本發(fā)明主要針對太陽能混合能源船，是一種在船舶在綜合運(yùn)動下采用虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略，通過引入虛擬慣量從而減少儲能的頻繁使用，改善了儲能的損耗，降低太陽能船的經(jīng)濟(jì)成本，屬于綠色船舶應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

當(dāng)今世界能源結(jié)構(gòu)中，人類所利用的一次能源主要為化石能源，例如石油、、船舶電站主要靠燃燒重油發(fā)電，發(fā)電成本較高，另外在全球每年碳、氮排放物中，有一定比例是由海洋航運(yùn)業(yè)排放造成的。太陽能等可持續(xù)能源與船舶傳統(tǒng)發(fā)電設(shè)備一起混合供電成為船舶供電系統(tǒng)的新趨勢，比較這兩種電站在經(jīng)濟(jì)性上的優(yōu)劣具有現(xiàn)實(shí)意義，對安裝太陽能光伏設(shè)備的船舶混合電力系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評價(jià)，需要在綜合計(jì)算評估太陽能輻射強(qiáng)度、光伏系統(tǒng)投資成本和燃油價(jià)格的基礎(chǔ)上，對適用性和耐久性做出科學(xué)合理的分析以期合理規(guī)避潛在資風(fēng)險(xiǎn)。船舶在航行過程中的經(jīng)緯度會時(shí)刻發(fā)生變化，同時(shí)船舶存在搖擺現(xiàn)象，這就使得對船舶中的光伏板輻照度的實(shí)際接收量和傳統(tǒng)陸地上是有所差別的，因而船舶光伏系統(tǒng)的輸出功率也與陸地系統(tǒng)不同。目前，利用可再生能源作為船舶全部或部分供電設(shè)備，多只是借鑒甚至套用陸地光伏系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，并沒有考慮船舶上光伏發(fā)電裝置的特殊性，即沒有考慮船舶綜合運(yùn)動對光伏發(fā)電設(shè)備造成的影響，其中影響船舶運(yùn)動的六個(gè)自由度為橫蕩、縱蕩、沉浮、橫搖、縱搖、偏航。

在安裝了光伏的綠色船中，光伏發(fā)電系統(tǒng)缺少慣性，船舶電力系統(tǒng)也是一個(gè)容量相對較小的自主電力系統(tǒng)，并且船舶總負(fù)荷接近于電力總?cè)萘?，船舶工況復(fù)雜多變時(shí)，功率波動頻繁。對融入dg的船舶電力系統(tǒng)來說，新能源隨機(jī)波動性增加了船舶電力系統(tǒng)的脆性，降低系統(tǒng)的可靠性。一方面，目前在新能源船舶上，主要通過增設(shè)儲能裝置，或者安排可選擇性電力負(fù)載，來平抑輸出電能的波動性。以此來減少新能源對船舶電力系統(tǒng)的沖擊，保障電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，取得了一定的效果。但也存在一定的問題：如果這些波動全用儲能來平抑，有可能會陷入頻繁的充放電中，大大影響儲能的使用壽命，從而增加太陽能船舶的經(jīng)濟(jì)成本；另一方面，光伏發(fā)電系統(tǒng)通過電力電子變換裝置輸出電能，傳統(tǒng)控制策略有下垂控制、恒頻恒壓控制、pq控制，它們都是靠鎖相環(huán)來跟蹤電網(wǎng)頻率，從而實(shí)時(shí)保持系統(tǒng)與光伏陣列輸出功率的平衡，其響應(yīng)快速。然而，也造成了光伏發(fā)電系統(tǒng)缺乏足夠的慣性，抗擾動能力減弱。尤其應(yīng)用于船舶這種相對容量較小的系統(tǒng)中，會增加電網(wǎng)的控制難度。

因此，針對太陽能船舶的光伏波動功率低成本抑制方法對船舶在綜合運(yùn)動下造成的波動在節(jié)省成本的情況下進(jìn)行有效的抑制，對含新能源船舶系統(tǒng)的穩(wěn)定性、提高儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性等領(lǐng)域具有重要意義，為綠色船舶能源系統(tǒng)的節(jié)省儲能空間和減少經(jīng)濟(jì)成本提供了新的思路。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種能夠避免電池組的經(jīng)常性使用，減少儲能裝置的體積和充放電次數(shù)，節(jié)省船舶空間，降低了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)成本，新能源發(fā)電設(shè)備還可以如同步發(fā)電機(jī)一樣接入船舶電網(wǎng)，借鑒同步發(fā)電機(jī)的供電系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)技術(shù)，可以使新能源更好的融入船舶電站，并進(jìn)行更好的管理和控制的針對太陽能船舶的光伏波動功率低成本抑制方法。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

