一种内河船舶混合动力系统及运行控制方法与流程

1.本发明属于船舶动力技术领域，涉及一种内河船舶混合动力系统及运行控制方法，具体地说是涉及一种发电机组内燃机恒转速、输出恒定功率运行功能的船舶混合动力推进系统及运行控制方法。


背景技术：

2.目前内河船舶常采用传统主机轴系推进系统、纯柴电推进系统和带储能的柴电为主的混合推进系统。上述推进系统在目前内河船舶航行工况中存在以下不足。
3.传统主机轴系推进系统：主机绝大部分时间不在额定工况运行，主机平均输出功率远小于理论最小单位功率油耗对应输出功率，每单位功率油耗远高于理论最小值；主机输出功率频繁变化，主机在不同输出功率转换过程中，单位功率油耗平均值远远高于稳定运行工况油耗；主机存在大量怠速运行情况，空耗油而不输出功率。
4.纯柴电推进系统：发电机组可分档分批入列解列，缩小了输出功率和需用功率之间的差距，但发电机组内燃机未能在额定工况运行以及输出功率不断变化与传统主机轴系推进系统情况相同。
5.带储能的柴电为主的混合推进系统：通过储能系统的消纳，可使发电机组处于不同输出功率下的最佳单位功率油耗，或发电机组不同转速下的最佳单位功率油耗，但不能使发电机组内燃机恒转速恒功率输出，在最小单位功率油耗下运行。
6.综上所述，由于内河船舶航行工况复杂多变，航行推进功率频繁大幅变化，实际平均推进功率远远小于装船总功率，且存在内燃机怠速运行情况，导致船舶油耗大。
7.纯电推进虽是解决船舶节能和环保的方向，但目前船用电池的能量密度太低，远远不能满足相对大功率长航程内河船舶长时间续航的要求。


技术实现要素：

8.本发明针对目前内河船舶现有推进系统在内河船舶航行实际工况中存在的不足，提出一种内河船舶混合动力系统及运行控制方法，以公共母排蓄用统筹，通过调节电池储能模块充电或放电功率，使得系统发电机组内燃机能以最小理论单位功率油耗恒速运行，恒功率输出，并通过储能电池吐纳对发电机组发出功率进行充分利用，达到节能的目的；同时利用电池的储能作用在系统中加入光伏电能和风力电能作为系统辅助能源，解决目前船用电池续航时间不足的同时，进一步提升节能效果。
9.本技术提供的一种内河船舶混合动力系统采用如下技术方案：
10.一种内河船舶混合动力系统，包括内燃机发电模块、岸电模块、电机推进模块、电池储能模块、日用负载模块和公共母排；其特征在于：所述混合动力系统还包括中央运行控制单元和辅助清洁能源模块；所述内燃机发电模块、岸电模块、电机推进模块、电池储能模块、日用负载模块、辅助清洁能源模块均通过变电器与所述公共母排形成通电连接，所述中央运行控制单元通过信号控制线分别与所述内燃机发电模块、岸电模块、电机推进模块、电
池储能模块、日用负载模块、辅助清洁能源模块形成控制连接。
11.通过采用上述技术方案，利用电池的储能作用在系统中加入光伏电能和风力电能作为系统辅助能源，由公共母排蓄用统筹；中央运行控制单元通过信号控制线与内燃机发电模块、岸电模块、辅助清洁能源模块、电池储能模块、电机推进模块、日用负载模块进行功率、电能电量参数、工况等数据进行信息交互和逻辑运算，给各模块发送动作指令，通过变电器使主、辅电源和电池电能汇入公共母排及公共母排电能供给推进电机和日用负载，并实现主、辅电源和电池、推进电机和日用负载与公共母排之间的通断功能。
12.进一步的，所述辅助清洁电源模块由光伏电池板和风力发电机组成，光伏电池板和风力发电机设置在船舶甲板室顶部，分别通过光伏变电器和风电变电器与公共母排连接。
13.通过采用上述技术方案，光伏电池板和风力发电机利用船舶甲板室顶部空间进行安装，不占用船舶其它使用空间。
14.进一步的，所述电池储能模块中设有备用电池组接口和备用电池组。
15.通过采用上述技术方案，设置开放式动力系统，在实船布置备用电池组接口和备用电池组存放空间，以实现后期的迭代升级。
16.一种内河船舶混合动力系统运行控制方法，采用如下技术方案：
17.设置系统运行条件：电池储能模块设置充电、放电、不充不放三种状态；设电池储能模块最高剩余电量值和最低剩余电量值，电池充电过程中在没有达到最高剩余电量值时，不进入放电状态，电池放电过程中在没有达到最低剩余电量值时，不进入充电状态；内燃机发电机组中两台内燃机的输出恒定功率为p
发1恒
和p
发2恒
，发电机组内燃机在设定的恒定功率p
发1恒
和p
发2恒
下以恒速运行时单位输出功率油耗最小，同时内燃机发电机组输出的功率之和大于等于电机推进模块和日用负载模块最大需用功率之和；中央运行控制单元给出不同档位的前进/后退推进指令对应推进电机不同的推进需用功率p
推进
。
18.(1)航行模式运行控制方法
19.中央运行控制单元发出推进指令并获取推进指令对应的电机推进模块的需用功率p
推进
，获取日用负载模块的即时需用功率p
