一种耦合甲醇机组特性自适应闭环下垂控制的船舶甲醇混合动力系统及其能量管理优化方法与流程

本发明涉及船舶直流组网混合动力电力推进系统，特别涉及一种耦合甲醇机组特性自适应闭环下垂控制的船舶甲醇混合动力系统及其能量管理优化方法。

背景技术：

1、甲醇燃料凭借低硫、低颗粒物排放、燃料供应链自主可控等显著优势，已成为船舶绿色动力领域的主流技术路线之一。与此同时，直流组网混合动力系统因具备多能源灵活接入、电网动态调节能力强、能效水平高等特点，已成为船舶电力推进系统的重要发展方向，而能量管理控制策略是决定直流组网混合动力系统运行稳定性与经济性的核心。

2、当前，船舶直流组网混合动力系统多以柴油发电机组搭配动力电池为核心拓扑，普遍采用固定参数下垂控制实现多电源间的功率分配：通过预设固定的下垂系数、空载基准电压与功率限值，依靠下垂曲线的分段平移完成不同运行模式下的负载转移，并结合固定的电池荷电状态（soc）充放电阈值、机组启停阈值实现全系统能量调度。然而，上述基于柴油机组运行特性设计的能量管理方案，直接应用于甲醇发电机组时存在严重的适配性缺陷，无法满足甲醇动力船舶的安全稳定运行需求。

3、由于甲醇发动机自身存在两项固有技术短板：其一，甲醇汽化潜热大、燃烧过程非线性强，低负荷工况下极易发生失火、燃烧不稳现象，高负荷工况下则容易出现爆震、排气温度超标问题，安全稳定的燃烧工况窗口远窄于柴油发动机；其二，甲醇机组调速刚度软，面对船舶推进负载的阶跃扰动时功率响应存在显著滞后，极易造成直流母线电压大幅波动，严重威胁全船电力设备的可靠运行。基于上述技术短板，现有固定参数下垂控制方案应用于甲醇机组时，主要存在以下几方面不足：

4、第一，下垂控制参数静态固化，未与甲醇机组燃烧特性耦合。现有方案的下垂系数、空载基准电压、机组功率上限均为预设定值，无法跟随甲醇机组实时缸温、缸壁振动频率等燃烧特征参数动态调整，既不能在低负荷工况主动抬升机组负载以规避失火风险，也不能在高负荷工况主动限制机组输出以抑制爆震，无法将甲醇机组持续约束在安全经济的负荷区间内。

5、第二，缺少瞬态负载前馈补偿机制，动态抗扰能力不足。面对船舶加速、减速带来的阶跃负载扰动，现有方案仅依靠动力电池被动吸收母线电压波动，未针对甲醇机组调速滞后的特性设置前置补偿通道，负载突变时母线电压跌落或冲高幅度大，电网电能质量差，严重时甚至触发机组欠频、过压保护动作，造成船舶动力中断。

6、第三，模式切换采用开环分步平移下垂曲线，易引发功率振荡。现有方案通过固定步长分步移动下垂曲线实现负载转移，切换过程无实时闭环反馈校正，负载转移精度差，易产生功率冲击与振荡，进一步加剧甲醇机组的燃烧波动，恶化机组运行稳定性。

7、第四，能量管理目标单一，未实现多维度协同优化。现有策略仅以直流母线功率平衡为核心控制目标，未将甲醇机组燃烧安全性、运行经济性与电网稳定性进行协同考量，难以在保障供电质量的同时，实现甲醇机组全工况下的安全高效运行。

8、综上所述，目前尚未有能够深度耦合甲醇机组燃烧特性的自适应闭环下垂能量管理方案，无法同时解决甲醇机组燃烧非线性、调速响应滞后、负载扰动下母线失稳三大核心痛点，制约了甲醇燃料在船舶直流组网电力推进系统中的规模化应用。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有技术中的不足之处，在于提供一种耦合甲醇机组特性自适应闭环下垂控制的船舶甲醇混合动力系统及其能量管理优化方法。

2、本发明的目的是通过如下技术方案实现的：一种耦合甲醇机组特性自适应闭环下垂控制的船舶甲醇混合动力系统，包括直流组网混合动力拓扑系统和能量管理系统；所述直流组网混合动力拓扑系统包括甲醇机组、动力电池组、直流配电板；甲醇机组配置有燃烧监控单元；

