船舶综合电力系统多尺度分布式能量管理策略研究

Shipboard Integrated Power System (IPS) has been considered as the trending technology for future Ships. Accurate and fast assessment of system dynamic behaviors, as well as the optimization of system performance have become serious concerns for energy management strategy development. According to the hybrid, multi-timescale dynamic phenomenon commonly found in IPS, this project firstly discusses the characteristics of IPS and its energy management system and developes the hybrid dynamic evolution model for IPS. Then a multi-timescale distributed architecture for system energy management is proposed to form a distributed control structure and define the corresponding guidelines for energy management in different layers. Secondly, research on multi-timescale distributed energy management strategy of IPS is conducted. Performance specifications and operation requirements of subsystems in different timescale are studied, and the real-time optimization method is derived to solve the energy management problem for the whole system. Finally, the real-time simulation platform for IPS energy management is constructed on RT-LAB. Case studies are presented to demonstrate the applicability of the proposed energy management strategy. Achievements of this project will provide technical support for the energy management design and application of IPS, as well as the significance of theoretical investigation and the great value of practical application.

船舶综合电力系统是未来船舶的发展方向，如何精确且快速地评估系统动态特性，以及系统整体性能优化已经成为其能量管理策略研究中的重要问题。本项目将结合船舶综合电力系统多时间尺度的混杂动态特性，分析该系统及其能量管理系统的组成及特点，建立考虑混杂动态特性的系统模型，进而提出一个多尺度分布式的能量管理方案，并定义不同尺度上的能量管理目标；研究船舶综合电力系统多尺度分布式能量管理策略，分析不同尺度上子系统的性能指标及运行约束，推导能量管理实时动态优化方法，以求解系统整体的能量管理问题；最后，基于RT-LAB建立船舶综合电力系统能量管理实时仿真平台，进行仿真测试以验证能量管理策略的有效性。项目成果可以为船舶综合电力系统的能量管理系统设计与应用提供支持，具有重要的理论探索研究意义及实际应用价值。

船舶综合电力系统能量管理的目的是确保为系统内的所有工作负载提供稳定、连续、优质的电能。在满足正常状态下所有用电负荷，以及故障条件下重要用电负荷稳定持续供电的基础上，兼顾经济运行，减少全船的能源消耗。为此，本项目首先从多尺度、分布式、混杂性三个方面分析了船舶综合电力系统的基本组成及特点，建立了同时包括系统连续动态和离散动态的船舶综合电力系统混杂自动机模型，揭示系统在离散事件驱动下混杂动态演化过程的运行特性。形成了包括准稳态能量管理、暂态性能管理、以及低级别设备控制这三个层次的分布式能量管理方案；接着，提出了基于模型预测控制的双层分布式能量管理策略，确立了系统能量管理的基本流程，将准稳态和暂态时间尺度上的性能指标、以及相对应的运行约束用数学形式表示，并采用结合摄动分析的序列二次规划算法求解能量管理实时动态优化问题。最后，搭建了基于RT-LAB电力系统实时仿真的综合电力系统实验验证平台，完成了正常工况（船舶综合电力系统启动、脉冲负载投入等）和不利工况（发电机组离线、随机线路故障等）下的仿真测试，验证了本项目所提策略的有效性。经过三年的研究，本项目培养研究生4名，在国际学术期刊、国际会议上发表论文13篇，申请国家发明专利2项。本项目组的1名博士后在项目支持下获得副教授职称，2名助理研究员获得副研究员职称，完成了既定的研究目标和任务。