船舶多类型能源管理系统以及能源管理方法
技术领域
[0001] 本
发明属于船舶节能减排及绿色能源开发利用技术领域，具体涉及一种船舶多类型能源管理系统以及能源管理方法。
背景技术
[0002] 随着全球
气候不断变暖，有效控制
温室气体排放，保护大气环境已引起全球的普遍关注。为促进低
碳经济的发展，节能减排已成为国际社会的共同责任、高度关注的重点领域之一和基本国策。
[0003] 船舶运输是石油消费的重点行业，也是
温室效应气体(GHG)和大气污染排放的重要来源之一。国际海事组织(IMO)相关报告显示，全球船舶排放的二
氧化碳总量在2007年为10亿吨，占全球二氧化碳排放总量的3.3％。由于全球海上贸易量增加，如果控制措施不及时到位，预计在2050年将增长近5倍，占比可能会增至18％。因此，IMO、欧盟等采取了一系列控制船舶碳排放的措施。当前因世界经济增长缓慢、航运业运量过剩矛盾的双重影响，航运业面临着前所未有的持续低迷。
燃料成本高、日渐走低的投资回报率、船舶运
力过剩、港口和航线日渐严格的环保法规，IMO能效指数限制等等，都对船舶营运带来了诸多挑战，因此，船舶节能减排及绿色能源开发利用是缓解能源环境压力的必然选择之一。
[0004] 目前的船舶节能减排措施分为技术措施和营运措施等。其中，技术措施包括改进船舶设计、提高
发动机效率、供应岸电、利用替代燃料等。营运措施包括减小船体粗糙度、加强日常管理维护、采用经济航速等。例如，船公司普遍采用船岸一体化燃油消耗监控平台，将船舶每日能耗、船存油量、每日航行距离、距目的港距离、船舶
吃水、海况、装载量等相关参数定时报告公司，公司在确保班期的情况下合理降低航速、减少船舶锚泊待航时间，合理安排加油港口，依靠管理实现节能减排的目标。
[0005] 然而，由于目前船舶能源以柴油发电为主，因此，虽然采用了上述的诸多技术措施和营运措施，仍然具有船舶能效低的问题，无法达到节能减排的目标。
发明内容
[0006] 针对
现有技术存在的
缺陷，本发明提供一种船舶多类型能源管理系统以及能源管理方法，可有效解决上述问题。
[0007] 本发明采用的技术方案如下：
[0008] 本发明提供一种船舶多类型能源管理系统，包括：监控及能源管理总模
块、柴油发电系统、
风力发电系统、
光伏发电系统、
波浪能发电系统、
蓄电池储能系统、岸电系统、直流
母线排以及若干路输电系统；
[0009] 所述监控及能源管理总模块分别与所述柴油发电系统、所述
风力发电系统、所述
光伏发电系统、所述波浪能发电系统、所述
蓄电池储能系统以及所述岸电系统连接；所述柴油发电系统、所述风力发电系统、所述光伏发电系统、所述波浪能发电系统、所述蓄电池储能系统以及所述岸电系统均并联到所述
直流母线排的一端；所述直流母线排的另一端与各路用于向负载输电的输电系统连接。
[0010] 优选的，所述柴油发电系统的配置数量为两套，每套柴油发电系统均包括柴油发
电机组、独立的可控AC/DC
整流器、独立的空气
断路器以及柴油发电
控制器；所述柴油
发电机组和所述可控AC/DC整流器
串联后，通过所述空气断路器连接到所述直流母线排；另外，所述柴油发电控制器与所述柴油发电机组连接；另外，所述柴油发电控制器和所述可控AC/DC整流器均连接到所述监控及能源管理总模块；其中，所述柴油发电机组包括串联的船舶柴油机和永磁发电机。
[0011] 优选的，所述风力发电系统包括
风力发电机组、独立的可控AC/DC整流器、独立的空气断路器以及风力发电控制器；所述风力发电机组和所述可控AC/DC整流器串联后，通过所述空气断路器连接到所述直流母线排；另外，所述风力发电控制器与所述风力发电机组连接；另外，所述风力发电控制器和所述可控AC/DC整流器均连接到所述监控及能源管理总模块；其中，所述风力发电机组包括串联的风力
涡轮机和永磁发电机。
[0012] 优选的，所述波浪能发电系统包括波浪能发电机组、独立的可控AC/DC整流器、独立的空气断路器以及波浪能发电控制器；所述波浪能发电机组和所述可控AC/DC整流器串联后，通过所述空气断路器连接到所述直流母线排；另外，所述波浪能发电控制器与所述波浪能发电机组连接；另外，所述波浪能发电控制器和所述可控AC/DC整流器均连接到所述监控及能源管理总模块；其中，所述波浪能发电机组包括串联的波浪能转换机构和永磁发电机。
[0013] 优选的，所述光伏发电系统包括光伏发电组件、可控DC/DC斩波器、独立的空气断路器以及光伏发电控制器；所述光伏发电组件和所述可控DC/DC斩波器串联后，通过所述空气断路器连接到所述直流母线排；另外，所述光伏发电控制器和所述光伏发电组件连接；另外，所述光伏发电控制器和所述可控DC/DC斩波器均连接到所述监控及能源管理总模块。
[0014] 优选的，所述蓄电池储能系统包括蓄
电池组、双向可控DC/DC斩波器、独立的空气断路器以及储能控制器；所述蓄电池组依次经过所述双向可控DC/DC斩波器和所述空气断路器后连接到所述直流母线排；另外，所述储能控制器与所述蓄电池连接；所述储能控制器和所述双向可控DC/DC斩波器均连接到所述监控及能源管理总模块。
[0015] 优选的，所述岸电系统包括岸电、三相可调
变压器、独立的Y形侧可控AC/DC整流器、独立的△形侧可控AC/DC整流器、独立的Y形侧空气断路器、独立的△形侧空气断路器以及岸电控制器；所述三相可调变压器为Y-Y-△型变压器，其原边为Y形，用于与岸电连接；其副边包括Y形三相绕组和△形三相绕组，所述Y形三相绕组依次通过所述Y形侧可控AC/DC整流器和所述Y形侧空气断路器后，连接到所述直流母线排；所述△形三相绕组依次通过所述△形侧可控AC/DC整流器和所述△形侧空气断路器后，连接到所述直流母线排；另外，所述岸电控制器与所述岸电连接；所述岸电控制器、所述Y形侧可控AC/DC整流器和所述△形侧可控AC/DC整流器均连接到所述监控及能源管理总模块。