日用
和辅助清洁电源模块的即时供给公共母排功率p
清洁
；起航时，电池储能模块设定为放电状态，此时岸电模块、内燃机发电模块和电池储能模块的充电线路与公共母排断开，电池储能模块的放电线路和其它模块通过变电器与公共母排连通，当p
推进
+p
日用-p
清洁
小于电池储能模块的最大放电功率，内燃机发电模块不启动，由电池储能模块放电供电给推进电机模块和日用负载模块，即p
电池放
＝p
推进
+p
日用-p
清洁
，当p
推进
+p
日用-p
清洁
＞电池储能模块的最大放电功率，启动内燃机发电模块中的一台发电机组，这时调整电池储能模块放电功率p
电池放
＝p
推进
+p
日月-p
发1恒-p
清洁
，从而使投入运行的一台发电机组始终以恒定功率p
发1恒
及恒速运行，进而保证发电机组的内燃机输出的功率和转速为恒定值；当电池储能模块放电至设定的最低剩余电量值，电池储能模块转入充电状态，电池储能模块的放电线路与公共母排断开，电池储能模块的充电线路与公共母排连通，此时若p
推进
+p
日用-p
清洁
＜一台发电机恒定功率p
发1恒
，则运行一台发电机组，调节电池储能模块充电功率p
电池充
＝p
发1恒
+p
清洁-p
推进-p
日用
，从而使投入运行的一台发电机组始终以恒定功率p
发1恒
及恒速运行，进而保证发电机组的内燃机输出的功率和转速为恒定值；此时若p
推进
+p
日用-p
清洁
＞一台发电机恒定功率p
发1恒
，则同时运行第二台发电机组，调整电池储能模块充电功率p
电池充
＝p
发1恒
+p
发2恒
+
p
清洁-p
推进-p
日用
，从而使投入运行的两台发电机组始终以恒定功率p
发1恒
、p
发2恒
及恒速运行，进而保证发电机组的内燃机输出的功率和转速为恒定值；当电池储能模块充电至设定的最高剩余电量值，电池储能模块又转入放电状态，如此周而复始；电池储能模块放电或充电的功率大小始终随p
推进
、p
日用
、p
清洁
和投入运行发电机组的数量变化而变化；
20.(2)靠码头模式运行控制方法
21.中央运行控制单元获取日用负载模块的即时需用功率p
日用
、辅助清洁电源模块即时供给公共母排功率p
清洁
；内燃机发电模块、电机推进模块、电池储能模块的放电线路与公共母排断开，岸电模块、辅助清洁电源模块、电池储能模块的充电线路、日用负载模块与公共母排连通，岸电模块联合辅助清洁电源模块给日用负载模块供电的同时给电池储能模块充电，当电池储能模块充电至设定的最高剩余电量值时进入不充不放状态，电池储能模块的充电线路与公共母排断开；
22.(3)泊锚地模式运行控制方法
23.中央运行控制单元获取日用负载模块的即时需用功率p
日用
、辅助清洁电源模块即时供给公共母排的功率p
清洁
；电机推进模块、岸电模块与公共母排断开；辅助清洁能源模块、日用负载模块与公共母排连通；当p
清洁
＞p
日用
，电池储能模块的充电线路与公共母排连通，电池储能模块的放电线路与公共母排断开，电池储能模块为充电状态，辅助清洁能源模块除给日用负载模块供电外，剩余功率给电池储能模块充电；当p
清洁
＜p
日用
，电池储能模块为放电状态，电池储能模块的充电线路与公共母排断开，电池储能模块的放电线路与公共母排连通，电池储能模块联合辅助清洁能源模块给日用负载模块供电，当电池储能模块放电至设定的最低剩余电量值时，内燃机发电模块中的一台发电机组运行，电池储能模块转入充电状态，调节电池储能模块的充电功率p
电池充
＝p
发1恒-p
日用
，内燃机发电模块联合辅助清洁能源模块除给日用负载模块供电外，剩余功率给电池储能模块充电，并保证发电机组的内燃机输出的功率恒定为p
发1恒
和转速为恒定值，当电池储能模块充电至设定的最高剩余电量值时，内燃机发电模块的发电机组停止运行并与公共母排断开，电池储能模块又回到放电状态与辅助清洁能源模块联合给日用负载模块供电，如此循环。
24.通过采用上述技术方案，航行、靠码头、泊锚地模式均通过公共母排进行汇分统筹，根据电机推进模块、日用负载模块需用功率的变化，调节电池储能模块充电或放电的功率大小，使内燃机发电模块运行时各台发电机组输出恒定功率，且转速为恒定值，从而保证驱动各台发电机的内燃机输出的功率和转速为恒定值；同时通过电池储能模块吐纳电能实现对内燃机发电模块发出功率的充分利用。
25.进一步的，所述内燃机发电模块中发电机组的数量可以是单台或多台，每台发电机组的输出的恒定功率值不必相等；内燃机发电模块所配发电机组中输出最小一台的恒定功率≤电池储能模块的最大放电功率。
26.通过采用上述技术方案，满足柴电混动状态下和纯电推进状态下所有推进电机需求功率的要求。
27.进一步的，所述电机推进模块中，推进电机直接与螺旋桨驱动连接，或通过齿轮箱减速与螺旋桨驱动连接。
