СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ГИБРИДНОЙ СИСТЕМОЙ АККУМУЛИРОВАНИЯ ЭНЕРГИИ Российский патент 2018 года по МПК H02J1/10 H02J3/32 H02J7/34 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение, в общем, относится к системам аккумулирования энергии, и в частности, относится к гибридным системам аккумулирования энергии, включающим два или более типов модулей аккумулирования энергии.

Уровень техники

Гибридные электрические сети, включающие локализованные электрические сети на борту корабля, используются в морских транспортных средствах и представляют область растущего интереса и быстрого развития, в частности по той причине, что эти сети могут значительно уменьшить выделения парникового газа вследствие их потенциально более высокой эффективности. В этом контексте «гибридная» электрическая сеть включает в себя один или более источников генерации и одну или более систем аккумулирования энергии. Системы аккумулирования энергии обеспечивают механизм для сохранения некоторой части энергии, производимой источником(ами) генерации и/или получаемой через один или более регенеративных процессов. Кроме того, эти системы должны обеспечивать сеть частью сохраняемой энергии или всей этой энергией, например, для того чтобы отвечать требованиям по пиковой нагрузке и/или сглаживать несоответствие между потребностью и фактической нагрузкой, прикладываемой к источнику(ам) генерации.

Когда гибридная электрическая сеть включает в себя более одного типа модулей аккумулирования энергии, например, модуль аккумулирования энергии на основе аккумуляторной батареи и модуль аккумулирования энергии на основе конденсаторов, система аккумулирования энергии, представленная этими различными типами модулей аккумулирования энергии может рассматриваться как гибридная система аккумулирования энергии. В то время как использование различных типов модулей аккумулирования энергии в гибридной системе аккумулирования энергии предлагает перспективу более высокой эффективности системы или по меньшей мере более высокой функциональной гибкости, эти преимущества приводят к лишним затратам из-за увеличенной сложности. Проще говоря, обещанные преимущества не реализуются при отсутствии интеллектуального управления гибридной системой аккумулирования энергии. Кроме того, существует реальная угроза того, что увеличенная сложность и/или стоимость управляющих систем аккумулирования энергии будет перевешивать потенциальные преимущества таких систем.

Например, известные подходы к управлению распределением мощности для систем аккумулирования энергии распространяются на случаи, включающие в себя модули аккумулирования энергии двух различных типов. Управление в этом традиционном контексте полагается на измерения мощности нагрузки или тока нагрузки, причем эти измерения часто оказываются сложными для выполнения, когда гибридная электрическая сеть включает распределенные нагрузки. Тем не менее, чтобы преодолеть этот недостаток, известные подходы включают в себя фильтрование измерительного сигнала для получения компонента - отфильтрованного сигнала, чтобы управлять модулем аккумулирования энергии первого типа, и компонента - оставшегося сигнала для управления модулем аккумулирования энергии второго типа.

Хотя вышеуказанный подход является эффективным в ограниченных случаях применения, он не может легко адаптироваться к гибридным системам аккумулирования энергии, включающим множество типов модулей аккумулирования энергии. Кроме того, описанный выше традиционный подход плохо подходит для гибридных систем аккумулирования энергии, включающих распределенные нагрузки, возможно на различных шинах, где локальные измерения шины могут быть критическими для оптимальной работы различных модулей аккумулирования энергии.

Сущность изобретения

В одном аспекте приведенной здесь идеи изобретения устройство управления и соответствующий способ управления используют фильтрование для отдельного модуля во множестве контроллеров распределения мощности, чтобы получить командный сигнал по распределению мощности для соответствующих устройств среди множества различных модулей аккумулирования энергии в гибридной системе аккумулирования энергии. Гибридная система аккумулирования энергии формирует часть гибридной электрической сети и включает в себя два или более типов модулей аккумулирования энергии. Командный сигнал по распределению мощности для каждого из модулей аккумулирования энергии является входным сигналом, полученным за счет фильтрования, использующим фильтр, имеющий характеристику фильтра, которая привязана к характеристикам аккумулирования энергии модуля аккумулирования энергии. Входной сигнал отражает изменения нагрузки электрической сети и может локально генерироваться или обеспечиваться другим узлом. В то время как контуры регулирования по распределению мощности используются для каждого из модулей аккумулирования энергии, предпочтительно, то же самое может быть произведено на основе архитектуры и варианта применения, при этом каждый такой контур регулирования использует нестандартное, специализированное фильтрование и, возможно, индивидуализированные значения одного или более других параметров управления, для того чтобы модуль аккумулирования энергии управлялся таким образом, чтобы дополнять его характеристики аккумулирования энергии.

В показательном варианте осуществления изобретения устройство управления конфигурируется таким образом, чтобы управлять гибридной системой аккумулирования энергии, которая включает в себя два или более модулей аккумулирования энергии, взаимодействующих с электрической сетью, содержащей одну или более электрических шин. По меньшей мере два из модулей аккумулирования энергии имеют различные характеристики аккумулирования энергии, при этом различные характеристики модулей аккумулирования энергии могут взаимодействовать с той же самой электрической шиной в электрической сети или с различными электрическими шинами в электрической сети. Рассматриваемое устройство управления включает в себя контроллер распределения мощности, соответствующий каждому из модулей аккумулирования энергии, и контроллер состояния зарядки, соответствующий каждому из модулей аккумулирования энергии. Каждый контроллер состояния зарядки конфигурируется для управления зарядкой и разрядкой соответствующего модуля аккумулирования энергии через взаимодействующий с ним локальный модуль преобразователя в ответ на командный сигнал по распределению мощности, генерируемый соответствующим контроллером распределения мощности.

Предпочтительно, командный сигнал по распределению мощности, генерируемый для контроллера состояния зарядки каждого из модулей аккумулирования энергии, оптимизируется по отношению к характеристикам модуля аккумулирования энергии, основываясь на соответствующем контроллере распределения мощности, включая схему фильтра, которая конфигурируется для получения отфильтрованного входного сигнала, основываясь на фильтровании входного сигнала для контроллера распределения мощности, в соответствии с характеристикой фильтра, которая привязывается к характеристикам аккумулирования энергии соответствующего модуля аккумулирования энергии. Входной сигнал отражает изменения нагрузки в электрической сети, и таким образом может рассматриваться как управляющий вход, на который контроллер распределения мощности динамически реагирует. Каждый контроллер распределения мощности дополнительно включает в себя схему управления, которая конфигурируется таким образом, чтобы генерировать командный сигнал по распределению мощности, как комбинацию отфильтрованного входного сигнала и командного сигнала установившегося режима работы, представляющего целевое состояние установившегося режима работы соответствующего модуля аккумулирования энергии.

В другом варианте осуществления изобретения рассматривается способ управления двумя или более модулями аккумулирования энергии, имеющими различные характеристики аккумулирования энергии. Способ включает в себя управление разрядкой и зарядкой каждого модуля аккумулирования энергии через контроллер состояния зарядки, который конфигурируется таким образом, чтобы управлять преобразователем, соответствующим модулю аккумулирования энергии в ответ на командный сигнал по распределению мощности, индивидуально генерируемый для модуля аккумулирования энергии. В данном контексте генерирование командного сигнала по распределению мощности индивидуально для каждого модуля аккумулирования энергии включает в себя получение входного сигнала для каждого модуля аккумулирования энергии, который отражает изменения нагрузки на электрическую сеть, фильтрацию входного сигнала для каждого модуля аккумулирования энергии с помощью схемы фильтра, имеющей характеристику фильтра, которая привязана к характеристикам аккумулирования энергии модуля аккумулирования энергии, чтобы таким образом получать отфильтрованный входной сигнал, и комбинирование отфильтрованного входного сигнала для каждого модуля аккумулирования энергии с командным сигналом установившегося режима работы для модуля аккумулирования энергии, при этом вышеуказанный командный сигнал установившегося режима работы представляет целевое состояние установившегося режима работы модуля аккумулирования энергии.

Конечно, настоящее изобретение не ограничивается описанными выше признаками и преимуществами. Специалисты в данной области техники будут принимать во внимание дополнительные признаки и преимущества после прочтения последующего подробного описания и просмотра прилагаемых чертежей.

Краткое писание чертежей

Фиг. 1 - блок-схема варианта устройства управления, предназначенного для управления гибридной системой аккумулирования энергии.