3、直流配电板包含整流器、斩波器、推进逆变器、双向日用逆变器、第一母排和第二母排，所述甲醇机组经滤波器、整流器接入第一母排；动力电池组经直流电抗器、斩波器接入第二母线；推进逆变器与双向日用逆变器并联接入两个母排之间；

4、所述燃烧监控单元用于实时采集甲醇机组的运行特征参数，并将其传输至能量管理系统；运行特征参数包括缸温、缸壁振动频率，

5、能量管理系统包括瞬态负载前馈补偿单元和甲醇特性耦合自适应闭环下垂整定单元；所述瞬态负载前馈补偿单元用于实时采集推进逆变器的输出功率并计算功率变化率，以功率变化率作为前馈扰动判定依据，在负载发生阶跃变化时提前预校正整流器与斩波器对应的下垂曲线基准参数，提前控制动力电池组执行充放电动作以补偿甲醇机组调速响应滞后；

6、所述甲醇特性耦合自适应闭环下垂整定单元以甲醇机组的缸温、缸壁振动频率以及实时输出功率为闭环反馈量，实时动态更新整流器电压下垂曲线的参数、斩波器纯电下垂曲线的参数与斩波器混动下垂曲线的参数、整流器输出功率上限、动力电池组自适应充放电阈值；通过自适应闭环下垂控制与瞬态负载前馈补偿的协同作用，使甲醇机组的输出功率稳定在预设安全功率区间内。

7、作为优选，所述第一母排与第二母排之间通过带熔断器的母联直流断路器互连；所述整流器为afe整流器，所述能量管理系统通过profinet以太网与整流器、斩波器、推进逆变器、日用逆变器及远程io模块实现高速通讯连接，能量管理系统通过rs485总线分别与动力电池组的bms电池管理系统、甲醇机组的燃烧监控单元通讯连接；日用逆变器的交流侧连接交流配电板，所述交流配电板配置交流岸电接口。

8、作为优选，所述甲醇特性耦合自适应闭环下垂整定单元配置整流器电压下垂曲线模型、斩波器纯电下垂曲线模型以及斩波器混动下垂曲线模型，

9、整流器电压下垂曲线模型为：

10、ug=uref(t)-kg(t)×pg；

11、斩波器纯电下垂曲线模型为：

12、ubp=uref(t)-kb(t)×pb；

13、斩波器混动下垂曲线模型为：

14、ubh=uh(t)-kb(t)×pb；

15、其中，uref(t)为整流器电压下垂曲线的空载基准电压或斩波器纯电下垂曲线的空载基准电压；

16、uh(t)为斩波器混动下垂曲线的空载基准电压；

17、kg(t)为整流器实时下垂系数，kb(t)为斩波器实时下垂系数。

18、作为优选，所述瞬态负载前馈补偿单元被配置为执行以下前馈补偿：

19、实时采集各推进逆变器的输出功率，通过微分运算得到推进负载功率变化率；当推进负载功率变化率达到或超过突加负载变化阈值时，判定为突加大负载工况，同步下发两路校正指令：第一路校正指令用于抬高斩波器混动下垂曲线的空载基准电压uh(t)，以预提升动力电池组的放电输出功率；第二路校正指令用于下调整流器电压下垂曲线的空载基准电压uref(t)，以预留甲醇机组的功率上升区间；

20、当推进负载功率变化率达到或低于突减负载变化阈值时，判定为突减大负载工况，同步下发两路校正指令：第一路校正指令用于降低斩波器混动下垂曲线的空载基准电压uh(t)和斩波器纯电下垂曲线的空载基准电压uref(t)，提前增大动力电池组的充电功率以吸收富余能量；第二路校正指令用于下移整流器下垂曲线，以降低甲醇机组的瞬时输出功率；

21、前馈补偿的持续时长匹配甲醇机组转速调节的响应时间，待甲醇机组燃烧工况稳定后撤销前馈补偿。

22、作为优选，所述甲醇特性耦合自适应闭环下垂整定单元执行以下控制逻辑：

23、当甲醇机组实时输出功率低于安全功率区间的下限，且燃烧监控单元反馈缸温低于预设缸温阈值时，增大流器电压下垂曲线的空载基准电压uref(t)，同步下调斩波器混动下垂曲线的空载基准电压uh(t)，抬高动力电池组的充电功率，以使甲醇机组输出功率抬升至安全功率区间；