28.通过采用上述技术方案，满足推进电机转速与螺旋桨转速的匹配。
29.综上所述，本发明包括以下有益技术效果：
30.(1)使系统内燃机避免了输出功率不断变化导致的油耗增加，使系统内燃机始终运行在理论单位功率油耗最低点，避免了系统内燃机怠速空耗油的工况，并通过电池储能模块的吐纳使系统内燃机输出的功率被全部利用，从而大大降低了能耗；同时增加配置光伏电能和风力电能作为辅助能源，以及岸电储能进一步节约了能耗；解决了纯电推进因电池能量密度不足导致续航里程短的问题，同时也为从柴电混动过渡到纯电动力提供了方法和途径。
31.(2)本发明动力系统是可迭代升级的开放式系统，系统设置了备用电池组接口和备用电池组在实船的布置位置；系统在现阶段电池能量密度不足的情况下，以柴电能源为主，岸电能源、清洁能源为辅，在未来随着电池能量密度的提高，开航时从码头岸电带走的电量增加，逐步过渡到以岸电能源、清洁为主，柴电能源为辅，直至码头一次岸电充电能满足全航程电能需求，最终实现纯电推进。
32.(3)本系统应用于推进功率大幅频繁变化及实际平均使用推进功率远远小于全船装船总功率的船舶节能效果明显，应用于相对大功率长航程的内河船舶，节能效果更为显著。
附图说明
33.图1为本发明系统模块组成示意图。
34.图2为本发明系统连接结构示意图。
35.图3为传统主机推进系统组成结构示意图。
36.图中：内燃机发电模块a、岸电模块b、电机推进模块c、电池储能模块d、日用负载模块e、辅助清洁电源模块f、公共母排g、中央运行控制单元h、内燃机1、发电机变电器2、发电机3、风力发电机4、风电变电器5、光伏电池板6、光伏变电器7、岸电箱8、岸电变电器9、推进电机控制单元10、推进变电器11、螺旋桨12、齿轮箱13、推进电机14、负载变电器15、放电变电器16、充电变电器17、充电装置18、备用电池组19、电池控制单元20、电池组21。
具体实施方式
37.下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解这些实施方式仅用于说明本发明专利而不用于限制本发明专利的范围，在阅读了本发明专利之后，本领域技术人员对本发明专利的各种等价形式的修改均落于本技术所附权利要求所限定的范围。
38.具体实施方式
39.本实施例混动系统和传统主机推进系统均以内河1800t货船为施用对象，其年运行工况为：船舶设计最大航速10节，此时螺旋桨需用功率413.6kw，年平均航速5节，5节航速时螺旋桨需用功率51.7kw，日用负载最大需用功率19.2kw，航行时日用负载平均需用功率8.5kw，靠码头或泊锚地时日用负载平均需用功率4.5kw；每月航行210h，靠港4次共96h，泊锚地414h，即，每年航行2520h，共靠港48次1152h、泊锚地4968h。
40.如图3所示，为传统主机推进系统的组成示意图。图中两台主机分别通过传统轴系经齿轮箱减速驱动螺旋桨，两台发电机组发交流电并入公共母排经两台变压器中的任一台变压供电给日用负载使用。两台主机最大输出功率分别为220kw，主机通过轴系经齿轮箱至螺旋桨的传动效率为94％；两台发电机组的配置额定功率分别为24kw。
41.传统主机推进系统两台主机在每台输出功率为172kw时每kwh油耗最低，为206kg/kwh，船舶5节航速时的每台主机的输出功率为51.7/0.94/2＝27.5kw，主机在27.5kw输入时理论最低油耗为245kg/kwh。但由于内河船舶运行工况复杂，不间断的进行加速、减速、转弯、避让、急停、抢档、怠速等动作，再加上航行时上行下行水流不同、以及漩涡、涌溜，船舶均速航行工况几乎没有，导致主机从最高功率输出至最小功率输出之间不停的变化，或处于怠速空耗油状态。主机在这样的运行工况下，三个原因又会使主机单位kwh油耗额外增加：(一)主机在非额定工况低航速时，主机输出特性曲线与桨的需求特性曲线不能重合，导致主机输出功率大于螺旋桨需求功率，使主机被实际利用功率每kwh油耗远远大于理论最低油耗；(二)在船舶加速过程中，因要克服船舶加速度，主机实际输出功率的单位油耗是理论最佳油耗的数倍；(三)船舶在减速、空档滑行、备车或其它待动状态时，主机怠速，单位kwh油耗无限大，完全浪费；此三原因导致船舶主机年平均每kwh油耗又额外增加约150kg/kwh，使船舶主机年平均每kwh油耗达到395kg/kwh，几乎达到理论最低油耗的两倍。
42.如图2所示，传统主机推进系统中两台发电机也处于与两台主机类似的运行工况，但日用负载的变化幅度和频次要小于主机，传统系统发电机年平均每kwh油耗达约为300kg/kwh。
43.传统主机推进系统的运行工作工作状态为：在航行时，两台主机驱动螺旋桨，发电机组发电供日用负载使用，岸电不动作；靠码头时，主机和发电机组不工作，岸电供电给日用负载使用；泊锚地时，主机和岸电不工作，发电机组供电给日用负载使用。