[0016] 优选的，所述输电系统包括7路输
电子系统；
[0017] 第1路输电子系统包括：第1空气断路器和第1可控DC/AC逆变器；所述第1可控DC/AC逆变器的DC侧经过所述第1空气断路器后连接到所述直流母线排；所述第1可控DC/AC逆变器的AC侧用于与第1主推电机连接；
[0018] 第2路输电子系统包括：第2空气断路器和第2可控DC/AC逆变器；所述第2可控DC/AC逆变器的DC侧经过所述第2空气断路器后连接到所述直流母线排；所述第2可控DC/AC逆变器的AC侧用于与第2主推电机连接；
[0019] 第3路输电子系统包括：第3空气断路器和第3可控DC/AC逆变器；所述第3可控DC/AC逆变器的DC侧经过所述第3空气断路器后连接到所述直流母线排；所述第3可控DC/AC逆变器的AC侧用于与艉推电机连接；
[0020] 第4路输电子系统包括：第4空气断路器和第4可控DC/AC逆变器；所述第4可控DC/AC逆变器的DC侧经过所述第4空气断路器后连接到所述直流母线排；所述第4可控DC/AC逆变器的AC侧用于与艏推电机连接；
[0021] 第5路输电子系统包括：第1交流母线排和若干个可控DC/AC逆变器；每个所述可控DC/AC逆变器的DC侧均经过独立的空气断路器后连接到所述直流母线排，每个所述可控DC/AC逆变器的AC侧均经过独立的空气断路器后连接到所述第1交流母线排的一端，所述第1交流母线排的另一端用于直接与各个辅助电机类负载连接，用于向各个辅助电机类负载供电；
[0022] 第6路输电子系统包括：第2交流母线排和若干个可控DC/AC逆变器；每个所述可控DC/AC逆变器的DC侧均经过独立的空气断路器后连接到所述直流母线排，每个所述可控DC/AC逆变器的AC侧均经过独立的空气断路器后连接到所述第2交流母线排的一端，所述第2交流母线排的另一端用于直接与各个照明类负载连接，用于向各个照明类负载供电；
[0023] 第7路输电子系统包括：独立的可控DC/AC逆变器、独立的空气断路器、变压器TR和有源
滤波器APF；所述可控DC/AC逆变器的DC侧经过独立的空气断路器后连接到所述直流母线排，所述可控DC/AC逆变器的AC侧依次经过所述变压器TR和所述有源滤波器APF后，连接到监控及能源管理总模块，用于向所述监控及能源管理总模块供电；
[0024] 另外，所述监控及能源管理总模块还分别与所述第1可控DC/AC逆变器、所述第2可控DC/AC逆变器、所述第3可控DC/AC逆变器、所述第4可控DC/AC逆变器、所述第5路输电子系统中的各个可控DC/AC逆变器、第6路输电子系统中的各个可控DC/AC逆变器、第7路输电子系统中的可控DC/AC逆变器连接。
[0025] 本发明还提供一种船舶多类型能源管理方法，包括以下步骤：
[0026] 步骤1，船舶多类型能源管理系统包括监控及能源管理总模块，监控及能源管理总模块与柴油发电控制器、风力发电控制器、波浪能发电控制器、光伏发电控制器、储能控制器、岸电控制器、各个可控DC/AC逆变器、各个可控DC/DC斩波器、各个可控AC/DC整流器均通过通讯线连接；
[0027] 所述船舶多类型能源管理系统包括监控及能源管理总模块、以及6个管理子模块，分别为柴油发电系统管理子模块、风力发电系统管理子模块、光伏发电系统管理子模块、波浪能发电系统管理子模块、蓄电池储能系统管理子模块和岸电系统管理子模块；所述能源管理总模块分别与各个管理子模块连接；
[0028] 步骤2，所述监控及能源管理总模块根据船舶工作状态配置有三种工作模式，分别为：船舶抛锚工作模式、船舶航行工作模式以及船舶靠岸工作模式；
[0029] (1)船舶抛锚工作模式
[0030] 步骤2.1.1，当所述监控及能源管理总模块切换到船舶抛锚工作模式时，所述能源管理总模块启动负荷优化管理模块，所述负荷优化管理模块包括船舶变频驱动节能控
制模块、储能优化管理模块、船舶起居处所智能化节能管理模块；
[0031] 所述储能优化管理模块的运行控制过程为：
[0032] 首先只起动风力发电系统、光伏发电系统和波浪能发电系统；将风力能源、光伏能源和波浪能能源统称为绿色能源；
[0033] 所述风力发电系统、所述光伏发电系统和所述波浪能发电系统同时发电，并将输出的直流
电能输送到直流母线排；
[0034] 船舶的各个负载从所述直流母线排获得所需电能；
[0035] 步骤2.1.2，此外，在绿色能源供电以及负载用电的过程中，所述能源管理总模块实时判断风力发电系统、光伏发电系统和波浪能发电系统所发出的实际总电能是否无法满足全船用电需求，如果能够满足全船用电需求，则执行步骤2.1.3；如果无法满足全船用电需求，则执行步骤2.1.4；
[0036] 步骤2.1.3，所述监控及能源管理总模块计算得到当前时刻的富裕电能，并使富裕电能经直流母线排后输送到蓄电池储能系统，实现向蓄电池充电的功能；然后返回步骤2.1.2，
[0037] 步骤2.1.4，所述监控及能源管理总模块起动蓄电池储能系统，蓄电池储能系统向直流母线排放电，保证绿色能源和蓄电池储能系统联合输出的电能满足全船用电需求；
[0038] 另外，在蓄电池储能系统放电过程中，监控及能源管理总模块实时判断蓄电池组是否达到放
电极限，如果未达到，则继续蓄电池储能系统放电过程；如果达到，则转到步骤2.1.5；