Фиг. 2А-2С - блок-схемы устройства управления в соответствии с несколькими примерами компоновок.

Фиг. 3 - блок-схема компенсации задержки, используемой в одном или нескольких вариантах устройства управления, предназначенного для управления гибридной системой аккумулирования энергии.

Фиг. 4 - график показательных характеристик фильтра для настраиваемых фильтров, используемых в раскрываемом здесь устройстве управления.

Фиг. 5 - логическая блок-схема варианта способа управления гибридной системой аккумулирования энергии в соответствии с раскрываемым здесь процессом.

Фиг. 6 - блок-схема варианта компоновки контроллеров распределения мощности и состояния зарядки для множества модулей аккумулирования энергии.

Фиг. 7 - блок-схема другого варианта компоновки контроллеров распределения мощности и состояния зарядки для множества модулей аккумулирования энергии.

Фиг. 8 - блок-схема варианта компоновки контроллеров распределения мощности и состояния зарядки для суперконденсатора и аккумуляторной батареи как двух различных типов модулей аккумулирования энергии в гибридной системе аккумулирования энергии.

Фиг. 9 - блок-схема компьютерной системы, конфигурированной для оптимизации управления, обеспечиваемого раскрываемым здесь устройством управления, предназначенным для управления гибридной системой аккумулирования энергии.

Осуществление изобретения

Фиг. 1 иллюстрирует гибридную электрическую сеть или систему 10, которая включает в себя одну или несколько электрических шин 12, например, шины 12-1, 21-2 постоянного тока. Гибридная электрическая сеть 10 дополнительно включает в себя один или несколько источников 14 генерации и соответствующие соединительные схемы 16 для соединения источников 14 генерации с соответствующей электрической шиной 12, например, источник 14-1 генерации присоединяется к шине 12-1 через соединительную схему 16-1, а источник 14-2 генерации присоединяется к шине 12-2 через соединительную схему 16-2. Например, в случае, когда заданная электрическая шина 12 является шиной постоянного тока, каждая соединительная схема 16 содержит преобразователь переменного тока в постоянный (AC/DC). Соединительные схемы 16 могут присоединяться к соответствующим электрическим шинам 12 через автоматические выключатели 17.

Следует отметить, что в случае, когда подстрочные индексы не являются необходимыми для ясности изложения, любые цифровые ссылочные позиции 12, 14 и 16 могут использоваться без подстрочных индексов для единственной или множественной ссылки. Аналогичный подход используется в остальной части этого описания, в отношении определенных других цифровых ссылочных позиций.

Гибридная электрическая сеть 10 обеспечивает электропитание для одной или более нагрузок 18, и особый интерес представляет то, что гибридная электрическая сеть 10 включает в себя гибридную систему 20 аккумулирования энергии, которая включает в себя два или более модулей 22 аккумулирования энергии (ES), при этом каждый модуль 22 аккумулирования энергии присоединяется к соответствующей электрической шине 12 через локальный модуль-преобразователь 24. В качестве неограничивающего примера схема показывает ряд модулей 22-1-22-n аккумулирования энергии, и соответствующий ряд локальных модулей-преобразователей 24-1-24-n. В данном контексте буква "n" является целым числом, имеющим значение два или более.

Различные модули из числа модулей 22 аккумулирования энергии могут присоединяться к одной и той же электрической шине 12 или к различным электрическим шинам 12 в пределах электрической сети 10. Таким образом будет понятно, что каждый из модулей 22 аккумулирования энергии имеет «соответствующую» электрическую шину 12, которая является электрической шиной 12 в электрической сети 10, к которой присоединяется этот отдельный модуль 22 аккумулирования энергии. Поэтому различные модули 22 аккумулирования энергии могут иметь одну и ту же соответствующую электрическую шину 12, или могут иметь различные соответствующие электрические шины 12, в зависимости от того, присоединены ли они к одной и той же электрической шине 12 или к различным электрическим шинам 12 в электрической сети 10.

Кроме того, следует принимать во внимание, что по меньшей мере два модуля 22 аккумулирования энергии являются модулями различных типов, т.е. по меньшей мере два модуля 22 аккумулирования энергии используют различные технологии аккумулирования энергии, и поэтому имеют по существу различные характеристики аккумулирования энергии. При условии приведенного выше ограничения, n модулей аккумулирования энергии могут представлять до n различных технологий аккумулирования энергии. В этом контексте термин «гибридный», когда он применяется к системе 20 аккумулирования энергии, указывает на использование более одного типа технологии аккумулирования энергии, а термин «гибридный», применяемый к электрической сети 10, указывает на использование аккумулирования энергии во взаимосвязи с генерацией энергии.

В соответствии с настоящим изобретением, предпочтительно, электрическая сеть 10 включает в себя устройство управления 30 или другим образом связана с устройством 30 управления, которое конфигурировано для управления каждым модулем аккумулирования энергии таким образом, чтобы он был оптимизирован по отношению к конкретным характеристикам аккумулирования энергии, на основе использования специализированного фильтрования сигнала управления в отношении каждого модуля 22 аккумулирования энергии. Как будет видно в дальнейшем, устройство 30 управления обеспечивает робастное распределенное управление и предлагает последовательную или параллельную компоновку контроллеров 32 распределения мощности и контроллеров 34 состояния зарядки, которые составляют устройство 30 управления. Такая гибкость поддерживает робастное специальное управление каждого модуля 22 аккумулирования энергии, независимо от того, являются соответствующие контроллеры 32 распределения мощности взаимосвязанными в смысле управления или нет, и независимо от того, используются ли общие или локализованные входные сигналы управления для приведения в действие контроллеров 32 распределения мощности.

Для n модулей 22 аккумулирования энергии по меньшей мере функционально существует n контроллеров 32 распределения мощности и n контроллеров 34 состояния зарядки, с соответствующими парами контроллеров 32 распределения мощности и контроллеров 34 состояния зарядки, которые соответствуют согласующимся с ними контроллерам модулей 22 аккумулирования энергии. Кроме того, термин «контроллер» в используемом здесь контексте в отношении контроллеров 32 распределения мощности и контроллеров 34 состояния зарядки обозначает фиксированную или программируемую компоновку схем вместе с необходимыми интерфейсами связи или передачи сигналов, например, для приема входных сигналов или измерений, для передачи сигналов между контроллером 32 распределения мощности и соответствующим контроллером 34 состояния зарядки, или для передачи командных сигналов/сигналов управления от заданного одного из контроллеров 34 состояния зарядки к соответствующему модулю 22 аккумулирования энергии/локальному модулю-преобразователю 24.

По меньшей мере в одном варианте, схемы, составляющие каждый контроллер 32 распределения мощности и соответствующий контроллер 34 состояния зарядки, реализуются в программном виде с помощью одного или более микропроцессоров, цифровых сигнальных процессоров (DSP, ДСП), матрицы логических элементов с эксплуатационным программированием (FPGA), специализированных интегральных схем (ASIC), или посредством других схем для цифровой обработки. Эта схема по меньшей мере частично конфигурируется в соответствии с выполнением программных инструкций, содержащих компьютерную программу, сохраняемую на энергонезависимой основе в считываемом компьютером носителе, который включен в состав схемы или является доступным для схемы цифровой обработки сигналов, содержащейся в контроллерах 32 и 34.

С учетом этих неограничивающих подробностей предназначенное устройство 30 управления конфигурировано для управления гибридной системой 20 аккумулирования энергии, содержащей два или более модуля 22 аккумулирования энергии. Каждый модуль аккумулирования энергии связан с соответствующей электрической шиной 12 в гибридной электрической системе, имеющей различные характеристики аккумулирования энергии. Устройство 30 управления включает в себя контроллер 32 распределения мощности, соответствующий каждому модулю 22 аккумулирования энергии. Каждый контроллер 32 распределения мощности конфигурируется таким образом, чтобы генерировать командный сигнал по распределению мощности. Устройство 30 управления дополнительно включает в себя контроллер 34 состояния зарядки, соответствующий каждому модулю 22 аккумулирования энергии. Каждый контроллер 34 состояния зарядки конфигурируется таким образом, чтобы управлять зарядкой и разрядкой соответствующего модуля 22 аккумулирования энергии через связанный с ним локальный модуль-преобразователь 24 в ответ на командный сигнал по распределению мощности, генерируемый соответствующим контроллером 32 распределения мощности.

