǒng)就顯得十分必要，也就是建立一個(gè)能源管理系統(tǒng)以確保船舶能夠在一個(gè)安全且經(jīng)濟(jì)的方式下運(yùn)行。雖然對于能源管理系統(tǒng)沒有一個(gè)明確的定義，但很多學(xué)者都致力于找到一個(gè)合適的方法在下一代電力集成系統(tǒng)(nextgenerationintegratedpowersystem,ngips)船舶上進(jìn)行功率與能量管理。目前的趨勢是對能源管理系統(tǒng)采用一個(gè)分層、分散化的結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)狀與相關(guān)技術(shù)存在的問題，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種基于多智能體和改進(jìn)電力系統(tǒng)的混合動(dòng)力船舶微電網(wǎng)系統(tǒng)，這是區(qū)別于傳統(tǒng)船舶動(dòng)力系統(tǒng)的部分。首先，對混合動(dòng)力船舶微電網(wǎng)的組成進(jìn)行介紹。

微電網(wǎng)作為混合動(dòng)力船舶的動(dòng)力源，主要包含了燃料電池、風(fēng)力渦輪機(jī)、微型燃汽輪機(jī)、光伏陣列、微電網(wǎng)及儲(chǔ)能系統(tǒng)esu。其中，燃料電池和光伏陣列通過dc/dc轉(zhuǎn)換器連接到微電網(wǎng)的直流母線上，而風(fēng)力渦輪機(jī)和微型燃?xì)廨啓C(jī)則通過一個(gè)ac/dc轉(zhuǎn)換器連接到微電網(wǎng)的直流母線上。微電網(wǎng)的直流母線通過一個(gè)隔離裝置連接到船舶電力系統(tǒng)的直流母線上。每個(gè)動(dòng)力源的發(fā)電單元及esu都會(huì)與一個(gè)發(fā)電智能體相連并受其控制。

在一個(gè)完整的混合動(dòng)力船舶動(dòng)力系統(tǒng)中，除了微電網(wǎng)部分，還有柴油機(jī)部分和負(fù)載。其中，柴油機(jī)在混合動(dòng)力船舶的動(dòng)力系統(tǒng)中扮演者次要的角色，這是由于微電網(wǎng)中的各個(gè)動(dòng)力源能夠提供船舶所需的主要?jiǎng)恿?。不過，當(dāng)微電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)柴油機(jī)將會(huì)與電力系統(tǒng)相連并會(huì)立即給船舶供能。另外，微電網(wǎng)會(huì)受到環(huán)境因素的影響，這是因?yàn)轱L(fēng)力和太陽能光伏陣列十分依賴天氣條件。所以控制柴油機(jī)的智能體需要從控制風(fēng)力渦輪機(jī)、光伏陣列、燃料電池及esu的智能體中實(shí)時(shí)的接受信息，在必要的時(shí)候可以對柴油機(jī)進(jìn)行控制。

負(fù)載管理在能量管理系統(tǒng)中有著非常重要的作用。船舶負(fù)載可分為工作負(fù)載和推進(jìn)負(fù)載，工作負(fù)載和推進(jìn)負(fù)載都從公共總線上獲得電力驅(qū)動(dòng)。智能體將會(huì)獲取關(guān)于負(fù)載的信息然后將其發(fā)送給系統(tǒng)中央控制器，而中央控制器會(huì)返回一個(gè)指令給發(fā)電智能體以給負(fù)載供能。所有的負(fù)載都可被分為兩類：切斷負(fù)載和非切斷負(fù)載。在最壞的假設(shè)下，負(fù)載智能體能夠關(guān)閉一些切斷負(fù)載或通過快速的負(fù)載切斷來保護(hù)整個(gè)電力系統(tǒng)。

相比于傳統(tǒng)的混合動(dòng)力船舶能量系統(tǒng)，該混合動(dòng)力船舶能量管理系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）傳統(tǒng)的混合動(dòng)力船舶動(dòng)力系統(tǒng)中的動(dòng)力源大多是直接與dc/dc或ac/dc轉(zhuǎn)換器相連，這種結(jié)構(gòu)雖然簡單，但是由于如風(fēng)能、太陽能這樣的清潔能源都屬于不穩(wěn)定能源，十分依賴于環(huán)境條件，當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)風(fēng)力渦輪機(jī)和太陽光伏板可能會(huì)無法正常發(fā)電，這就會(huì)影響船舶能量系統(tǒng)的正常供能。本發(fā)明將風(fēng)力渦輪機(jī)、光伏板、燃料電池等動(dòng)力源和儲(chǔ)能裝置都與一個(gè)智能體相連，每個(gè)智能體都能夠獲取所控制對象的實(shí)時(shí)狀態(tài)，再將這些狀態(tài)信息傳遞到能量管理系統(tǒng)的中央控制器中，由中央控制器統(tǒng)一分配能量，能夠始終保證船舶能量系統(tǒng)的正常工作，并且可以提高整個(gè)能力系統(tǒng)的工作效率。

