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船用复合储能单元的 能量管理系统和方法

阅读：376发布：2021-11-09

专利汇可以提供船用复合储能单元的能量管理系统和方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了船用复合储能单元的能量管理系统，它的第一电流和电压采样模块采集负载电机电流和电压，第一电流和电压采样模块的采集数据输出端连接PI调节器的第一数据输入端，第二电流和电压采样模块采集发电机组的电流和电压，第二电流和电压采样模块的采集数据输出端连接比例积分调节器的第二数据输入端，比例积分调节器的输出端连接数字信号处理控制模块的反馈信号输入端，数字信号处理控制模块分别连接第一DC/DC转化器和第二DC/DC转化器的控制端，发电机组的电源输出端通过整流器连接直流母线，负载电机通过双向逆变器连接直流母线，数字信号处理控制模块连接双向逆变器的控制信号输入端。本发明能使发电机组的工作状态处于最佳能效状态。，下面是船用复合储能单元的能量管理系统和方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种利用船用复合储能单元的能量管理系统的能量管理方法，船用复合储能单元的能量管理系统包括复合储能单元(7)，该复合储能单元(7)包括电容组(8)、蓄电池组(9)、第一DC/DC转化器(10)、第二DC/DC转化器(11)，所述电容组(8)的电源接口通过第一DC/DC转化器(10)连接直流母线(12)，蓄电池组(9)的电源接口通过第二DC/DC转化器(11)连接直流母线(12)，其特征在于：它还包括整流器(1)、双向逆变器(2)、第一电流和电压采样模块(3)、第二电流和电压采样模块(4)、比例积分调节器(5)和数字信号处理控制模块(6)，其中，所述第一电流和电压采样模块(3)用于实时采集负载电机(13)的工作电流和工作电压，第一电流和电压采样模块(3)的采集数据输出端连接比例积分调节器(5)的第一数据输入端，第二电流和电压采样模块(4)用于实时采集发电机组(14)的输出电流和输出电压，第二电流和电压采样模块(4)的采集数据输出端连接比例积分调节器(5)的第二数据输入端，比例积分调节器(5)的输出端连接数字信号处理控制模块(6)的反馈信号输入端，数字信号处理控制模块(6)的DC/DC转化控制信号输出端分别连接第一DC/DC转化器(10)和第二DC/DC转化器(11)的控制端，发电机组(14)的电源输出端通过整流器(1)连接直流母线(12)，负载电机(13)的电能通道通过双向逆变器(2)连接直流母线(12)，数字信号处理控制模块(6)的双向逆变器控制信号输出端连接双向逆变器(2)的控制信号输入端；
利用船用复合储能单元的能量管理系统的能量管理方法，包括如下步骤：
步骤1：第一电流和电压采样模块(3)实时采集负载电机(13)的工作电流和工作电压，第二电流和电压采样模块(4)实时采集发电机组(14)的输出电流和输出电压，第一电流和电压采样模块(3)和第二电流和电压采样模块(4)将采集到的电流和电压数据传输给比例积分调节器(5)；
步骤2：比例积分调节器(5)将负载电机(13)的功率与发电机组(14)的功率进行比较：
当负载电机(13)的功率小于发电机组(14)的功率时，数字信号处理控制模块(6)控制双向逆变器(2)处于逆向工作状态，数字信号处理控制模块(6)控制第一DC/DC转化器(10)和第二DC/DC转化器(11)工作在Buck状态，把直流母线(12)中多余的电能通过对应的电容组(8)、蓄电池组(9)储存；
当负载电机(13)的功率大于发电机组(14)的功率时，数字信号处理控制模块(6)控制双向逆变器(2)处于正向工作状态，数字信号处理控制模块(6)控制第一DC/DC转化器(10)和第二DC/DC转化器(11)工作在Boost状态，电容组(8)和蓄电池组(9)中的能量释放到直流母线(12)中，再通过双向逆变器(2)提供给负载电机(13)；
当负载电机(13)的功率等于发电机组(14)的功率时，二者比较后的值为零，这时数字信号处理控制模块(6)只控制双向逆变器(2)处于正向工作状态，并通过控制第一DC/DC转化器(10)和第二DC/DC转化器(11)使电容组(8)和蓄电池组(9)处于不工作状态；
步骤3：当船舶制动时，负载电机(13)处于再生制动状态，负载电机(13)发电，数字信号处理控制模块(6)控制双向逆变器(2)处于逆向工作状态，电容组(8)和蓄电池组(9)储存能量，从而起到对发电机组(14)和船舶电网的调节作用。
2.根据权利要求1所述的能量管理方法，其特征在于：所述双向逆变器(2)为三相半桥电压型双向逆变器，所述三相半桥电压型双向逆变器包括半导体功率开关器件IGBT1～半导体功率开关器件IGBT6、保护熔断器FL、电阻R1～电阻R3、电容C11、和电感L1～电感L3，所述半导体功率开关器件IGBT1的集电极C、半导体功率开关器件IGBT2的集电极C和半导体功率开关器件IGBT3的集电极C连接，半导体功率开关器件IGBT1的发射极E与半导体功率开关器件IGBT4的集电极C连接，半导体功率开关器件IGBT2的发射极E与半导体功率开关器件IGBT5的集电极C连接，半导体功率开关器件IGBT3的发射极E与半导体功率开关器件IGBT6的集电极C连接，半导体功率开关器件IGBT4的发射极E、半导体功率开关器件IGBT5的发射极E和半导体功率开关器件IGBT6的发射极E连接，半导体功率开关器件IGBT1的发射极E依次通过电阻R1和电感L1连接负载电机(13)的第一相电源，半导体功率开关器件IGBT2的发射极E依次通过电阻R2和电感L2连接负载电机(13)的第二相电源，半导体功率开关器件IGBT3的发射极E依次通过电阻R3和电感L3连接负载电机(13)的第三相电源，半导体功率开关器件IGBT1的集电极C和半导体功率开关器件IGBT4的发射极E之间连接有电容C11，保护熔断器FL的一端连接直流母线(12)的一端，保护熔断器FL的另一端连接半导体功率开关器件IGBT1的集电极C，半导体功率开关器件IGBT2的发射极E也连接直流母线(12)的另一端，半导体功率开关器件IGBT1、半导体功率开关器件IGBT2、半导体功率开关器件IGBT3、半导体功率开关器件IGBT4、半导体功率开关器件IGBT5和半导体功率开关器件IGBT6的栅极G均连接数字信号处理控制模块(6)的双向逆变器控制信号输出端。