В качестве неограничивающего примера, n равно двум, а гибридная система 20 аккумулирования энергии включает в себя два модуля 22 аккумулирования энергии, обозначенные как 22-1 и 22-2. Соответственно, устройство 30 управления включает в себя первый контроллер 32-1 распределения мощности и соответствующий первый контроллер 34-1 состояния зарядки, причем оба контроллера соответствуют первому модулю 22-1 аккумулирования энергии. Аналогичным образом, устройство 30 управления в этом примере дополнительно включает в себя второй контроллер 32-2 распределения мощности и соответствующий второй контроллер 34-2 состояния зарядки, причем оба контроллера соответствуют второму модулю 22-2 аккумулирования энергии.

Фиг. 2А иллюстрирует подробности для заданного контроллера 32 распределения мощности и соответствующего контроллера 34 состояния зарядки. Оба контроллера показаны в связи с соответствующим модулем 22 аккумулирования энергии и ассоциированным локальным модулем-преобразователем 24, обозначенным как РЕС 24, где РЕС расшифровывается как силовой электронный преобразователь ("power electronic converter"). Проиллюстрированный вариант осуществления изобретения применяется в токовом режиме и помимо других признаков, эта конфигурация означает, что командный сигнал по распределению мощности генерируется как командный сигнал в токовом режиме для ввода в контроллер 34 состояния зарядки.

Контроллер 32 распределения мощности включает в себя схему 40 фильтра, которая конфигурируется таким образом, чтобы получать отфильтрованный входной сигнал 42 за счет фильтрования входного сигнала 44 для контроллера 32 распределения мощности. Фильтрование выполняется в соответствии с характеристикой фильтра, которая адаптирована к характеристикам аккумулирования энергии соответствующего модуля 22 аккумулирования энергии, при этом входной сигнал 44 отражает изменения нагрузки на электрическую сеть 10. Как описано ранее, входной сигнал 44 для каждого контроллера 32 распределения мощности может быть получен контроллером 32 распределения мощности в соответствии с локальными измерениями сети, или может быть обеспечен другим контроллером 32 распределения мощности, или может быть обеспечен другим удаленным узлом, например, исходя из глобальных измерений в масштабе всей системы, таких как общая нагрузка системы.

В любом случае, каждый контроллер 32 распределения мощности, реализуемый в устройстве 30 управления, предпочтительно, включает в себя специализированную схему 40 фильтра, имеющую характеристики фильтра, адаптированные к характеристикам аккумулирования энергии соответствующего типа модуля аккумулирования энергии. Например, рассмотрим компоновку, в которой первый модуль 22-1 аккумулирования энергии является модулем на основе суперконденсатора, а второй модуль 22-2 аккумулирования энергии является модулем на основе аккумуляторной батареи. В этом случае схема 40 фильтра контроллера 32 распределения мощности, соответствующего модулю аккумулирования энергии на основе суперконденсатора, конфигурируется таким образом, чтобы иметь более высокую частотную характеристику по сравнению со схемой 40 фильтра контроллера 32 распределения мощности, соответствующего модулю аккумулирования энергии на основе аккумуляторной батареи.

Входной сигнал 44 представляет измерения динамической мощности, тока или напряжения для электрической сети 10, причем такие измерения могут быть выполнены локально на контроллере 32 распределения мощности или могут быть обеспечены другим контроллером 32 распределения мощности, или другим удаленным узлом, или и тем, и другим. В свою очередь, отфильтрованный входной сигнал 42 представляет собой отфильтрованную версию измерений динамической мощности, тока или напряжения, которая предназначена для соответствующих характеристик аккумулирования энергии соответствующего модуля 22 аккумулирования энергии.

В одном варианте осуществления изобретения входной сигнал 44 для каждого контроллера 32 распределения мощности содержит разностный сигнал, представляющий сигнал разности напряжений между измеренным напряжением шины электрической сети 10 и номинальной установкой напряжения. Например, разностный сигнал может формироваться как разность между номинальной установкой напряжения шины и сигналом измерения напряжения шины, полученным для электрической шины 12, соответствующей модулю 22 аккумулирования энергии, который связан с контроллером 32 распределения мощности. Взаимодополняющим образом, схема управления 46 в контроллере 32 распределения мощности конфигурируется таким образом, чтобы генерировать упоминавшийся выше командный сигнал распределения мощности, идентифицируемый в дальнейшем цифровой позицией «48», как комбинацию отфильтрованного входного сигнала 42 и командного сигнала 50 в установившемся режиме, который представляет целевое состояние соответствующего модуля 22 аккумулирования энергии в установившемся режиме.

В неограничивающем примере командный сигнал 48 распределения мощности обозначен как I_{ES_ref}, чтобы отметить, что он является опорным сигналом управления в токовом режиме для ввода в контроллер 34 состояния зарядки, который обозначен на схеме как предназначенный для низкоуровневого управления локального модуля-преобразователя 24, используемый для управления зарядкой и разрядкой соответствующего модуля 22 аккумулирования энергии. Если более подробно, то схема 52 сложения в схеме 46 управления объединяет командный сигнал 50 в установившемся режиме с отфильтрованным входным сигналом 42, чтобы получить командный сигнал 48 распределения мощности, который обозначается как 48'.

В проиллюстрированном примере сигнал 48' проходит через ограничитель 54 в схеме 46 управления, чтобы получить командный сигнал 48 распределения мощности, который подвергается воздействию ограничений, накладываемых ограничителем 54. Таким образом, в одном или более вариантах командный сигнал 48 распределения мощности получается путем сложения отфильтрованного входного сигнала 42 с командным сигналом 50 в установившемся режиме, который представляет целевую мощность зарядки или разрядки в установившемся режиме, ток зарядки или разрядки в установившемся режиме, или состояние зарядки в установившемся режиме для соответствующего модуля 22 аккумулирования энергии, и далее прохождения суммарного сигнала 48' через ограничитель 54.

Командный сигнал 50 в установившемся режиме является выходным сигналом из переключающей схемы 56, которая может быть реализована в виде программного средства в одном или более вариантах. Например, переключающая схема 56 содержит компьютерную логику, которая выбирает сигнал источника, чтобы выводить его в схему 52 сложения как командный сигнал 50 в установившемся режиме. В этом примере переключающая схема 56 выводит командный сигнал 50 в установившемся режиме либо как первый входной командный сигнал 58, либо как производный входной командный сигнал 60.

В данном случае первый входной командный сигнал 58 является командным сигналом тока в установившемся режиме и обозначенным как I_ES*, где знак звездочки «*» обозначает, что сигнал, о котором идет речь, является внешним командным входным сигналом для контроллера 32 распределения мощности, и этот знак используется во всем остальном описании изобретения. Первый входной командный сигнал 58 в проиллюстрированном примере приходит от компьютера оптимизатора стоимости топлива или другого узла 62, который связан через средства связи с контроллером 32 распределения мощности, например, через такие средства связи, как сеть Ethernet или другие средства связи. В дальнейшем, узел 62 будет определяться как узел 62 оптимизации стоимости.

Производный входной командный сигнал 60 извлекается схемой 64 регулятора на основе второго входного командного сигнала 66, который в данном случае содержит командный сигнал состояния заряда батареи (SOC) в установившемся режиме, обозначенный как SOC*, а также измеренный или оценочный сигнал 68 состояния заряда батареи, обозначенный как SOC. В соответствии с этим обозначением, SOC* обозначает целевое или желаемое состояние заряда для модуля 22 аккумулирования энергии, соответствующего контроллеру 32 распределения мощности, a SOC обозначает действительное - измеренное или другим образом оцененное - состояние заряда для соответствующего модуля 22 аккумулирования энергии.