44.传统主机推进系统全年能耗计算为：
45.全年航行状态能耗：燃油，主机2520
×
27.5
×2×
395
×
10-6
+副机2520
×
8.5
×
300+10-6
≈61.2t；
46.全年靠码头状态能耗：岸电，4.5
×
1152＝5184kwh；
47.传统系统全年泊锚地能耗：燃油，副机4968
×
4.5
×
300+10-6
≈6.7t；
48.由上统计，传统系统全年总耗能柴油67.9t，岸电5186kwh，以柴油7000元/t、岸电0.7元/kwh计，全年总能耗费用为：67.9
×
7000+5185
×
0.7≈478930元。
49.如图1-2所示，本实施例混动系统由内燃机发电模块a、岸电模块b、电机推进模块c、电池储能模块d、日用负载模块e、辅助清洁电源模块f、公共母排g、中央运行控制单元h组成。其中内燃机发电模块a由内燃机1、发电机变电器2、发电机3构成，内燃机1通过机械方式连接并驱动发电机3发电，发电机3、发电机变电器2、公共母排g之间依次用动力电缆连接；辅助清洁电源模块由风力发电机4、风电变电器5、光伏电池板6、光伏变电器7构成，风力发电机4、风电变电器5、公共母排g之间依次用动力电缆连接，光伏电池板6、光伏变电器7、公共母排g之间依次用电力电缆连接；岸电模块b由岸电箱8和岸电变电器9构成，岸电箱8、岸电变电器9、公共母排g之间依次用动力电缆连接；电池储能模块d由电池组21、备用电池组19、充电装置18、充电变电器17、放电变电器16、电池控制单元20构成，电池组21依次与充电装置18、充电变电器17以电力电缆连接于公共母排g，同时电池组21也通过放电变电器16以电力电缆连接于公共母排g；电池控制单元20分别通过控制电缆与电池组21、备用电池组19、充电装置18、充电变电器17、放电变电器16连接；电机推进模块c由推进变电器11、推进电机14、齿轮箱13、螺旋桨12、推进电机控制单元10构成，推进电机14、推进变电器11、公共母排g之间依次用动力电缆连接，推进电机14、齿轮箱13、螺旋桨12之间依次通过推进轴机
械连接，推进电机控制单元10分别通过控制电缆与推进变电器11、推进电机14连接；日常负载模块e由负载变电器15和日用负载构成，日用负载、负载变电器15、公共母排g之间依次用动力电缆连接，日用负载、负载变电器15、公共母排g之间依次用动力电缆连接；中央运行控制单元h分别通过控制电缆与内燃机1、发电机3、发电机变电器2、风电变电器5、光伏变电器7、岸电变电器9、电池控制单元20、推进电机控制单元10、负载变电器15连接。
50.如图1-2所示，本实施例混动系统在内河1800t货船应用的具体配置和设定是：
51.内燃机1是柴油机，发电机3是交流永磁发电机，发电机变电器2是整流变压器，推进变电器11是变频逆变器，推进电机14是交流永磁电机，因交流永磁电机能调节转速至螺旋桨转速要求，故不配置齿轮箱13；电池组21采用磷酸铁锂电池，充电变电器17、放电变电器16为变压器；风电变电器5、光伏变电器7、岸电变电器9为整流变压器；负载变电器15为逆变器；公共母排g为直流母线。
52.发电机变电器2、风电变电器5、光伏变电器7、岸电箱8、岸电变电器9、放电变电器16分别使发电机电能、风电电能、光伏电能和电池放电电能的电制和电能参数转变成与公共母排g一致，能使发电机电能、风电电能、光伏电能和电池放电电能汇入公共母排，并执行发电机电能、风电电能、光伏电能和电池放电线路与公共母排之间的通断功能；充电变电器17、推进变电器11、负载变电器15分别将公共母排电制和电能参数转变成推进电机、日用负载和电池充电需用电制和电能参数，使公共母排电能输送给推进电机、日用负载使用和电池储能模块充电，并执行公共母排与推进电机、日用负载和电池充电线路之间的通断功能。
53.中央运行控制单元h，通过信号控制线与内燃机发电模块a、岸电模块b、辅助清洁能源模块f、电池储能模块d、电机推进模块c、日常负载模块e进行功率、电能电量参数、工况等数据、信息交互，进行逻辑运算，给各模块发送动作、运行指令，并控制系统运行。
54.根据目前通用效率水平，设定发电机内燃机至发电机的效率为98％，发电机不经锂电池到螺旋桨或日用负载的总效率为88％，发电机经过锂电池到螺旋桨或日用负载的总效率为80％,锂电池放电到螺旋桨或日用负载的总效率为88％，锂电池充电总效率为88％；两台发电机3的负载率定为80％；两台内燃机1的恒定输出功率设定为p
发1恒
＝p
发2恒
＝(220
×2×
