本發(fā)明涉及船舶能源管理，更具體地說，本發(fā)明涉及一種基于儲能電池的能源協(xié)同管理系統(tǒng)與方法。

背景技術：

1、在船舶領域，能源管理系統(tǒng)對船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行至關重要。隨著船舶電力需求的增加和新能源技術的引入，如何高效管理能源、避免不必要的能源浪費成為一個關鍵問題。儲能電池系統(tǒng)逐漸成為船舶電力系統(tǒng)的重要組成部分，可以有效減少發(fā)電機的工作負荷、提高船舶應對負荷需求突發(fā)波動和負載沖擊能力、提高系統(tǒng)的整體能源利用效率，為船舶作業(yè)提供穩(wěn)定、安全、可靠的供能保障。然而，現(xiàn)有的能源管理系統(tǒng)在集成儲能電池信息時存在一些不足，難以實現(xiàn)對實際用能需求的準確評估，導致能源浪費和設備潛在的過載風險，嚴重阻礙船舶穩(wěn)定、安全、可靠、可持續(xù)作業(yè)?，F(xiàn)有的船舶能源管理系統(tǒng)主要分為兩類：一類是采用只有數(shù)字量交互指令的系統(tǒng)，另一類是采用數(shù)字量交互指令與模擬量狀態(tài)信息交互相結合的系統(tǒng)。前者僅限于對用能設備的啟動與停機進行控制，而對用能設備的使用功率缺乏有效的限制和優(yōu)化，容易導致發(fā)電機過載或系統(tǒng)宕機。而后者雖然引入了模擬量信息，使得用能設備可以根據(jù)可使用電量進行自我調(diào)節(jié)，但仍未充分考慮儲能電池的可用電能信息，無法實現(xiàn)能源管理的整體優(yōu)化?，F(xiàn)有系統(tǒng)在能源管理上未能充分考慮儲能電池的實時狀態(tài)，導致發(fā)電機在不必要的情況下啟動，從而浪費了能源。由于現(xiàn)有系統(tǒng)無法對用能設備的功率進行精確管理，發(fā)電機在某些情況下會超負荷運轉(zhuǎn)，增加了設備的損壞風險?，F(xiàn)有系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集不夠全面，未能充分利用儲能系統(tǒng)的健康狀態(tài)、充放電狀態(tài)等關鍵信息來做出智能化的管理決策。

技術實現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術的上述缺陷，本發(fā)明提供一種基于儲能電池的能源協(xié)同管理系統(tǒng)與方法，是通過實時調(diào)整儲能電池和發(fā)電機的輸出功率，優(yōu)化能量分配，確保供電穩(wěn)定，減少發(fā)電機過載和能源浪費，特別在復雜航行環(huán)境中，提高船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，延長設備使用壽命，減少船舶整體運營成本。

2、在日常航行中，船舶會遇到多船并行航行的特殊應用場景，尤其是在經(jīng)過繁忙航道或港口時。這種情況下，船舶需要與周圍的其他船舶保持密切的通信和協(xié)調(diào)，以確保航行的安全性和效率。然而，多船并行航行對船舶的能源管理系統(tǒng)提出了特殊的要求，特別是在船舶之間進行頻繁的通信和定位調(diào)整時，如何優(yōu)化能源分配、避免能源浪費，并確保船舶關鍵設備的穩(wěn)定運行，成了一個特殊且具有挑戰(zhàn)性的技術問題。在這種多船并行航行的特殊情形下，船舶的通信系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)、導航系統(tǒng)等高能耗設備需要長時間保持高負荷運轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)與其他船舶的實時信息交換和精準的航向調(diào)整。此外，由于船舶在繁忙航道中需要頻繁調(diào)整航速和航向，船舶的推進系統(tǒng)也需要靈活響應，這進一步增加了能源消耗。在這種場景中，現(xiàn)有的船舶能源管理系統(tǒng)難以準確評估實際的用能需求，特別是在集成儲能電池信息時，容易導致能源分配不合理，從而引發(fā)能源浪費或設備過載的風險。

