[发明专利]船舶直流组网电力系统及其运行和功率优化控制方法

权利要求书

1.一种船舶直流组网电力系统的运行和功率优化控制方法，其中船舶直流组网电力系统包括左舷以及右舷两个推进单元，推进单元包含直流母线，直流母线上连接有至少两个发电机供电机构、船舶推进机构，左舷或者右舷的直流母线上设有负载机构，左舷与右舷的直流母线间设有电力电子开关，发电机供电机构包括柴油发电机，柴油发电机通过供电线路依次与主断路器、整流功率模块、熔断器连接，该供电线路最后与直流母线相连接；整流功率模块与熔断器之间的导线上设有主电压传感器，主电压传感器与发电机控制模块电联接；

负载机构包括与直流母线通过接入导线相连接的负载逆变模块，正负极接入导线上都设有熔断器，接入导线上在熔断器与负载逆变模块输入端之间有一个接入用于检测负载电路上直流段的电压值的直流电压传感器的采集点A＇，负载逆变模块的输出端与负载电路的负载断路器输入端相连接，负载逆变模块的输出端与负载断路器输入端间设有一个用于接入采集逆变后的输出交流电压值的交流电压传感器的采集点B＇，负载断路器的输出端有一个用于接入采集输出的交流电流值的交流电流传感器采集点C＇，直流电压传感器、交流电压传感器、以及交流电流传感器与控制模块电联接；负载断路器与交流母线相连接，交流母线通过分流导线与船舶电力系统中的各个用电负载模块相连接，分流导线上在用电负载模块与交流母线间设有分断路器；所述船舶推进机构包括推进电机，推进电机通过用电线路与直流母线相连接，用电线路上由推进电机开始依次设有用电断路器、逆变模块、熔断器；所述推进单元还包括连接在直流母线上的能量存储机构，能量存储机构包括与直流母线通过两根储电电线连接的储能斩波模块，储能斩波模块与电感滤波模块相连接，电感滤波模块与其中一根储电电线之间设有通过连接电线设有储电电容，连接电线上设有储电断路器，储电电线上设有熔断器；储电电线上设有连接有储电电压传感器，储电电压传感器与储能控制模块相连接；用电线路上在逆变模块与直流母线之间设有直流电压传感器，直流电压传感器与电动机控制模块相连接；所述用电线路上在逆变模块和用电断路器之间设有交流电压传感器，交流电压传感器与电动机控制模块相连接；所述用电线路上在推进电机和用电断路器之间设有交流电流传感器，交流电流传感器与电动机控制模块相连接；所述推进单元还包括连接在直流母线上的电池供电机构，电池供电机构包括锂电池，锂电池通过电缆依次与断路器、电池斩波模块、熔断器连接，该电缆最后与直流母线相连接；

上述的船舶直流组网电力系统的运行和功率优化控制方法，包括以下步骤：

步骤1、发电机组起动

柴油发电机起动运转，转速传感器检测柴油发电机的转速，如果10～15s后，柴油发电机转速没有达到1150～1550rpm之间，那么电力推进系统各个柴油发电机无法实现并车，系统报错并将错误信息发送给监控终端，维护人员通过遥控系统控制所有柴油发电机停机，对柴油发电机进行维修；如果柴油发电机转速达到预定值，柴油发电机完成起动，开始工作；

步骤2、直流母线预充

柴油发电机正常运转后，经预充回路为直流母线充电，直流电压传感器监测直流母线电压，当直流母线电压达到1050～1075V之间时，主断路器闭合，柴油发电机产生的交流电经由整流功率模块将交流电转换为直流电，为直流母线正常供电；

步骤3、负载运转

直流母线预充完成后，开始为各个负载供电；分别通过负载逆变模块和逆变模块将直流母线提供的直流电转换成推进电机和日用负载时所需的交流电；两个交流电压传感器分别监测两个负载逆变模块的交流侧电压，判断是否满足各个负载的所需电压，如果满足使用条件，则负载断路器和用电断路器闭合分别为日用负载和推进电机供电；

步骤4、对电力系统运行状态进行监测及调整

包括直流组网系统发电机组的功率分配操作，具体如下：

步骤a、首先对每台柴油机进行参数设置通过主控制器进行各个柴油发电机组的功率参数设置，即分别设置各台柴油机的最优工作负载功率下限P_iI以及最优工作负载功率上限P_iu，同时选择第一个柴油发电机组作为默认开启项；

步骤b、主控制器将不断检测直流组网电力系统的总功率P_t，当直流母线中有负载工作时，发电系统也同时开始工作，第一个柴油发电机组开始工作；交流电流传感器读取第一个柴油发电机组产生的交流电I₁，所述电压传感器检测整流后的直流电压值V₁，A/D采样模块读取I₁与V₁数据后将其通过总线发送至子控制器，所述子控制器根据I₁与V₁计算出交流电压V_AC1,所述子控制器再通过下式计算第一个柴油发电机组的使用功率P₁：

其中φ为功率因素；

产生的交流电通过所述整流功率模块，设置整流功率模块的整流参数使整流后的电压值保持在V_1min～V_1max内，以保证P_1IP₁P_1u；

步骤c、主控制器将计算柴油机组总最优工作负载功率的范围，此时由于只有第一个柴油机组处于工作状态，所以柴油机组总最优工作负载功率下限P_I＝P_1I，柴油机组总最优工作负载功率上限P_u＝P_1u；