94％+19.2)/98％/88％/2≈251kw，两台内燃机在251kw功率恒定输出时单位kwh油耗最低，为206kg/kwh，转速恒定为1500rpm；电池组21总容量设定为167kwh，最高剩余电量设为80％，最低剩余电量设为20％，最大充电或放电量约为100kwh；在船舶甲板室顶部配12台风力发电机和45m2光伏电板，每台风力发电机400w，每台每年可相当于满负荷运行120天，每平方光伏电板平均每天约发电1kwh，光伏电能和风电能及岸电充电电能到螺旋桨或日用负载的总效率为80％，光伏电能和风电能通过变电器进入公共母排g供给推进电机、负载使用或由电池储存，使光伏电能和风电能成为系统辅助能源。设定电池储能模块放电功率p
电池放
最大等于一台发电机组输出的恒定功率值p
发1恒
×
98％；中央运行控制单元给电机推进模块前进后退不同档位的推进指令，不同的推进指令对应推进电机相应的推进需用功率p
推进
，p
推进
最小为零kw，最大为413.6kw。
55.本实施例混动系统在1800t内河货船的应用，有充电、放电、不充不放三种状态，电池充电在没有达到最高剩余电量值时，不可转变为放电状态，电池放电在没有达到最低剩余电量值时，不可转变为充电状态。
56.本实施例混动系统在1800t内河货船的应用，运行控制方法，分为航行、靠码头、泊
锚地三种模式，具体如下：
57.航行模式的运行控制为：
58.设定起航时，电池储能模块为放电状态，假设中央运行控制单元h发出推进指令，指令对应的电机推进模块需用功率p
推进
＝80kw，日用负载模块即时需用功率p
日用
＝8.5kw和辅助清洁电源模块即时供给公共母线功率p
清洁
＝5kw；此时岸电模块、内燃机发电模块和电池储能模块充电线路与公共母线断开，电池储能模块放电线路和其它模块通过变电器与公共母线连通，此状态下p
推进
+p
日用-p
清洁
80％＝80+8.5-5*80％＝84.5kw小于电池储能模块最大有效放电功率217kw(p
发1恒
×
98％
×
88％)，内燃机发电模块不启动，由电池储能模块放电供电给推进电机模块和日用负载模块，即p
电池放
＝(p
推进
+p
日用-p
清洁
)/88％；启航时，电池储能模块为放电状态，若中央运行控制单元h推进指令对应的电机推进模块需用功率调整为p
推进
＝280kw，p
推进
+p
日用-p
清洁
80％＝280+8.5-5*80％＝284.5kw，大于电池储能模块最大有效放电功率217kw(p
发1恒
×
98％
×
88％)，内燃机发电模块启动一台发电机组，这时调整电池储能模块放电功率p
电池放
＝(p
推进
+p
日月-p
发1恒
×
98％
×
88％-p
清洁
×
80％)/88％，从而使投入运行的一台发电机组内燃机始终以恒定功率p
发1恒
及恒速运行。
59.当电池储能模块放电至设定的最低剩余电量值，电池储能模块转入充电状态，电池储能模块放电线路与公共母线断开，电池储能模块充电线路与公共母线连通，假设中央运行控制单元h发出推进指令，指令对应的电机推进模块需用功率p
推进
＝80kw，日用负载模块即时需用功率p
日用
＝8.5kw和辅助清洁电源模块即时供给公共母线功率p
清洁
＝5kw；此时p
推进
+p
日用-p
清洁
80％＝80+8.5-5*80％＝84.5kw小于一台发电机组有效输出功率217kw(p
发1恒
×
98％
×
88％)，则运行一台发电机组，调节电池储能模块充电功率p
电池充
＝(p
发1恒
×
98％
×
88％+p
清洁
×
80％-p
推进-p
日用
)/88％，从而使投入运行的一台发电机组内然机始终以恒定功率p
发1恒
及恒速运行；若假设中央运行控制单元h推进指令对应的电机推进模块需用功率调整为p
推进
＝280kw，p
推进
+p
日用-p
清洁
80％＝280+8.5-5*80％＝284.5kw，大于一台发电机组有效输出功率217kw(p
发1恒
×
98％
×
88％)，则运行二台发电机组，调整电池储能模块充电功率p
电池充
＝(p
发1恒
×
98％
×
88％+p
发2恒
×
98％
×
88％+p
清洁
×
80％-p
推进-p
日用
)/88％，从而使投入运行的二台发电机组内燃机始终以恒定功率p
发1恒
、p
发2恒
及恒速运行。
60.当电池储能模块充电至设定的最高剩余电量值，电池储能模块又转入放电状态，如此周而复始。电池储能模块放电或充电的功率大小始终随p
推进
、p
日用
、p
清洁
和投入运行发电机组的数量变化而变化。
61.靠码头模式的运行控制为：
62.中央运行控制单元h进入靠码头模式，假设日用负载模块即时需用功率p
日用
＝4.5kw、辅助清洁电源模块即时供给公共母线功率p
清洁