3.根据权利要求1所述的能量管理方法，其特征在于：所述第一DC/DC转化器(10)和第二DC/DC转化器(11)均为移相全桥DC/DC变换器，每个移相全桥DC/DC变换器均包括半导体功率开关器件IGBT7～半导体功率开关器件IGBT14、缓冲电容C1～缓冲电容C8、寄生电容C9和寄生电容C10，其中，半导体功率开关器件IGBT7的集电极C与半导体功率开关器件IGBT8的集电极C连接，半导体功率开关器件IGBT7的发射极E连接原边绕组的一端，半导体功率开关器件IGBT8的发射极E连接原边绕组的另一端；
半导体功率开关器件IGBT9的发射极E和半导体功率开关器件IGBT10的发射极E连接，半导体功率开关器件IGBT9的集电极C连接半导体功率开关器件IGBT7的发射极E，半导体功率开关器件IGBT10的集电极C连接半导体功率开关器件IGBT8的发射极E；
半导体功率开关器件IGBT11的集电极C与半导体功率开关器件IGBT12的集电极C连接，半导体功率开关器件IGBT11的发射极E连接副边绕组的一端，半导体功率开关器件IGBT12的发射极E连接副边绕组的另一端；
半导体功率开关器件IGBT13的发射极E和半导体功率开关器件IGBT14的发射极E连接，半导体功率开关器件IGBT13的集电极C连接半导体功率开关器件IGBT11的发射极E，半导体功率开关器件IGBT14的集电极C连接半导体功率开关器件IGBT12的发射极E；
半导体功率开关器件IGBT7的集电极C与发射极E之间连接缓冲电容C1，半导体功率开关器件IGBT8的集电极C与发射极E之间连接缓冲电容C3、半导体功率开关器件IGBT9的集电极C与发射极E之间连接缓冲电容C2、半导体功率开关器件IGBT10的集电极C与发射极E之间连接缓冲电容C4，半导体功率开关器件IGBT11的集电极C与发射极E之间连接缓冲电容C5，半导体功率开关器件IGBT12的集电极C与发射极E之间连接缓冲电容C7，半导体功率开关器件IGBT13的集电极C与发射极E之间连接缓冲电容C6，半导体功率开关器件IGBT14的集电极C与发射极E之间连接缓冲电容C8；
半导体功率开关器件IGBT7的集电极C与半导体功率开关器件IGBT9的发射极E之间连接寄生电容C9，半导体功率开关器件IGBT12的集电极C与半导体功率开关器件IGBT14的发射极E之间连接寄生电容C10；半导体功率开关器件IGBT7的集电极C与半导体功率开关器件IGBT9的发射极E之间连接直流母线(12)；
半导体功率开关器件IGBT7、半导体功率开关器件IGBT8、半导体功率开关器件IGBT9、半导体功率开关器件IGBT10、半导体功率开关器件IGBT11、半导体功率开关器件IGBT12、半导体功率开关器件IGBT13、半导体功率开关器件IGBT14的栅极G均连接数字信号处理控制模块(6)的DC/DC转化控制信号输出端；
第一DC/DC转化器(10)的半导体功率开关器件IGBT12的集电极C与半导体功率开关器件IGBT14的发射极E之间连接电容组(8)；
第二DC/DC转化器(11)的半导体功率开关器件IGBT12的集电极C与半导体功率开关器件IGBT14的发射极E之间连接蓄电池组(9)。
4.根据权利要求1所述的能量管理方法，其特征在于：所述数字信号处理控制模块(6)的控制信号输出端分别产生两对互补的PWM波形控制第一DC/DC转化器(10)和第二DC/DC转化器(11)。
5.根据权利要求1所述的能量管理方法，其特征在于：所述数字信号处理控制模块(6)包括信号调理模块(6.1)、数字信号处理器(6.2)和辅助电源(6.3)，所述比例积分调节器(5)的输出端连接信号调理模块(6.1)的反馈信号输入端，信号调理模块(6.1)的输出端连接数字信号处理器(6.2)的反馈信号输入端，数字信号处理器(6.2)的DC/DC转化控制信号输出端分别连接第一DC/DC转化器(10)和第二DC/DC转化器(11)的控制端，数字信号处理器(6.2)的双向逆变器控制信号输出端连接双向逆变器(2)的控制信号输入端，辅助电源(6.3)的电源输出端连接数字信号处理器(6.2)的电源输入端。
6.根据权利要求5所述的能量管理方法，其特征在于：所述信号调理模块(6.1)包括电流采样单元、抗混叠低通滤波单元和电平提升单元，其中，所述电流采样单元包括运算放大器A1、电容C12、电阻R4和电阻R5，运算放大器A1的同相输入端和反相输入端连接比例积分调节器(5)的输出端，运算放大器A1的输出端连接电阻R5的一端，运算放大器A1的反相输入端和输出端之间并联有电容C12和电阻R4；
所述抗混叠低通滤波单元包括运算放大器A2、电阻R6～电阻R8、电容C13和电容C14，其中，运算放大器A2的同相输入端通过电阻R6连接电阻R5的另一端，运算放大器A2的同相输入端还通过电容C14接地，运算放大器A2的反相输入端通过电阻R7接地，运算放大器A2的反相输入端与电阻R5的另一端之间串联电容C13和电阻R8；
所述电平提升单元包括运算放大器A3、电阻R9～R11、电容C15、电阻R12，其中，所述运算放大器A3的反相输入端通过电阻R10接地，运算放大器A3的同相输入端通过电阻R9连接运算放大器A2的输出端，运算放大器A3的同相输入端还通过电阻R11连接外接基准电压REF，运算放大器A3的反相输入端与输出端之间并联电容C15和电阻R12，运算放大器A3的输出端连接数字信号处理器(6.2)的反馈信号输入端。

