一种海上混合动力平台能量管理方法及系统

本发明属于海上作业平台能量协调与电力系统综合控制的，尤其涉及一种上混合动力平台能量管理方法及系统。

背景技术：

1、为了积极响应国家号召，推动海洋产业绿色、低碳发展，现代海上作业平台越来越多地采用多源混合动力（如原动机、电池储能、超级电容及可再生能源）作为驱动能源。随着混合动力系统的逐步应用，平台电网的自动化程度不断提高。然而，海上平台动力系统在复杂的工况环境下面临极高的动态负荷冲击（如雷达脉冲、起重设备突加突卸等），不同储能与发电设备的响应时间尺度差异巨大，导致传统的统一控制模式难以实现各微源间的精准协调。

2、在微电网能量管理方面，目前主要采用传统的下垂控制方式来实现功率分配，具有结构简单、无需高带宽通信等优点。但传统下垂控制存在暂态功率分配与稳态功率分配严重耦合的问题，难以充分发挥超级电容高频响应快、电池储能中频响应稳的物理优势。此外，针对由多组电池储能单元（bess）构成的分布式储能系统，传统荷电状态（soc）均衡方法往往通过直接修改下垂系数来实现，这种粗暴的调整极易在极端soc差异下导致系统下垂增益过大或过小，进而引发直流母线电压失稳。同时，控制参数的突变也会破坏系统原有的电气动态过程。因此，为提高混合动力系统运行的可靠性与稳定性，避免soc均衡过程中的母线电压抖振，需要一种能够兼顾多尺度动态响应与多机组状态均衡的系统方法。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的在于提供一种海上混合动力平台能量管理方法及系统。此方法基于统一的一阶下垂频率解耦框架，对中响应层的电池储能系统引入受饱和投影与一阶速率约束的整体增益缩放修正，从而在不破坏底层频率解耦特性的前提下，实现荷电状态的平滑均衡。本发明还通过构建多胞体顶点线性矩阵不等式（lmi）判据，从理论层面保证了该方法在全工况下的渐近稳定性，在复杂海上电力系统能量管理方面具有显著的优势。

2、技术方案：本发明的一种海上混合动力平台能量管理方法，包括如下步骤：

3、步骤1、初始化海上混合动力平台能量管理系统，并进行下垂参数整定，构建防抖振收敛判定机制；

4、步骤2、采集实时信号，并对传统荷电状态soc进行估算，判断系统当前模式；

5、步骤3、计算平均soc与原始均衡因子和原始缩放因子；

6、步骤4、基于多组电池储能单元bess下垂传递函数进行整体增益缩放；

7、步骤5、结合母线节点的kirchhoff电流守恒约束，完成频域分层功率分配，确保高频瞬态功率由超级电容储能单元sc主导，稳态功率分配与各bess实时动态soc成正比；

8、步骤6、控制器按采样周期循环执行步骤1至步骤5，并在周期末计算收敛指示函数；若达到阈值且进入稳态监测状态，则缩放因子自然平滑至1；一旦离差泛函越限，则均衡控制自动重新激活；

9、步骤7、对系统进行状态空间建模并验证系统稳定性。

10、进一步的，步骤1具体包括如下步骤：

11、步骤1.1：设备响应时间分层与截止频率整定，根据设备的物理等效响应时间常数，整定各变换器本地一阶下垂滤波器的截止角频率，确保gen、bess、sc在频域上满足彼此正交分担的分层条件；

12、步骤1.2：一阶下垂传递函数的离散—连续映射，在z域设计一阶下垂滤波器，并采用前向euler离散映射将其反映射至s域，获取可独立整定暂态电流分担比与稳态电流分担比的通用下垂传递函数，采用一阶传递函数作为变换器的等效下垂阻抗算子：

13、

14、其中， 为高频增益参数，控制暂态电流分担比；为极点参数，使得  控制稳态电流分担比；为控制采样周期；s为laplace 变换复频域变量（单位 rad/s）；

15、步骤1.3：soc收敛阈值整定，定义包含收敛阈值与回差带的荷电状态离差泛函，设计防抖振的收敛判定指示函数，用于判断同类型bess间的soc均衡是否完成。

16、进一步的，步骤2具体包括如下步骤：

17、步骤2.1：实时信号采集，在每一控制采样时刻，同步采集各变换器输出电流、公共直流母线电压、负载总电流以及辅助源输入电流；

18、步骤2.2：bess实时soc估算，采用安时积分法实时更新各组bess的荷电状态，并以固定周期进行漂移校准；

19、步骤2.3：运行模式判别，根据负载、机组与辅助源的功率需求计算储能系统净放电电流，进而判别储能系统当前处于放电、充电或零功率穿越模式。

20、进一步的，步骤3具体包括如下步骤：

21、步骤3.1：平均soc与原始均衡因子计算，求取bess群组的算术平均soc，并针对每组bess计算其对应平均值的原始soc均衡因子；

22、步骤3.2：工况相关的原始缩放因子计算，结合储能系统的充/放电模式，对原始soc均衡因子进行方向性调整，根据储能系统净放电电流的方向，计算与运行模式 相关的原始缩放因子：

23、

24、其中， 为第  台 bess 的荷电状态与其群组算术平均值的比值；当储能放电时 ，充电时 ；该方向性运算保证了充放电模式下 soc 均渐近趋近平均值；

25、步骤3.3：饱和投影，引入最近邻饱和投影算子，限制缩放因子在预设的上下界闭区间内，避免极端soc差异导致下垂被过度缩放；对原始缩放因子进行闭区间 上的最近邻饱和投影：

