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基于多主体的混合动力电力能源管理系统
摘要:随着排放法规的日益严格,微电网系统成为舰上的首选,这使得电力系统的管理和控制成为亟待解决的关键问题。本文讨论了智能微电网的管理和控制。通过在现有船舶动力系统的基础上开发新的电动船舶动力系统，该船被设计为混合动力船。本文提出了一种新的方法来设计船舶电力系统以及基于多智能体的电力和能源管理系统,从而可以减少排放，最小化燃料消耗并提高能源效率。
关键字：多主体；电源和管理系统；微电网混合动力船。
一，引言
考虑到燃料油的减少以及对全球环境的关注,是时候寻找替代能源为船舶提供能源了。包括太阳能，风能和燃料电池能等在内的可再生能源已成为解决该问题的适当选择。越来越多的人试图用船上的可再生能源代替燃油。但是，考虑到这些能源中的大多数由于大气条件而具有间歇性行为。因此,有必要结合一种以上的可再生能源来提高电力系统的鲁棒性[1]。当我们在船舶（称为混合动力船舶）中使用不同类型的电源时，多源电源和能源管理在该问题中起着关键作用。与传统的船舶相比，混合动力船舶具有高效利用能源，优化配电和控制，提高可靠性，增加可用空间和增强性能等一系列优势[2]。
微电网是将不同类型的电源投入实践的典型案例。自治微电网正在航运业的许多领域迅速受到青睐[3]。由于目前船舶微电网和PEMS（电力和能源管理系统）大多是理论上的，因此船舶的PEMS的设计可以基于陆上的微电网PEMS。与传统的电力系统相比，微电网具有许多优势，例如确保能源供应的多样性；能量存储提供的穿越能力；提高能源效率稳定等[4]。
已经引入了许多PEMS结构。在[5]中，考虑将包含制导控制，基于哈密顿量的控制和伺服控制的动力管理系统应用于海军电动船。在[6]中，作者设计了基于MVDC架构的电力系统的两级电力和能源管理系统。该系统分为两个级别，即系统级别和区域级别。这两个级别都由一些模块组成，其中PCM（电源控制模块）是最重要的。在[7]中介绍了一种基于状态的能源管理系统。混合动力系统中有两种电源，燃料电池和电池。所提出的能量管理系统用于控制FC（燃料电池）和电池之间的能量流，这取决于考虑FC和电池最佳功率的运行状态。 [8] [9] [10] [11]中将多代理系统应用于负载管理和控制，其中冯先勇详细讨论了MA系统在NGIPS实时负载管理中的应用（下一代综合动力系统）船。
综上所述，面对环境问题和政治问题等诸多挑战，具有集成动力系统的混合动力船舶正日益普及。随着船舶电力系统的自动化程度的提高，发电和配电过程变得更加复杂。必须建立一个特定的系统，即电力和能源管理系统，以确保船舶以安全和经济的方式运行。尽管对PEMS尚无明确的定义，但许多学者致力于基于NGIPS船舶寻找合适的动力和能源管理方法。目前的趋势是采用分级和分散的结构。
本文设计了一种基于多主体的PEMS。本文的其余部分安排如下。在第二部分中，介绍了单一代理的结构和理论模型，以及包含微电网的改进电力系统设计了可以看作是另一个微电网的柴油机。第三部分介绍了PEMS的功能和结构设计。第四部分介绍了PEMS的一些关键点。最后，在第五部分中总结了本文的全部工作。
二，代理商和改进的电力结构
PEMS基于多代理和改进的电源系统，因此研究了代理模块和改进的电源系统。
A.代理功能和模型
代理在某种程度上像聪明的人一样工作。要完成其功能，代理必须具有以下部分
通讯模块。通信模块可以将信息发送到其他代理，并从其他代理接收信息。通过通信模块，不同的代理能够知道彼此的功率需求，因此，要进行适当的调整以使船在最佳状态下工作。
数据库。在这一部分中，所有数据和信息都被存储，其中包括由代理接收并通过通信模块发送给其他代理的信息，唯一代理的特性，输入环境信息等。
分析和决策模块。代理从环境获取信息时或通讯模块，它就能像人一样工作那么分析和决策模块就像一个人的大脑。它对输入的数据进行处理，判断船舶的运行状况，做出满足船舶安全经济要求的决策
以上三个部分是代理的基本要素。实际上，代理商的功能要复杂得。根据代理在系统中的角色，可以将其分为许多类别。例如，连接到发电单元的代理称为发电代理，而控制负载的代理称为负载代理。 [12]中介绍了PEMS代理的理论模型，如图2所示。
在此模型中，代理从环境获得的信息，由输入模块决定。数据库记录了其特殊的特性，这些特性决定了它的功能，并且算法模块将告诉代理如何实现其功能，而通信模块将从其他代理接收信息，这将影响代理和由其管理的发电单元或负载。考虑所有这些因素后，代理将能够计算并给出控制发电单元或负载的指令。做出任何决定后，该决定将立即执行并转换到系统中央控制器，最后发送给可能受该决定影响的任何代理。