＝5kw；内燃机发电模块、电机推进模块、电池储能模块放电线路与公共母排断开，岸电模块、辅助清洁电源模块、电池储能模块充电线路、日用负载模块与公共母线连通，岸电模块联合辅助清洁电源模块给日用模块供电的同时给电池储能模块充电，当电池储能模块充电至设定的最高剩余电量值时进入不充不放状态，电池储能模块充电线路与公共母排断开。
63.泊锚地模式的运行控制为：
64.中央运行控制单元h进入泊锚地模式，电机推进模块、岸电模块与公共母排断开，辅助清洁能源模块、日用负载模块与公共母线连通；若日用负载模块即时需用功率p
日用
＝
4.5kw、辅助清洁电源模块即时供给公共母线功率p
清洁
＝6kw；即辅助清洁电源模块即时供给负载有效功率p
清洁
＝6
×
80％＝4.8kw大于p
日用
，电池储能模块充电线路与公共母排连通，电池储能模块放电线路与公共母排断开，电池储能模块为充电状态，辅助清洁能源模块除给日用负载模块供电外，剩余功率给电池储能模块充电；若日用负载模块即时需用功率p
日用
＝4.5kw、辅助清洁电源模块即时供给公共母线功率p
清洁
＝4kw；即辅助清洁电源模块即时供给负载有效功率p
清洁
＝4
×
80％＝3.2kw小于p
日用
，电池储能模块为放电状态，电池储能模块充电线路与公共母排断开，电池储能模块放电线路与公共母排连通，电池储能模块联合辅助清洁能源模块给日用负载模块供电，当电池储能模块放电至设定的最低剩余电量值时，内燃机发电模块一台发电机组运行，电池储能模块转入充电状态，调节电池储能模块充电功率，使投入使用发电机组内燃机以p
发1恒
以恒功率恒转速运行，此时内燃机发电模块联合辅助清洁能源模块除给日用负载模块供电外，剩余功率给电池储能模块充电，当电池储能模块充电至设定的最高剩余电量值时，内燃机发电模块发电机组停止运行并与公共母线断开，电池储能模块又回到放电状态与辅助清洁能源模块联合给日用负载模块供电，如此循环。
65.本实施例混动系统应用在1800t内河船舶的能耗计算：
66.全年航行状态能耗：
67.a.全年航行状态能耗需求：(51.7+8.5)
×
2520≈151704kwh；
68.b.全年48次靠码头带走在航行时使用岸电电能：48
×
100＝4800kwh；
69.c.全年航行时光伏提供的电能：45
×1×
365
×
(2520/24/365)≈4725kwh；
70.d.全年航行时风电提供的电能：
71.12
×
0.4
×
24
×
120
×
(2520/24/365)≈3976kwh；
72.e.全年航行时需要内燃机发电机组提供的电能：
73.e＝a-b
×
80％-c
×
80％-d
×
80％＝151740-4800
×
80％-4725
×
80％-3976
×
80％≈140939kwh；
74.由上述可知，发电机组永远在最低油耗206kg/kwh运行，发电机组所供电能在航行状态约20％直供螺旋桨，约80％经电池储能后供螺旋桨，则发电机组内燃机在全年航行时消耗的燃油为：
75.(140939
×
20％/88％+140939
×
80％/80％)
×
206
×
10-6
≈35.6t
76.全年航行状态能耗为35.6t燃油加4800kwh岸电。
77.全年靠码头状态能耗：
78.a.全年靠码头状态能耗需求：4.5
×
1152＝5184kwh；
79.b.靠码头时光伏提供的电能：45
×1×
365
×
(1152/24/365)≈2160kwh；
80.c.靠码头时风电提供的电能：
81.12
×
0.4
×
24
×
120
×
(1152/24/365)≈1818kwh；
82.d.靠码头时岸电提供的电能：
83.d＝(a-b
×
80％-c
×
80％)/80％＝(5184-2160
×
80％-1818
×
80％)/80％＝2502kwh；
84.全年靠码头状态能耗为2502kwh岸电。
85.全年泊锚地状态能耗：
86.a.全年泊锚地状态能耗需求：4.5
×
4968＝22356kwh；
87.b.全年泊锚地时光伏提供的电能：45
×1×
365
×
(4968/24/365)≈9315kwh；
88.c.全年泊锚地时风电提供的电能：
89.12
×
0.4
×
24
×
120
×
(4968/24/365)≈7839kwh；
90.d.全年泊锚地时需要内燃机发电机组提供的电能：
91.d＝a-b
×
80％-c
×
80％＝22356-9315
×
80％-7839
×
80％≈8633kwh；
92.由上述可知，发电机组永远在最低油耗206kg/kwh运行，发电机组所供电能在泊锚地状态约10％直供日用负载，约90％经电池储能后供日用负载，则发电机组内燃机在全年泊锚地时消耗的燃油为：
93.(8633
×
10％/88％+8633
×
90％/80％)
×
206
×
10-6
≈2.2t
94.全年泊锚地状态能耗为2.2t。