26、

27、步骤3.4：一阶速率限制，在饱和投影之后串接一阶速率限制器，确保实际输出的soc均衡缩放因子的变化远慢于电气下垂动态且快于物理soc演化，在饱和投影后串接时间常数为  的一阶速率限制器，得到最终的实际 soc 均衡缩放因子 ：

28、

29、步骤3.5：gen与sc缩放约定，将gen与sc设备的缩放因子恒定为1，使其不参与bess的荷电状态均衡。

30、进一步的，步骤4具体包括如下步骤：

31、步骤4.1：经速率受限缩放后，将实际缩放因子作用于基础下垂传递函数，生成经soc均衡修正后的有效下垂传递函数；

32、步骤4.2：将实际缩放因子作用于基础下垂传递函数，得到 bess 经 soc 均衡修正后的有效下垂传递函数：

33、

34、为实际 soc 均衡缩放因子。

35、进一步的，步骤5具体包括如下步骤：

36、步骤5.1：利用有效下垂传递函数与本地输出电流，生成各变换器的母线电压参考值；

37、步骤5.2：基于母线节点的kirchhoff电流守恒约束，建立系统的多项式分式形式电流分配公式；

38、步骤5.3：依据频段极限原则校验暂态与稳态电流分担情况，确保高频瞬态功率由sc主导，稳态功率分配与各bess实时动态soc成正比。

39、进一步的，步骤7具体包括如下步骤：

40、步骤7.1：单变换器增广状态空间建模，综合pi控制内/外环、滤波电感以及下垂附加状态，建立包含母线电压公共状态的单台变换器局部状态方程；

41、步骤7.2：将局部状态方程与公共母线电压动态联立，构建涵盖多变换器并联系统的全局增广状态空间模型，获取带有块对角加边结构的系统状态矩阵；

42、步骤7.3：基于该系统矩阵对缩放因子的仿射依赖性，提出基于多胞体顶点的稳定性判据；通过对多胞体顶点参数组合求解线性矩阵不等式lmi，一次性验证并保证全系统在soc均衡过程及各工况点下的渐近稳定性。

43、一种海上混合动力平台能量管理系统，包括公共直流母线；若干台原动机—发电机机组gen、若干组电池储能单元bess以及若干组超级电容储能单元sc，均通过各自的变换器并联接入所述公共直流母线；负载系统，连接至所述公共直流母线，包括推进负载、平台服务负载与脉冲性负载；控制系统，包括为每台变换器配备的本地传感器与本地控制器，各所述本地控制器之间通过低带宽通信网络连接以交换荷电状态soc慢变量；所述本地控制器配置为执行统一的一阶下垂频率解耦控制；对于所述电池储能单元bess，其本地控制器基于获取的同类型 bess 的荷电状态，计算并向一阶下垂传递函数中引入受饱和投影与一阶速率约束的整体增益缩放因子，以实现 bess 间的荷电状态均衡；所述原动机—发电机机组gen与超级电容储能单元sc的缩放因子恒定为 1，不参与所述荷电状态均衡过程。

44、进一步的，原动机—发电机机组gen、电池储能单元bess与超级电容储能单元sc的下垂滤波器截止角频率 满足以下频段分离条件：

45、

46、表示所有 gen（原动机—发电机机组）下垂滤波器截止角频率中的最大值，即 gen 这一组里响应最快的那台的带宽上限。表示所有 bess（电池储能）截止角频率中的最小值，即 bess 组里响应最慢的那台的带宽下限。表示：所有 sc（超级电容）截止角频率中的最小值。不等式的含义是：gen 整组的频带上界

47、涉及的物理意义：截止角频率越高，设备响应越快、承担的负载分量频率越高。于是这一整定把负载功率按频率分摊——gen 承担最慢的稳态分量，bess 承担中频分量，sc承担最快的暂态/脉冲分量，三类设备在频域上彼此正交分担、互不抢占，这正是本发明“频率解耦下垂控制框架”的核心。

48、从而实现三类设备在频域上的正交功率分担，使得高频暂态功率由超级电容主导，中低频稳态功率由电池与发电机主导。

49、有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：

50、本发明提出一种新型海上混合动力平台能量管理系统及其控制方法。此方法基于统一的一阶下垂频率解耦框架，对中响应层的电池储能系统引入受饱和投影与一阶速率约束的整体增益缩放修正，从而在不破坏底层频率解耦特性的前提下，实现荷电状态的平滑均衡。本发明还通过构建多胞体顶点线性矩阵不等式（lmi）判据，从理论层面保证了该方法在全工况下的渐近稳定性，在复杂海上电力系统能量管理方面具有显著的优势。

51、本发明提出了一种海上混合动力平台能量管理系统，该混合动力平台主要由若干台原动机—发电机机组（gen）、若干组电池储能单元（bess）、若干组超级电容储能单元（sc）、可选的可再生能源输入设备，以及对应的双向 dc/dc 或 ac/dc 变换器、本地传感器和控制器组成。本系统通过各自的变换器并联接入公共直流母线，向推进负载、平台服务负载与脉冲性负载供电。每台变换器配备本地电压/电流传感器与本地控制器，控制器之间仅通过低带宽通信交换 soc 等慢变量。各设备的暂态与稳态功率分配由底层的频率解耦下垂控制框架完成，并在统一框架下针对 bess 实施独立平滑的 soc 均衡策略，gen 与 sc则不参与该均衡过程。