船用復合儲能單元的能量管理系統和方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及電力推進船舶儲能系統技術領域，具體地指一種船用復合儲能單元的 能量管理系統和方法。
【背景技術】
[0002] 隨著社會經濟的不斷發展，能源危機和大氣污染已經成為了當今社會發展的主要 問題。雖然電力推進船舶在經濟性和尾氣排放方面較傳統推進船舶具有一定的優勢，但是 仍然具有很大的改進空間。電力推進船舶大量應用了電力電子器件，其產生的大量諧波會 造成船舶電網電能質量的降低，從而使船舶工作在不穩定狀態。運不僅使發電機組不能很 好地工作在理想經濟狀態，而且會降低船舶行駛的安全性。
[0003] 儲能技術在電力推進船舶上的利用，不僅可W減小電網電壓（電流）和功率的波 動，提高電網電能質量，增強船舶行駛的安全性，而且使發電機組的工作狀態處于最佳能效 狀態，提高能量利用率，降低污染物排放。
[0004] 復合儲能技術要求儲能系統具有能量密度高、功率密度大的特點，已經在電動汽 車方面有一定程度的應用。超級電容器和各種動力電池配合組成的復合儲能裝置應用于汽 車的電源啟動系統，在汽車的啟動、加速、制動過程中起到保護蓄電池和節約能源的作用。 船舶行業近些年也進行了有關船舶儲能技術的研究，但是大多研究都是單一的儲能單元， 不能滿足儲能系統能量密度高、功率密度大的需求，且儲能裝置只對電力推進船舶制動回 饋能量進行儲存，并沒有設及到利用儲能系統對發電機組和船舶電網進行調節來維持電網 的穩定、提高發電機組的經濟性、降低尾氣排放。

【發明內容】

[0005] 本發明的目的就是要提供一種船用復合儲能單元的能量管理系統和方法，該系統 和方法通過比較發電機組和負載電機的實時功率來控制復合儲能系統的工作狀態（充放 電），從而起到對發電機組和船舶電網的調節作用。不僅可W減小電網電壓（電流)和功率的 波動，提高電網電能質量，而且使發電機組的工作狀態處于最佳能效狀態，從而達到提高能 量利用率，降低污染物排放的目的。
[0006] 為實現此目的，本發明所設計的船用復合儲能單元的能量管理系統，它包括復合 儲能單元，該復合儲能單元包括電容組、蓄電池組、第一 DC/DC轉化器、第二DC/DC轉化器，所 述電容組的電源接口通過第一DC/DC轉化器連接直流母線，蓄電池組的電源接口通過第二 DC/DC轉化器連接直流母線，其特征在于:它還包括整流器、雙向逆變器、第一電流和電壓采 樣模塊、第二電流和電壓采樣模塊、比例積分調節器和數字信號處理控制模塊，其中，所述 第一電流和電壓采樣模塊用于實時采集負載電機的工作電流和工作電壓，第一電流和電壓 采樣模塊的采集數據輸出端連接比例積分調節器的第一數據輸入端，第二電流和電壓采樣 模塊用于實時采集發電機組的輸出電流和輸出電壓，第二電流和電壓采樣模塊的采集數據 輸出端連接比例積分調節器的第二數據輸入端，比例積分調節器的輸出端連接數字信號處 理控制模塊的反饋信號輸入端，數字信號處理控制模塊的DC/DC轉化控制信號輸出端分別 連接第一 DC/DC轉化器和第二DC/DC轉化器的控制端，發電機組的電源輸出端通過整流器連 接直流母線，負載電機的電能通道通過雙向逆變器連接直流母線，數字信號處理控制模塊 的雙向逆變器控制信號輸出端連接雙向逆變器的控制信號輸入端。
[0007] 一種利用上述船用復合儲能單元的能量管理系統的能量管理方法，其特征在于， 它包括如下步驟：
[0008] 步驟1:第一電流和電壓采樣模塊實時采集負載電機的工作電流和工作電壓，第二 電流和電壓采樣模塊實時采集發電機組的輸出電流和輸出電壓，第一電流和電壓采樣模塊 和第二電流和電壓采樣模塊將采集到的電流和電壓數據傳輸給比例積分調節器；
[0009] 步驟2:比例積分調節器將負載電機的功率與發電機組的功率進行比較:當負載電 機的功率大于發電機組的功率時，數字信號處理控制模塊控制雙向逆變器處于逆向工作狀 態，數字信號處理控制模塊控制第一 DC/DC轉化器和第二DC/DC轉化器工作在Buck狀態，把 直流母線中多余的電能通過對應的電容組、蓄電池組儲存；
[0010] 當負載電機的功率小于發電機組的功率時，數字信號處理控制模塊控制雙向逆變 器處于正向工作狀態，數字信號處理控制模塊控制第一 DC/DC轉化器和第二DC/DC轉化器工 作在Boost狀態，電容組和蓄電池組中的能量釋放到直流母線中，再通過雙向逆變器提供給 負載電機；
[0011] 當負載電機的功率等于發電機組的功率時，二者比較后的值為零，運時數字信號 處理控制模塊只控制雙向逆變器處于正向工作狀態，并通過控制第一 DC/DC轉化器和第二 DC/DC轉化器使電容組和蓄電池組處于不工作狀態；