[0039] 步骤2.1.5，所述监控及能源管理总模块起动一套柴油发电系统供电，以保证满足全船用电需求；
[0040] 其中，当所述柴油发电系统启动时，所述柴油发电系统在保证至少运行于30％负荷的工况下，使所述柴油发电系统运行于最佳工作效率；此时，所述柴油发电系统、所述风力发电系统、所述光伏发电系统和所述波浪能发电系统进行联合发电；如果此时的发电量超过全船实际用电需求，则将富裕电能经直流母线排后输送到蓄电池储能系统，实现向蓄电池充电的功能；
[0041] (2)船舶航行工作模式
[0042] 当所述监控及能源管理总模块切换到船舶航行工作模式时，所述监控及能源管理总模块采用混合动力供电模式，即：起动风力发电系统、光伏发电系统、蓄电池储能系统和柴油发电系统进行联合发电；
[0043] 具体为：
[0044] 所述监控及能源管理总模块使风力发电系统和光伏发电系统处于满负荷发电状态，将风力发电系统和光伏发电系统输出的直流电能输送到直流母线排；
[0045] 同时，所述监控及能源管理总模块起动柴油发电系统，在以下两个约束条件下，利用蓄电池组充放电调节功能，实现柴油机运行于最佳效率上：约束条件1：控制柴油机转速在最佳工作范围内；约束条件2，使柴油机运行于最小30％负荷的状态下；
[0046] 另外，在所述柴油发电系统运行过程中，通过控制蓄电池充放电而调节负荷峰值，维持
电网稳定；
[0047] (3)船舶靠岸工作模式
[0048] 当所述监控及能源管理总模块切换到船舶靠岸工作模式时，停止运行柴油发电系统，起动风力发电系统、光伏发电系统、波浪能发电系统、蓄电池储能系统和岸电系统；
[0049] 具体为：
[0050] 所述监控及能源管理总模块使风力发电系统、光伏发电系统和波浪能发电系统处于满负荷发电状态，将风力发电系统、光伏发电系统和波浪能发电系统输出的直流电能输送到直流母线排；
[0051] 直流母线排输出的电能分为两部分，一部分用于满足全船靠岸期间的用电需求，另一部分用于向蓄电池储能系统充电；
[0052] 同时，所述监控及能源管理总模块判断风力发电系统、光伏发电系统和波浪能发电系统输出的总电能是否满足蓄电池储能系统和全船用电需求，如果不满足，则起动岸电系统，使岸电系统向直流母线排输出差额电能。
[0053] 优选的，各个系统的运行方式具体为：
[0054] (1)所述监控及能源管理总模块通过风力发电系统管理子模块起动并运行风力发电系统，风力发电系统的起动及运行方式为：
[0055] 风力
涡轮机和永磁发电机统称为风力发电机组；当风力发电机组起动后，风力发电系统管理子模块检测风力发电机组的输出端
电压值，当输出端电压值达到交流U2＝400VAC±10VAC时，表明风力发电机组已成功起动；然后，风力发电机组输出端
电流经过可控AC/DC模块进行稳压控制，整流为直流610VDC±10VDC，最后经过自动空气断路器并入直流母线排，实现风力发电机组并网；
[0056] 另外，在风力发电系统起动和运行过程中，风力发电系统管理子模块对风机运转状态进行实时监控，包括风向、风力、振动和功率；风力发电系统管理子模块还具有大风浪海况下风机保护功能，即：大风浪海况下，自动
切除风机并
刹车保护；
[0057] (2)所述监控及能源管理总模块通过光伏发电系统管理子模块起动并运行光伏发电系统，光伏发电系统的起动及运行方式为：
[0058] 当光伏发电系统起动后，光伏发电系统管理子模块检测光伏发电组件的输出端电压值，当输出端电压值达到U3＝48VDC±5VDC时，表明光伏发电组件已成功起动；然后，光伏发电组件输出端电流经过双向可控DC/DC模块稳压控制，并变压为直流610VDC±10VDC，最后经过自动空气断路器并入直流母线排，实现光伏发电系统并网；
[0059] 另外，在光伏发电系统起动和运行过程中，光伏发电系统管理子模块实时检测到光伏发电系统运行状态，包括：光照强度、
太阳能板
温度、光伏电流和电压；
[0060] (3)所述监控及能源管理总模块通过波浪能发电系统管理子模块起动并运行波浪能发电系统，波浪能发电系统的起动及运行方式为：
[0061] 当波浪能发电系统起动后，波浪能发电系统管理子模块检测波浪能发电机组的输出端电压值，当输出端电压值达到交流电压U4＝24VAC±5VAC时，波浪能发电机组的输出端电流经过可控AC/DC模块稳压控制，整流为直流610VDC±10VDC，最后经过自动空气断路器并入直流母线排；
[0062] 另外，在波浪能发电系统起动和运行过程中，波浪能发电系统管理子模块对波浪能发电机组的运转状态进行实时监控，包括浪高、振动和功率；
[0063] (4)所述监控及能源管理总模块通过柴油发电系统管理子模块起动并运行柴油发电系统，柴油发电系统的起动及运行方式为：
[0064] 当柴油发电系统起动后，柴油发电系统管理子模块检测柴油发电机组的输出端电压值，当输出端电压值达到交流U1＝440VAC±10VAC，再经过可控AC/DC模块稳压控制，整流为直流610VDC±10VDC，最后经过自动空气断路器并入直流母线排；
[0065] (5)所述监控及能源管理总模块通过蓄电池储能系统管理子模块控制蓄电池储能系统的运行状态，实现以下功能：1、稳定直流母线电压为Ud＝600VDC±10VDC；2、缓冲、平衡负载起停对电网的冲击；3、调节电网功率峰谷，确保柴油发电机组工作在最佳效率曲线点范围内；
[0066] 具体的，蓄电池组通过双向可控DC/DC、自动空气断路器接入直流母线排；当直流母线电压Ud≤590VDC时，蓄电池组经双向可控DC/DC向直流母线放电；当直流母线电压Ud≥610VDC时，直流母线电能经双向可控DC/DC向蓄电池组充电；从而维持直流母线电压Ud＝