说明书全文

船用复合储能单元的能量管理系统和方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电力推进船舶储能系统技术领域，具体地指一种船用复合储能单元的能量管理系统和方法。

背景技术

[0002] 随着社会经济的不断发展，能源危机和大气污染已经成为了当今社会发展的主要问题。虽然电力推进船舶在经济性和尾气排放方面较传统推进船舶具有一定的优势，但是仍然具有很大的改进空间。电力推进船舶大量应用了电力电子器件，其产生的大量谐波会造成船舶电网电能质量的降低，从而使船舶工作在不稳定状态。这不仅使发电机组不能很好地工作在理想经济状态，而且会降低船舶行驶的安全性。

[0003] 储能技术在电力推进船舶上的利用，不仅可以减小电网电压(电流)和功率的波动，提高电网电能质量，增强船舶行驶的安全性，而且使发电机组的工作状态处于最佳能效状态，提高能量利用率，降低污染物排放。

[0004] 复合储能技术要求储能系统具有能量密度高、功率密度大的特点，已经在电动汽车方面有一定程度的应用。超级电容器和各种动力电池配合组成的复合储能装置应用于汽车的电源启动系统，在汽车的启动、加速、制动过程中起到保护蓄电池和节约能源的作用。船舶行业近些年也进行了有关船舶储能技术的研究，但是大多研究都是单一的储能单元，不能满足储能系统能量密度高、功率密度大的需求，且储能装置只对电力推进船舶制动回馈能量进行储存，并没有涉及到利用储能系统对发电机组和船舶电网进行调节来维持电网的稳定、提高发电机组的经济性、降低尾气排放。