根據(jù)實(shí)際航線，通過歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)生成多場景，并采集船舶的具體參數(shù)；對波傾角進(jìn)行修正，得到船舶橫搖角的波動情況；確定船舶在航行中任意時(shí)刻的光伏pv板處的地外輻照度；計(jì)算光伏板傾斜表面上的輻照度；將船舶綜合運(yùn)動與僅進(jìn)行平移運(yùn)動的功率做差，得到船舶在綜合運(yùn)動下的波動功率；采用虛擬慣量吸收第一部分的波動功率，其余的第二部分的波動功率則用電池組來吸收；設(shè)定虛擬慣量；得到一種改進(jìn)之后的變下垂系數(shù)工頻控制器；調(diào)整逆變器的有功出力；控制電池組的充放電深度。

所述的根據(jù)實(shí)際航線，通過歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)生成多場景，并采集船舶的具體參數(shù)是根據(jù)實(shí)際航線，通過歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)出不同時(shí)段不同航段下海況、海上風(fēng)速、波高、對應(yīng)風(fēng)級對船舶橫搖產(chǎn)生主要影響參數(shù)的范圍，并采用超拉丁立方體抽樣生成多場景，即船舶綜合運(yùn)動下和船舶僅平移運(yùn)動兩種場景，并統(tǒng)計(jì)出某型號船舶的相關(guān)參數(shù)；所述的對波傾角進(jìn)行修正是對長峰波隨機(jī)海浪的分析以及通過海況、浪向?qū)Σ▋A角進(jìn)行修正，求得船舶橫搖運(yùn)動的橫搖角度。

所述的確定船舶在航行中任意時(shí)刻的光伏pv板處的地外輻照度是通過公式e＝encosi求得，將時(shí)間分割成足夠小，那么在每一個(gè)時(shí)間段內(nèi)，光伏板傾角i固定，而不同時(shí)段之間的傾角不同，在固定傾角輻照度的基礎(chǔ)上由lu＝l0-(180/π)(v0/r)(t/3600)sin(jd)；du＝d0-(180/π)(v0/r)(t/3600)cos(jd)對地外太陽輻照度進(jìn)行修正，其中，lu為實(shí)時(shí)緯度,du為實(shí)時(shí)經(jīng)度,jd為船舶航向角，即船舶軸線和正南向的夾角；r為地球的平均半徑，取值為6371.39km；v0為船速，l0、d0分別為t0時(shí)刻的緯度和經(jīng)度。

所述的將船舶綜合運(yùn)動與僅進(jìn)行平移運(yùn)動的功率做差，得到船舶在綜合運(yùn)動下的波動功率是在船舶綜合運(yùn)動和僅平移運(yùn)動兩種情況來計(jì)算光伏板傾斜表面上的輻照度hz＝ht+hs+hf，其中總輻照度hz包括直接光照ht、漫反射hs和反射光照輻照度hf三部分,，據(jù)計(jì)算出來的輻照度分別得到綜合運(yùn)動下船舶上pv板的輸出功率和僅平移運(yùn)動時(shí)的輸出功率，這兩個(gè)功率之差即為船舶綜合下pv板瞬時(shí)波動功率差值曲線。

所述的采用虛擬慣量吸收第一部分的波動功率是船舶綜合運(yùn)動下的pv板瞬時(shí)波動功率差值曲線圖的兩條分隔線所包圍的部分，剩余部分為第二部分；所述的設(shè)定虛擬慣量，可以通過分析與計(jì)算得到虛擬同步發(fā)電機(jī)中虛擬轉(zhuǎn)子吸收的波動功率占總波動功率的百分比。

所述的電機(jī)中虛擬轉(zhuǎn)子吸收的波動功率為60％—70％。

所述的得到一種改進(jìn)之后的變下垂系數(shù)工頻控制器是通過電池組系統(tǒng)的soc作為輸入?yún)?shù)，將soc劃分成n個(gè)區(qū)間，通過soc的值判斷目前系統(tǒng)所在的工作狀態(tài)和區(qū)間，其中每個(gè)區(qū)間的soc對應(yīng)的下垂系數(shù)計(jì)算函數(shù)k不同，此k值作為此運(yùn)行工況下的下垂系數(shù)，然后調(diào)整功頻控制器的下垂系數(shù)進(jìn)而得到的；所述的調(diào)整逆變器的有功出力是采用得到的動態(tài)調(diào)整功頻控制器的下垂系數(shù)k1，間接調(diào)整逆變器的有功出力，從而對電池組的充放電控制進(jìn)行修正；所述的控制電池組的充放電深度是當(dāng)電池組即將過充或過放時(shí)，在對應(yīng)的soc區(qū)間中調(diào)整電池組的充放電優(yōu)先級和出力，從而控制電池組的充放電深度。