Для этих и других измерений или оценок, контроллер 32 распределения мощности и контроллер 34 состояния зарядки в одном или более вариантов осуществления изобретения содержат или связаны с измерительным модулем 70. Измерительный модуль 70 включает в себя, например, один или более датчиков или измерительных схем, например, для измерения мощности, тока, и/или напряжения в отношении соответствующей электрической шины 12 и/или для измерения мощности, тока, напряжения, и/или состояния заряда в отношении модуля 22 аккумулирования энергии. Как известно специалистам в данной области техники, такие схемы могут включать в себя интерфейсы дискретизации сигнала, имеющие схемы оцифровки для получения цифровых значений, представляющих аналоговые измерения, соответствующие току, напряжению, заряду и т.д. В целом по меньшей мере некоторые локальные измерения сети, например, любое одно или несколько измерений мощности, тока, напряжения, состояния заряда, и т.д., снимаются и подаются в контур управления низкого уровня, реализуемый контроллером 34 состояния зарядки, и в контур управления распределением мощности, реализуемый контроллером 32 распределения мощности.

Другие проиллюстрированные компоненты включают схему 72 адаптации фильтра, которая реализована в одном или более вариантах предполагаемого контроллера 32 распределения мощности. Схема 72 адаптации фильтра позволяет перенастраивать характеристику фильтра схемы 40 фильтра в соответствии с целями оптимизации или управления зарядкой, и/или для индивидуальной адаптации к конкретным характеристикам аккумулирования энергии отдельного модуля 22 аккумулирования энергии, с которым связан контроллер 32 распределения мощности.

Пример схемы 72 адаптации фильтра включает в себя регулировочную схему 74, которая производит корректировочные сигналы 76 (ΔK) и 78 (ΔT), представляющие собой поправки к коэффициенту K усиления фильтра и постоянной Т времени схемы 40 фильтра. Эти поправки основаны, например, на множестве входных сигналов, включающих в себя: 1) упоминавшийся выше измеренный или оценочный сигнал 68 состояния зарядки SOC; 2) сигнал 80 обратной связи от модуля 22 аккумулирования энергии; и одно или более сконфигурированных максимальных или минимальных значений. В вариантах реализации в токовом режиме сигнал 80 обратной связи обозначается как I_{ES_m} и представляет оценочное значение действительного тока I_ES из (или в) соответствующий модуль 22 аккумулирования энергии. Максимальный и/или минимальный параметры включают в себя значения SOC_max/min, представляющие максимальные и/или минимальные допустимые значения состояния зарядки для модуля 22 аккумулирования энергии, и в этом варианте реализации в токовом режиме, значения I_max/min, представляющие верхний и/или нижний пределы амплитуды тока I_ES модуля аккумулирования энергии.

Корректировочные сигналы 76 (ΔK) и 78 (ΔT) складываются в схеме 82 сложения с заданными значениями для K и Т, обозначенными здесь как K* и Т*, чтобы получить рабочие значения K и Т, используемые схемой 40 фильтра. Например, оптимизатор 84 управления аккумулированием энергии обеспечивает заданные значения K* и Т*. Оптимизатор 84 управления аккумулированием энергии может содержать компьютер или другой сетевой узел, который коммуникативно связан с контроллером 32 распределения мощности и может быть реализован в ранее упомянутом узле 62 оптимизации стоимости или во взаимодействии с этим узлом. В дальнейшем оптимизатор 84 управления аккумулированием энергии определяется как узел 84 оптимизации управления.

Таким образом, в некоторых вариантах схема 40 фильтра по меньшей мере в одном из контроллеров 32 распределения мощности является схемой адаптивного фильтра. Каждая схема адаптивного фильтра конфигурируется таким образом, чтобы адаптировать характеристику фильтра как функцию по меньшей мере одного из следующих параметров: заданное изменение частотной характеристики, заданное изменение коэффициента усиления, корректировочный сигнал, выведенный из измеренного состояния в установившемся режиме или состояния зарядки модуля аккумулирования энергии и соответствующей максимальной или минимальной установки состояния в установившемся режиме или максимальной или минимальной установки состояния зарядки.

Дополнительные проиллюстрированные компоненты включают контроллер 34 состояния зарядки, генерирующий сигнал 86 управления преобразователем через схему 88 регулятора. Здесь схема 88 регулятора принимает как входные сигналы командный сигнал 48 распределения мощности в токовом режиме и сигнал 80 обратной связи. В этом варианте токового режима регулятор реагирует на командный сигнал 48 распределения мощности в токовом режиме, I_{ES_ref}, и сигнал 80 обратной связи, I_{ES_m}. Альтернативно, фиг. 2В изображает другую конфигурацию, которая основана на измерении и управлении в режиме мощности, а не на измерении и управлении в токовом режиме.

На фиг. 2В все ссылки "I_ES" заменены на "P_ES", чтобы показать, что рассматриваемые значения сигнала относятся к режиму мощности, а не к токовому режиму. Например, первый входной командный сигнал 58 является заданным сигналом мощности в установившемся режиме, обозначенным как P_ES, командный сигнал 48 распределения мощности обозначен как P_{ES_ref}, и т.д. В данном случае каждый контроллер 34 состояния зарядки действует как контроллер низкого уровня, который посылает переключающие сигналы в локальный модуль-преобразователь 24, чтобы регулировать ток, выходящий из модуля 22 аккумулирования энергии или входящий в него. При регулировании локального модуля-преобразователя 24 с помощью контроллера 34 состояния зарядки отслеживается командный сигнал 48 распределения мощности, который генерируется в контуре регулирования распределения мощности соответствующего контроллера 32 распределения мощности.

Если более подробно, контур регулирования распределения мощности в данном случае включает в себя упоминавшуюся выше схему 40 фильтра, которая может быть единственным фильтром или набором фильтров. Схема 40 фильтра устанавливает различные коэффициенты усиления для различных частотных полос входного сигнала 44, который в данном случае может быть результатом измерения мощности нагрузки. Командный сигнал 50 состояния в установившемся режиме - в данном случае это сигнал мощности в установившемся режиме - суммируется с отфильтрованным входным сигналом 42, чтобы получить командный сигнал 48 распределения мощности в качестве опорного сигнала управления мощностью для приведения в действие контроллера 34 состояния зарядки. По существу, каждый модуль 22 аккумулирования энергии реагирует различным образом на изменения нагрузки различных частот, так что каждый модуль 22 аккумулирования энергии дает наибольший вклад в полосе (или полосах) частот, которая в наибольшей степени согласуется с его характеристиками разряда.

Фиг. 2С иллюстрирует еще одно изменение, для использования в вариантах, где один или более контроллеров 32 распределения мощности используют выходной сигнал 90, генерируемый другим контроллером 32 распределения мощности, в качестве входного сигнала 44. Таким образом, изображенный на фигуре контроллер 32 распределения мощности включает в себя схему 92 сложения, которая формирует выходной сигнал 90 как разность между входным сигналом 44, который сам может быть выходным сигналом 90 из логически "предшествующего" ("prior") контроллера 32 распределения мощности, и этот выходной сигнал 90 подается как входной сигнал 44 в логически "последующий" ("succeeding") контроллер 32 распределения мощности. Однако следует отметить, что даже в этом случае входной сигнал 44 каждого контроллера 32 распределения мощности, предпочтительно, фильтруется с помощью специализированной фильтрующей функции, в которой характеристика фильтра адаптируется к характеристикам аккумулирования энергии соответствующего модуля 22 аккумулирования энергии.

Таким образом, по меньшей мере для одного варианта осуществления изобретения система 20 аккумулирования энергии включает в себя первый и второй модули 22-1 и 22-2 аккумулирования энергии. Соответственно, устройство 30 управления содержит первый контроллер 32-1 распределения мощности и первый контроллер 34-1 состояния зарядки, соответствующие первому модулю 22-1 аккумулирования энергии, а также второй контроллер 32-2 распределения мощности и второй контроллер 34-2 состояния зарядки, соответствующие второму модулю 22-2 аккумулирования энергии. Кроме того, первый и второй контроллеры 32-1 и 32-2 распределения мощности соединены последовательно, так что входной сигнал 44 второго контроллера 32-2 распределения мощности обеспечивается выходным сигналом 90 из первого контроллера 32-1 распределения мощности. Первый контроллер 32-1 распределения мощности в этой компоновке конфигурирован таким образом, чтобы генерировать выходной сигнал 90 как разность между входным сигналом 44 в первый контроллер 32-1 распределения мощности и командным сигналом 48 распределения мощности, генерированным первым контроллером 32-1 распределения мощности.