[0012] 步驟3:當船舶制動時，負載電機處于再生制動狀態，負載電機發電，數字信號處理 控制模塊控制雙向逆變器處于逆向工作狀態，電容組和蓄電池組儲存能量，從而起到對發 電機組和船舶電網的調節作用。
[0013] 本發明與現有技術相比具有W下主要的優點：
[0014] 1.對發電機組進行調節，保證其工作在理想的經濟狀態下，提高了發電機組的經 濟性，降低了尾氣排放。
[0015] 雖然電力推進船舶的發電機組比傳統推進系統穩定，但是海洋是一個多變的環 境，風浪對負載具有很大的影響，運就造成了發電機組工作在一個不穩定的狀態。運時的發 電機組會出現輕載或者過載的情況，運都會導致其經濟性的下降，尾氣排放的上升。本發明 對發電機組和負載電機的電壓和電流進行采集，通過比較判斷船舶的工作狀況，并通過復 合儲能系統（電容組和蓄電池組)的充放電對其進行調節，實現了發電機組工作在較為穩定 的理想經濟狀態，從而提高了發電機組的經濟性，降低了尾氣排放。
[0016] 2.提高船舶電能質量，增強電網的穩定性
[0017] 風浪會對船舶的負載帶來很大的擾動和不穩定性。該擾動和不穩定性會造成船舶 電能參數的波動和電網的不穩定，甚至會導致嚴重的安全事故。傳統的電力推進船舶采用 相應的監測裝置對電網的電能質量進行實時的監測，該方法只能起到監測作用，不能起到 抑制作用。本發明通過復合儲能裝置(電容組和蓄電池組)的調節作用來降低電網系統的波 動和不穩定，從而達到提高船舶電能質量，增強電網穩定性的目的。
[0018] 3.在電力推進船舶中提出了電容與蓄電池相結合的復合儲能裝置，對制動回饋能 量進行了回饋再利用，提高了能量利用率。
[0019] 電力推進船舶的制動回饋能量導致直流母線的累升電壓，累升電壓將影響電力電 子器件的正常工作。對于傳統電力推進船舶，該部分能量通常采用消耗電阻進行處理，運樣 不僅浪費了運部分能量，而且消耗產生的大量熱也會影響電力電子器件的正常工作。本發 明提出的復合儲能系統可W對運部分能量儲存后再利用，不僅很好地提高了能量利用率， 而且避免了電力電子器件因過熱導致的異常工作情況的發生。
【附圖說明】
[0020] 圖1是本發明的結構框圖；
[0021] 圖2是本發明中雙向逆變器的電路圖；
[0022] 圖3是本發明中第一DC/DC轉化器的電路圖；
[0023] 圖4為本發明中第二DC/DC轉化器的電路圖；
[0024] 圖5為本發明中信號調理模塊的電路圖；
[0025] 其中，1-整流器、2、雙向逆變器、3-第一電流和電壓采樣模塊、4-第二電流和電壓 采樣模塊、5-比例積分調節器、6-數字信號處理控制模塊、6.1-信號調理模塊、6.2-數字信 號處理器、6.3-輔助電源、7-復合儲能單元，8-電容組、9-蓄電池組、10-第一 DC/DC轉化器、 11 -第二DC/DC轉化器、12-直流母線、13-負載電機、14-發電機組。
【具體實施方式】
[0026] W下結合附圖和具體實施例對本發明作進一步的詳細說明：
[0027] 如圖1所述的船用復合儲能單元的能量管理系統，它包括復合儲能單元7,該復合 儲能單元7包括電容組8、蓄電池組9、第一 DC/DC轉化器10、第二DC/DC轉化器11，所述電容組 8的電源接口通過第一 DC/DC轉化器10連接直流母線12，蓄電池組9的電源接口通過第二DC/ DC轉化器11連接直流母線12,它還包括整流器1、雙向逆變器2、第一電流和電壓采樣模塊3、 第二電流和電壓采樣模塊4、比例積分調節器5(PI)和數字信號處理(DSP，Digital Signal Processing)控制模塊6,其中，所述第一電流和電壓采樣模塊3用于實時采集負載電機13的 工作電流和工作電壓，第一電流和電壓采樣模塊3的采集數據輸出端連接比例積分調節器5 的第一數據輸入端，第二電流和電壓采樣模塊4用于實時采集發電機組14的輸出電流和輸 出電壓，第二電流和電壓采樣模塊4的采集數據輸出端連接比例積分調節器5的第二數據輸 入端，比例積分調節器5的輸出端連接數字信號處理控制模塊6的反饋信號輸入端，數字信 號處理控制模塊6的DC/DC轉化控制信號輸出端分別連接第一 DC/DC轉化器10和第二DC/DC 轉化器11的控制端，發電機組14的電源輸出端通過整流器1連接直流母線12,負載電機13的 電能通道通過雙向逆變器2連接直流母線12,數字信號處理控制模塊6的雙向逆變器控制信 號輸出端連接雙向逆變器2的控制信號輸入端。
[0028] 上述及時方案中，數字信號處理控制模塊6用于控制復合儲能系統的充放電，數字