所述的工況判斷由電網(wǎng)額定頻率與當(dāng)前電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行頻率的差值δf確定，δf＞0為放電工況，δf＜0為充電工況。

船舶上一般用儲能來平抑波動，導(dǎo)致了儲能的頻繁使用，進(jìn)而儲能壽命降低，增加了經(jīng)濟(jì)成本。為了在低成本的情況下平抑由于船舶搖擺引起的光伏波動功率，本發(fā)明提出在船舶系統(tǒng)的逆變器側(cè)采用虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略，虛擬同步發(fā)電機(jī)在外特性上等效為同步發(fā)電機(jī)，具有慣性的效果，通過其虛擬同步發(fā)電機(jī)中的虛擬慣量部分，吸收和釋放暫態(tài)能量去平抑光伏發(fā)電出力中高頻分量或船搖擺造成的功率波動的絕大部分；然后通過電池組與虛擬同步電動機(jī)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，讓電池組吸收剩余的波動。船舶中混合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

一種針對太陽能船舶的光伏波動功率低成本抑制方法，包括以下步驟：

1.根據(jù)實(shí)際航線，通過歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)出不同時(shí)段不同航段下海況、海上風(fēng)速、波高、對應(yīng)風(fēng)級等對船舶橫搖產(chǎn)生主要影響參數(shù)的范圍，并采用超拉丁立方體抽樣生成多場景；

2.根據(jù)航行船舶的型號來獲得船舶的具體參數(shù)，如水線面系數(shù)、排水體積、型寬、型深等；

3.船舶在航行中，會出現(xiàn)橫蕩、縱蕩、沉浮、橫搖、縱搖、偏航6自由度的運(yùn)動，橫搖是船舶運(yùn)動的6個(gè)自由度中對船體影響最大的自由度。對長峰波隨機(jī)海浪進(jìn)行分析，并通過海況、船舶參數(shù)和浪向?qū)Σ▋A角進(jìn)行修正，得到船舶橫搖角的波動情況。

4.在固定傾角輻照度計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行參數(shù)修正，從而確定船舶在航行中任意時(shí)刻的光伏pv板處的地外輻照度；

5.考慮船舶綜合運(yùn)動和僅進(jìn)行平移運(yùn)動兩種情況來計(jì)算光伏板傾斜表面上的輻照度；

6.根據(jù)計(jì)算出來的輻照度分別得到步驟5兩種運(yùn)動情況下的pv板的輸出功率。將船舶綜合運(yùn)動與僅進(jìn)行平移運(yùn)動的功率做差，得到船舶在綜合運(yùn)動下的波動功率。虛擬同步發(fā)電機(jī)中的虛擬慣量在這里用來吸收大部分光伏波動功率，其余的較大波動功率由電池組來承擔(dān)；

7.將電池組與虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。通過修正原始的虛擬同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)功率，將影響電池組壽命的幾個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)加入到虛擬同步發(fā)電機(jī)的整體控制策略中，從而使整個(gè)運(yùn)行過程都能夠保證在不損害電池組的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)。

本發(fā)明的有益效果在于：

船舶搖擺會造成船舶光伏出力呈明顯的周期性波動功率，這種功率波動的周期和幅值都在一定的范圍變化(隨周邊海況和船舶運(yùn)行情況的不同而不同)。本發(fā)明提出的船舶光伏系統(tǒng)中采用虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略，引入了虛擬慣量。通過虛擬同步發(fā)電機(jī)中的虛擬慣量吸收和釋放暫態(tài)能量，來平抑光伏發(fā)電出力中高頻分量或船舶搖擺造成的功率波動的絕大部分；光伏其余低頻功率波動及船舶搖擺造成的功率波動剩余一小部分波動功率，則由電池組來吸收剩余的波動。這樣不僅可以避免電池組的經(jīng)常性使用，減少儲能裝置的體積和充放電次數(shù)，還能節(jié)省寶貴的船舶空間，大大降低了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)成本。不僅如此，新能源發(fā)電設(shè)備還可以如同步發(fā)電機(jī)一樣接入船舶電網(wǎng)，借鑒同步發(fā)電機(jī)的供電系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)技術(shù)，可以使新能源更好的融入船舶電站，并進(jìn)行更好的管理和控制。

附圖說明

圖1為船舶中混合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖2為發(fā)明內(nèi)容技術(shù)流程圖；

圖3為在船舶綜合運(yùn)動下的pv板瞬時(shí)波動功率差值曲線。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一步說明。