B.改进的船舶动力系统
大多数学者基于理论NGIPS研究了PEMS。但是，他们中很少有人考虑改进现有的电力系统。许多正在运营的内河船已成为污染源。另一方面，关于排放要求的越来越严格的法律法规使正在运行的远洋船舶面临更大的挑战。考虑到积极利用可再生资源可以减少环境污染和燃料消耗，提高能源效率，刘汉宇[13]开发了一个既包含原始柴油机又包含风力，电池和船舶的微电网的电力系统。 PV（光伏）阵列。
船用微电网如图3所示。在微电网中，风力涡轮机和微型涡轮机通过AC / DC转换器连接到DC总线，而其他涡轮机通过DC / DC转换器连接到DC总线。燃料电池，风力涡轮机，光伏阵列和微型涡轮机组成了分布式发电单元。网格的另一个重要部分是ESU（能量存储单元）。当微电网与船舶电网隔离时，微电网产生的能量将存储在ESU中。相应地，当所产生的能量不能满足船舶的功率要求时，ESU将为船舶供电。微电网通过隔离装置与船舶电力系统隔离，并通过CPP（公共耦合点）与之相连。当船舶处于正常状态时，微电网始终连接到船舶电力系统并供电。当船舶不需要大量动力时，船上的柴油机将停止运转，从而所有电力均由可再生能源提供，这更加经济，对环境的污染也较小。
三，系统设计
A.系统功能
包含不同电源的船舶微电网系统的PEMS应具有以下功能：
由于不同的州有不同的要求，所以要根据运输状态选择合适的电源，以满足船舶的电力需求。例如，当船舶的功率要求小于燃料电池和光伏阵列产生的功率，并且电池的SOC（充电状态）大于80％时，则不需要其他电源。实际上，电源的选择非常复杂，如果有更多的电源，将会更加困难选择电源的原则是必须保证船舶的可靠性和安全性。基于此原理，考虑了排放和经济绩效。
bull;负载管理。 PEMS将能够根据功率要求自动启动或停止负载。发生紧急情况时，系统应停止所涉及的负载，以确保船舶的安全。
bull;当微电网出现问题时，PEMS需要快速，自动地将微电网与船舶电气系统隔离。而且，当原始柴油发动机发生故障时，系统应该能够停止其中的一台或全部柴油发动机，并停止一些负荷，这对于确保船舶的安全运行并不重要。当微电网产生的能量足以供船舶使用时，系统也应能够停止原来的柴油发动机。
B.系统结构设计
为了实现其功能，设计了一个三部分和两级的PEMS。该系统包含三个部分，微电网部分，柴油发动机部分和负载部分，如图4所示。
1）微电网：微电网部分包含燃料电池，风力涡轮机，光伏阵列，微电网和ESU（储能系统）。燃料电池，光伏阵列连接到微电网风力涡轮机和微型涡轮通过AC / AC转换器连接到微电网DC总线，而通过DC / DC转换器实现直流电网的直流母线。微电网直流母线通过隔离设备连接到电力系统直流母线。每个发电单元以及ESU均由发电代理控制。
2）柴油发动机：船舶动力系统的柴油发动机将在该系统中扮演次要角色，因为微电网动力源可以提供主动力。但是，当微电网出现问题时，柴油发动机将连接至动力系统，并立即为船舶提供能量。此外，微风将受环境影响，因为风和光伏阵列很大程度上取决于天气状况。因此，控制柴油机的代理将从控制风，PV阵列，燃料电池和ESU的代理接收实时信息，并在必要时采取措施控制柴油机。
3）负载：在集成电源系统中，服务负载和推进负载均由来自公共总线的电力驱动。负载管理是PEMS中非常重要的功能。代理将收集负载的需求信息，然后将其发送到中央控制器，然后，中央控制器将向发电代理发出命令以为负载供电。为了获得最低的燃料消耗，发电单元的启动和停止将高度取决于负载。可以将所有载荷明确为可脱落载荷和不可脱落载荷。在最坏的假设下，负载代理可以减少那些可卸负载，或者通过快速减载来节省整个系统。
所有代理都连接到工业以太网总线，以便可以在代理和中央控制器之间发送和接收信息。而且，微电网和柴油机产生的能量都将被发送到直流母线，从而可以将能量分配给服务负载和推进负荷。在图5中可以清楚地看到PEMS的两个级别。设备级别包含微电网，柴油机和电力负荷。每个设备单元都连接到一个代理。来自设备的任何信息都将发送到相应的代理，然后再发送到CAN（控制器局域网）总线。在控制级别上，已实现了连接到中央管理和控制平台的双冗余环形工业以太网。控制级别和设备级别通过网关连接。
在工作时，这些电源将分为主电源和辅助电源。哪种动力将是主要动力，将取决于运输状态和船舶的预期性能。为了确保可以正确安全地发送和接收从代理到代理或从系统到代理的信息，必须遵守某些传输协议。
