本發(fā)明涉及純電動(dòng)船舶儲(chǔ)能裝置領(lǐng)域，具體涉及一種雙電型船舶的儲(chǔ)能設(shè)備的優(yōu)化管理方法。
背景技術(shù)：
近年來，各類儲(chǔ)能裝置如超級(jí)電容、蓄電池發(fā)展迅猛，性能有了大幅提升。其應(yīng)用船舶已有相關(guān)案例。各類儲(chǔ)能裝置因其結(jié)構(gòu)與原理的區(qū)別使其儲(chǔ)能特性不同，如超級(jí)電容放電快，但功率密度低；磷酸鐵鋰電池功率密度高，但承受放電電流能力有限，根據(jù)他們特性取長(zhǎng)補(bǔ)短，構(gòu)成復(fù)合能量存儲(chǔ)裝置，即雙電型，使其能夠更好的應(yīng)對(duì)船舶的功率需求，也能延長(zhǎng)儲(chǔ)能裝置的壽命。然而需要對(duì)二者進(jìn)行較好的能量管理和優(yōu)化，如何合理的使用儲(chǔ)能裝置，這對(duì)最大程度發(fā)揮儲(chǔ)能裝置特性以及延長(zhǎng)其使用壽命、減少維護(hù)都有重要作用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提供一種雙電型船舶的儲(chǔ)能設(shè)備的優(yōu)化管理方法，能夠合理的使用儲(chǔ)能設(shè)備，延長(zhǎng)儲(chǔ)能設(shè)備使用壽命。
本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案為：一種雙電型船舶的儲(chǔ)能設(shè)備的優(yōu)化管理方法，其特征在于：它包括：
步驟一：儲(chǔ)能設(shè)備選型：
數(shù)據(jù)采集：根據(jù)目標(biāo)船舶的典型工作循環(huán)得到船舶的功率及能量需求；收集各廠商磷酸鐵鋰電池、超級(jí)電容器、推進(jìn)電機(jī)的規(guī)格參數(shù)，制成牽引表，從所述牽引表中獲得目標(biāo)船舶的動(dòng)力設(shè)備選型；
模型建立：以船舶能效指數(shù)與儲(chǔ)能設(shè)備價(jià)格為目標(biāo)，搭建目標(biāo)船舶整船的電力推進(jìn)系統(tǒng)模型；所述整船電力推進(jìn)模型包括換算油耗模型、電機(jī)模型和電池能量管理模型；
計(jì)算選型：將所述的功率及能量需求導(dǎo)入電力推進(jìn)系統(tǒng)模型中，采用遺傳算法進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算，得到一組帕累托最優(yōu)解，對(duì)應(yīng)牽引表中的實(shí)際具體設(shè)備，得到最佳的儲(chǔ)能設(shè)備選型方案；
步驟二、能量管理：
對(duì)已經(jīng)選型后的儲(chǔ)能設(shè)備，建立能量需求預(yù)測(cè)模型，根據(jù)船舶歷史的航行數(shù)據(jù)及智能交通系統(tǒng)提供的實(shí)時(shí)信息，預(yù)測(cè)船舶下一時(shí)段的功率需求；建立在有限時(shí)段上的滾動(dòng)優(yōu)化策略，到下一采樣時(shí)刻，根據(jù)船舶的實(shí)際功率需求，對(duì)船舶的模型的預(yù)測(cè)進(jìn)行修正，然后再進(jìn)行新的優(yōu)化預(yù)測(cè)；
建立模糊控制器，將儲(chǔ)能設(shè)備的荷電狀態(tài)、功率需求、預(yù)測(cè)功率需求進(jìn)行模糊化處理，形成輸入模糊變量，然后將各個(gè)輸入模糊變量傳送至模糊控制器；建立船舶能量管理系統(tǒng)粒子群模糊控制器的控制規(guī)則庫，利用智能群體理論，即粒子群優(yōu)化方法對(duì)模糊控制器進(jìn)行優(yōu)化。
按上述方法，所述的功率及能量需求是根據(jù)目前與目標(biāo)船舶同類型的工作船舶長(zhǎng)時(shí)間工作統(tǒng)計(jì)得出的一組與時(shí)間相關(guān)的數(shù)據(jù)。
按上述方法，所述的磷酸鐵鋰電池、超級(jí)電容器的規(guī)格參數(shù)包括電池容量、電池單體重量、電池單體價(jià)格和充放電曲線；所述的推進(jìn)電機(jī)的規(guī)格參數(shù)包括總安裝重量、效率特性曲線。