В приведенном выше примере входной сигнал 44 во второй контроллер 32-2 распределения мощности подается из первого контроллера 32-1 распределения мощности и здесь может возникать связанное с этим время запаздывания при коммуникации между ними. Вследствие такой компоновки входной сигнал 44 во второй контроллер 32-2 распределения мощности представляет дистанционные измерения или оценки электрической шины (или шин) 12, которые задержаны или смещены по отношению к текущим локальным параметрам, которые воспринимает второй контроллер 32-2 распределения мощности, на величину, соответствующую времени запаздывания при коммуникации (которая может быть известной).

Чтобы решить проблему запаздывания, для компенсации задержки при коммуникации применяется схема 94 компенсации задержки, которая в этом примере реализована во втором контроллере 32-2 распределения мощности. Эта компенсация основана на прогнозируемых значениях входного сигнала 44, в зависимости от локальных измерений сети с малой задержкой, полученных для модуля 22-2 аккумулирования энергии, соответствующего контроллеру 32 распределения мощности. Эти измерения локальной сети могут быть получены из упоминавшегося ранее измерительного модуля 70. Например, измерения локальной сети содержат мощность, ток, напряжение, нагрузку, или другие измерения, произведенные для электрической шины 12, соответствующей модулю 22 аккумулирования энергии.

В показательной конфигурации схема 94 компенсации задержки конфигурирована таким образом, чтобы адаптировать прогноз объекта - входного сигнала 44 на основе отслеживания разницы между оценочными значениями локальных измерений сети, которые показывают входной сигнал 44, и соответствующими действительными значениями локальных измерений сети. В данном случае понятно, что измерения локальной сети, о которых идет речь, будут измерениями такого типа (тока, мощности, и т.д.), которые представлены входным сигналом 44. Кроме того, понятно, что схема 94 компенсации задержки может использовать измерения локальной сети из интервалов дискретизации, соответствующих смещению или задержке, которая возникает для входного сигнала 44.

В контексте приведенной выше компоновки, а также для непоследовательных компоновок, рассмотренных здесь, фиг. 4 иллюстрирует пример того, как использование специализированного фильтрования для одного модуля аккумулирования энергии обеспечивает, кроме других преимуществ, гибкость в отношении оптимизации управления. Очевидно, что схема 40 фильтра, в качестве используемой в любом заданном контроллере 32 распределения мощности, может иметь различные коэффициенты усиления в различных частотных полосах, таким образом обеспечивая значительную гибкость при настройке, чтобы адаптировать схему 40 фильтра к характеристикам аккумулирования энергии соответствующего модуля 22 аккумулирования энергии.

На графике заданный один из модулей 22 аккумулирования энергии обозначен как "ESU1", а четыре параметра K коэффициента усиления фильтра обозначены как K1-K4 для четырех частично перекрывающихся частотных полос. Фильтрование, использованное для других модулей 22 аккумулирования энергии в гибридной системе 20 аккумулирования энергии может быть в большей или меньшей степени сложным, в зависимости от типа системы. Конечно понятно, что одни и те же параметры фильтра могут использоваться, по меньшей мере первоначально, для всех модулей 22 аккумулирования энергии одного и того же типа, т.е. для всех модулей 22 аккумулирования энергии, которые имеют одинаковые характеристики аккумулирования энергии. Показательные характеристики аккумулирования энергии включают в себя, но не ограничиваясь этим: максимальные/минимальные допустимые уровни мощности, максимальный/минимальный допустимый ток (как приемник или как источник), или другие характеристики, связанные с зарядкой, такие как оптимальное состояние зарядки и т.д.

Использование специализированного фильтрования в каждом контроллере 32 распределения мощности является одним аспектом предпочтительного факта, заключающегося в том, что каждый контроллер 32 распределения мощности конфигурируется таким образом, чтобы работать автономно по отношению к другим контроллерам 32 распределения мощности в устройстве 30 управления. Эта автономность поддерживается независимо от того, один или более входных сигналов 44 для контроллеров 32 распределения мощности представляют выходной сигнал 90 "предшествующего" ("prior") контроллера 32 распределения мощности, или входной сигнал 44 для каждого контроллера 32 распределения мощности получен независимо.

Конечно может существовать централизованный компьютер или другой управляющий узел, такой как контроллер оптимизации, который устанавливает целевые значения в установившемся режиме и т.д., для различных модулей 22 аккумулирования энергии. Кроме того, соответствующий входной сигнал 44 для каждого контроллера 32 распределения мощности может быть получен как общий входной сигнал для всех контроллеров 32 распределения мощности, или каждый контроллер 32 распределения мощности может получить свой собственный входной сигнал 44 на основе локальных измерений сети, выполненных каждым контроллером 32 распределения мощности. Кроме того, входной сигнал 44 для любого заданного контроллера 32 распределения мощности может быть выходным сигналом 90 из заданного другого контроллера 32 распределения мощности.

Фиг. 5 иллюстрирует способ 500, например, каким образом он может быть реализован в паре контроллера 32 распределения мощности и контроллера 34 состояния зарядки, с каждым модулем 22 аккумулирования энергии и соответствующим локальным модулем-преобразователем 24 в гибридной системе 20 аккумулирования энергии. Способ 500 включает в себя управление двумя или более модулями 22 аккумулирования энергии, имеющими различные характеристики аккумулирования энергии. Каждый модуль 22 аккумулирования энергии имеет соответствующую электрическую шину 12 в назначенной электрической сети 10, которая включает в себя гибридную систему 20 аккумулирования энергии. Модули 22 аккумулирования энергии могут присоединяться к одной и той же электрической шине 12, или по меньшей два модуля могут присоединяться к различным электрическим шинам 12 в электрической сети 10.

Способ 500 включает в себя получение входного сигнала 44 (блок 502) для каждого модуля 22 аккумулирования энергии. В данном случае термин «получать» может означать генерирование входного сигнала 44, например, на основе локальных измерений сети, или прием входного сигнала 44 от другого контроллера 32 распределения мощности, или от какого-либо другого узла. В любом случае, входной сигнал 44 отражает изменения нагрузки на электрическую сеть 10. Способ 500 далее включает в себя, для каждого модуля 22 аккумулирования энергии, фильтрование (блок 504) входного сигнала 44, чтобы таким образом получить отфильтрованный входной сигнал 42. Фильтрование здесь для каждого модуля 22 аккумулирования энергии адаптировано к характеристикам аккумулирования энергии модуля 22 аккумулирования энергии.

Способ 500 также включает в себя суммирование (блок 506) отфильтрованного входного сигнала 42 для модуля 22 аккумулирования энергии с командным сигналом 50 установившегося режима для модуля 22 аккумулирования энергии. Командный сигнал 50 установившегося режима представляет собой целевые параметры в установившемся режиме модуля 22 аккумулирования энергии. Кроме того, способ 500 также включает в себя управление (блок 508) разрядкой и зарядкой каждого модуля 22 аккумулирования энергии посредством соответствующего контроллера 34 состояния зарядки, который конфигурирован таким образом, чтобы управлять локальным модулем-преобразователем 24, связанным с соответствующим модулем 22 аккумулирования энергии, в ответ на командный сигнал 48 распределения мощности, индивидуально сгенерированный для модуля 22 аккумулирования энергии.

Таким образом, при использовании для систем электропитания постоянного тока на борту корабля или для других прикладных задач, устройство 30 управления и способ 500 предусматривают использование специализированного фильтрования входного сигнала на основе каждого отдельного модуля аккумулирования энергии, которое обеспечивает использование коэффициентов усиления на различных полосах частот в контуре управления распределением мощности, используемом для каждого модуля аккумулирования энергии, таким образом, как показано на фиг. 3. При использовании в морских системах электропитания постоянного тока, где дизель-генераторы работают при различных скоростях для улучшения топливной эффективности, гибридная система 20 аккумулирования энергии может использоваться для улучшения топливной эффективности за счет смещения рабочих точек дизельного двигателя, и/или для сглаживания изменений нагрузки, и устройство 30 управления обеспечивает лучшее оптимизированное управление, когда гибридная система 20 аккумулирования энергии включает два или более типов модулей 22 аккумулирования энергии, таких как маховики, суперконденсаторы и аккумуляторные батареи, или даже когда система включает различные типы аккумуляторов, такие как свинцовый, литий-ионный и т.д.

