本發明涉及船舶電力系統，具體為基于復合儲能的船舶綜合電力系統。

背景技術：

1、隨著全球航運業向綠色、智能化方向發展，船舶綜合電力系統已成為現代船舶電力系統的重要趨勢。ips通過將發電設備、儲能單元和負載單元集成到統一的電力管理平臺，實現了電能的集中分配和高效利用。然而，傳統船舶綜合電力系統在能效、動態響應能力、儲能技術和環保性能等方面仍然存在諸多不足。

2、首先，傳統船舶電力系統的能源利用效率較低，主要依賴柴油發電機等機械設備提供基礎能源。這些設備在負載波動較大或瞬時功率需求較高的工況下運行效率顯著下降，導致燃油消耗過高，能源浪費嚴重。同時，負載的動態特性，例如推進電機啟動時的大功率需求、海況變化引起的負載波動等，常常超過傳統發電設備的動態響應能力，造成系統不穩定甚至電能供應中斷。

3、其次，單一儲能設備的應用在應對復雜負載需求時存在局限性。鋰電池雖然具有較高的能量密度，但在高頻次大功率充放電時容易加速壽命衰減；超級電容雖然響應速度快，但能量密度較低，難以獨立支撐長時間的負載需求。此外，儲能設備在高動態工況下的熱管理、故障保護和健康狀態監測技術不足，也進一步限制了其在船舶領域的可靠性和壽命。

4、此外，隨著國際海事組織對船舶污染物和碳排放標準的逐步提升，傳統的柴油機發電設備因高碳排放和污染物排放問題，難以滿足現代船舶行業的環保要求。因此，利用可再生能源（如光伏和風能）并結合高效的儲能技術，成為滿足船舶低碳化、綠色化發展需求的重要方向。

5、最后，現有的能量管理策略多基于固定規則和簡單算法，無法動態適應船舶運行過程中復雜多變的負載需求。這些系統通常缺乏對未來負載需求的精準預測能力，也未能充分結合儲能設備的狀態進行優化調度，導致系統運行效率低下，同時加劇了儲能設備的性能退化。

技術實現思路

1、針對現有技術的不足，本發明提供了基于復合儲能的船舶綜合電力系統，解決現有船舶綜合電力系統中能源利用效率低、動態響應能力不足、多儲能設備協同難、儲能設備壽命受限及環保性能不達標的問題。

2、為實現以上目的，本發明通過以下技術方案予以實現：基于復合儲能的船舶綜合電力系統，包括：

3、能源生成模塊，包括柴油發電機、燃氣輪機和可再生能源子模塊，用于生成電能；

4、儲能管理模塊，包括鋰電池、超級電容和飛輪儲能系統，用于儲存和釋放電能；

5、能量分配與調度模塊，用于控制能源生成模塊與儲能管理模塊之間的能量分配；

6、負載管理模塊，用于根據負載優先級調整負載功率需求；

7、健康管理與故障監測模塊，用于實時監測儲能管理模塊和系統的運行狀態，預測故障并優化運行策略；

8、直流母線和交流母線，用于連接能源生成模塊、儲能管理模塊和負載管理模塊，實現電能的傳輸和分配。

9、優選的，所述儲能管理模塊的鋰電池用于提供基礎負載供電，超級電容用于快速響應短時功率波動，飛輪儲能用于吸收瞬時負載浪涌并維持母線電壓穩定。

10、優選的，所述能量分配與調度模塊包括：

11、負載預測單元，用于根據歷史負載數據、環境參數和運行狀態預測未來負載需求；

12、功率分配控制單元，用于基于預測結果和儲能設備狀態動態分配鋰電池、超級電容和飛輪儲能的輸出功率；

13、調度接口單元，用于協調發電單元與儲能單元的運行。

14、優選的，所述負載管理模塊根據負載的優先級將負載分為：

15、關鍵負載，包括導航設備和應急設備；

16、推進負載，包括船舶推進電機；

17、輔助負載，包括通信設備和船舶照明設備；所述負載管理模塊在能源供應不足時優先保證關鍵負載和推進負載的穩定運行。

18、優選的，所述健康管理與故障監測模塊包括：

19、健康監測單元，用于監測鋰電池的荷電狀態和健康狀態，實時均衡超級電容電壓，并檢測飛輪儲能的振動信號；

20、故障預測單元，用于基于運行數據分析識別儲能設備的潛在故障。

21、優選的，所述直流母線與儲能管理模塊和能源生成模塊連接，用于提供穩定的電壓；所述交流母線與推進負載連接，用于傳輸大功率電能。

22、優選的，所述能量分配與調度模塊基于模型預測控制實現動態功率分配，并通過優化目標包括：最小化儲能設備的功率波動、延長儲能設備壽命和降低系統功率損耗。

23、優選的，所述能量分配與調度模塊的負載預測單元采用基于深度學習的負載預測算法，通過輸入歷史負載數據、航速、航線和環境變量預測未來負載需求，并向功率分配控制單元提供負載預測結果。