按上述方法，所述的遺傳算法的計(jì)算步驟包括：
1)定義兩個(gè)變量x1、x2，對(duì)這兩個(gè)變量進(jìn)行實(shí)數(shù)編碼；
2)設(shè)置種群規(guī)模，根據(jù)約束條件產(chǎn)生初始種群；
3)對(duì)當(dāng)代種群進(jìn)行快速非支配排序和虛擬擁擠度距離的計(jì)算；其中，快速非支配排序是根據(jù)每個(gè)選型的船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)和儲(chǔ)能裝置總價(jià)格這兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)值進(jìn)行的，而虛擬擁擠度距離則是根據(jù)個(gè)體向量在變量空間中的距離信息得出的；
4)確定船舶的能效設(shè)計(jì)指數(shù)eedi、儲(chǔ)能設(shè)備總價(jià)格price為計(jì)算的優(yōu)化目標(biāo)，其數(shù)學(xué)表達(dá)如下：
price＝mb*n1+ms*n2
式中：s為二氧化碳的折算系數(shù)，p為電力系統(tǒng)的功率，f為修正系數(shù)，fi為考慮船舶因技術(shù)或規(guī)定要求而對(duì)最大設(shè)計(jì)裝載工況有所限制的無量綱修正系數(shù)，capacity為船舶總噸數(shù)；vref為在最大設(shè)計(jì)裝載工況下，由所定義的軸功率推進(jìn)的情況下，在無風(fēng)無浪的平靜海況下的船舶航速；fw為考慮波高、浪頻和風(fēng)速對(duì)船舶航速的影響的無量綱系數(shù)；mb為電池單體的價(jià)格，ms為電容單體的價(jià)格，n1為電池單體的個(gè)數(shù)，n2為電容單體的個(gè)數(shù)；
5)進(jìn)行遺傳操作，包括選擇、交叉和變異；設(shè)置選擇概率、重組率和變異率，得到子種群；
6)進(jìn)行精英保留策略，即將父代種群與子種群進(jìn)行合并，并進(jìn)行基于快速非支配排序和虛擬擁擠度距離的選擇，繼而參數(shù)下一代父代種群；迭代次數(shù)加1，返回至3)，直到迭代次數(shù)達(dá)到設(shè)置的最大值為止。
按上述方法，所述的電池能量管理模型中，劃分工作模式如下：
(1)當(dāng)功率需求大于上閥值，目標(biāo)船舶工作處于起步、急加速或高負(fù)載時(shí)，超級(jí)電容器組和磷酸鐵鋰電池組共同工作為電機(jī)提供能量；
(2)當(dāng)功率需求在上下閥值之間，目標(biāo)船舶工作處于加速狀態(tài)時(shí)，超級(jí)電容器組優(yōu)先大電流快速放電為推進(jìn)電機(jī)提供加速能量；
(3)當(dāng)功率需求小于下閥值，目標(biāo)船舶工作于穩(wěn)定航行狀態(tài)時(shí)，磷酸鐵鋰電池組優(yōu)先工作為推進(jìn)電機(jī)提供能量。
按上述方法，所述的電池能量管理模型根據(jù)目標(biāo)船舶的功率需求結(jié)合電池的荷電狀態(tài)控制儲(chǔ)能裝置的放電電流。
本發(fā)明的有益效果為：從儲(chǔ)能設(shè)備的選型和能量管理兩方面入手，在保證船舶的動(dòng)力性能的前提下，通過合理的選擇各儲(chǔ)能設(shè)備的容量以及智能的控制能量的流向，提高船舶的經(jīng)濟(jì)性能并延長(zhǎng)電池的使用壽命。
附圖說明
圖1為本發(fā)明一實(shí)施例的方法流程圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)例和附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
本發(fā)明提供一種雙電型船舶的儲(chǔ)能設(shè)備的優(yōu)化管理方法，如圖1所示，它包括：
步驟一：儲(chǔ)能設(shè)備選型：