600VDC±10VDC；
[0067] (6)所述监控及能源管理总模块通过岸电系统管理子模块起动并运行岸电系统；
[0068] 具体的，船舶靠岸需要接岸电时，岸电系统管理子模块进行船电岸电连
锁控制，使船电岸电短时并网，进行船电向岸电负荷转移，经可控AC/DC整流模块、自动空气断路器并入直流母线排，岸电系统与绿色能源发电系统经直流母线联合为全船供电；
[0069] 当船舶离岸时，岸电系统管理子模块自动进行岸电向船电负荷转移，当岸电承担负荷为3％-5％时，自动空气断路器自动从直流母线排上脱开，切除岸电系统工作。
[0070] 本发明提供的船舶多类型能源管理系统以及能源管理方法具有以下优点：
[0071] 本发明提供的船舶多类型能源管理系统填补了多类型绿色能源发电整合入船舶
热能发电系统的技术空白，满足节能减排，应对全球气候变暖，可控制温室气体排放，保护大气环境，促进低碳经济的可持续发展。
附图说明
[0072] 图1为本发明提供的船舶多类型能源管理系统的原理图；
[0073] 图2为本发明提供的船舶多类型能源管理系统的功能
框图；
[0074] 图3为本发明提供的船舶多类型能源管理方法的
流程图。
具体实施方式
[0075] 为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及
实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0076] 针对节能减排、全球气候变暖、控制温室气体排放、保护大气环境、国际公约法规推动的低碳经济、可持续发展的需要，本发明提供一种船舶多类型能源管理系统，实现了柴油机发电、风力发电、光伏发电、波浪能发电、蓄电池储能和岸电供电在船舶上的综合利用，采用模块化、分布式、交直流混合电网系统集成化技术方案，以柴油机效率最佳为目标优化管理，解决了多类型绿色能源发电嵌入船舶柴油机发电系统的难点和柴油机效率受不确定性负荷影响的问题。
[0077] 结合图1，为本发明提供的船舶多类型能源管理系统的原理图，船舶多类型能源管理系统包括：监控及能源管理总模块(即PMS)、柴油发电系统、风力发电系统、光伏发电系统、波浪能发电系统、蓄电池储能系统、岸电系统、直流母线排以及若干路输电系统；监控及能源管理总模块分别与柴油发电系统、风力发电系统、光伏发电系统、波浪能发电系统、蓄电池储能系统以及岸电系统连接；柴油发电系统、风力发电系统、光伏发电系统、波浪能发电系统、蓄电池储能系统以及岸电系统均并联到直流母线排的一端；直流母线排的另一端与各路用于向负载输电的输电系统连接。
[0078] 以下结合图1，对各个系统分别详细介绍：
[0079] (一)船舶供电环节
[0080] (1)柴油发电系统
[0081] 柴油发电系统的配置数量为两套，每套柴油发电系统均包括柴油发电机组、独立的可控AC/DC整流器、独立的空气断路器以及柴油发电控制器；柴油发电机组和可控AC/DC整流器串联后，通过空气断路器连接到直流母线排；另外，柴油发电控制器与柴油发电机组连接；另外，柴油发电控制器和可控AC/DC整流器均连接到监控及能源管理总模块；其中，柴油发电机组包括串联的船舶柴油机和永磁发电机。
[0082] (2)风力发电系统
[0083] 风力发电系统包括风力发电机组、独立的可控AC/DC整流器、独立的空气断路器以及风力发电控制器；风力发电机组和可控AC/DC整流器串联后，通过空气断路器连接到直流母线排；另外，风力发电控制器与风力发电机组连接；另外，风力发电控制器和可控AC/DC整流器均连接到监控及能源管理总模块；其中，风力发电机组包括串联的风力涡轮机和永磁发电机。
[0084] (3)波浪能发电系统
[0085] 波浪能发电系统包括波浪能发电机组、独立的可控AC/DC整流器、独立的空气断路器以及波浪能发电控制器；波浪能发电机组和可控AC/DC整流器串联后，通过空气断路器连接到直流母线排；另外，波浪能发电控制器与波浪能发电机组连接；另外，波浪能发电控制器和可控AC/DC整流器均连接到监控及能源管理总模块；其中，波浪能发电机组包括串联的波浪能转换机构和永磁发电机。
[0086] 对于上述的柴油发电系统、风力发电系统和波浪能发电系统，由于柴油机、风力涡轮机和波浪能转换机构的运动特性不同，其发电效果差别较大，因此，需要将永磁发电机发出的电分别被AC/DC整流成直流，再通过各自的自动空气断路器ACB并联在直流母线排上。为了满足直流并网条件，即极性相同、电平相等，需要配置可控AC/DC整流器，实现自动控制直流侧电压满足600VDC的要求。
[0087] (4)光伏发电系统
[0088] 光伏发电系统包括光伏发电组件、可控DC/DC斩波器、独立的空气断路器以及光伏发电控制器；光伏发电组件和可控DC/DC斩波器串联后，通过空气断路器连接到直流母线排；另外，光伏发电控制器和光伏发电组件连接；另外，光伏发电控制器和可控DC/DC斩波器均连接到监控及能源管理总模块。
[0089] (5)蓄电池储能系统
[0090] 蓄电池储能系统包括蓄电池组、双向可控DC/DC斩波器、独立的空气断路器以及储能控制器；蓄电池组依次经过双向可控DC/DC斩波器和空气断路器后连接到直流母线排；另外，储能控制器与蓄电池连接；储能控制器和双向可控DC/DC斩波器均连接到监控及能源管理总模块。
