一种寒地混合动力船舶能量管理方法及系统与流程

本发明涉及船舶能源管理，具体为一种寒地混合动力船舶能量管理方法及系统。

背景技术：

1、内河航运作为综合交通运输体系的重要组成部分，在“双碳”目标推进下正加速向绿色低碳转型，甲醇电混动动力船舶因清洁、高效、燃料易获取的特性，成为内河航运能源升级的重要选择。我国北方高寒地区如黑龙江流域，是中俄边境航运的核心区域，但其特殊的气候和地理条件给船舶能源管理带来诸多难题：该区域存在长达半年的冰冻停航期，船舶动力电池作为核心资产长期闲置，资产利用率不足50%，大幅拉高了船舶整体运营成本；寒区低温环境会显著降低动力电池的充放电效率和循环寿命，传统船舶能量管理方法未针对低温环境设计电池保护和优化策略；寒地港口生产能耗以化石能源为主，船舶燃油消耗占港口总碳排放超60%，港口电网用电存在明显峰谷价差，传统港口用电模式未利用储能设备进行峰谷套利，用电成本居高不下；现有混合动力船舶能量管理方法仅聚焦航运期的船舶动力供给，未构建船港协同的能源利用体系，船舶与港口的能源资源相互脱节，无法实现整体能源效率的最大化。

2、目前，现有技术中针对内河船舶的能量管理方法多适用于温带地区，未考虑寒地冰冻停航期的电池闲置问题，也未结合寒地港口的运营工况进行船港能源协同调度。尤其需要指出的是：现有技术中既无“将同一套船舶动力电池在航运期作为船舶动力源、在停航期拆卸并接入港口平台作为固定储能单元”的船港资产复用模式，也无针对寒区长达半年冰冻期设计的“低温预热+峰谷套利+需量管理”一体化能量管理方法。

3、综上所述的问题，为此，我们提出一种寒地混合动力船舶能量管理方法及系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种寒地混合动力船舶能量管理方法及系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一方面本发明提供一种寒地混合动力船舶能量管理方法，应用于甲醇电混动货运船舶与寒地港口协同的能量管理系统，该能量管理系统包括船舶端的甲醇发电机组、动力电池集装箱、推进电机、船用配电板、智能控制与能管系统，以及港口端的双向充电桩、港口智能能源管理系统、配电设施，所述动力电池集装箱在航运期作为船舶动力源，在停航期拆卸后作为港口固定储能单元；

4、所述动力电池集装箱为2路500kwh独立供电组成的1000kwh储能单元；船舶总负载需求为500kw时启动双推进电机协同工作，单台推进电机输出220kw功率，日用负载60kw由动力电池集装箱直接供电。

5、优选地，包括航运期船舶动力能量管理和停航期动力电池岸基储能能量管理：

6、所述停航期动力电池岸基储能能量管理包括以下步骤：

7、a)将所述动力电池集装箱从船舶上拆卸，并接入港口岸基充储放一体化平台，通过预热模块将电池温度调节至预设工作温度区间5-25℃；所述预热模块的预热能源由港口谷电时段电力或光伏电力供给；

8、b)采集港口负载数据、公共电网分时电价信号及动力电池状态信息，所述动力电池状态信息包括soc、soh及温度；

9、c)基于分时电价信号，采用“峰谷套利+需量管理”模式进行充放电调度：在谷电时段为动力电池充电，在峰电时段将动力电池的电能放电供给港口负载，并控制放电功率以平滑港口用电曲线，降低港口最大需量电费；

10、d)结合电池健康管理数据优化充放电策略，避免寒区低温环境下电池过充、过放，延长电池使用寿命；

11、所述航运期船舶动力能量管理包括以下步骤：

12、a)采集船舶实时运行工况，包括船舶负载需求、推进电机运行功率、动力电池soc、soh及温度参数、甲醇发电机组运行状态；

13、b)根据动力电池soc值进行能量源切换调控：当soc≥设定阈值时，采用纯电模式由动力电池为船舶供能；当soc＜设定阈值时，启动甲醇发电机组通过直流母线为动力电池充电并为船舶动力负载供电；

14、船舶停靠港口时，通过港口双向充电桩为动力电池充电；在电网高峰时段且接到电网调度指令时，将动力电池部分电能反馈至公共电网。

15、优选地，航运期所述soc设定阈值为30%；当soc≥30%时采用纯电模式，当soc＜30%时启动1-2台280kw甲醇发电机组，通过750v直流母线为动力电池充电并为船舶动力负载供电；同时船舶光伏组件为日用负载补充供电；

16、所述船舶光伏组件功率为3-5kw，优先为船舶ac400v日用负载供电，剩余电能通过直流网dc/dc变换接入750v直流母线为动力电池补电。

17、优选地，停航期所述谷电时段为23:30-5:30，峰电时段为9:00-11:30、15:30-20:00，动力电池充放电效率控制为87.5%，每日完成1次充放电循环。