3、針對以上應用場景，為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：

4、一種基于儲能電池的能源協(xié)同管理系統(tǒng)，包括儲能系統(tǒng)單元、系統(tǒng)監(jiān)測單元、數(shù)據(jù)處理單元和能源管理系統(tǒng)單元，儲能系統(tǒng)單元包括隔離開關、儲能電池和電池管理系統(tǒng)，系統(tǒng)監(jiān)測單元包括電池健康監(jiān)測模塊、供電母排監(jiān)測模塊和系統(tǒng)運行監(jiān)測模塊，數(shù)據(jù)處理單元包含能源協(xié)同管理中央處理模塊，能源管理系統(tǒng)單元包含用能設備管理模塊，能源協(xié)同管理中央處理模塊根據(jù)實時能量需求和發(fā)電能力，動態(tài)調(diào)整儲能電池和發(fā)電機的輸出功率，在低負荷時段對儲能電池進行充電，高負荷時段釋放電能，平衡系統(tǒng)負荷，通過實時監(jiān)測和反饋，自動調(diào)整能量分配策略，結合發(fā)電成本、儲能效率和系統(tǒng)波動，采用多目標優(yōu)化策略，使得系統(tǒng)趨向最優(yōu)運行狀態(tài)，多目標優(yōu)化管理公式為：

5、

6、式中：t為當前時刻，za(t)為當前時刻的系統(tǒng)運行狀態(tài)指標，t為優(yōu)化窗口時長，根據(jù)需求設定，cfd(t)為第t時刻發(fā)電機的運行成本，ccn(t)為第t時刻儲能電池的充放電成本，r(t)為第t時刻能量需求的波動性，α、β、γ分別為發(fā)電成本、儲能成本和能量需求波動性的權重因子，通過權重因子優(yōu)化算法動態(tài)調(diào)整。

7、作為本發(fā)明進一步的方案，儲能系統(tǒng)單元與系統(tǒng)監(jiān)測單元相連，提供電池狀態(tài)信息，系統(tǒng)監(jiān)測單元與數(shù)據(jù)處理單元連接，進行實時數(shù)據(jù)監(jiān)控與傳輸，數(shù)據(jù)處理單元通過能源協(xié)同管理中央處理模塊優(yōu)化能量分配并控制能源管理系統(tǒng)單元中的用能設備管理模塊以實現(xiàn)高效運行。

8、作為本發(fā)明進一步的方案，在能源協(xié)同管理中央處理模塊中，權重因子優(yōu)化算法動態(tài)調(diào)整發(fā)電成本、儲能成本和能量需求波動性權重因子的方式為通過平衡學習率、動量和正則化，逐步優(yōu)化能效函數(shù)，權重因子優(yōu)化算法涉及的權重因子動態(tài)調(diào)整公式為：

9、

10、式中：i為權重因子索引，i＝1時，為發(fā)電成本權重因子α，i＝2時，為儲能成本權重因子β，i＝3時，為能量需求波動性權重因子γ，為權重因子更新值，為當前時刻權重因子，η(t)為自適應學習率，根據(jù)系統(tǒng)的實際運行狀態(tài)動態(tài)調(diào)整，e為系統(tǒng)的能效函數(shù)，為能效函數(shù)關于權重因子的一階偏導數(shù)，μ為動量系數(shù)，等于0.99，為前后兩個時刻的權重因子之差。

11、作為本發(fā)明進一步的方案，在能源協(xié)同管理中央處理模塊中，自適應學習率隨著梯度信息的累積變化而自動調(diào)整，自適應學習率的公式為：

12、

13、式中：k為時間步的索引，η0為初始學習率，為沒有歷史梯度信息時的基礎步長，為0.001，∈為防止分母為零的常數(shù)。

14、作為本發(fā)明進一步的方案，儲能系統(tǒng)單元根據(jù)當前系統(tǒng)運行狀態(tài)指標和優(yōu)化結果，動態(tài)調(diào)整儲能電池的充放電策略，平衡系統(tǒng)負荷、最小化儲能成本并平滑能量需求波動，儲能電池充放電功率管理公式為：

15、在preq(t)<pfd(t)時，

16、式中：preq(t)為系統(tǒng)在第t時刻的總能量需求，pfd(t)為第t時刻發(fā)電機的輸出功率，pcn(t)為第t時刻儲能電池的充放電功率，pcd,max(t)為第t時刻儲能電池的最大充電功率；

17、在preq(t)>pfd(t)時，

18、式中：pfd,max(t)為第t時刻儲能電池的最大放電功率。

19、作為本發(fā)明進一步的方案，系統(tǒng)監(jiān)測單元中，根據(jù)系統(tǒng)運行狀態(tài)za(t)的反饋，調(diào)整供電母排的監(jiān)控電壓，供電母排的監(jiān)控電壓調(diào)整公式為：