95.由上统计，本发明实施例混动系统应用在1800t内河货船全年总能耗：燃油37.8t，岸电7302kwh。
96.本实施例混合动力系统与传统主机推进系统全年能耗对照如下：
[0097][0098]
由上表可知本实施例混动系统在1800t内河货船上应用比传统主机推进系统可节省能耗成本43.68％。
[0099]
综上所述，本发明实现了以公共母排进行汇分统筹，根据电机推进模块、日常负载模块需用功率的变化，调节电池储能模块充电或放电的功率大小，使内燃机发电模块运行时各台发电机组输出恒定功率，且转速为恒定值，从而保证驱动各台发电机的各台内燃机始终运行在理论最小单位输出功率油耗最低值的恒定输出功率和恒定运行转速；同时通过电池储能模块吐纳电能实现对内燃机发电模块发出功率的充分利用。光伏电能和风电电能加入本发明系统中，又进一步增加了节能效果。
[0100]
本发明系统针对内河船舶推进功率大幅频繁变化及实际平均使用推进功率远远小于全船装船总功率的航行工况特点，有显著的节能效果，船舶推进功率变化幅度越大、变化频次越高、实际平均使用功率与装船总功率相差越大，节能效果越好。
[0101]
本发明系统是开放的，可迭代升级，系统设置了备用电池组接口和备用电池组在实船的布置位置；系统在现阶段电池能量密度不足的情况下，以柴电能源为主，岸电能源、清洁能源为辅，在未来随着电池能量密度的提高，开航时从码头岸电带走的电量增加，逐步
过渡到以岸电能源、清洁为主，柴电能源为辅，直至码头一次岸电充电能满足全航程电能需求，最终实现纯电推进。

技术特征：
1.一种内河船舶混合动力系统，包括内燃机发电模块(a)、岸电模块(b)、电机推进模块(c)、电池储能模块(d)、日用负载模块(e)和公共母排(g)；其特征在于：所述混合动力系统还包括中央运行控制单元(h)和辅助清洁能源模块(f)；所述内燃机发电模块(a)、岸电模块(b)、电机推进模块(c)、电池储能模块(d)、日用负载模块(e)、辅助清洁能源模块(f)均通过变电器与所述公共母排(g)形成通电连接，所述中央运行控制单元(h)通过信号控制线分别与所述内燃机发电模块(a)、岸电模块(b)、电机推进模块(c)、电池储能模块(d)、日用负载模块(e)、辅助清洁能源模块(f)形成控制连接。2.根据权利要求1所述的一种内河船舶混合动力系统，其特征在于：所述辅助清洁电源模块(f)由光伏电池板(6)和风力发电机(4)组成，光伏电池板(6)和风力发电机(4)设置在船舶甲板室顶部，分别通过光伏变电器(7)和风电变电器(5)与公共母排(g)连接。3.根据权利要求1所述的一种内河船舶混合动力系统，其特征在于：所述电池储能模块(d)中设有备用电池组接口和备用电池组(19)。4.一种内河船舶混合动力系统运行控制方法，其特征在于，利用权利要求1-3任意一项所述的内河船舶混合动力系统，控制方法如下：设置系统运行条件：电池储能模块(d)设置充电、放电、不充不放三种状态；设电池储能模块(d)最高剩余电量值和最低剩余电量值，电池充电过程中在没有达到最高剩余电量值时，不进入放电状态，电池放电过程中在没有达到最低剩余电量值时，不进入充电状态；内燃机发电模块(a)中两台内燃机的输出恒定功率为p
发1恒
和p
发2恒
，发电机组内燃机在设定的恒定功率p
发1恒
和p
发2恒 以恒速运行时单位输出功率油耗最小，同时内燃机发电机组输出的功率之和大于等于电机推进模块和日用负载模块最大需用功率之和；中央运行控制单元给出不同档位的前进/后退推进指令对应推进电机不同的推进需用功率p
推进
；(1)航行模式运行控制方法中央运行控制单元(h)发出推进指令并获取推进指令对应的电机推进模块(c)的需用功率p
推进
，获取日用负载模块(e)的即时需用功率p
日用
和辅助清洁电源模块(f)的即时供给公共母排功率p
清洁
；起航时，电池储能模块(d)设定为放电状态，此时岸电模块(b)、内燃机发电模块(a)和电池储能模块(d)的充电线路与公共母排(g)断开，电池储能模块(d)的放电线路和其它模块通过变电器与公共母排(g)连通，当p
推进
+p
日用-p
清洁
小于电池储能模块(d)的最大放电功率，内燃机发电模块(a)不启动，由电池储能模块(d)放电供电给推进电机模块(c)和日用负载模块(e)，即p
电池放
=p
推进
+p
日用-p
清洁
，当p
推进
+p
日用-p
清洁
＞电池储能模块(d)的最大放电功率，启动内燃机发电模块(a)中的一台发电机组，这时调整电池储能模块(d)放电功率p
电池放
=p
推进
+p
日月-p
发1恒-p
清洁
，从而使投入运行的一台发电机组始终以恒定功率p
发1恒