數(shù)據(jù)采集：根據(jù)目標(biāo)船舶的典型工作循環(huán)得到船舶的功率及能量需求；收集各廠商磷酸鐵鋰電池、超級(jí)電容器、推進(jìn)電機(jī)的規(guī)格參數(shù)，制成牽引表，從所述牽引表中獲得目標(biāo)船舶的動(dòng)力設(shè)備選型。所述的功率及能量需求是根據(jù)目前與目標(biāo)船舶同類型的工作船舶長(zhǎng)時(shí)間工作統(tǒng)計(jì)得出的一組與時(shí)間相關(guān)的數(shù)據(jù)。所述的磷酸鐵鋰電池、超級(jí)電容器的規(guī)格參數(shù)包括電池容量、電池單體重量、電池單體價(jià)格和充放電曲線；所述的推進(jìn)電機(jī)的規(guī)格參數(shù)包括總安裝重量、效率特性曲線。
模型建立：以船舶能效指數(shù)與儲(chǔ)能設(shè)備價(jià)格為目標(biāo)，搭建目標(biāo)船舶整船的電力推進(jìn)系統(tǒng)模型；所述整船電力推進(jìn)模型包括換算油耗模型、電機(jī)模型和電池能量管理模型。
電池能量管理模型根據(jù)目標(biāo)船舶的功率需求結(jié)合電池的荷電狀態(tài)控制儲(chǔ)能裝置的放電電流。所述的電池能量管理模型中，劃分工作模式如下：
(1)當(dāng)功率需求大于上閥值，目標(biāo)船舶工作處于起步、急加速或高負(fù)載時(shí)，超級(jí)電容器組和磷酸鐵鋰電池組共同工作為電機(jī)提供能量；
(2)當(dāng)功率需求在上下閥值之間，目標(biāo)船舶工作處于加速狀態(tài)時(shí)，超級(jí)電容器組優(yōu)先大電流快速放電為推進(jìn)電機(jī)提供加速能量；
(3)當(dāng)功率需求小于下閥值，目標(biāo)船舶工作于穩(wěn)定航行狀態(tài)時(shí)，磷酸鐵鋰電池組優(yōu)先工作為推進(jìn)電機(jī)提供能量。
計(jì)算選型：將所述的功率及能量需求導(dǎo)入電力推進(jìn)系統(tǒng)模型中，采用遺傳算法進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算，得到一組帕累托最優(yōu)解，對(duì)應(yīng)牽引表中的實(shí)際具體設(shè)備，得到最佳的儲(chǔ)能設(shè)備選型方案。
所述的遺傳算法的計(jì)算步驟包括：
1)定義兩個(gè)變量x1、x2，對(duì)這兩個(gè)變量進(jìn)行實(shí)數(shù)編碼。
2)設(shè)置種群規(guī)模，根據(jù)約束條件產(chǎn)生初始種群。
3)對(duì)當(dāng)代種群進(jìn)行快速非支配排序和虛擬擁擠度距離的計(jì)算；其中，快速非支配排序是根據(jù)每個(gè)選型的船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)和儲(chǔ)能裝置總價(jià)格這兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)值進(jìn)行的，而虛擬擁擠度距離則是根據(jù)個(gè)體向量在變量空間中的距離信息得出的。
4)確定船舶的能效設(shè)計(jì)指數(shù)eedi、儲(chǔ)能設(shè)備總價(jià)格price為計(jì)算的優(yōu)化目標(biāo)，其數(shù)學(xué)表達(dá)如下：
price＝mb*n1+ms*n2
式中：s為二氧化碳的折算系數(shù)，p為電力系統(tǒng)的功率，f為修正系數(shù)，fi為考慮船舶因技術(shù)或規(guī)定要求而對(duì)最大設(shè)計(jì)裝載工況有所限制的無量綱修正系數(shù)，capacity為船舶總噸數(shù)；vref為在最大設(shè)計(jì)裝載工況下，由所定義的軸功率推進(jìn)的情況下，在無風(fēng)無浪的平靜海況下的船舶航速；fw為考慮波高、浪頻和風(fēng)速對(duì)船舶航速的影響的無量綱系數(shù)；mb為電池單體的價(jià)格，ms為電容單體的價(jià)格，n1為電池單體的個(gè)數(shù)，n2為電容單體的個(gè)數(shù)。
5)進(jìn)行遺傳操作，包括選擇、交叉和變異；設(shè)置選擇概率、重組率和變異率，得到子種群；遺傳操作是nsga-ii進(jìn)行尋優(yōu)迭代的核心環(huán)節(jié)，其中的選擇操作以3)為基礎(chǔ)。
6)進(jìn)行精英保留策略，即將父代種群與子種群進(jìn)行合并，并進(jìn)行基于快速非支配排序和虛擬擁擠度距離的選擇，繼而參數(shù)下一代父代種群；迭代次數(shù)加1，返回至3)，直到迭代次數(shù)達(dá)到設(shè)置的最大值為止。