Как дополнительное преимущество, в отличие от различных частотных характеристик, достигаемых с помощью адаптированного фильтрования, все контроллеры 32 распределения мощности могут реализовать идентичные контуры управления, хотя и возможно с различными значениями применяемых управляющих параметров. Управляющие параметры могут быть оптимизированы по сети, например, с помощью узла оптимизации, подключенного к контроллерам 32 распределения мощности с возможностью обмена данными, или при автономной работе. Кроме того, как уже отмечалось, контроллеры 32 распределения мощности могут быть соединены последовательно, или могут не соединяться между собой.

В некоторых вариантах осуществления изобретения контроллеры 32 распределения мощности, которые управляют модулями 22 аккумулирования энергии одинакового типа, и/или связаны с одной той же электрической шиной 12, могут быть соединены последовательно между собой. Если контроллеры 32 распределения мощности соединены между собой, они могут быть соединены вместе с возможностью обмена данными с использованием общей шины связи, такой как сеть Ethernet или других средств для взаимного обмена данными. Одни и те же или другие каналы передачи данных могут быть использованы для следующих действий: обеспечение целевых значений установившегося режима для индивидуальных контроллеров из числа контроллеров 32 распределения мощности; обеспечение входных сигналов для соответствующих контроллеров 32 распределения мощности; переконфигурирование управляющих параметров, например, адаптация схемы фильтра; выполнение мероприятий по техническому обслуживанию, например, отключение контроллеров 32 распределения мощности, связанных с неисправными модулями 22 аккумулирования энергии или неисправными локальными модулями-преобразователями 24.

Фиг. 6 иллюстрирует вариант осуществления изобретения, в котором устройство 30 управления сконфигурировано для множества n модулей 22 аккумулирования энергии, изображенных на диаграмме как модули ES Unit 1 - ES Unit n. Каждый из модулей 22 аккумулирования энергии имеет связанный с ним локальный модуль-преобразователь 24.

Следует отметить, что каждый локальный модуль-преобразователь 24 управляется соответствующим одним из контроллеров 34 состояния зарядки 34-1-34-n. В свою очередь, каждый из контроллеров 34 состояния зарядки управляется соответствующим одним из контроллеров 32 распределения мощности 32-1-32-n.

В проиллюстрированном варианте контроллеры 32-1-32-n распределения мощности соединены последовательно, в порядке, соответствующем времени разрядки, например, в виде отношения энергии к мощности, соответствующих модулей 22-1-22-n аккумулирования энергии. В этом частном примере первый модуль 22-1 аккумулирования энергии имеет самое быстрое время разрядки и соответствующий ему контроллер 32-1 распределения мощности является «первым» в последовательном расположении. По существу, первый контроллер 32-1 распределения мощности генерирует выходной сигнал 90-1, который должен использоваться как входной сигнал 44-2 для второго контроллера 32-2 распределения мощности, который связан со следующим по времени разрядки модулем 22-2 аккумулирования энергии. В свою очередь, второй контроллер 32-2 распределения мощности генерирует выходной сигнал 90-2, который должен использоваться как входной сигнал 44-3 для следующего контроллера 32 распределения мощности в последовательности и т.д.

В этой компоновке позиция контроллера 32 распределения мощности, соответствующего модулю 22 аккумулирования энергии, имеющему самое короткое время разрядки, например самый энергоемкий модуль, является первой, а позиция контроллера 32 распределения мощности, соответствующего модулю 22 аккумулирования энергии, имеющему самое продолжительное время разрядки, например, наименее энергоемкий модуль, является последним, он находится на конце «управляющей цепочки». Узел 62 оптимизации стоимости в этом примере конфигурирован таким образом, чтобы выводить управляющие параметры, представляющие графики установившегося режима работы модулей 22 аккумулирования энергии. Эти управляющие параметры основаны на долгосрочных прогнозах нагрузки, и в данном случае содержат целевые значения мощности установившегося режима, P_ES*, для контроллеров 32 распределения мощности. Такие значения показаны на фиг. 2B в качестве примера первого входного командного сигнала 58, который может быть обеспечен для каждого контроллера 32 распределения мощности.

Следует заметить, что другие варианты осуществления изобретения используют две или более управляющих цепочек, т.е. два или более подмножества контроллеров 32 распределения мощности, расположенных вместе в виде последовательности, при этом каждый контроллер 32 распределения мощности в управляющей цепочке, за исключением последнего, обеспечивает выходной сигнал 90 для использования в качестве входного сигнала 44 для следующего контроллера 32 распределения мощности в управляющей цепочке. Например, существует управляющая цепочка для каждого подмножества модулей 22 аккумулирования энергии одинакового типа, и/или управляющая цепочка для каждого подмножества модулей 22 аккумулирования энергии на одной и той же электрической шине 12.

Кроме того, на фиг. 6 узел 84 оптимизации управления выполняет процесс оптимизации, который определяет некоторые параметры управления распределением мощности на основе краткосрочных прогнозов изменения нагрузки. В данном случае параметрами управления распределением мощности являются заданные значения коэффициента усиления и постоянной времени K* и Т*, которые должны использоваться в специализированной схеме 40 фильтра каждого контроллера 32 распределения мощности.

Фиг. 7 иллюстрирует непоследовательное расположение контроллеров 32 распределения мощности и соответствующих им контроллеров 34 состояния зарядки. Каждая пара контроллеров распределения мощности/контроллер состояния зарядки соответствует одному из n модулей 22 аккумулирования энергии и связанному с ним локальному модулю-преобразователю 24. В отличие от последовательной управляющей цепочки, изображенной на фиг. 6, входной сигнал 44 в каждом из контроллеров 32 распределения мощности, изображенном на фиг. 7, генерируется контроллером 32 распределения мощности из локальных измерений сети, например таких, которые обеспечиваются измерительным модулем 70, представленным на фиг. 2А, или обеспечиваются для контроллера 32 распределения мощности удаленной системой управления и/или измерения.

Фиг. 8 иллюстрирует вариант осуществления изобретения, в котором применяются первый и второй модули 22-1 и 22-2 аккумулирования энергии, которые в данном примере присоединяются к одной и той же электрической шине 12 через соответствующие локальные модули-преобразователи 24-1 и 24-2. В более широком смысле, конечно различные модули 22-1 и 22-2 аккумулирования энергии могут быть присоединены к одним и тем же или различным электрическим шинам 12, и таким образом, могут быть связаны с одной и той же или различной нагрузкой (нагрузками) 18 и/или различными «локализованными» состояниями шины.

В показанной компоновке первый модуль 22-1 аккумулирования энергии является суперконденсатором, а второй модуль 22-2 аккумулирования энергии является аккумуляторной батареей, например, свинцовым аккумулятором, литий-ионным аккумулятором. А именно, можно увидеть конкретную адаптацию соответствующих схем 40-1 и 40-2 фильтров, включенных в соответствующие контроллеры 32 распределения мощности. Например, схема 40-1 фильтра имеет фактически нулевой коэффициент усиления (K0=0) для первой полосы частот, проходящей от нуля до 1/Т1, где Т1 представляет период первой частоты, относительно низкий коэффициент K1 усиления для второй более высокой полосы частот, и относительно высокий коэффициент K2 усиления для полосы частот с самыми высокими частотами. Эти коэффициенты усиления дополняют характеристики зарядки/разрядки суперконденсатора и контрастируют с примерными значениями коэффициента усиления, показанными для модуля 22-2 аккумулирования энергии на основе аккумуляторной батареи.

Фиг. 9 иллюстрирует управляющий узел 100, который может быть компьютером или другим узлом обработки данных, имеющим центральный процессор (ЦП, CPU) или другую обрабатывающую схему 102, которая включает в себя или связана с запоминающим устройством 104, например, считываемым компьютером носителем какого-либо типа, обеспечивающим энергонезависимое хранение данных для компьютерной программы 106. Обрабатывающая схема 102 обеспечивает оперативные средства 108, в которых реализуется описанная функциональная обрабатывающая элементная база, например, для выполнения программных инструкций из компьютерной программы 106. Функциональные обрабатывающие элементы могут рассматриваться как реализация функциональности выше упомянутого узла 62 оптимизации стоимости и узла 84 оптимизации управления. По существу, управляющий узел 100 также включает в себя один или несколько интерфейсов связи, например, интерфейс компьютерной сети, для связи с устройством 30 управления.