步骤d、主控制器将依次判定所有柴油机组的工作状态，若第i个柴油机组处于工作状态，则发电电路的交流电流传感器将读取该柴油发电机组产生的交流电I_i，电压传感器检测整流后的直流电压值V_i，A/D采样模块读取I_i与V_i数据后将其通过总线发送至子控制器，所述子控制器根据I₁与V₁计算出交流电压V_ACi,所述子控制器再通过下式计算第i个柴油发电机组的使用功率P_i：

其中φ为功率因素；

产生的交流电通过所述整流功率模块，设置整流功率模块的整流参数使整流后的电压值保持在V_imin～V_imax内，以保证P_1IP₁P_1u；

步骤e、主控制器将通过下式计算柴油机组总最优工作负载功率的范围：

柴油机组总最优工作负载功率下限

柴油机组总最优工作负载功率上限

步骤f、主控制器将直流母线的总功率P_t与柴油机组总最优负载功率下限P_I与柴油机组总最优工作负载功率上限P_u进行比较，若P_IP_tP_u，则说明柴油机组的总发电功率达到P_t时，每台柴油机的发电功率都在最优工作负载功率范围之内；此时进行步骤(g)，根据交叉耦合控制策略进行柴油机电压的同步控制；若P_t不满足P_IP_tP_u，即P_tP_u或P_tP_I时，则进行步骤(h),建立优化模型，优化求解柴油机组最优工作序列；

步骤g、根据交叉耦合控制策略进行柴油机电压的同步控制

g-1、当P_IP_tP_u时，主控制器根据当前直流组网系统的总功率Pt计算得到一平均电压V′，该V′满足：当所有工作中的柴油机的输出电压都为V′时，依然有P_IP_tP_u；

g-2、计算得到V′后，主控制器向各路子控制器发出电压调节指令；

g-3、子控制器收到来自主控制器的电压调节指令后，对A/D采样模块发送控制信号，A/D采样模块接收信号后向整流功率模块发送PWM波,PWM波改变整流功率模块中IGBT晶体管的占空比以调节整流的直流电压值；

g-4、各发电电路上的A/D转换模块将不断将柴油机的输出电压反馈给各路子控制器，子控制器再通过总线将电压数据发送给主控制器；

g-5、主控制器得到各发电电路子控制器发送的电压数据后，将V′与各路输出电压分别作差，主控制器将根据电压差值对各路子控制器发出电压补偿信号；

g-6、子控制器收到来自主控制器的电压补偿信号后，对A/D采样模块发送控制信号，A/D采样模块接收信号后向整流功率模块发送PWM波,PWM波改变整流功率模块中IGBT晶体管的占空比以调节整流的直流电压值；

g-7、回到步骤g-4循环执行；

步骤h、建立优化模型，优化求解柴油机组最优工作序列：

h-1、设现有工作发电机序列为W＝{W₁，W₂，…，W_L}，非工作发电机序列为S＝{S₁，S₂，…，S_N-L}，其中W∪S＝{1，2，3，…，N}；

h-2、如果P_tP_u，则计算即在非工作状态的柴油机中找到平均最优工作负载功率最大的一台，然后执行步骤h-3；若P_tP_I，则执行步骤h-4；

h-3、计算若P′P_t，则W＝W∪{S_J}，S＝S\{S_J}，L＝L+1，即将步骤h-2中找到的平均最优工作负载功率最大的一台柴油机启动，然后回到步骤h-2，直至P′P_t时，继续执行步骤h-6；

h-4、计算即在工作状态的柴油机中找到平均最优工作负载功率最大的一台；

h-5、计算若P″P_t,则W＝W\{W_I}，S＝S∪{W_I}，L＝L-1，即将步骤h-4中找到的平均最优工作负载功率最大的一台柴油机启动，然后回到步h-4，直至P″P_t时，继续执行步骤h-6；

h-6、首先计算即分别计算工作序列中任一柴油机与非工作序列中任一柴油机的平均最优工作负载功率的差值，其中

然后计算

若I＝0，则

W＝W∪{S_J}，S＝S\{S_J}，L＝L+1

若J＝0，则

W＝W\{W_I}，S＝S∪{W_I}，L＝L-1

若I、J≠0，则

W＝W∪{S_J}\{W_I}，S＝S∪{W_I}\{S_J}，L＝L

上述过程即求解柴油机最优工作序列的过程，即找到满足P_IP_tP_u的最大P_I值P_Imax，以及最小P_u值P_umax，使得柴油机组总最优工作负载功率下限P_I和柴油机组总最优工作负载功率上限P_u与直流母线总功率P_t最为接近；

I＝0，W＝W∪{S_J}，S＝S\{S_J}，L＝L+1表示从非工作序列中开启一台柴油机后即可满足P_I＝P_Imax，P_u＝P_umax，无需从工作序列中关闭柴油机；

J＝0，W＝W\{W_I}，S＝S∪{W_I}，L＝L-1表示从工作序列中关闭一台柴油机后即可满足P_I＝P_Imax，P_u＝P_umax，无需从非工作序列中开启柴油机；

J≠0，W＝W∪{S_J}\{W_I}，S＝S∪{W_I}\{S_J}，L＝L表示从非工作序列中开启一台柴油机，并且从工作序列中关闭一台柴油机后即可满足P_I＝P_Imax，P_u＝P_umax；

h-7完成上述步骤后即完成了柴油机组最优工作序列优化求解的过程，主控制器将周期性的检测直流母线总功率P_t，若P_t发生变化，则重新回到步骤4，若P_t不发生变化则优化结束，柴油机组将保持现有序列进行工作。