[0091] 可见，蓄电池组经双向可控DC/DC斩波器和空气断路器后自动并联在直流母线排上，采用双向可控DC/DC斩波器的原因为：可稳定直流母线电压Ud，使求Ud＝600±10VDC。具体的，当Ud≤590VDC时，蓄电池组经双向可控DC/DC放电，提高直流母线排电压；当Ud≥610VDC时，直流母线排电能经双向可控DC/DC向蓄电池组充电，从而降低直流母线排电压。
[0092] (6)岸电系统
[0093] 根据岸上提供的电源及船舶类型，岸电分为低压、中压和高压，其中中压居多，为了适应岸电类型，岸电系统配置三相可调变压器Y-Y-△，即原边为Y形，副边为两套三相绕组Y形和△形，变压器变比可调节，该接线方式还有滤波功能，大大降低谐波污染。
[0094] 具体的，岸电系统包括岸电、三相可调变压器、独立的Y形侧可控AC/DC整流器、独立的△形侧可控AC/DC整流器、独立的Y形侧空气断路器、独立的△形侧空气断路器以及岸电控制器；三相可调变压器为Y-Y-△型变压器，其原边为Y形，用于与岸电连接；其副边包括Y形三相绕组和△形三相绕组，Y形三相绕组依次通过Y形侧可控AC/DC整流器和Y形侧空气断路器后，连接到直流母线排；△形三相绕组依次通过△形侧可控AC/DC整流器和△形侧空气断路器后，连接到直流母线排；另外，岸电控制器与岸电连接；岸电控制器、Y形侧可控AC/DC整流器和△形侧可控AC/DC整流器均连接到监控及能源管理总模块。
[0095] (二)船舶用电环节
[0096] 船舶用电环节为：通过输电系统向各类负载供电。
[0097] 其中，参考图1，输电系统包括7路输电子系统；
[0098] 第1路输电子系统包括：第1空气断路器和第1可控DC/AC逆变器；第1可控DC/AC逆变器的DC侧经过第1空气断路器后连接到直流母线排；第1可控DC/AC逆变器的AC侧用于与第1主推电机连接；
[0099] 第2路输电子系统包括：第2空气断路器和第2可控DC/AC逆变器；第2可控DC/AC逆变器的DC侧经过第2空气断路器后连接到直流母线排；第2可控DC/AC逆变器的AC侧用于与第2主推电机连接；
[0100] 第3路输电子系统包括：第3空气断路器和第3可控DC/AC逆变器；第3可控DC/AC逆变器的DC侧经过第3空气断路器后连接到直流母线排；第3可控DC/AC逆变器的AC侧用于与艉推电机连接；
[0101] 第4路输电子系统包括：第4空气断路器和第4可控DC/AC逆变器；第4可控DC/AC逆变器的DC侧经过第4空气断路器后连接到直流母线排；第4可控DC/AC逆变器的AC侧用于与艏推电机连接；
[0102] 第5路输电子系统包括：第1交流母线排和若干个可控DC/AC逆变器；每个可控DC/AC逆变器的DC侧均经过独立的空气断路器后连接到直流母线排，每个可控DC/AC逆变器的AC侧均经过独立的空气断路器后连接到第1交流母线排的一端，第1交流母线排的另一端用于直接与各个辅助电机类负载连接，用于向各个辅助电机类负载供电；
[0103] 第6路输电子系统包括：第2交流母线排和若干个可控DC/AC逆变器；每个可控DC/AC逆变器的DC侧均经过独立的空气断路器后连接到直流母线排，每个可控DC/AC逆变器的AC侧均经过独立的空气断路器后连接到第2交流母线排的一端，第2交流母线排的另一端用于直接与各个照明类负载连接，用于向各个照明类负载供电；
[0104] 对于上述的第1路输电子系统到第6路输电子系统，其配置原因为：
[0105] 由于主推电机、艉侧电机和艏侧电机的运行功率较高，因此，主推电机、艉侧电机和艏侧电机这三类负载配置单独的输电支路。而对于功率较小的辅助电机类负载和照明类负载，可分别采用交流母线排的方式并入直流母线排，从而向各个电机类负载和各个照明类负载集中供电。
[0106] 第7路输电子系统包括：独立的可控DC/AC逆变器、独立的空气断路器、变压器TR和有源滤波器APF；可控DC/AC逆变器的DC侧经过独立的空气断路器后连接到直流母线排，可控DC/AC逆变器的AC侧依次经过变压器TR和有源滤波器APF后，连接到监控及能源管理总模块，用于向监控及能源管理总模块供电。
[0107] 另外，监控及能源管理总模块还分别与第1可控DC/AC逆变器、第2可控DC/AC逆变器、第3可控DC/AC逆变器、第4可控DC/AC逆变器、第5路输电子系统中的各个可控DC/AC逆变器、第6路输电子系统中的各个可控DC/AC逆变器、第7路输电子系统中的可控DC/AC逆变器连接。
[0108] 此处，由于监控及能源管理总模块对电压等级和供电
质量要求较高，因此，经可控DC/AC从直流母线取电后，需要经变压器TR降压、有源滤波器APF滤波处理，从而最终为监控及能源管理总模块提供高质量的电源。
[0109] 在图1中，船舶多类型能源管理系统由2套柴油机驱动的永磁发电机、1套风力涡轮永磁发电机、1套波浪能永磁发电机、1套光伏太阳能发电模块、800kwh容量的锂电池组、1套岸电装置、6个可控AC/DC整流模块、1个可控DC/DC模块、1个双向可控DC/DC模块、至少9个可控DC/AC逆变模块，根据负载配置可控DC/AC逆变模块的数量，多个空气断路器ACB、直流母线排、交流母线排、船舶多类型能源管理模块组成。
[0110] 本发明还提供一种船舶多类型能源管理方法，包括以下步骤：
[0111] 步骤1，船舶多类型能源管理系统包括监控及能源管理总模块，监控及能源管理总模块与柴油发电控制器、风力发电控制器、波浪能发电控制器、光伏发电控制器、储能控制器、岸电控制器、各个可控DC/AC逆变器、各个可控DC/DC斩波器、各个可控AC/DC整流器均通过通讯线连接；