（2）傳統(tǒng)的混合動(dòng)力船舶動(dòng)力系統(tǒng)中的動(dòng)力源所發(fā)出的電量會(huì)通過轉(zhuǎn)換器直接并入船舶電網(wǎng)，但是風(fēng)能、太陽能這樣的清潔能源的供能并不穩(wěn)定，直接并入船舶電網(wǎng)會(huì)引起電網(wǎng)擾動(dòng)，降低電能質(zhì)量，本發(fā)明將動(dòng)力源和儲(chǔ)能單元組成一個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)，這些動(dòng)力源產(chǎn)生的電量都會(huì)傳遞到微電網(wǎng)的直流母線上，而微電網(wǎng)的直流母線通過一個(gè)隔離裝置與船舶電網(wǎng)的直流母線相連，這樣既可以保證新能源供電的獨(dú)立性，又能確保船舶能量系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。

在本發(fā)明所設(shè)計(jì)的船舶微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，智能體作為控制單元，起著極為重要的作用，應(yīng)當(dāng)具有以下模塊：1）通訊模塊：通過通訊模塊不同的智能體能夠知道彼此的功率需求，因此智能體經(jīng)過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整就可以使得船舶運(yùn)行在最佳的狀態(tài)；2）數(shù)據(jù)庫：在該部分，在各智能體之間進(jìn)由通訊模塊進(jìn)行接收或傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和信息都會(huì)被存儲(chǔ)起來；3）分析及決策模塊：當(dāng)一個(gè)智能體從環(huán)境或通訊模塊中獲得信息時(shí)，分析及決策模塊就需要處理這些輸入數(shù)據(jù)，判斷工作狀態(tài)同時(shí)做出決定以滿足船舶運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性要求。上述三個(gè)部分是智能體的基本組成要素。事實(shí)上，一個(gè)智能體裝置的具體結(jié)構(gòu)和功能要復(fù)雜的多，可由它們在系統(tǒng)中所扮演的不同的角色而分成許多類別。例如與發(fā)電單元相連的智能體就叫做發(fā)電智能體，與控制負(fù)載的單元相連的就叫做負(fù)載智能體等。

一個(gè)智能體裝置通過輸入模塊收集周邊環(huán)境的信息；數(shù)據(jù)庫會(huì)記錄這些信息的特點(diǎn)以決定其功能；而算法模塊會(huì)控制智能體工作以實(shí)現(xiàn)這些功能；通訊模塊確保了各個(gè)智能體之間的信息傳遞，以實(shí)現(xiàn)對發(fā)電單元和負(fù)載管理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。

目前，許多營運(yùn)的船舶已經(jīng)成為了污染源。另一方面，關(guān)于排放規(guī)格的法律法規(guī)愈發(fā)嚴(yán)格，這就導(dǎo)致了當(dāng)前營運(yùn)的船舶面臨著更大的挑戰(zhàn)?？紤]到這些原因，使用新能源作為船舶動(dòng)力源可以有效減少環(huán)境污染和燃料消耗，同時(shí)還能有效的改善能源利用率。船舶微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在船舶微電網(wǎng)中，風(fēng)力渦輪機(jī)和微型燃?xì)廨啓C(jī)通過一個(gè)ac/dc轉(zhuǎn)換器連接到直流母線，，而其他的部分則通過一個(gè)dc/dc轉(zhuǎn)換器連到直流母線上。由燃料電池、風(fēng)力渦輪機(jī)、光伏陣列和微型燃?xì)廨啓C(jī)組成船舶微電網(wǎng)的分布式發(fā)電單元，而電網(wǎng)中的另一個(gè)重要部分就是儲(chǔ)能單元(energystorageunit,esu)，由于微電網(wǎng)系統(tǒng)是獨(dú)立于船舶電網(wǎng)的，所以由微電網(wǎng)發(fā)出的多余電量將會(huì)儲(chǔ)存在esu中。相應(yīng)的，當(dāng)船舶電網(wǎng)及微電網(wǎng)中分布式發(fā)電單元所發(fā)出的電量無法滿足船舶功率需求的時(shí)候，esu將會(huì)給船舶供能。圖2表示混合動(dòng)力船舶能量管理系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)層次圖。

附圖說明

圖1是船舶微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)圖；

圖2是能量管理系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)層次圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施案例