发明内容

[0005] 本发明的目的就是要提供一种船用复合储能单元的能量管理系统和方法，该系统和方法通过比较发电机组和负载电机的实时功率来控制复合储能系统的工作状态(充放电)，从而起到对发电机组和船舶电网的调节作用。不仅可以减小电网电压(电流)和功率的波动，提高电网电能质量，而且使发电机组的工作状态处于最佳能效状态，从而达到提高能量利用率，降低污染物排放的目的。

[0006] 为实现此目的，本发明所设计的船用复合储能单元的能量管理系统，它包括复合储能单元，该复合储能单元包括电容组、蓄电池组、第一DC/DC转化器、第二DC/DC转化器，所述电容组的电源接口通过第一DC/DC转化器连接直流母线，蓄电池组的电源接口通过第二DC/DC转化器连接直流母线，其特征在于：它还包括整流器、双向逆变器、第一电流和电压采样模块、第二电流和电压采样模块、比例积分调节器和数字信号处理控制模块，其中，所述第一电流和电压采样模块用于实时采集负载电机的工作电流和工作电压，第一电流和电压采样模块的采集数据输出端连接比例积分调节器的第一数据输入端，第二电流和电压采样模块用于实时采集发电机组的输出电流和输出电压，第二电流和电压采样模块的采集数据输出端连接比例积分调节器的第二数据输入端，比例积分调节器的输出端连接数字信号处理控制模块的反馈信号输入端，数字信号处理控制模块的DC/DC转化控制信号输出端分别连接第一DC/DC转化器和第二DC/DC转化器的控制端，发电机组的电源输出端通过整流器连接直流母线，负载电机的电能通道通过双向逆变器连接直流母线，数字信号处理控制模块的双向逆变器控制信号输出端连接双向逆变器的控制信号输入端。

[0007] 一种利用上述船用复合储能单元的能量管理系统的能量管理方法，其特征在于，它包括如下步骤：

[0008] 步骤1：第一电流和电压采样模块实时采集负载电机的工作电流和工作电压，第二电流和电压采样模块实时采集发电机组的输出电流和输出电压，第一电流和电压采样模块和第二电流和电压采样模块将采集到的电流和电压数据传输给比例积分调节器；

[0009] 步骤2：比例积分调节器将负载电机的功率与发电机组的功率进行比较：当负载电机的功率小于发电机组的功率时，数字信号处理控制模块控制双向逆变器处于逆向工作状态，数字信号处理控制模块控制第一DC/DC转化器和第二DC/DC转化器工作在Buck状态，把直流母线中多余的电能通过对应的电容组、蓄电池组储存；

[0010] 当负载电机的功率大于发电机组的功率时，数字信号处理控制模块控制双向逆变器处于正向工作状态，数字信号处理控制模块控制第一DC/DC转化器和第二DC/DC转化器工作在Boost状态，电容组和蓄电池组中的能量释放到直流母线中，再通过双向逆变器提供给负载电机；

[0011] 当负载电机的功率等于发电机组的功率时，二者比较后的值为零，这时数字信号处理控制模块只控制双向逆变器处于正向工作状态，并通过控制第一DC/DC转化器和第二DC/DC转化器使电容组和蓄电池组处于不工作状态；

[0012] 步骤3：当船舶制动时，负载电机处于再生制动状态，负载电机发电，数字信号处理控制模块控制双向逆变器处于逆向工作状态，电容组和蓄电池组储存能量，从而起到对发电机组和船舶电网的调节作用。

[0013] 本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：

[0014] 1.对发电机组进行调节，保证其工作在理想的经济状态下，提高了发电机组的经济性，降低了尾气排放。

[0015] 虽然电力推进船舶的发电机组比传统推进系统稳定，但是海洋是一个多变的环境，风浪对负载具有很大的影响，这就造成了发电机组工作在一个不稳定的状态。这时的发电机组会出现轻载或者过载的情况，这都会导致其经济性的下降，尾气排放的上升。本发明对发电机组和负载电机的电压和电流进行采集，通过比较判断船舶的工作状况，并通过复合储能系统(电容组和蓄电池组)的充放电对其进行调节，实现了发电机组工作在较为稳定的理想经济状态，从而提高了发电机组的经济性，降低了尾气排放。

[0016] 2.提高船舶电能质量，增强电网的稳定性

[0017] 风浪会对船舶的负载带来很大的扰动和不稳定性。该扰动和不稳定性会造成船舶电能参数的波动和电网的不稳定，甚至会导致严重的安全事故。传统的电力推进船舶采用相应的监测装置对电网的电能质量进行实时的监测，该方法只能起到监测作用，不能起到抑制作用。本发明通过复合储能装置(电容组和蓄电池组)的调节作用来降低电网系统的波动和不稳定，从而达到提高船舶电能质量，增强电网稳定性的目的。