本發(fā)明針對綜合運(yùn)動下的新能源船舶的功率波動的低成本抑制，包括發(fā)電設(shè)備(光伏板，柴油發(fā)電機(jī))、負(fù)荷以、儲能設(shè)備及虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略，考慮到船舶位置的運(yùn)動和船體搖擺運(yùn)動，地理經(jīng)緯度、天氣狀況、時(shí)間因素、海洋環(huán)境和船舶自身特點(diǎn)諸多因素，具體包括如下步驟：

步驟1：分段統(tǒng)計(jì)出不同時(shí)段不同航段下海況、海上風(fēng)速、波高、對應(yīng)風(fēng)級等對船舶橫搖產(chǎn)生主要影響參數(shù)的范圍，生成多場景，即船舶綜合運(yùn)動下(移動和搖擺)和船舶僅平移運(yùn)動兩種場景；并統(tǒng)計(jì)出某型號船舶的相關(guān)參數(shù)。

步驟2：通過對長峰波隨機(jī)海浪的分析以及通過海況、浪向?qū)Σ▋A角進(jìn)行修正，求得船舶橫搖運(yùn)動的橫搖角度。

步驟3:確定船舶在航行中任意時(shí)刻的pv板處的地外輻照度e，如式e＝encosi所示。將時(shí)間分割成足夠小，那么在每一個(gè)時(shí)間段內(nèi)，光伏板傾角i固定，而不同時(shí)段之間的傾角不同，在固定傾角輻照度的基礎(chǔ)上依據(jù)式lu＝l0-(180/π)(v0/r)(t/3600)sin(jd)，du＝d0-(180/π)(v0/r)(t/3600)cos(jd)對地外太陽輻照度進(jìn)行修正，首先對太陽赤緯角ec、光伏板所在緯度du、光伏板傾斜角b、太陽時(shí)角ω和光伏板方位角進(jìn)行修正，其中，lu為實(shí)時(shí)緯度,du為實(shí)時(shí)經(jīng)度，公式中jd為船舶航向，即船舶軸線和正南向的夾角；r為地球的平均半徑，取值為6371.39km；v0為船速，l0、d0為t0時(shí)刻的緯度和經(jīng)度；

步驟4:在船舶綜合運(yùn)動和僅平移運(yùn)動兩種情況來計(jì)算光伏板傾斜表面上的輻照度，其中，總輻照度hz包括直接光照ht、漫反射hs(來自水蒸汽、云層和他空氣微塵的漫反射)和反射光照輻照度hf(來自地面及海平面的反射)三部分，即：hz＝ht+hs+hf。

步驟5:根據(jù)計(jì)算出來的輻照度分別得到綜合運(yùn)動下船舶上pv板的輸出功率和僅平移運(yùn)動時(shí)的輸出功率，這兩個(gè)功率之差即為船舶綜合下pv板瞬時(shí)波動功率差值曲線，如圖3所示。

步驟6:采用兩條分隔線將圖3中波動功率分為兩部分，第一部分為分隔線所包圍部分，第二部分為剩余部分。其中，采用虛擬慣量吸收第一部分的波動功率，第二部分的波動功率則用電池組來吸收。

步驟7:通過虛擬慣量的設(shè)定，可以通過分析與計(jì)算得到虛擬同步發(fā)電機(jī)中虛擬轉(zhuǎn)子吸收的波動功率占總波動功率的百分比，建議吸收波動功率為60％—70％。

步驟8:電池組系統(tǒng)的soc作為輸入?yún)?shù)，可以將soc劃分成n個(gè)區(qū)間，通過soc的值判斷目前系統(tǒng)所在的工作狀態(tài)和區(qū)間(例如劃分出五個(gè)soc區(qū)間0到a，a到b，b到1，其中0<a<b<1，并分別確定每個(gè)區(qū)間充電和放電工況下的下垂系數(shù)計(jì)算函數(shù)。工況判斷可以由電網(wǎng)額定頻率與當(dāng)前電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行頻率的差值δf確定，δf＞0為放電工況，δf＜0為充電工況)。其中每段soc對應(yīng)的下垂系數(shù)計(jì)算函數(shù)k不同。此k值作為此運(yùn)行工況下的下垂系數(shù)，然后調(diào)整功頻控制器的下垂系數(shù)進(jìn)而得到一種改進(jìn)之后的變下垂系數(shù)工頻控制器。

步驟9:采用步驟8得到的動態(tài)調(diào)整功頻控制器的下垂系數(shù)k1，可以間接調(diào)整逆變器的有功出力，從而對電池組的充放電控制進(jìn)行修正。

步驟10:當(dāng)電池組即將過充或過放時(shí)，在對應(yīng)的soc區(qū)間中調(diào)整電池組的充放電優(yōu)先級和出力，控制電池組的充放電深度。