Функциональные элементы 114, 116 и 118 представляют функциональность узла 62 оптимизации стоимости. Эти обрабатывающие блоки включают в себя оптимизатор 118 стоимости топлива, который выводит командные значения установившегося режима для контроллеров 32 распределения мощности на основе рассмотрения ряда входных данных. Эти входные данные включают в себя модель потока мощности, модели модуля аккумулирования энергии для различных типов модулей 22 аккумулирования энергии, реализуемых в системе 20 аккумулирования энергии, модели генератора для генераторов 14, реализуемых в электрической сети 10, и модель стоимости топлива. Эти входные данные могут быть получены через интерфейс(ы) 110 связи, которые могут включать в себя, например, доступ к Интернету или другим внешним сетям, чтобы обеспечивать информацию по изменению стоимости топлива и т.д., и которые могут включать в себя один или несколько интерфейсов ввода/вывода, например, для доступа к локальным или удаленным базам данных, которые содержат относящуюся к данному вопросу информацию по моделированию.

Функциональные элементы 120, 122 и 124 представляют функциональность узла 84 оптимизации управления. Эти обрабатывающие блоки включают в себя оптимизатор 124 управления аккумулированием энергии (ES), который выводит параметры управления распределением мощности, например, параметры фильтров, для контроллеров 32 распределения мощности, на основе рассмотрения ряда входных данных. Эти входные данные включают в себя динамическую модель шины, модели модулей аккумулирования энергии, модель(и) генератора, и модели контроллера, например, контроллеров 32 распределения мощности, и/или контроллеров 34 состояния зарядки.

Рассмотрим в качестве примера морское судно. Для выбранного рабочего режима морского судна сначала получают долгосрочные прогнозы нагрузки в установившемся режиме и краткосрочные прогнозы изменений нагрузки. На основе прогнозов нагрузки в установившемся режиме, оптимальные параметры установившегося режима для модулей 22 аккумулирования энергии получают с использованием модели потока мощности системы, моделей модулей аккумулирования энергии, рабочих характеристик дизеля, а также стоимости топлива и кривых эффективности. Кроме того, на основе краткосрочных прогнозов изменений нагрузки получают набор оптимальных параметров управления распределением мощности, например, параметров фильтров, с использованием динамики шины постоянного тока, а также моделей модулей аккумулирования энергии, моделей дизельного генератора и моделей контроллеров.

В более широком смысле, узел 100 управления или другой узел может работать как система управления мощностью и энергией более высокого уровня или PEMS. Система PEMS может иметь каналы связи с рассматриваемым устройством 30 управления, например, для обеспечения каждого контроллера 32 распределения мощности оптимизированными командными сигналами для целевых значений установившегося режима и/или оптимизированными установками фильтра и т.д. Конечно, в других вариантах осуществления изобретения контроллеры 32 распределения мощности использовали предварительно сконфигурированные установки управления и/или фильтра. Однако в таких вариантах осуществления изобретения контроллеры 32 распределения мощности могут адаптироваться или другим образом регулировать такие значения управления и фильтрования во время совершаемой операции.

В любом случае, устройство 30 управления позволяет обеспечивать в значительной степени идентичные контуры управления распределением мощности, чтобы использовать их для всех модулей 22 аккумулирования энергии в гибридной системе 20 аккумулирования энергии, хотя все еще имеются различные стратегии управления для различных типов модулей 22 аккумулирования энергии, например, используя различные значения установившегося режима или другие целевые значения, и/или различные установки фильтров в различных контроллерах 32 распределения мощности.

В рассматриваемых последовательных компоновках контроллеров 32 распределения мощности самые энергоемкие модули 22 аккумулирования энергии всегда реагируют первыми на высокочастотные изменения нагрузки, которые уменьшают цикличность и увеличивают срок службы более энергоемких модулей 22 аккумулирования энергии, например, модулей, которые имеют более длительное время зарядки/разрядки, но которые сохраняют больше энергии. В такой компоновке энергоемкие модули 22 аккумулирования энергии действуют как резервное средство для изменения подачи мощности и обеспечивают большую часть энергии нагрузке для низкочастотных изменений.

Конечно, подход с последовательной управляющей цепочкой является лишь одним примером. В более широком смысле контроллеры 32 распределения мощности могут рассматриваться как средство обеспечения подхода распределенного управления для управления некоторым количеством модулей 22 аккумулирования энергии, при этом два или более из модулей 22 аккумулирования энергии являются модулями различных типов и имеют отличающиеся характеристики аккумулирования энергии. Распределенная стратегия предполагает ряд преимуществ, включающих в себя уменьшение риска, связанного с неисправностями отдельных модулей.

По существу, модификации и другие варианты осуществления изобретения будут понятны специалистам в данной области техники, которые изучили представленное выше описание и прилагаемые чертежи. Например, понятно, что приведенное здесь раскрытие может применяться во множестве приложений, включающих в себя электрические сети постоянного тока и переменного тока. Поэтому должно быть понятно, что это изобретение не ограничивается раскрытыми здесь конкретными вариантами осуществления изобретения, и предполагается, что модификации и другие варианты осуществления изобретения включены в объем этого изобретения. Хотя здесь могут использоваться конкретные термины, они используются только в обобщенном и описательном смысле и не предназначены для ограничения.

Использование – в области электротехники. Технический результат – оптимизация управления гибридной системой аккумулирования энергии. Согласно изобретению устройство управления и соответствующий способ управления используют фильтрование для отдельного модуля в ряде контроллеров распределения мощности, чтобы получить командный сигнал распределения мощности для соответствующего модуля из множества различных модулей аккумулирования энергии в гибридной системе аккумулирования энергии. Гибридная система аккумулирования энергии включает в себя два или более типов модулей аккумулирования энергии, при этом командный сигнал распределения мощности для каждого из модулей аккумулирования энергии получают путем фильтрования входного сигнала, используя фильтр, имеющий характеристику фильтра, которая адаптирована к характеристикам аккумулирования энергии модуля аккумулирования энергии. Входной сигнал отражает изменения нагрузки на электрическую сеть и может генерироваться локально или обеспечиваться удаленным узлом. Несмотря на то что контуры регулирования распределения мощности, используемые для каждого модуля аккумулирования энергии, предпочтительно могут быть одинаковыми в смысле архитектуры и реализации, каждый такой контур использует адаптированное индивидуальное фильтрование и, возможно, индивидуализированные значения одного или более других параметров управления, так что каждый модуль аккумулирования энергии управляется таким образом, что дополняются его характеристики аккумулирования энергии. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Устройство управления гибридной системой аккумулирования энергии, содержащей два или несколько модулей аккумулирования энергии, связанных с электрической сетью, содержащей одну или несколько электрических шин, при этом по меньшей мере два модуля аккумулирования энергии имеют различные характеристики аккумулирования энергии, содержащее:

контроллер распределения мощности, соответствующий каждому модулю аккумулирования энергии, при этом каждый контроллер распределения мощности выполнен с возможностью генерировать командный сигнал распределения мощности; и

контроллер состояния зарядки, соответствующий каждому модулю аккумулирования энергии, при этом каждый контроллер состояния зарядки выполнен с возможностью управления зарядкой и разрядкой соответствующего модуля аккумулирования энергии через связанный с ним локальный модуль-преобразователь в ответ на командный сигнал распределения мощности, генерируемый соответствующим контроллером распределения мощности,

при этом каждый контроллер распределения мощности содержит:

схему фильтра, сконфигурированную с возможностью получения отфильтрованного входного сигнала посредством фильтрования входного сигнала в контроллере распределения мощности, в соответствии с характеристикой фильтра, которая адаптирована к характеристикам аккумулирования энергии соответствующего модуля аккумулирования энергии, причем указанный входной сигнал отражает изменения нагрузки на электрическую сеть; и

схему управления, сконфигурированную с возможностью генерировать командный сигнал распределения мощности, в виде объединения отфильтрованного входного сигнала и командного сигнала установившегося режима, представляющего целевое состояние в установившемся режиме соответствующего модуля аккумулирования энергии.

2. Устройство управления по п. 1, в котором входной сигнал, обеспечиваемый по меньшей мере для одного контроллера распределения мощности, имеет связанное с ним время запаздывания коммуникации, при этом каждый из указанных по меньшей мере одного контроллера распределения мощности также включает в себя схему компенсации задержки, сконфигурированную таким образом, чтобы компенсировать указанное время запаздывания коммуникации на основе прогнозирования значений входного сигнала в зависимости от локальных измерений сети с малой задержкой, получаемых для соответствующего модуля аккумулирования энергии.