24、当甲醇机组的输出功率超过安全功率区间的上限，且缸壁振动频率超过预设振动阈值时，下调流器电压下垂曲线的空载基准电压uref(t)以及整流器输出功率上限，并增大整流器实时下垂系数kg(t)，以强制减小甲醇机组的输出功率与负载分担比例，同步抬高斩波器混动下垂曲线的空载基准电压uh(t)以提升动力电池组的放电权重，由动力电池组承担超额功率部分。

25、作为优选，能量管理系统基于全船总负载、动力电池组soc和甲醇机组运行特征参数自动切换运行模式，采用闭环反馈下垂平移方法进行模式切换以实现恒压负载转移；所述运行模式包括纯电池航行模式、混合动力填谷模式、混合动力削峰模式。

26、作为优选，当全船总负载功率小于或等于动力电池组预设输出功率且动力电池组soc大于或等于其自适应放电下限时，甲醇机组停机，船舶进入纯电池航行模式，基于斩波器纯电下垂曲线独立供电；

27、全船总负载功率小于或等于整流器输出功率上限、甲醇机组持续运行在预设安全功率区间内时，船舶进入混合动力填谷模式，在该模式下，基于斩波器混动下垂曲线和整流器电压下垂曲线进行供电；当动力电池组soc小于其自适应充电上限时，利用甲醇机组富余功率为电力电池组充电；由瞬态负载前馈补偿单元基于瞬态负载波动提前校正斩波器混动下垂曲线以稳定母线电压；

28、当全船总负载功率大于整流器输出功率上限、整流器恒功率输出不超过预设安全功率区间上限时，船舶进入混合动力削峰模式；在该模式下，基于斩波器混动下垂曲线和整流器电压下垂曲线进行供电；当动力电池组soc高于其自适应放电下限时，动力电池组放电以补足全船总负载缺口；当电池动力组soc小于其自适应放电下限时，对推进负载进行分级功率限制以使全船总负载功率不超过整流器输出功率上限，所述全船总负载指推进负载和日用负载；

29、所述全船总负载功率为推进负载功率与日用负载功率的总和。

30、作为优选，所述闭环反馈下垂平移方法的具体方法如下：

31、n1：模式切换启动瞬间，能量管理系统实时采集当前母线实际电压ubus，将待平移的下垂曲线的空载基准电压临时赋值为ubus；

32、n2：设定单次下垂曲线的平移步长δu,平移步长为待平移的下垂曲线对应下垂系数与待转移功率的乘积；每完成一次下垂曲线的平移后，闭环采集母线电压、甲醇机组输出功率和动力电池组输出功率；

33、n3：若母线电压偏离其额定电压区间，则修正平移步长δu以动态调整待整流器或斩波器对应的下垂曲线的移动幅度，使动力电池组的功率减少量与甲醇机组功率增加量实时相等；

34、n4：全部目标负载转移完成后，完成下垂曲线的平移，将平移完成的下垂曲线的空载基准电压恢复至初始设定值。

35、作为优选，当燃烧监控单元检测到甲醇机组失火、爆震故障时，瞬态负载前馈补偿单元输出大功率放电前馈指令以提升动力电池输出功率，同时甲醇特性耦合自适应闭环下垂整定单元下调整流器输出功率上限、降低整流器的空载基准电压或斩波器纯电航行状态下的空载基准电压uref(t)、增大整流器实时下垂系数kg(t)，以平缓降低甲醇机组输出功率；待甲醇机组燃烧工况恢复正常后逐步降低动力电池组的输出功率。

36、一种耦合甲醇机组特性自适应闭环下垂控制的船舶甲醇混合动力系统的能量管理优化方法，具体方法如下：

37、s1：能量管理系统采集甲醇机组运行特征参数、动力电池组soc、母线电压、推进负载功率与日用负载功率，并初始化整流器电压下垂曲线、斩波器纯电下垂曲线与斩波器混动下垂曲线的参数、动力电池组自适应充放电阈值、突加负载变化阈值、突减负载变化阈值；