本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)出一種混合動(dòng)力船舶能量管理系統(tǒng)中新的微電網(wǎng)系統(tǒng)，使得船舶通過使用清潔可再生能源達(dá)到減少排放和燃料消耗，同時(shí)能夠在一個(gè)安全且經(jīng)濟(jì)的方式下運(yùn)行的目的。主要包括了以下步驟：

1、首先由于在混合動(dòng)力船舶的動(dòng)力系統(tǒng)中包含著多種不同的動(dòng)力源，所以需要確定船舶微電網(wǎng)系統(tǒng)的能源組成和運(yùn)行規(guī)則：

1）本發(fā)明選取燃料電池、風(fēng)能和太陽能作為混合動(dòng)力船舶的能量源，船舶的微電網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能夠根據(jù)船舶的運(yùn)行狀態(tài)選擇一個(gè)合適的動(dòng)力源，以滿足船舶在不同狀態(tài)下不同的功率需求。例如，當(dāng)由燃料電池和光伏陣列所發(fā)出的電量能夠滿足船舶運(yùn)行的功率需求，并且電池的電荷狀態(tài)(soc)超過80%時(shí)，就不需要其他的動(dòng)力源來提供能量了。選擇動(dòng)力源的原則是必須要能夠保證船舶的穩(wěn)定性和安全性，基于這個(gè)原則才會(huì)考慮排放和經(jīng)濟(jì)性。

2）能量管理系統(tǒng)可以根據(jù)功率需求狀況自動(dòng)的啟停負(fù)載。當(dāng)某個(gè)緊急情況發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能夠關(guān)停故障所涉及到的負(fù)載以確保船舶的安全性。

3）當(dāng)微電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，能量管理系統(tǒng)需要將微電網(wǎng)從船舶電力系統(tǒng)中快速的自動(dòng)隔離出來。而且當(dāng)柴油機(jī)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)使柴油機(jī)組中的一個(gè)或多個(gè)柴油機(jī)停止工作，并且暫停一些不是特別重要的負(fù)載以確保船舶的安全運(yùn)行。當(dāng)由微電網(wǎng)所提供的能量足以維持船舶正常運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)也會(huì)相應(yīng)的停掉柴油機(jī)組，從而減少能耗。

2、基于上述微電網(wǎng)系統(tǒng)的能源組成和運(yùn)行規(guī)則，本發(fā)明將船舶能量管理系統(tǒng)分為了三個(gè)部分和兩個(gè)層級(jí)。三個(gè)部分分別是微電網(wǎng)部分、柴油機(jī)組部分和負(fù)載部分。

1）微電網(wǎng)部分：該部分包含了燃料電池、風(fēng)力渦輪機(jī)、微型燃汽輪機(jī)、光伏陣列及儲(chǔ)能系統(tǒng)esu。其中，燃料電池和光伏陣列通過dc/dc轉(zhuǎn)換器連接到微電網(wǎng)的直流母線上，而風(fēng)力渦輪機(jī)和微型燃?xì)廨啓C(jī)則通過一個(gè)ac/dc轉(zhuǎn)換器連接到微電網(wǎng)的直流母線上。微電網(wǎng)的直流母線通過一個(gè)隔離裝置連接到船舶電力系統(tǒng)的直流母線上。每個(gè)動(dòng)力源的發(fā)電單元及esu都會(huì)與一個(gè)發(fā)電智能體相連并受其控制。

2）柴油機(jī)部分：相比于傳統(tǒng)的船舶，在混合動(dòng)力船舶的動(dòng)力系統(tǒng)中扮演者次要的角色，這是由于微電網(wǎng)中的各個(gè)動(dòng)力源能夠提供船舶所需的主要?jiǎng)恿Α２贿^，當(dāng)微電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)柴油機(jī)將會(huì)與電力系統(tǒng)相連并會(huì)立即給船舶供能。另外，微電網(wǎng)會(huì)受到環(huán)境因素的影響，這是因?yàn)轱L(fēng)力和太陽能光伏陣列十分依賴天氣條件。所以控制柴油機(jī)的智能體需要從控制風(fēng)力渦輪機(jī)、光伏陣列、燃料電池及esu的智能體中實(shí)時(shí)的接受信息，在必要的時(shí)候可以對柴油機(jī)進(jìn)行控制。