[0112] 船舶多类型能源管理系统包括监控及能源管理总模块、以及6个管理子模块，分别为柴油发电系统管理子模块、风力发电系统管理子模块、光伏发电系统管理子模块、波浪能发电系统管理子模块、蓄电池储能系统管理子模块和岸电系统管理子模块；能源管理总模块分别与各个管理子模块连接；
[0113] 步骤2，监控及能源管理总模块根据船舶工作状态配置有三种工作模式，分别为：船舶抛锚工作模式、船舶航行工作模式以及船舶靠岸工作模式；
[0114] (1)船舶抛锚工作模式
[0115] 船舶抛锚状况时，由于船舶电负荷小，
风能、太阳能和波浪能发电即可满足供电要求。因此，只需要启动风能发电系统、太阳能发电系统和波浪能发电系统即可。
[0116] 当监控及能源管理总模块切换到船舶抛锚工作模式时，监控及能源管理总模块启动负荷优化管理模块，负荷优化管理模块包括船舶变频驱动节能
控制模块、储能优化管理模块、船舶起居处所智能化节能管理模块。
[0117] 以下对这三个模块的工作原理分别详细介绍：
[0118] (1.1)储能优化管理模块
[0119] 步骤2.1.1，当监控及能源管理总模块切换到船舶抛锚工作模式时，储能优化管理模块首先只起动风力发电系统、光伏发电系统和波浪能发电系统；将风力能源、光伏能源和波浪能能源统称为绿色能源；
[0120] 风力发电系统、光伏发电系统和波浪能发电系统同时发电，并将输出的直流电能输送到直流母线排；
[0121] 船舶的各个负载从直流母线排获得所需电能；
[0122] 步骤2.1.2，此外，在绿色能源供电以及负载用电的过程中，监控及能源管理总模块实时判断风力发电系统、光伏发电系统和波浪能发电系统所发出的实际总电能是否无法满足全船用电需求，如果能够满足全船用电需求，则执行步骤2.1.3；如果无法满足全船用电需求，则执行步骤2.1.4；
[0123] 步骤2.1.3，监控及能源管理总模块计算得到当前时刻的富裕电能，并使富裕电能经直流母线排后输送到蓄电池储能系统，实现向蓄电池充电的功能；然后返回步骤2.1.2，[0124] 步骤2.1.4，监控及能源管理总模块起动蓄电池储能系统，蓄电池储能系统向直流母线排放电，保证绿色能源和蓄电池储能系统联合输出的电能满足全船用电需求；
[0125] 另外，在蓄电池储能系统放电过程中，监控及能源管理总模块实时判断蓄电池组是否达到放电极限，如果未达到，则继续蓄电池储能系统放电过程；如果达到，则转到步骤2.1.5；
[0126] 步骤2.1.5，监控及能源管理总模块起动一套柴油发电系统供电，以保证满足全船用电需求；
[0127] 其中，当柴油发电系统启动时，柴油发电系统在保证至少运行于30％负荷的工况下，使柴油发电系统运行于最佳工作效率；此时，柴油发电系统、风力发电系统、光伏发电系统和波浪能发电系统进行联合发电；如果此时的发电量超过全船实际用电需求，则将富裕电能经直流母线排后输送到蓄电池储能系统，实现向蓄电池充电的功能。
[0128] 上述过程可简单概括为：
[0129] 当风能、太阳能和波浪能发电能够满足全船用电需求的情况下，将富裕电能经直流母线排、自动空气断路器ACB和双向可控DC/DC模块给蓄电池组充电。当风能、太阳能和波浪能发电不能满足全船用电需求时，使蓄电池组经双向可控DC/DC模块、自动空气断路器ACB向直流母线排放电，维持直流母线排电压稳定，且满足全船用电需求。
[0130] 而如果蓄电池组放电到极限值且风能、太阳能和波浪能发电仍然不能满足全船用电需求时，启动一套柴油发电机组，只要柴油发电机组投入工作，必须先承担最小30％负荷，防止柴油机负荷太低而影响热效率。
[0131] (1.2)船舶变频驱动节能控制模块
[0132] 船舶变频驱动节能控制模块用于实现
机舱风机控制、中央冷却系统水
泵控制、卫生水系统控制、分油机供油泵控制。船舶变频驱动节能控制系统的设置参数和控制参数都可调，可在“船舶多类型能源管理系统”的
人机界面上进行控制模式、运行状态、温度、压力、系统报警状态等显示，进行模式切换。
[0133] 机舱风机控制是根据机舱温度、压力调节机舱风机转速，保持机舱过压50Pa。从机舱多个
位置测量温度，机舱与进风口温差≤12℃，机舱平均温度≤45℃。风机设有最低运行转速限制，风机
变频器缺省值最小为25Hz。
[0134] 中央冷却系统水泵控制包含三台50％变频驱动
海水泵，根据低温
淡水温度和海水温度进行流量控制，冷却器海水出口温度≤49℃。
[0135] 卫生水系统控制包括两台变频供水泵，根据水消耗速率进行流量的变频控制。
[0136] 分油机供油泵变频控制根据燃油日用柜油位进行变频控制，确保油柜油位保持在设定值(保持可用净油达到油柜容量85％～90％)。
[0137] (1.3)船舶起居处所智能化节能模块
[0138] 采用人体红外感应器进行人体感应检测、光敏
电阻进行照明处所
亮度检测。人体红外感应器和光敏电阻配置菲涅
耳透镜，增大探测距离和灵敏度。人体红外感应器和光敏电阻配置单片
机芯片进行
信号处理、通讯与控制，输出灯、窗帘、
通风口
控制信号。
[0139] 船员居室窗帘控制：夜晚若房间灯亮，窗帘自动关闭，不能打开；房间灯熄灭或白天时间，可
开关控制窗帘。
[0140] 船员房间灯控制：白天房间灯自动熄灭；若人在房间，根据室内亮度灯会自动点亮且亮度可调，也可手动控制灯亮、灭和亮度；若人离开房间，灯自动熄灭。
[0141] 生活区走廊灯控制：根据走廊亮度检测，白天光线好时照明灯自动熄灭；白天光线较暗或晚间，有人经过时，照明灯自动点亮；人离开时，照明灯延时自动熄灭。
[0142] 船员居室
空调通风口控制：船员较长时间离开房间时自动关闭通风口，有人回房间自动打开通风口。各房间通风口开关信息提供给船舶中央空调控制系统，用于通风流量和制冷量控制。