步驟二、能量管理：
對(duì)已經(jīng)選型后的儲(chǔ)能設(shè)備，建立能量需求預(yù)測(cè)模型，根據(jù)船舶歷史的航行數(shù)據(jù)及智能交通系統(tǒng)提供的實(shí)時(shí)信息，預(yù)測(cè)船舶下一時(shí)段的功率需求；建立在有限時(shí)段上的滾動(dòng)優(yōu)化策略，避免因復(fù)雜工況時(shí)模型失配、時(shí)變、干擾而產(chǎn)起的不確定性，到下一采樣時(shí)刻，根據(jù)船舶的實(shí)際功率需求，對(duì)船舶的模型的預(yù)測(cè)進(jìn)行修正，然后再進(jìn)行新的優(yōu)化預(yù)測(cè)。
建立模糊控制器，將儲(chǔ)能設(shè)備的荷電狀態(tài)、功率需求、預(yù)測(cè)功率需求進(jìn)行模糊化處理，形成輸入模糊變量，然后將各個(gè)輸入模糊變量傳送至模糊控制器；建立船舶能量管理系統(tǒng)粒子群模糊控制器的控制規(guī)則庫，利用智能群體理論，即粒子群優(yōu)化方法對(duì)模糊控制器進(jìn)行優(yōu)化。
本發(fā)明涉及一種“磷酸鐵鋰電池+超級(jí)電容”的“雙電型”純電動(dòng)船舶的儲(chǔ)能設(shè)備的優(yōu)化管理方法，優(yōu)化的目的在于以保證船舶的動(dòng)力性能的前提下，通過合理的選擇各儲(chǔ)能裝置的容量以及智能的控制能量的流向，提高船舶的經(jīng)濟(jì)性能并延長(zhǎng)電池的使用壽命。
儲(chǔ)能設(shè)備選型包括下列步驟：根據(jù)目標(biāo)船舶典型的工作循環(huán)，得到船舶的功率及能量需求；搭建目標(biāo)船舶的電力推進(jìn)系統(tǒng)模型；根據(jù)采集到的參考船舶的功率需求數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型中，采用基于多目標(biāo)遺傳算法中的nsga-ⅱ算法控制策略，以船舶的eedi(船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù))和價(jià)格為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行遺傳算法計(jì)算，得到一組帕累托最優(yōu)解，對(duì)應(yīng)實(shí)際具體設(shè)備，得到合適的選型方案。
采用基于模型預(yù)測(cè)的能量管理模糊控制策略，將復(fù)合電源劃分3種工作模式，分別為：超級(jí)電容器組單獨(dú)工作模式、超級(jí)電容器組和磷酸鐵鋰電池組共同工作模式、磷酸鐵鋰電池單獨(dú)工作模式。根據(jù)不同工況下的功率需求、儲(chǔ)能設(shè)備的荷電狀態(tài)及實(shí)時(shí)的運(yùn)行狀況，根據(jù)歷史航行數(shù)據(jù)、數(shù)學(xué)模型及智能交通系統(tǒng)提供的實(shí)時(shí)信息，預(yù)測(cè)船舶下一時(shí)段的功率需求，在此基礎(chǔ)上采用一種基于粒子群優(yōu)化算法的模糊控制器，合理控制復(fù)合電源的工作模式，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能裝置的能量分配及回收，使每個(gè)儲(chǔ)能裝置都能發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，提高船舶的經(jīng)濟(jì)性能，延長(zhǎng)電池的使用壽命。
以上實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想和特點(diǎn)，其目的在于使本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于上述實(shí)施例。所以，凡依據(jù)本發(fā)明所揭示的原理、設(shè)計(jì)思路所作的等同變化或修飾，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。