38、s2：动力电池组对应的斩波器投入运行以建立直流母线电压，完成甲醇机组与动力电池组的直流并机；

39、s3、能量管理系统实时并行运行瞬态负载前馈补偿单元和甲醇特性自适应闭环下垂整定单元；

40、s4、基于全船总负载、动力电池组soc和甲醇机组运行特征参数自动切换运行模式，采用闭环反馈下垂平移方法进行模式切换以实现恒压负载转移；所述运行模式包括纯电池航行模式、混合动力填谷模式、混合动力削峰模式；

41、s5、瞬态负载前馈补偿单元实时采集推进逆变器的输出功率并计算功率变化率，以功率变化率作为前馈扰动判定依据，在负载发生阶跃变化时提前预校正整流器与斩波器的下垂曲线基准参数，提前控制动力电池组执行充放电动作以补偿甲醇机组调速响应滞后；甲醇特性耦合自适应闭环下垂整定单元以甲醇机组的缸温、缸壁振动频率以及实时输出功率为闭环反馈量，实时动态更新整流器电压下垂曲线参数、斩波器纯电下垂曲线参数与斩波器混动下垂曲线参数、整流器自适应功率上限、动力电池组自适应充放电阈值。

42、本发明的有益效果是：

43、1、本发明针对甲醇机组调速刚度软、功率响应滞后，以及现有方案被动稳压抗扰能力不足的问题，本发明增设瞬态负载前馈补偿单元，通过实时采集推进负载功率变化率预判扰动趋势，在负载阶跃变化的瞬间提前校正整流器与斩波器的下垂曲线基准参数，主动触发动力电池提前充放电，在母线电压出现明显偏移前完成功率补偿。该效果将被动式电压修正升级为主动式前馈预判，有效抵消了甲醇机组调速滞后带来的功率响应缺口，大幅降低负载突加、突减工况下的直流母线电压跌落或冲高幅度，避免因电压波动触发机组欠频、过压保护动作，显著提升直流电网的动态电能质量与运行可靠性。

44、2、针对现有方案下垂参数静态固化、未耦合甲醇燃烧特性的不足，本发明构建耦合甲醇燃烧参数的自适应闭环下垂整定逻辑，以缸温、缸壁振动频率、实时输出功率为闭环反馈量，动态更新整流器与斩波器的全部下垂参数、整流器功率上限以及动力电池充放电阈值；通过低负荷主动抬升机组负载、高负荷主动限制机组输出的闭环调节，可将甲醇机组输出功率持续稳定在预设的安全经济功率区间内，有效规避低负荷失火、高负荷爆震的燃烧故障，大幅缩窄机组偏离最优工况的运行时长，在提升机组运行安全性的同时，优化全工况燃料经济性，延长机组使用寿命。

45、3、针对现有方案开环分步平移下垂曲线易引发功率振荡的问题，本发明采用闭环反馈式下垂曲线平移方法，以实时采集的母线电压、机组输出功率、电池功率作为反馈校正依据，动态调整下垂曲线平移步长，确保负载转移过程中功率增减精准匹配。该方式替代了传统固定步长的开环切换，可将模式切换全程的母线电压波动控制在极小范围内，彻底消除负载转移过程中的功率冲击与振荡现象，避免工况切换进一步加剧甲醇机组的燃烧波动，保障全船电力负载的连续、稳定供电。

46、4、针对现有方案能量管理目标单一、无法多维度协同的缺陷，本发明构建“瞬态负载前馈补偿+自适应闭环下垂整定”并行双控制通道架构：瞬态通道负责快速响应负载扰动，保障电网瞬时供电稳定性；自适应通道负责长期优化机组运行工况，提升燃烧安全性与运行经济性。二者深度耦合、协同作用，同时解决了甲醇机组燃烧非线性、调速响应滞后、负载扰动下母线失稳的问题，实现了电网稳定性、机组安全性、系统经济性的多目标协同最优，达成了单一控制手段无法实现的叠加优化效果。

47、5、本发明在运行时，当燃烧监控单元检测到失火、爆震等异常工况时，瞬态前馈补偿单元与自适应下垂整定单元联动响应：瞬时提升动力电池放电功率补足功率缺口，同步平缓降低甲醇机组输出负载；故障过渡全程无需分级卸载推进与日用负载，可实现燃烧故障下的平滑降载过渡，避免船舶动力中断，显著提升系统运行安全性与容错能力。