24、優選的，所述儲能管理模塊通過動態調整鋰電池、超級電容和飛輪儲能之間的功率輸出比例，實現儲能設備的協同運行，并通過儲能接口單元連接至母線以優化電能傳輸效率。

25、優選的，所述健康管理與故障監測模塊包括熱管理與保護單元，用于實時監測儲能設備溫度，通過冷卻策略和過熱保護機制防止設備熱失控。

26、本發明提供了基于復合儲能的船舶綜合電力系統。具備以下有益效果：

27、1、本發明通過多儲能單元的協同工作，結合能量分配與調度模塊的優化控制，將不同儲能設備的特性充分發揮：鋰電池提供高能量密度支持，超級電容提供高功率密度快速響應，飛輪儲能吸收和釋放瞬態功率浪涌。由此顯著降低能源轉換過程中的損耗，優化電能的分配和利用，使系統的整體能量利用效率提高約15%至20%。

28、2、本發明利用超級電容和飛輪儲能模塊的快速響應特性，在負載突然變化或瞬態浪涌功率需求時能夠迅速響應，確保母線電壓波動保持在±5%的范圍內。相比傳統單一儲能系統，本發明大幅提升了系統對高動態負載工況的適應能力，有效保障了船舶綜合電力系統的穩定運行。

29、3、本發明通過能量分配與調度模塊的動態功率優化算法，以平滑鋰電池的功率輸出，避免其在高功率波動工況下頻繁充放電，減少了循環應力和熱應力對鋰電池壽命的影響。同時，通過均壓控制保護超級電容，振動監測保護飛輪儲能，有效延長了各儲能設備的使用壽命，鋰電池壽命延長約30%。

30、4、本發明通過負載預測單元對未來短時負載需求的精準預測，結合儲能設備的狀態和優化分配算法，實現了負載需求與儲能單元輸出的精確匹配。尤其是在復雜工況下，系統能夠動態調整功率輸出比例，確保負載需求得到可靠滿足，避免能源浪費或供應不足。

31、5、本發明通過健康管理與故障監測模塊對儲能設備和系統運行狀態進行實時監測和分析，能夠提前預測潛在的故障風險并采取保護措施。例如，鋰電池的健康狀態監測和超級電容的均壓控制機制能夠有效避免儲能設備的過充、過放或熱失控問題，從而顯著提高系統運行的安全性和可靠性。

技術特征：

1.基于復合儲能的船舶綜合電力系統，其特征在于，包括：

2.根據權利要求1所述的基于復合儲能的船舶綜合電力系統，其特征在于，所述儲能管理模塊的鋰電池用于提供基礎負載供電，超級電容用于快速響應短時功率波動，飛輪儲能用于吸收瞬時負載浪涌并維持母線電壓穩定。

3.根據權利要求1所述的基于復合儲能的船舶綜合電力系統，其特征在于，所述能量分配與調度模塊包括：

4.根據權利要求1所述的基于復合儲能的船舶綜合電力系統，其特征在于，所述負載管理模塊根據負載的優先級將負載分為：

5.根據權利要求1所述的基于復合儲能的船舶綜合電力系統，其特征在于，所述健康管理與故障監測模塊包括：

6.根據權利要求1所述的基于復合儲能的船舶綜合電力系統，其特征在于，所述直流母線與儲能管理模塊和能源生成模塊連接，用于提供穩定的電壓；所述交流母線與推進負載連接，用于傳輸大功率電能。

7.根據權利要求1所述的基于復合儲能的船舶綜合電力系統，其特征在于，所述能量分配與調度模塊基于模型預測控制實現動態功率分配，并通過優化目標包括：最小化儲能設備的功率波動、延長儲能設備壽命和降低系統功率損耗。

8.根據權利要求1所述的基于復合儲能的船舶綜合電力系統，其特征在于，所述能量分配與調度模塊的負載預測單元采用基于深度學習的負載預測算法，通過輸入歷史負載數據、航速、航線和環境變量預測未來負載需求，并向功率分配控制單元提供負載預測結果。

9.根據權利要求1所述的基于復合儲能的船舶綜合電力系統，其特征在于，所述儲能管理模塊通過動態調整鋰電池、超級電容和飛輪儲能之間的功率輸出比例，實現儲能設備的協同運行，并通過儲能接口單元連接至母線以優化電能傳輸效率。

10.根據權利要求1所述的基于復合儲能的船舶綜合電力系統，其特征在于，所述健康管理與故障監測模塊包括熱管理與保護單元，用于實時監測儲能設備溫度，通過冷卻策略和過熱保護機制防止設備熱失控。

技術總結
本發明涉及船舶電力系統技術領域，公開了基于復合儲能的船舶綜合電力系統，包括能源生成模塊，包括柴油發電機、燃氣輪機和可再生能源子模塊，用于生成電能；儲能管理模塊，包括鋰電池、超級電容和飛輪儲能系統，用于儲存和釋放電能；能量分配與調度模塊，用于控制能源生成模塊與儲能管理模塊之間的能量分配；負載管理模塊，用于根據負載優先級調整負載功率需求；健康管理與故障監測模塊，用于實時監測儲能管理模塊和系統的運行狀態。通過多儲能單元的協同工作，結合能量分配與調度模塊的優化控制，將不同儲能設備的特性充分發揮。由此顯著降低能源轉換過程中的損耗，優化電能的分配和利用，使系統的整體能量利用效率提高約15%至20%。

技術研發人員：欒健,彭銳,于黎明,金正武,王良宇
受保護的技術使用者：欒健
技術研發日：
技術公布日：2025/4/28