[0143] (2)船舶航行工作模式
[0144] 当船舶航行时，采用混合动力推进，即：绿色能源风能发电、太阳能发电、蓄电池充放电与柴油机发电联合为全船供电。此工况下的波浪能发电系统和岸电系统不工作。
[0145] 最优能源管理包括负荷优化管理、储能优化管理和最佳效率控制。
[0146] (2.1)储能优化管理
[0147] 监控及能源管理总模块使风力发电系统和光伏发电系统处于满负荷发电状态，将风力发电系统和光伏发电系统输出的直流电能输送到直流母线排；
[0148] 同时，监控及能源管理总模块起动柴油发电系统，在以下两个约束条件下，利用蓄电池组充放电调节功能，实现柴油机运行于最佳效率上：约束条件1：控制柴油机转速在最佳工作范围内；约束条件2，使柴油机运行于最小30％负荷的状态下；
[0149] 另外，在柴油发电系统运行过程中，通过控制蓄电池充放电而调节负荷峰值，维持电网稳定。
[0150] 储能优化管理可概括为：
[0151] 因船舶航行工况柴油发电机组必须投入工作，柴油机效率优化为最佳控制目标。根据柴油机台架式试验数据、负荷曲线、效率曲线，确定柴油机最佳工作范围。首先充分利用风能发电与太阳能发电，利用蓄电池组充放电调节功能，控制柴油机转速在最佳范围内，使柴油机运行在最高效率上。
[0152] (2.2)负荷优化管理
[0153] 负荷优化管理包括船舶抛锚状况的负荷优化管理外，还有大功率电机起动前的重载询问功能、软起动控制，顺序起动控制，分级卸载控制。
[0154] (2.3)柴油机最佳效率控制
[0155] 风能与太阳能满负荷发电，考虑到柴油机在低负荷运行时(一般30％额定负荷以下)，燃
油雾化不良、燃烧效率低，油头容易积碳等因素，因此柴油机组一旦起动完成或并网运行，柴油发电机组就加30％的最小负荷。若风能与太阳能发电有富裕，柴油机也不能再减负荷，此时需要蓄电池组充电储能。
[0156] 柴油机在不同负荷下需要不同的转速以保持最高效率，柴油机必须为可调速调负荷工作模式的，不能采用恒速调负荷模式的柴油机。船用负荷变化会导致电网冲击，此种情形下，锂蓄电池组充放电来调节负荷峰值，维持电网稳定，后期用电需求由柴油发电机组按照最佳效率来进行调节，蓄电池组仅满足负荷的临时变动用电需求。
[0157] (3)船舶靠岸工作模式
[0158] 船舶靠码头装卸货期间，柴油发电机组停止工作，风能发电、太阳能发电与波浪能发电满负荷工作，根据绿色能源满负荷发电情况，决定利用岸电的能源量。如果绿色能源供电不足，则启动岸电，实现绿色能源与岸电并网运行。另外，船舶靠岸时，同时也给蓄电池组充电，当舶离岸时，应保证蓄电池充满电。
[0159] 具体的，当监控及能源管理总模块切换到船舶靠岸工作模式时，停止运行柴油发电系统，起动风力发电系统、光伏发电系统、波浪能发电系统、蓄电池储能系统和岸电系统；
[0160] 具体为：
[0161] 监控及能源管理总模块使风力发电系统、光伏发电系统和波浪能发电系统处于满负荷发电状态，将风力发电系统、光伏发电系统和波浪能发电系统输出的直流电能输送到直流母线排；
[0162] 直流母线排输出的电能分为两部分，一部分用于满足全船靠岸期间的用电需求，另一部分用于向蓄电池储能系统充电；
[0163] 同时，监控及能源管理总模块判断风力发电系统、光伏发电系统和波浪能发电系统输出的总电能是否满足蓄电池储能系统和全船用电需求，如果不满足，则起动岸电系统，使岸电系统向直流母线排输出差额电能。
[0164] 各个系统的运行方式具体为：
[0165] 参考图3，船舶多类型能源管理系统包括监控及能源管理总模块，监控及能源管理总模块与柴油发电控制器、风力发电控制器、波浪能发电控制器、光伏发电控制器、储能控制器、岸电控制器、各个可控DC/AC逆变器、各个可控DC/DC斩波器、各个可控AC/DC整流器均通过通讯线连接；
[0166] 船舶多类型能源管理系统包括监控及能源管理总模块以及6个管理子模块，分别为柴油发电系统管理子模块、风力发电系统管理子模块、光伏发电系统管理子模块、波浪能发电系统管理子模块、蓄电池储能系统管理子模块和岸电系统管理子模块；监控及能源管理总模块分别与各个管理子模块连接。
[0167] 每个管理子模块进行各自的系统检测与参数显示，进行各自系统的自动起动准备与自动起动逻辑
鉴别。
[0168] (1)监控及能源管理总模块通过风力发电系统管理子模块起动并运行风力发电系统，风力发电系统的起动及运行方式为：
[0169] 风力涡轮机和永磁发电机统称为风力发电机组；风力发电系统管理子模块控制风力发电机起动过程控制。当风力发电机组起动后，风力发电系统管理子模块检测风力发电机组的输出端电压值，当输出端电压值达到交流U2＝400VAC±10VAC时，表明风力发电机组已成功起动；然后，风力发电机组输出端电流经过可控AC/DC模块进行稳压控制，整流为直流610VDC±10VDC，最后经过自动空气断路器并入直流母线排，实现风力发电机组并网；
[0170] 另外，在风力发电系统起动和运行过程中，风力发电系统管理子模块对风机运转状态进行实时监控，包括风向、风力、振动和功率；风力发电系统管理子模块还具有大风浪海况下风机保护功能，即：大风浪海况下，自动切除风机并刹车保护。
[0171] (2)监控及能源管理总模块通过光伏发电系统管理子模块起动并运行光伏发电系统，光伏发电系统的起动及运行方式为：
