[发明专利]船舶多电源复合利用最低耗油率优化方法

权利要求书

1.一种船舶多电源复合利用最低耗油率优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，建立船舶多电源复合利用最低耗油率优化系统；所述船舶多电源复合利用最低耗油率优化系统包括上位计算机、PLC控制单元、电池管理单元、电源变换模块、直流母线排、左推进电机单元、右推进电机单元、柴油发电系统、岸电系统、风力发电系统、太阳能发电系统、第一储能单元和第二储能单元；所述左推进电机单元、所述右推进电机单元、所述柴油发电系统、所述岸电系统、所述风力发电系统、所述太阳能发电系统、所述第一储能单元和所述第二储能单元均并联连接到所述直流母线排；所述PLC控制单元用于控制所述柴油发电系统、所述岸电系统、所述风力发电系统、所述太阳能发电系统、所述第一储能单元和所述第二储能单元的投切；所述风力发电系统与所述第一储能单元连接，可向所述第一储能单元充电；所述太阳能发电系统与所述第二储能单元连接，可向所述第二储能单元充电；所述柴油发电系统还直接与所述左推进电机单元和所述右推进电机单元连接，可直接驱动所述左推进电机单元和所述右推进电机单元；

步骤2，当电网总负荷∑P逐渐增加时，初始时由锂电池组供电；当锂电池组供电能力不足时，柴油发电机组起动并投入工作，此时以柴油发电机组供电为主，柴油发电机组保持在额定负荷且最低SFOC供电模式，电网负荷的变化由锂电池组进行负荷补偿，维持柴油发电机组最佳耗油率；在此过程中，太阳能和风能持续向锂电池组均衡充电；

具体方式为：

步骤2.1，上位计算机鉴别电网总负荷∑P是否小于75％Q_e，Q_e为单套锂电池组额定容量，如果是，则由单套锂电池组向全船供电；如果不是，则执行步骤2.2；

步骤2.2，上位计算机进一步鉴别电网总负荷∑P是否大于90％Q_e，如果不是，则表明75％Q_e≤电网总负荷∑P≤90％Q_e，则由两套锂电池组向全船供电；如果是，则执行步骤2.3；

步骤2.3，上位计算机进一步鉴别电网总负荷∑P是否大于95％Q_e*2，如果不是，则表明90％Q_e＜电网总负荷∑P≤95％Q_e*2，则继续由两套锂电池组向全船供电；如果是，则执行步骤2.4；

步骤2.4，PLC控制单元控制柴油发电机组起动供电；所述柴油发电机组起动并网后，按30％∑P负荷稳定运行，电网剩余的70％∑P负荷由锂电池组提供，由此防止负荷太低造成柴油机运转不稳定，运行时间由定时器确定，当达到定时器设定时间后，锂电池组呈线性逐渐减少输出功率，直到退出供电；同时，柴油发电机组呈线性逐渐增加输出功率，直到按电网总负荷∑P运行，此时，柴油发电机组进入保持持续额定负荷且最低SFOC供电模式；然后执行步骤2.5；

步骤2.5，当电网总负荷变化时，如果电网总负荷低于柴油发电机组额定负荷以及单套锂电池组允许的最大负荷，但高于柴油发电机组额定负荷，则投入一套锂电池组，由柴油发电机组和单套锂电池组并网供电，并且，在此负荷变化区间，柴油发电机组持续保持额定负荷且最低SFOC供电模式，剩余电网负荷由单套锂电池组承担；并且，单套锂电池组输出的功率随电网总负荷的变化而变化；

当电网总负荷变化时，如果电网总负荷高于单套锂电池组允许的最大负荷，但低于两套锂电池组允许的最大负荷，则投入两套锂电池组，由柴油发电机组和两套锂电池组并网供电，并且，在此负荷变化区间，柴油发电机组持续保持额定负荷且最低SFOC供电模式，剩余电网负荷由两套锂电池组承担，并且，两套锂电池组输出的功率随电网总负荷的变化而变化；

当两套锂电池组均为满负荷供电时，即：柴油发电机组与两套满负荷的锂电池组联合供电，此时为船舶最大工作负荷状态；

步骤3，当电网总负荷∑P由最大工作负荷状态逐渐减少时，采用以下方式供电：

步骤3.1，初始时，柴油发电机组与两套锂电池组交流并网供电；

当电网总负荷降低时，如果电网总负荷低于柴油发电机组额定负荷以及单套锂电池组允许的最大负荷，但高于柴油发电机组额定负荷，则退出第1锂电池组，由柴油发电机组和第2锂电池组交流并网供电；此过程中，柴油发电机组持续保持额定负荷且最低SFOC供电模式，剩余电网负荷由第2锂电池组承担；

当电网总负荷继续降低时，如果电网总负荷低于柴油发电机组额定负荷且最低SFOC供电模式时的负荷时，此时，退出第2锂电池组，第1锂电池组已退出，继续保持柴油发电机组保持在额定负荷且最低SFOC供电模式，柴油发电机组发出的超过电网负荷需求的电能直接向第1锂电池组和第2锂电池组充电，因此，锂电池组充电吸收电网总负荷∑P减少的负荷；柴油发电机组既供给全船负荷，又向锂电池组充电；

当锂电池组充电负荷增加至最高限值时，此时，锂电池组已充满电，则取消柴油发电机组额定负荷且最低SFOC供电模式，柴油发电机组功率随电网负荷变动，即：柴油发电机组功率随着电网负荷的下降而下降，电网负荷由柴油发电机组承担；锂电池组均衡充电维持在额定容量；