[0018] 3.在电力推进船舶中提出了电容与蓄电池相结合的复合储能装置，对制动回馈能量进行了回馈再利用，提高了能量利用率。

[0019] 电力推进船舶的制动回馈能量导致直流母线的泵升电压，泵升电压将影响电力电子器件的正常工作。对于传统电力推进船舶，该部分能量通常采用消耗电阻进行处理，这样不仅浪费了这部分能量，而且消耗产生的大量热也会影响电力电子器件的正常工作。本发明提出的复合储能系统可以对这部分能量储存后再利用，不仅很好地提高了能量利用率，而且避免了电力电子器件因过热导致的异常工作情况的发生。附图说明

[0020] 图1是本发明的结构框图；

[0021] 图2是本发明中双向逆变器的电路图；

[0022] 图3是本发明中第一DC/DC转化器的电路图；

[0023] 图4为本发明中第二DC/DC转化器的电路图；

[0024] 图5为本发明中信号调理模块的电路图；

[0025] 其中，1—整流器、2、双向逆变器、3—第一电流和电压采样模块、4—第二电流和电压采样模块、5—比例积分调节器、6—数字信号处理控制模块、6.1—信号调理模块、6.2—数字信号处理器、6.3—辅助电源、7—复合储能单元，8—电容组、9—蓄电池组、10—第一DC/DC转化器、11—第二DC/DC转化器、12—直流母线、13—负载电机、14—发电机组。

具体实施方式

[0026] 以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

[0027] 如图1所述的船用复合储能单元的能量管理系统，它包括复合储能单元7，该复合储能单元7包括电容组8、蓄电池组9、第一DC/DC转化器10、第二DC/DC转化器11，所述电容组8的电源接口通过第一DC/DC转化器10连接直流母线12，蓄电池组9的电源接口通过第二DC/DC转化器11连接直流母线12，它还包括整流器1、双向逆变器2、第一电流和电压采样模块3、第二电流和电压采样模块4、比例积分调节器5(PI)和数字信号处理(DSP，Digital Signal Processing)控制模块6，其中，所述第一电流和电压采样模块3用于实时采集负载电机13的工作电流和工作电压，第一电流和电压采样模块3的采集数据输出端连接比例积分调节器5的第一数据输入端，第二电流和电压采样模块4用于实时采集发电机组14的输出电流和输出电压，第二电流和电压采样模块4的采集数据输出端连接比例积分调节器5的第二数据输入端，比例积分调节器5的输出端连接数字信号处理控制模块6的反馈信号输入端，数字信号处理控制模块6的DC/DC转化控制信号输出端分别连接第一DC/DC转化器10和第二DC/DC转化器11的控制端，发电机组14的电源输出端通过整流器1连接直流母线12，负载电机13的电能通道通过双向逆变器2连接直流母线12，数字信号处理控制模块6的双向逆变器控制信号输出端连接双向逆变器2的控制信号输入端。

[0028] 上述及时方案中，数字信号处理控制模块6用于控制复合储能系统的充放电，数字信号处理控制模块6还用于控制双向逆变系统的工作状态；复合储能系统与直流母线12相连，通过其充放电减少直流母线12电力参数的波动，同时调节发电机组14工作在最佳能效状态；功率反馈系统分别与发电机组14和负载电机13相连，用于比较发电机组14和负载电机13的实时功率，从而调节复合储能系统的工作状态和功率分配。

[0029] 上述技术方案中，整流器1和双向逆变器2组成变频器，

[0030] 上述技术方案中，第一DC/DC转化器10、第二DC/DC转化器11、电容组8和蓄电池组9组成复合储能系统，其结合了超级电容功率密度大、蓄电池能量密度大的特点；通过其充放电稳定直流母线电力参数的波动，优化电能质量，同时调节发电机组工作在最佳能效状态。其中DC/DC转化器采用移相全桥变换器，其通过软开关实现功率双向流动的目的，降低了开关管的能耗，其中开关管采用IGBT。采用144个参数为2.7V/600F的单体超级电容器组成参数为400V/4.5F的复合式超级电容器；蓄电池采用参数为336V/17AH的锂电池。