3. Устройство управления по п. 2, в котором схема компенсации задержки конфигурирована с возможностью адаптации прогнозирования входного сигнала на основе отслеживания разности между оценочными значениями указанных локальных измерений сети, которые указывают на входной сигнал, и соответствующими действительными значениями указанных локальных измерений сети.

4. Устройство управления по п. 1, в котором два или несколько модулей аккумулирования энергии содержат первый и второй модули аккумулирования энергии, при этом устройство управления содержит первый контроллер распределения мощности и первый контроллер состояния зарядки, соответствующие первому модулю аккумулирования энергии, а также второй контроллер распределения мощности и второй контроллер состояния зарядки, соответствующие второму модулю аккумулирования энергии, при этом первый и второй контроллеры распределения мощности соединены в последовательной компоновке таким образом, что входным сигналом во второй контроллер распределения мощности является выходной сигнал из первого контроллера распределения мощности, при этом первый контроллер распределения мощности конфигурирован с возможностью генерировать выходной сигнал в виде разности между входным сигналом в первый контроллер распределения мощности и командным сигналом распределения мощности, генерируемым первым контроллером распределения мощности.

5. Устройство управления по п. 1, в котором каждый контроллер распределения мощности конфигурирован с возможностью работать автономно по отношению к другому контроллеру или другим контроллерам распределения мощности, при этом каждый контроллер распределения мощности конфигурирован с возможностью принимать входной сигнал подобно другим указанным контроллерам распределения мощности или принимать сигнал из локальных измерений сети, индивидуальных для соответствующего модуля аккумулирования энергии.

6. Устройство управления по п. 1, в котором схема фильтра по меньшей мере в одном из контроллеров распределения мощности является схемой адаптивного фильтра, при этом каждая схема адаптивного фильтра выполнена с возможностью адаптировать характеристику фильтра в зависимости по меньшей мере от одного из следующих параметров: заданное изменение частотной характеристики, заданное изменение коэффициента усиления, корректированный сигнал, выведенный из измеренного состояния в установившемся режиме или состояния зарядки модуля аккумулирования энергии и соответствующей установки максимального или минимального состояния в установившемся режиме или состояния зарядки.

7. Устройство управления по п. 1, в котором входной сигнал в каждый из контроллеров распределения мощности является разностным сигналом, представляющим собой разность между сигналом измерения напряжения шины и установкой номинального напряжения.

8. Устройство управления по п. 1, в котором схема управления в каждом контроллере распределения мощности выполнена с возможностью генерировать командный сигнал распределения мощности на основе получения объединенного сигнала путем суммирования отфильтрованного входного сигнала с командным сигналом установившегося режима, представляющим целевую мощность зарядки или разрядки установившегося режима, ток зарядки или разрядки установившегося режима или состояние заряда установившегося режима для соответствующего модуля аккумулирования энергии, и также на основе прохождения объединенного сигнала через ограничитель.

9. Устройство управления по п. 1, в котором первый контроллер распределения мощности устройства управления конфигурирован с возможностью использования с суперконденсатором в качестве соответствующего модуля аккумулирования энергии, а второй контроллер распределения мощности устройства управления конфигурован с возможностью использования с аккумуляторной батареей в качестве соответствующего модуля аккумулирования энергии, при этом схема фильтра первого контроллера распределения мощности выполнена с возможностью иметь более высокую частотную характеристику, чем схема фильтра второго контроллера распределения мощности.

10. Способ управления двумя или более модулями аккумулирования энергии в гибридной системе аккумулирования энергии, связанной с электрической сетью, содержащей одну или более электрических шин, причем по меньшей мере два модуля аккумулирования энергии имеют различные характеристики аккумулирования энергии, включающий:

генерирование командного сигнала распределения мощности индивидуально для каждого модуля аккумулирования энергии на основе:

получения входного сигнала для каждого модуля аккумулирования энергии, который отражает изменения нагрузки на электрическую сеть;

фильтрации входного сигнала для каждого модуля аккумулирования энергии с помощью схемы фильтра, имеющей характеристику фильтра, которая адаптирована к характеристикам аккумулирования энергии указанного модуля аккумулирования энергии, с тем чтобы получить отфильтрованный входной сигнал; и

объединение отфильтрованного входного сигнала для каждого модуля аккумулирования энергии с командным сигналом установившегося режима для модуля аккумулирования энергии, при этом указанный командный сигнал установившегося режима представляет целевое состояние в установившемся режиме модуля аккумулирования энергии, с тем чтобы таким образом получить командный сигнал распределения мощности для модуля аккумулирования энергии; и

управление разрядкой и зарядкой каждого модуля аккумулирования энергии с помощью контроллера состояния зарядки, который конфигурируют таким образом, чтобы управлять локальным модулем-преобразователем, связанным с модулем аккумулирования энергии, в ответ на командный сигнал распределения мощности, индивидуально генерированный для модуля аккумулирования энергии.

11. Способ по п. 10, в котором входной сигнал, полученный по меньшей мере для одного из модулей аккумулирования энергии, имеет связанное с ним время запаздывания коммуникации, при этом способ включает в себя компенсацию указанного времени запаздывания коммуникации для каждого такого входного сигнала на основе прогнозируемых значений входного сигнала в зависимости от локальных измерений сети с малой задержкой, полученных для модуля аккумулирования энергии.

12. Способ по п. 11, в котором дополнительно адаптируют прогнозирование каждого такого входного сигнала на основе отслеживания разности между оценочными значениями локальных измерений сети, которые указывают на входной сигнал, и соответствующими действительными значениями локальных измерений сети.

13. Способ по п. 10, в котором два или более модулей аккумулирования энергии содержат первый и второй модули аккумулирования энергии, при этом при получении входного сигнала для второго модуля аккумулирования энергии генерируют выходной сигнал в виде разности между входным сигналом в первый модуль аккумулирования энергии и командным сигналом распределения мощности, сформированным для первого модуля аккумулирования энергии, и используют указанный выходной сигнал в качестве входного сигнала для второго модуля аккумулирования энергии.

14. Способ по п. 10, в котором при получении входного сигнала для каждого модуля аккумулирования энергии принимают входной сигнал, который получен из входного сигнала другого одного из модулей аккумулирования энергии, или генерируют входной сигнал из локальных измерений сети, проведенных для модуля аккумулирования энергии.

15. Способ по п. 10, в котором для каждого по меньшей мере одного из указанных модулей аккумулирования энергии адаптируют характеристику фильтра схемы фильтра, используемой для получения отфильтрованного входного сигнала для модуля аккумулирования энергии, в зависимости от по меньшей мере одного из следующих параметров: заданное изменение частотной характеристики, заданное изменение коэффициента усиления, корректировочный сигнал, выведенный из измеренного состояния в установившемся режиме или состояния зарядки модуля аккумулирования энергии и соответствующей максимальной или минимальной установки состояния в установившемся режиме или состояния зарядки.

16. Способ по п. 10, в котором входной сигнал, полученный для каждого модуля аккумулирования энергии, является разностным сигналом, представляющим разность между сигналом измерения напряжения шины и номинальной установкой напряжения.

17. Способ по п. 10, в котором генерирование командного сигнала распределения мощности для каждого модуля аккумулирования энергии основывается на получении объединенного сигнала путем суммирования отфильтрованного входного сигнала для каждого модуля аккумулирования энергии с одним из командных сигналов установившегося режима, представляющих целевую мощность зарядки или разрядки установившегося режима, ток зарядки или разрядки установившегося режима, или состояние заряда установившегося режима для модуля аккумулирования энергии, и также на основе прохождения объединенного сигнала через ограничитель.

18. Способ по п. 10, в котором первый модуль из указанных двух или более модулей аккумулирования энергии является суперконденсатором, а второй модуль из указанных двух или более модулей аккумулирования энергии является аккумуляторной батареей, при этом фильтруют входной сигнал для первого модуля аккумулирования энергии с помощью схемы фильтра, которая имеет более высокочастотную характеристику, чем схема фильтра, используемая для фильтрования входного сигнала второго модуля аккумулирования энергии.