当电网总负荷∑P下降到备用锂电池组功率点的功率水平时，柴油发电机组逐步退出电网，全船负荷由锂电池组逐步承担，锂电池组功率随系统负荷变化，当系统负荷降低时，其功率输出随着减少；船舶靠岸接岸电时，锂电池组退出供电而由岸电对其充电并进行均衡管理；风能发电及太阳能发电同时向两套锂电池组充电。

2.根据权利要求1所述的船舶多电源复合利用最低耗油率优化方法，其特征在于，柴油发电机组持续保持额定负荷且最低SFOC供电模式，具体包括：

步骤4.1，上位计算机存储柴油发电机组台架实验数据对{SOFC_i,P_i}，其中，i＝1,2,…,m；m为柴油发电机组台架实验数据对的数量；P_i为某一时刻柴油发电机组在标定工况下的功率；SOFC_i为某一时刻柴油发电机组在标定工况下的耗油率；

步骤4.2，建立向量X和Y：

X＝[P₁,P₂,…,P_m]和Y＝[SFOC₁,SFOC₂,…,SFOC_m]；

步骤4.3，采用多阶多项式曲线拟合法，对{SOFC_i,P_i}进行曲线拟合，获得标定工况下的耗油率SFOC-功率P曲线SFOC＝f*(P)；具体方法为：

步骤4.3.1，构造多项式曲线拟合函数Φ＝polyfit(X,Y,n)，n为多项式曲线拟合维数，n的初值取1；

步骤4.3.2，多项式曲线拟合函数Φ＝polyfit(X,Y,n)对向量X和向量Y进行曲线拟合，得到耗油率曲线plot(X,Y)；

步骤4.3.3，对耗油率曲线plot(X,Y)进行误差评估：

在耗油率曲线plot(X,Y)上面，确定与P₁,P₂,…,P_m分别对应的SFOC⁰₁,SFOC⁰₂,…,SFOC⁰_m，其中，SFOC⁰₁,SFOC⁰₂,…,SFOC⁰_m为在耗油率曲线plot(X,Y)上面的耗油率值；

计算误差平方和δ_i为各个P₁,P₂,…,P_m对应的耗油率曲线值与标定工况下的耗油率值的差；

若误差平方和||δ||²≤0.05，则表明耗油率曲线plot(X,Y)精度满足要求，执行步骤4.3.4；否则，令多项式曲线拟合维数n＝n+1，判断多项式曲线拟合维数n是否等于5，如果不等于，则返回步骤4.3.2，进行下一维的多项式曲线拟合；如果等于，则停止曲线拟合操作，执行步骤4.3.4；

步骤4.3.4，由于共进行n维多项式曲线拟合，每一维均得到一个耗油率曲线，因此，共得到n个耗油率曲线，对得到的n个耗油率曲线进行平均，得到最终的标定工况下的耗油率SFOC-功率P曲线SFOC＝f*(P)；

步骤4.4，对于步骤4.3得到的标定工况下的耗油率SFOC-功率P曲线SFOC＝f*(P)，令求得柴油发电机组最低耗油率点，最低耗油率点对应的功率为柴油机标定功率P_eN，最低耗油率点对应的耗油率为柴油机标定工况下耗油率SFOC_eN；

步骤4.5，柴油发电机组实际运行过程中，通过下式实时计算柴油机实际耗油率SFOC：

其中：SFOC-柴油机实际耗油率，g/(kW·h)；

A-实时检测燃油消耗质量，单位为千克，质量流量计检测；

λ-质量测量修正系数，取0.9944；

C-检测持续时间，单位为秒，软件计时器记录；

D-柴油机输出的机械功率，单位千瓦kW，，输出轴的扭矩和转速检测，两者乘积得到机械功率；

G-柴油机所用燃油的净热值，单位MJ/kg，取42.82MJ/kg；

I-柴油机机械效率，因柴油机与发电机直接刚性连接，取97％；

H-标准燃油净热值，单位MJ/kg，取42.7MJ/kg；

β-标准环境条件的修正系数；其中，标准环境条件即为柴油机台架实验标准环境条件，大气压力1000hPa，环境温度25℃，相对湿度30％，压缩空气冷却温度25℃；标准环境条件的修正系数表明船舶实际工作环境偏离柴油机台架实验的标准环境条件的偏差；

标准环境条件的修正系数β采用以下方式计算：

其中：P_x-船舶实际工作环境大气压力，由船舶机舱压力计检测；

P_ra-标准大气压力，1000.0hP_a；

T_ra-标准环境大气温度，25.0℃(298.0K)；

T_x-船舶实际工作环境大气温度，由船舶机舱温度计检测；

T_cra-废气涡轮增压器空气冷却器冷却水标准温度，25.0℃(298.0K)；

T_cx-船舶实际工作环境下空冷器进口冷却水温度，由空冷器上的温度计直接检测；

η_m-冷却器效率0.8；

指数m＝0.7，n＝1.2，s＝1；

μ、α为修正系数计算中间变量；

步骤4.6，柴油机实际运行过程中，实时计算功率利用系数ξ和耗油率系数γ：

其中，SFOC为柴油机实际耗油率；P为柴油机实际功率；

步骤4.7，根据功率利用系数ξ和耗油率系数γ，对柴油发电机组负荷进行实时调节，使柴油发电机组运行在额定负荷且最低SFOC供电模式：

若ξ1，表明柴油机运行低于标定工况，则调速器加大油门，增加柴油机负荷输出，使柴油机向最低SFOC供电模式工况转变；

若ξ1，表明柴油机运行高于标定工况，则调速器减小油门，降低柴油机负荷输出，使柴油机向最低SFOC供电模式工况转变；

若γ1，表明柴油机实际耗油率不是最优，则调速器进行供油量调节，使γ趋向于1；

若γ＝1，表明柴油机实际耗油率达到最优，则调速器停止调节，令柴油机维持在此最优工况下运行。