[0031] 上述技术方案中，所述双向逆变器2为三相半桥电压型双向逆变器，不仅可以使直流电网中的直流电转化为交流电供负载电机使用，还可以把制动回馈的交流电回馈到直流电网中，如图2所述，所述三相半桥电压型双向逆变器包括半导体功率开关器件IGBT1～半导体功率开关器件IGBT6、保护熔断器FL、电阻R1～电阻R3、电容C11、和电感L1～电感L3，所述半导体功率开关器件IGBT1的集电极C、半导体功率开关器件IGBT2的集电极C和半导体功率开关器件IGBT3的集电极C连接，半导体功率开关器件IGBT1的发射极E与半导体功率开关器件IGBT4的集电极C连接，半导体功率开关器件IGBT2的发射极E与半导体功率开关器件IGBT5的集电极C连接，半导体功率开关器件IGBT3的发射极E与半导体功率开关器件IGBT6的集电极C连接，半导体功率开关器件IGBT4的发射极E、半导体功率开关器件IGBT5的发射极E和半导体功率开关器件IGBT6的发射极E连接，半导体功率开关器件IGBT1的发射极E依次通过电阻R1和电感L1连接负载电机13的第一相电源，半导体功率开关器件IGBT2的发射极E依次通过电阻R2和电感L2连接负载电机13的第二相电源，半导体功率开关器件IGBT3的发射极E依次通过电阻R3和电感L3连接负载电机13的第三相电源，半导体功率开关器件IGBT1的集电极C和半导体功率开关器件IGBT4的发射极E之间连接有电容C11，保护熔断器FL的一端连接直流母线12的一端，保护熔断器FL的另一端连接半导体功率开关器件IGBT1的集电极C，半导体功率开关器件IGBT2的发射极E也连接直流母线12的另一端，半导体功率开关器件IGBT1、半导体功率开关器件IGBT2、半导体功率开关器件IGBT3、半导体功率开关器件IGBT4、半导体功率开关器件IGBT5和半导体功率开关器件IGBT6的栅极G均连接数字信号处理控制模块6的双向逆变器控制信号输出端。

[0032] 上述技术方案中，每相桥臂有2个半导体功率开关器件(IGBT)，2个续流二极管，通过控制开关管的状态就能控制变频器处于整流还是逆变状态。当船舶正常航行时，双向逆变器处于逆变状态，把直流母线的直流电转化为交流电供负载电机驱动负载使用；当船舶处于制动时，负载电机处于再生制动状态，双向逆变器处于整流状态，把负载电机发出的交流电转化为直流电并存储在复合储能系统。

[0033] 上述技术方案中，所述第一DC/DC转化器10和第二DC/DC转化器11均为移相全桥DC/DC变换器，如图3和图4所示，所述每个移相全桥DC/DC变换器均包括半导体功率开关器件IGBT7～半导体功率开关器件IGBT14、缓冲电容C1～缓冲电容C8、寄生电容C9和寄生电容C10，其中，半导体功率开关器件IGBT7的集电极C与半导体功率开关器件IGBT8的集电极C连接，半导体功率开关器件IGBT7的发射极E连接原边绕组的一端，半导体功率开关器件IGBT8的发射极E连接原边绕组的另一端；

[0034] 半导体功率开关器件IGBT9的发射极E和半导体功率开关器件IGBT10的发射极E连接，半导体功率开关器件IGBT9的集电极C连接半导体功率开关器件IGBT7的发射极E，半导体功率开关器件IGBT10的集电极C连接半导体功率开关器件IGBT8的发射极E；

[0035] 半导体功率开关器件IGBT11的集电极C与半导体功率开关器件IGBT12的集电极C连接，半导体功率开关器件IGBT11的发射极E连接副边绕组的一端，半导体功率开关器件IGBT12的发射极E连接副边绕组的另一端；

[0036] 半导体功率开关器件IGBT13的发射极E和半导体功率开关器件IGBT14的发射极E连接，半导体功率开关器件IGBT13的集电极C连接半导体功率开关器件IGBT11的发射极E，半导体功率开关器件IGBT14的集电极C连接半导体功率开关器件IGBT12的发射极E；

[0037] 半导体功率开关器件IGBT7的集电极C与发射极E之间连接缓冲电容C1，半导体功率开关器件IGBT8的集电极C与发射极E之间连接缓冲电容C3、半导体功率开关器件IGBT9的集电极C与发射极E之间连接缓冲电容C2、半导体功率开关器件IGBT10的集电极C与发射极E之间连接缓冲电容C4，半导体功率开关器件IGBT11的集电极C与发射极E之间连接缓冲电容C5，半导体功率开关器件IGBT12的集电极C与发射极E之间连接缓冲电容C7，半导体功率开关器件IGBT13的集电极C与发射极E之间连接缓冲电容C6，半导体功率开关器件IGBT14的集电极C与发射极E之间连接缓冲电容C8；

[0038] 半导体功率开关器件IGBT7的集电极C与半导体功率开关器件IGBT9的发射极E之间连接寄生电容C9，半导体功率开关器件IGBT12的集电极C与半导体功率开关器件IGBT14的发射极E之间连接寄生电容C10；半导体功率开关器件IGBT7的集电极C与半导体功率开关器件IGBT9的发射极E之间连接直流母线12；