18、优选地，所述能量管理系统还接入港口分布式光伏发电系统，所述光伏发电系统为500kwp分布式光伏电站，结合光伏电力进行能量调度，具体包括：

19、a)航运期：光伏电力优先供给港口负载，剩余电力通过双向充电桩为停靠船舶的动力电池充电，光伏电力不足时结合谷电补充；

20、停航期：光伏电力白天优先覆盖港口部分负载，剩余电力为动力电池补电，阴雨天及夜间执行“谷充峰放”基础模式。

21、优选地，航运期船舶采用“纯电2小时+甲醇2小时”的日运营供能模式，智能控制与能管系统根据船舶日运营4小时的工况，提前规划甲醇发电机组启停时间和动力电池充放电时序。

22、优选地，所述港口智能能源管理系统设置电力市场通信接口，实时获取分时电价、电网需求侧响应及辅助服务市场信号；停航期根据获取的信号动态调整动力电池充放电策略，将光伏电站、动力电池储能、双向充电桩打包为虚拟电厂资源单元，参与电网的电能量交易、调频或需求侧响应，获取辅助服务收益。

23、优选地，所述船舶为600hp甲醇电混动货运船舶，所述港口为寒地内河港口，冰冻停航期船舶动力电池集装箱拆卸后作为港口固定储能单元运行。

24、优选地，所述动力电池集装箱在航运期和停航期之间通过标准化接口快速拆卸和接入，无需更换电池组；所述港口岸基充储放一体化平台与船舶端的智能控制与能管系统共享电池状态数据，实现船港电池资产的全生命周期统一管理；

25、所述停航期的动力电池岸基储能能量管理替代了港口独立建设专用储能电站，利用船舶既有电池资产降低港口储能投资成本，同时避免船舶电池在冰冻期闲置衰减；

26、所述航运期和停航期通过同一套港口双向充电桩和港口智能能源管理系统实现能量交互，所述港口智能能源管理系统在航运期为船舶提供岸基充电服务，在停航期调度同一电池为港口提供峰谷套利服务。

27、另一方面本发明提供一种寒地混合动力船舶能量管理系统，用于执行上述所述的一种寒地混合动力船舶能量管理方法，包括船舶端子系统与港口端子系统；

28、所述船舶端子系统包括甲醇发电机组、动力电池集装箱、推进电机、船用配电板、智能控制与能管系统；

29、所述港口端子系统包括双向充电桩、港口智能能源管理系统、配电设施、岸基充储放一体化平台以及预热模块；

30、所述动力电池集装箱配置标准化快速拆装接口，可在船舶端与岸基充储放一体化平台之间拆装切换；

31、所述智能控制与能管系统与港口智能能源管理系统通信连接，交互动力电池soc、soh、温度、船舶工况、港口负载、分时电价数据；

32、所述预热模块设置于岸基充储放一体化平台，用于将接入的动力电池集装箱调控至5-25℃工作温度区间；

33、所述港口智能能源管理系统具备峰谷套利、需量管理调度逻辑，还配置电力市场通信接口，可接入港口分布式光伏，支持虚拟电厂资源聚合与电网交互。

34、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

35、本发明针对寒地内河航运冰冻期长、动力电池闲置、低温影响电池性能、船港能源利用脱节等核心问题，结合甲醇电混动船舶动力系统特性和寒区港口运营工况，构建航运期船舶动力智能调控、停航期电池岸基储能再利用的船港协同能量管理体系，同时融入峰谷电价调度、可再生能源接入和虚拟电厂运营，实现寒地混合动力船舶全生命周期能量优化利用，降低船舶和港口的运营成本，提升电池资产利用率，减少碳排放，为北方高寒地区内河航运的绿色转型提供技术支撑。

36、本发明首次针对寒地内河航运冰冻停航期的电池闲置问题，构建船港协同的动力电池岸基储能利用模式。相比电池单纯停航放置，本方案将船舶动力电池的资产利用率得到提升。

37、本发明针对寒区低温环境设计了“谷电/光伏预热+平台保温+健康管理”策略，将电池工作温度控制在5-25℃的最佳区间，避免了低温对电池充放电效率和使用寿命的影响。

38、本发明停航期将船舶电池作为港口储能单元进行“峰谷套利+需量管理”，每日峰谷套利收益约270元，每月降低港口最大需量电费约8100元，将港口从能源消费者转变为“产消者”。接入分布式光伏后，光伏电力年利用率达95%，有显著的经济与环境效益。

39、本发明方法相比传统柴油动力船舶，航运期减少碳排放40%以上；结合光伏绿电接入后，船舶与港口全链条可实现零碳化运营，为黑龙江流域等寒地内河的生态环境保护提供有力支撑。

40、本发明构建了寒区港口“甲醇电混船舶+绿色能源+智慧管控+电池综合利用”的创新模式，可直接复制推广至我国北方高寒地区的其他内河港口，推动整个寒地内河航运行业的绿色智能化转型。