20、

21、式中：vmp(t)為第t時刻供電母排的實際電壓，vbc為供電母排的標稱電壓值。

22、作為本發(fā)明進一步的方案，能源管理系統(tǒng)單元根據(jù)系統(tǒng)運行狀態(tài)指標za(t)的反饋，調(diào)控各個用能設備的能量消耗，用能設備的能量消耗調(diào)整公式為：

23、

24、式中：j為用能設備索引，pdev,j(t)為第t時刻第j個用能設備的能量消耗，pe,j為第j個用能設備的額定功率，n為系統(tǒng)中需要調(diào)整的用能設備的總數(shù)。

25、一種基于儲能電池的能源協(xié)同管理方法，應用上述的一種基于儲能電池的能源協(xié)同管理系統(tǒng)，包括如下步驟：

26、步驟1，系統(tǒng)初始化與數(shù)據(jù)采集：初始化能源協(xié)同管理系統(tǒng)，設置初始參數(shù)，啟動系統(tǒng)監(jiān)測單元，實時采集儲能電池狀態(tài)、供電母排狀態(tài)、系統(tǒng)運行狀態(tài)的相關數(shù)據(jù)，啟動數(shù)據(jù)處理單元，接收并存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)；

27、步驟2，實時能量需求評估與優(yōu)化：在每個時間步t，數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)實時采集的數(shù)據(jù)，計算系統(tǒng)當前的能量需求preq(t)、儲能電池的充放電功率pcn(t)和發(fā)電機輸出功率pfd(t)，能源協(xié)同管理中央處理模塊評估當前系統(tǒng)運行狀態(tài)指標za(t)，結合多目標優(yōu)化管理公式，確定發(fā)電成本、儲能成本、能量需求波動性的權重因子α、β、γ，并優(yōu)化能量分配策略；

28、步驟3，儲能電池的充放電管理：根據(jù)能量需求和發(fā)電機輸出功率，判斷儲能電池的工作模式，在低負荷模式，即preq(t)<pfd(t)時，儲能電池進行充電，充電功率計算公式為在preq(t)>pfd(t)時，儲能電池進行放電，儲能電池的放電功率計算公式為

29、步驟4，供電母排電壓的動態(tài)調(diào)節(jié)：根據(jù)系統(tǒng)運行狀態(tài)指標za(t)和能量需求波動性r(t)，實時調(diào)整供電母排的實際電壓，供電母排監(jiān)測模塊持續(xù)監(jiān)測調(diào)整結果，確保電壓穩(wěn)定在安全范圍內(nèi)；

30、步驟5，用能設備能量消耗的調(diào)控：根據(jù)當前系統(tǒng)運行狀態(tài)計算各個用能設備的能量消耗調(diào)整公式，用能設備管理模塊調(diào)整各個設備的運行參數(shù)，確保總能耗與系統(tǒng)優(yōu)化目標一致；

31、步驟6，系統(tǒng)反饋與自適應調(diào)整：系統(tǒng)監(jiān)測單元實時反饋各模塊的運行狀態(tài)及數(shù)據(jù)至能源協(xié)同管理中央處理模塊，通過自適應學習率調(diào)整公式，動態(tài)調(diào)整權重因子，優(yōu)化能效函數(shù)，根據(jù)優(yōu)化結果調(diào)整后續(xù)時間步的能量分配策略，系統(tǒng)循環(huán)執(zhí)行上述步驟，持續(xù)優(yōu)化能量管理策略，確保系統(tǒng)在不同負荷條件下保持最佳運行狀態(tài)。

32、針對上述的應用場景中，本發(fā)明具有的技術效果：本發(fā)明能夠根據(jù)實時能量需求和發(fā)電能力，動態(tài)調(diào)整儲能電池和發(fā)電機的輸出功率，確保在低負荷時段充分利用多余電力對儲能電池進行充電，而在高負荷時段釋放儲能電力，平衡系統(tǒng)負荷，減少發(fā)電機的過載風險，其次，通過優(yōu)化發(fā)電成本、儲能成本及能量需求波動性的權重因子，系統(tǒng)實現(xiàn)了能量分配的最優(yōu)決策，避免能源浪費，提高整體能源利用效率，此外，系統(tǒng)的自適應調(diào)節(jié)機制和實時反饋功能，確保了供電母排的電壓穩(wěn)定性，并使用能設備的能耗與系統(tǒng)優(yōu)化目標一致，特別是在多船并行航行等高動態(tài)環(huán)境中，能夠顯著提高船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，減少設備損壞風險，延長設備使用壽命，減少船舶整體運營成本。