[0039] 半导体功率开关器件IGBT7、半导体功率开关器件IGBT8、半导体功率开关器件IGBT9、半导体功率开关器件IGBT10、半导体功率开关器件IGBT11、半导体功率开关器件IGBT12、半导体功率开关器件IGBT13、半导体功率开关器件IGBT14的栅极G均连接数字信号处理控制模块6的DC/DC转化控制信号输出端；

[0040] 第一DC/DC转化器10的半导体功率开关器件IGBT12的集电极C与半导体功率开关器件IGBT14的发射极E之间连接电容组8；

[0041] 第二DC/DC转化器11的半导体功率开关器件IGBT12的集电极C与半导体功率开关器件IGBT14的发射极E之间连接蓄电池组9。

[0042] 上述技术方案中，所述数字信号处理控制模块6的控制信号输出端分别产生两对互补的PWM波形控制第一DC/DC转化器10和第二DC/DC转化器11。

[0043] 上述DC/DC转化器采用移相全桥变换器，其两端分别与直流母线12和电容组8(蓄电池组9)连接，主电路的原边和副边都有四个功率开关管(IGBT)、四个续流二极管和四个缓冲电容，其通过软开关实现功率双向流动的目的，降低了开关管的能耗。该DC/DC转化器可以工作在Buck(降压式变换电路)和Boost(升压斩波电路)状态下，当复合储能系统充电时，DC/DC转化器工作在Buck状态下，其电压增益为：

[0044]

[0045] 当复合储能系统放电时，DC/DC转化器工作在Boost状态下，其电压增益为：

[0046]

[0047] 式中：M为电压增益；

[0048] Uo为输出电压；

[0049] UI为输入电压；

[0050] Dc为开关管的占空比。

[0051] 其控制是通过DSP控制系统产生两对互补的PWM波形控制DC/DC，占空比可以通过设置DSP芯片的内部寄存器来设置。

[0052] 上述技术方案中，所述第一电流和电压采样模块3和第二电流和电压采样模块4均包括霍尔电压传感器和霍尔电流传感器，其中，第一电流和电压采样模块3的霍尔电压传感器和霍尔电流传感器用于实时采集负载电机13的工作电流和工作电压，第二电流和电压采样模块4的霍尔电压传感器和霍尔电流传感器用于实时采集发电机组14的输出电流和输出电压。

[0053] 上述技术方案中，所述第一电流和电压采样模块3和第二电流和电压采样模块4均包括霍尔电压传感器和霍尔电流传感器，其中，第一电流和电压采样模块3的霍尔电压传感器和霍尔电流传感器用于实时采集负载电机13的工作电流和工作电压，第二电流和电压采样模块4的霍尔电压传感器和霍尔电流传感器用于实时采集发电机组14的输出电流和输出电压。

[0054] 上述技术方案中，数字信号处理控制模块6包括信号调理模块6.1、数字信号处理器6.2和辅助电源6.3，所述比例积分调节器5的输出端连接信号调理模块6.1的反馈信号输入端，信号调理模块6.1的输出端连接数字信号处理器6.2的反馈信号输入端，数字信号处理器6.2的DC/DC转化控制信号输出端分别连接第一DC/DC转化器10和第二DC/DC转化器11的控制端，数字信号处理器6.2的双向逆变器控制信号输出端连接双向逆变器2的控制信号输入端，辅助电源6.3的电源输出端连接数字信号处理器6.2的电源输入端。

[0055] 本发明通过数字信号处理器6.2外设的比较单元输出PWM波形，从而控制复合储能系统的充放电。其中数字信号处理器6.2采用TI公司的TMS320X2812，它具有32位采样精度，采样周期为6.67ns，其外设具有两个事件管理器，每个事件管理器具有两个通用定时器、三个全比较单元、三个捕获单元，每个事件管理器可产生2路单独的PWM波形和3对互补的PWM波形，完全适合在本系统中使用；辅助电源采用5V电源输入TPS767D301芯片后输出为3.3V和1.8V供数字信号处理器6.2使用。

[0056] 所述的功率反馈系统采用霍尔电压传感器和霍尔电流传感器采样发电机组和负载电机的电压和电压，将两者进行比较后通过低通滤波器(LPF)对信号进行分配输入到DSP控制系统。

[0057] 上述技术方案中，如图5所示，所述信号调理模块6.1包括电流采样单元、抗混叠低通滤波单元和电平提升单元，其中，所述电流采样单元包括运算放大器A1、电容C12、电阻R4和电阻R5，运算放大器A1的同相输入端和反相输入端连接比例积分调节器5的输出端，运算放大器A1的输出端连接电阻R5的一端，运算放大器A1的反相输入端和输出端之间并联有电容C12和电阻R4；