[0172] 光伏发电系统管理子模块控制光伏发电系统起动过程。当光伏发电系统起动后，光伏发电系统管理子模块检测光伏发电组件的输出端电压值，当输出端电压值达到U3＝48VDC±5VDC时，表明光伏发电组件已成功起动；然后，光伏发电组件输出端电流经过双向可控DC/DC模块稳压控制，并变压为直流610VDC±10VDC，最后经过自动空气断路器并入直流母线排，实现光伏发电系统并网；
[0173] 另外，在光伏发电系统起动和运行过程中，光伏发电系统管理子模块实时检测到光伏发电系统运行状态，包括：光照强度、太阳能板温度、光伏电流和电压。
[0174] (3)监控及能源管理总模块通过波浪能发电系统管理子模块起动并运行波浪能发电系统，波浪能发电系统的起动及运行方式为：
[0175] 当波浪能发电系统起动后，波浪能发电系统管理子模块检测波浪能发电机组的输出端电压值，当输出端电压值达到交流电压U4＝24VAC±5VAC时，波浪能发电机组的输出端电流经过可控AC/DC模块稳压控制，整流为直流610VDC±10VDC，最后经过自动空气断路器并入直流母线排；
[0176] 另外，在波浪能发电系统起动和运行过程中，波浪能发电系统管理子模块对波浪能发电机组的运转状态进行实时监控，包括浪高、振动和功率。波浪能发电系统只能在船舶抛锚状况和船舶靠岸状况使用，对船舶具有减摇功能。
[0177] (4)监控及能源管理总模块通过柴油发电系统管理子模块起动并运行柴油发电系统，柴油发电系统的起动及运行方式为：
[0178] 柴油发电系统管理子模块进行船舶电力系统负荷计算，判断电网储备裕量是否超过30％，如果电网储备裕量低于30％，则自动起动柴油发电系统。当柴油发电系统起动后，柴油发电系统管理子模块检测柴油发电机组的输出端电压值，当输出端电压值达到交流U1＝440VAC±10VAC，再经过可控AC/DC模块稳压控制，整流为直流610VDC±10VDC，最后经过自动空气断路器并入直流母线排。
[0179] (5)监控及能源管理总模块通过蓄电池储能系统管理子模块控制蓄电池储能系统的运行状态，实现以下功能：1、稳定直流母线电压为Ud＝600VDC±10VDC；2、缓冲、平衡负载起停对电网的冲击；3、调节电网功率峰谷，确保柴油发电机组工作在最佳效率曲线点范围内；
[0180] 具体的，蓄电池组通过双向可控DC/DC、自动空气断路器接入直流母线排；当直流母线电压Ud≤590VDC时，蓄电池组经双向可控DC/DC向直流母线放电；当直流母线电压Ud≥610VDC时，直流母线电能经双向可控DC/DC向蓄电池组充电；从而维持直流母线电压Ud＝
600VDC±10VDC。
[0181] (6)监控及能源管理总模块通过岸电系统管理子模块起动并运行岸电系统；
[0182] 实际应用中，岸电包括低压岸电(岸电低于1kV)、中压岸电(岸电为1kV-52kV)和高压岸电(岸电高于52kV)三类，本发明的岸电系统具有自调节功能，能自动适应不同电压等级岸电系统。原因为：可调变压器(原边Y→副边Y+副边△)将不同电压等级的岸电变换为交流690VAC，该可调变压器还具有滤波功能。船舶靠岸需要接岸电时，只需按下“接岸电”按钮即可一键启动，可自动鉴别岸电准备条件、船电岸电连锁控制，船电岸电短时并网，进行船电向岸电负荷转移，经可控AC/DC整流模块、自动空气断路器ACB6并入直流母线排，岸电系统与绿色能源发电系统经直流母线联合为全船供电。
[0183] 船舶离岸时，只需按下“脱岸电”按钮即可一键启动，船电岸电短时并网，自动进行岸电向船电负荷转移，当岸电承担负荷为3％-5％时，自动空气断路器ACB6自动从直流母线排上脱开，切除岸电系统工作。
[0184] 综上所述，本发明提供的船舶多类型能源管理系统以及能源管理方法，具有以下创新点和优点：
[0185] (1)船舶多类型能源管理系统整合了柴油发电系统、风力发电系统、光伏发电系统、波浪能发电系统、蓄电池储能系统和岸电系统，实现多类供电系统在船舶上的综合利用；
[0186] (2)船舶多类型能源管理系统采用模块化、分布式设计，具有易维护和易扩展的优点；还可降低船舶电气设备重量与尺寸，可在机舱布置灵活，实现绿色能源发电方便地整合入船舶交直流混合电网系统；
[0187] (3)船舶多类型能源管理系统采用交直流混合电网系统集成化技术方案；
[0188] (4)船舶多类型能源管理系统以柴油机效率最佳为目标优化管理，提高船舶能效；
[0189] (5)蓄电池储能系统采用可充放电的蓄电池实现直流母线稳压，缓冲、平衡负载起停对电网的冲击，调节电网功率峰谷，确保柴油发电机组工作在最佳效率曲线点范围内；
[0190] (6)岸电系统具有
自动调节功能，能自动适应不同电压等级岸电，船舶接岸电或切除岸电，只需一键启动即可实现，操作方便。
[0191] 当前的船舶能源以柴油发电为主，双燃料柴油机发电和船舶混合动力应用不多，单一绿色能源在船舶上应用也尚处于实验阶段，缺少船舶多类型能源综合利用及管理系统的研究和技术。船舶利用绿色能源嵌入船舶主电网系统，缺少系统集成化设计和优化管理。而本发明提供的船舶多类型能源管理系统以及能源管理方法，解决了多类型绿色能源发电整合入船舶柴油发电系统的难点，优化了船舶多类型能源管理，提高船舶能效，实现节能减排，达到低碳经济可持续发展的根本目标；还解决了常规柴油机发电恒速下效率低的问题，使柴油机转速随负荷调节，确保柴油机热效率在最佳范围内。因此，本发明提供的船舶多类型能源管理系统填补了多类型绿色能源发电整合入船舶热能发电系统的技术空白，满足节能减排，应对全球气候变暖，可控制温室气体排放，保护大气环境，促进低碳经济的可持续发展。
[0192] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。