3）負(fù)載：在一個(gè)完整的電力系統(tǒng)中，工作負(fù)載和推進(jìn)負(fù)載都從公共總線上獲得電力驅(qū)動(dòng)。負(fù)載管理在能量管理系統(tǒng)中有著非常重要的功能。智能體將會(huì)獲取關(guān)于負(fù)載的信息然后將其發(fā)送給系統(tǒng)中央控制器，而中央控制器會(huì)返回一個(gè)指令給發(fā)電智能體以給負(fù)載供能。所有的負(fù)載都可被分為兩類：切斷負(fù)載和非切斷負(fù)載。在最壞的假設(shè)下，負(fù)載智能體能夠關(guān)閉一些切斷負(fù)載或通過快速的負(fù)載切斷來保護(hù)整個(gè)電力系統(tǒng)。

所有的智能體都會(huì)與工業(yè)以太網(wǎng)總線相連，這樣信息都可以在智能體和中央控制器之間進(jìn)行收發(fā)。由微電網(wǎng)和柴油機(jī)組所發(fā)出的電量都會(huì)被傳遞到直流母線上，這樣所有的電量可以被統(tǒng)一給工作負(fù)載和推進(jìn)負(fù)載進(jìn)行分配。

3、本發(fā)明所設(shè)計(jì)的能量管理系統(tǒng)從宏觀上還可以分為兩個(gè)層級(jí)：設(shè)備級(jí)和控制級(jí)。

1）設(shè)備級(jí)：包含了微電網(wǎng)、柴油機(jī)及負(fù)載。每個(gè)設(shè)備單元都會(huì)連接一個(gè)智能體，任何由設(shè)備所獲取的信息都會(huì)發(fā)送給設(shè)備對應(yīng)的智能體，然后智能體所發(fā)出的信息再通過現(xiàn)場總線傳遞到中央控制器上。

2）控制級(jí)：一個(gè)雙冗余環(huán)的工業(yè)以太網(wǎng)會(huì)與中央管理控制平臺(tái)相連，這樣便于中央控制器能夠迅速、準(zhǔn)確的獲取信息并發(fā)出相應(yīng)的指令，提高整個(gè)系統(tǒng)的工作效率?？刂萍?jí)和設(shè)備級(jí)會(huì)通過一個(gè)網(wǎng)關(guān)相連。

4、為了改進(jìn)能源的利用率、減少燃油消耗及排放，微電網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)積極的使用可再生能源同時(shí)提供高品質(zhì)的電能。這就需要考慮三個(gè)關(guān)鍵問題：能源的選擇、電能質(zhì)量和故障反應(yīng)。以下就是這三個(gè)問題的具體描述以及本發(fā)明所設(shè)計(jì)能量管理系統(tǒng)的解決方面方法：

1）能源的選擇：在微電網(wǎng)的分布式發(fā)電單元里，至少要存在兩種不同的能源，在本發(fā)明中選用了燃料電池、太陽能及風(fēng)能作為動(dòng)力源。

2）電能質(zhì)量：船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)一個(gè)最重要的指標(biāo)就是保持船舶的安全和穩(wěn)定性，所以必須要能夠?qū)﹄娔苜|(zhì)量有一定的保證。一方面，在微電網(wǎng)系統(tǒng)中，太陽能和風(fēng)能屬于不穩(wěn)定能源，其產(chǎn)生的脈沖負(fù)載會(huì)影響整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為了解決這樣的問題，就需要使用儲(chǔ)能系統(tǒng)。在本發(fā)明中使用電池作為儲(chǔ)能系統(tǒng)，這是因?yàn)殡姵鼐哂休^高的能量密度和功率密度，故而可以維持較長時(shí)間的放電或充電狀態(tài)，同時(shí)又具備良好的穩(wěn)態(tài)性能，所以在電力推進(jìn)船舶中有著較為廣泛的應(yīng)用。另一方面，風(fēng)能、太陽能這些能源本身就具有不穩(wěn)定性，其供能狀況十分依賴于環(huán)境條件，這也會(huì)對電能質(zhì)量產(chǎn)生影響。本發(fā)明將諸多動(dòng)力源和儲(chǔ)能單元組成微電網(wǎng)系統(tǒng)，通過一個(gè)隔離裝置將之與船舶電網(wǎng)隔離開來，使得風(fēng)能、太陽能這些動(dòng)力源的不穩(wěn)定性對于船舶電網(wǎng)的影響降到最低。

3）故障反應(yīng)：當(dāng)系統(tǒng)中由故障發(fā)生時(shí)，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的能量管理系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能夠快速且正確的工作以防止系統(tǒng)斷電。通常情況下，系統(tǒng)會(huì)關(guān)斷電力系統(tǒng)中某些不太重要的負(fù)載。事實(shí)上，船舶在不同的運(yùn)行狀態(tài)下對于功率有著不同的要求，需要相應(yīng)的智能體能夠在不同的船舶運(yùn)行模式下區(qū)分出負(fù)載的重要優(yōu)先級(jí)。