[0058] 所述抗混叠低通滤波单元包括运算放大器A2、电阻R6～电阻R8、电容C13和电容C14，其中，运算放大器A2的同相输入端通过电阻R6连接电阻R5的另一端，运算放大器A2的同相输入端还通过电容C14接地，运算放大器A2的反相输入端通过电阻R7接地，运算放大器A2的反相输入端与电阻R5的另一端之间串联电容C13和电阻R8；

[0059] 所述电平提升单元包括运算放大器A3、电阻R9～R11、电容C15、电阻R12，其中，所述运算放大器A3的反相输入端通过电阻R10接地，运算放大器A3的同相输入端通过电阻R9连接运算放大器A2的输出端，运算放大器A3的同相输入端还通过电阻R11连接外接基准电压REF，运算放大器A3的反相输入端与输出端之间并联电容C15和电阻R12，运算放大器A3的输出端连接数字信号处理器6.2的反馈信号输入端。

[0060] 一种利用上述船用复合储能单元的能量管理系统的能量管理方法，它包括如下步骤：

[0061] 步骤1：第一电流和电压采样模块3实时采集负载电机13的工作电流和工作电压，第二电流和电压采样模块4实时采集发电机组14的输出电流和输出电压，第一电流和电压采样模块3和第二电流和电压采样模块4将采集到的电流和电压数据传输给比例积分调节器5；

[0062] 步骤2：比例积分调节器5将负载电机13的功率与发电机组14的功率进行比较：当负载电机13的功率小于发电机组14的功率时，数字信号处理控制模块6控制双向逆变器2处于逆向工作状态，数字信号处理控制模块6控制第一DC/DC转化器10和第二DC/DC转化器11工作在Buck状态，把直流母线12中多余的电能通过对应的电容组8、蓄电池组9储存；

[0063] 当负载电机13的功率大于发电机组14的功率时，数字信号处理控制模块6控制双向逆变器2处于正向工作状态，数字信号处理控制模块6控制第一DC/DC转化器10和第二DC/DC转化器11工作在Boost状态，电容组8和蓄电池组9中的能量释放到直流母线12中，再通过双向逆变器2提供给负载电机13；

[0064] 当负载电机13的功率等于发电机组14的功率时，二者比较后的值为零，这时数字信号处理控制模块6只控制双向逆变器2处于正向工作状态，并通过控制第一DC/DC转化器10和第二DC/DC转化器11使电容组8和蓄电池组9处于不工作状态；

[0065] 步骤3：当船舶制动时，负载电机13处于再生制动状态，负载电机13发电，数字信号处理控制模块6控制双向逆变器2处于逆向工作状态，电容组8和蓄电池组9储存能量，从而起到对发电机组14和船舶电网的调节作用。

[0066] 本发明采用的上述方法，不仅可以减小电网电压(电流)和功率的波动，提高电网电能质量，而且使发电机组14的工作状态处于最佳能效状态，从而达到提高能量利用率，降低污染物排放的目的。

[0067] 上述技术方案中，Buck状态和Boost状态是DC/DC转化器的两种工作状态，Buck状态是储能装置充电时的降压，Boost状态是放电时的升压。

[0068] 上述技术方案中，数字信号处理控制模块6包括信号调理模块6.1、数字信号处理器6.2和辅助电源6.3。通过比例积分调节器5调节后的调节信号通过信号调理模块6.1后调理为数字信号处理器6.2所能识别的有效信号，并输入到数字信号处理器6.2中。信号调理电路由三个部分组成，最左边为电流采样电路，其目的是把传感器采样的电流信号转换为电压信号，电阻R4为采样电阻，采样电阻与传感器输出电流信号的乘积即为相应的电压信号。在实际应用中，为了防止信号的失真，采样频率必须满足奈奎斯特采样定理。因此设计了中间的抗混叠低通滤波电路，其目的要防止频率的混叠。最右边为电平提升电路，目的是将通过抗混叠滤波电路后的信号的电压提升为所需的电压信号范围，以保证数字信号处理器6.2的正常工作。

[0069] 上述技术方案中，第一电流和电压采样模块3和第二电流和电压采样模块4采用霍尔电压传感器和霍尔电流传感器采样发电机组14和负载电机13的电压和电流，将两者进行比较后通过低通滤波器(LPF)对信号进行分配输入到DSP控制系统。超级电容具有功率密度高、能量密度低的特点，其瞬时响应较好，但是容量较小、稳态较差；而蓄电池则是能量密度高、功率密度低，具有较大的容量和较好的稳态性能。对采样的信号进行对比调节后通过巴特沃斯低通滤波器，其作用是把经比例积分(PI)调节后的信号进行滤波，把低频和高频区分开来，其中低频波供给蓄电池，高频波供给超级电容。高频波和低频波分别与相应的参考电流做对比进行比例积分调节后进入数字信号处理控制模块6，从而实现对复合储能系统的充放电。

[0070] 本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

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