四，关键问题
为了提高能源效率，减少燃油消耗和排放，PEMS应积极利用可再生资源并提供高质量的电力。这里考虑了三个关键问题：电源选择；能源质量和故障响应，即对故障采取的措施。
A.电源选择
在分布式发电单元中，将至少有两个电源。这些电源的选择将在PEMS中扮演重要角色。
B.电能质量
PEMS的最重要功能之一就是保持船舶安全可靠，因此应保证电能质量。
在集成电源系统中，脉冲负载会影响整个电源系统的可靠性。为了解决这个问题，提出了储能系统。飞轮，电池或超级电容器通常用作能量存储系统。原动机释放的动能存储在飞轮储能装置中，然后与脉冲负载的发生相协调以调节直流母线电压[14]。飞轮具有优势，比如易于实现并具有更好的经济性，但只能用于原动机，而对于其他设备，其功能是有限的。大多数电源系统中都可以使用电池或超级电容器，特别是考虑到可再生能源时。超级电容器和惯性能量存储设备的功率密度高于电池，并且由于放电时间短而适用于脉冲负载[15]。有时，通过适当的电源管理策略，系统中不需要储能系统[16]
C.故障响应
当发生故障时，为了避免停电，设计的电源和能源管理系统应该能够快速正确地工作。通常，系统将通过快速减少负载来实现这一目标，这意味着减少了电源系统中一些不重要的负载。实际上，船舶对动力的要求是不同的，因此，对于代理商来说，区分运输方式以明确哪个负荷很重要也是重要的功能。
五，结论与未来工作
本文研究和设计了PEMS。通过在现有船舶动力系统的基础上开发新的电动船舶动力系统，该船被设计为混合动力船。本文提出了一种设计船舶电力系统的新方法以及基于多智能体的电力能源管理系统。介绍了系统的功能和结构，并研究了确保PEMS正常工作的关键技术。通过开发改进的动力系统和PEMS系统，船舶可以通过使用可再生能源来减少排放和燃料消耗。
武汉理工大学水运安全国家工程研究中心将建立一个包含不同电源的混合动力系统测试台，未来将在测试台中对电源和能源管理系统进行测试和检查。工作。此外，由于电力和能源管理策略在影响燃料的燃油经济性，动力性能和使用寿命方面将发挥重要作用，因此应在将来予以考虑。
致谢
作者非常感谢国家重点技术支持计划资助号2014BAG04B01，湖北省自然科学基金创新小组项目（授权号：2013CFA007），海洋动力工程技术运输工业基金会重点实验室（资助号444 -20310142）和中央大学基础研究基金（No. 2015-yb009）作者也感谢编辑和匿名审阅人的建设性建议和意见。
参考文献
- F. Diego, R. Pablo, Z. David, “Energy management strategy based on receding horizon for a power hybrid system”, Renew. Energy, vol. 75, pp.550-559, March. 2015, doi: 10.1016/j.renene.2014.09.056.
- P. Charalampos, A. George, P. John, “Discussion on Adopting Intelligent Power Management and Control Techniques in Integrated Power Systems of All-Electric ships” 2012 Electrical Systems for Aircraft, Railway and Ship Propulsion, (ESARS 2012), IEEE, Oct. 2012, pp. 1-6, ISSN: 2165-9400, ISBN: 978- 1-4673-1371-1.
- F. Mehdi, A. Amir Saman, T. Andrzej, “A novel control principle for all-electric ship power system”, 2013 5th IEEE Electric Ship Technologies Symposium (ESTS 2013), IEEE, April,2013, pp.178-184, doi: 10.1109/ESTS.2013.6523731.
-
M. S. Mahmoud, A. Azher Hussain, M.A. Abido, “Modeling and control of micro-grid:
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