及恒速运行，进而保证发电机组的内燃机输出的功率和转速为恒定值；当电池储能模块(d)放电至设定的最低剩余电量值，电池储能模块(d)转入充电状态，电池储能模块(d)的放电线路与公共母排(g)断开，电池储能模块(d)的充电线路与公共母排(g)连通，此时若p
推进
+p
日用-p
清洁
＜一台发电机恒定功率p
发1恒
，则运行一台发电机组，调节电池储能模块(d)充电功率p
电池充
=p
发1恒
+p
清洁-p
推进-p
日用
，从而使投入运行的一台发电机组始终以恒定功率p
发1恒
及恒速运行，进而保证发电机组的内燃机输出的功率和转速为恒定值；此时若p
推进
+p
日用-p
清洁
＞一台发电机恒定功率p
发1恒
，则同时运行第二台发电机组，调整电池储能模块充电功率p
电池充
=p
发1恒
+p
发2恒
+p
清洁-p
推进-p
日用
，从而使投入运行的两台发电机组始终以恒定功率p
发1恒
、p
发2恒
及恒速运行，进而保证发电
机组的内燃机输出的功率和转速为恒定值；当电池储能模块(d)充电至设定的最高剩余电量值，电池储能模块(d)又转入放电状态，如此周而复始；电池储能模块(d)放电或充电的功率大小始终随p
推进
、p
日用
、p
清洁
和投入运行发电机组的数量变化而变化；(2)靠码头模式运行控制方法中央运行控制单元(h)获取日用负载模块(e)的即时需用功率p
日用
、辅助清洁电源模块(f)即时供给公共母排功率p
清洁
；内燃机发电模块(a)、电机推进模块(c)、电池储能模块(d)的放电线路与公共母排(g)断开，岸电模块(b)、辅助清洁电源模块(f)、电池储能模块(d)的充电线路、日用负载模块(e)与公共母排(g)连通，岸电模块(b)联合辅助清洁电源模块(f)给日用负载模块(e)供电的同时给电池储能模块(d)充电，当电池储能模块(d)充电至设定的最高剩余电量值时进入不充不放状态，电池储能模块(d)的充电线路与公共母排(g)断开；(3)泊锚地模式运行控制方法中央运行控制单元(h)获取日用负载模块(e)的即时需用功率p
日用
、辅助清洁电源模块(f)即时供给公共母排的功率p
清洁
；电机推进模块(c)、岸电模块(b)与公共母排(g)断开；辅助清洁能源模块(f)、日用负载模块(e)与公共母排(g)连通；当p
清洁
＞p
日用
，电池储能模块(d)的充电线路与公共母排(g)连通，电池储能模块(d)的放电线路与公共母排(g)断开，电池储能模块(d)为充电状态，辅助清洁能源模块(f)除给日用负载模块(e)供电外，剩余功率给电池储能模块(d)充电；当p
清洁
＜p
日用
，电池储能模块(d)为放电状态，电池储能模块(d)的充电线路与公共母排(g)断开，电池储能模块(d)的放电线路与公共母排(g)连通，电池储能模块(d)联合辅助清洁能源模块(f)给日用负载模块(e)供电，当电池储能模块(d)放电至设定的最低剩余电量值时，内燃机发电模块(a)中的一台发电机组运行，电池储能模块(d)转入充电状态，调节电池储能模块(d)的充电功率p
电池充
=p
发1恒-p
日用
，内燃机发电模块(a)联合辅助清洁能源模块(f)除给日用负载模块(e)供电外，剩余功率给电池储能模块(d)充电，并保证发电机组的内燃机输出的功率恒定为p
发1恒
和转速为恒定值，当电池储能模块(d)充电至设定的最高剩余电量值时，内燃机发电模块(a)的发电机组停止运行并与公共母排(g)断开，电池储能模块(d)又回到放电状态与辅助清洁能源模块(f)联合给日用负载模块(e)供电，如此循环。5.根据权利要求4所述的一种内河船舶混合动力系统运行控制方法，其特征在于：所述内燃机发电模块(a)中发电机组的数量可以是单台或多台，每台发电机组的输出的恒定功率值不必相等；电池储能模块的最大放电功率≥内燃机发电模块所配发电机组中输出最小一台的恒定功率。6.根据权利要求4所述的一种内河船舶混合动力系统运行控制方法，其特征在于：所述电机推进模块(c)中，推进电机(14)直接与推进器(12)驱动连接，或通过齿轮箱减速与推进器(12)驱动连接。

技术总结
一种内河船舶混合动力系统及运行控制方法，属于船舶动力技术领域，系统由公共母排对全船电能进行汇分统筹，通过调节电池储能模块充电或放电功率，使系统发电机组可恒定功率输出，并进一步使发电机组内燃机在单位输出功率最小油耗状态下恒速恒功率运行，同时通过电池吐纳对发电机组发出功率充分利用，从而达到节能目的；同时利用公共母排的吸纳统筹和电池储能模块的储能功能，在系统中加入了光伏、风电清洁能源作为辅助电能，进一步扩大了节能效果；同时本系统能够升级，从柴电混动最终实现纯电推进。本系统配置科学和运行控制方法原理清晰，实船布置灵活方便，节能效果显著，易于实施。施。施。


技术研发人员：董永岗 董俊 华娟 周力
受保护的技术使用者：扬州永诚钢结构有限公司
技术研发日：2022.11.23
技术公布日：2023/4/5