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2024年12月，IEEE Transactions on Transportation Electrification期刊发表了一篇题为“Bilayered Real-Time Energy Management Strategy for Hybrid Power Systems in Hydrogen”的研究论文。该文创新性地提出了一种双层实时能量管理策略（BLRT-EMS），用于氢燃料电池船舶（FCV）混合动力系统（HPS）的能量管理。该策略包含执行层的EMS（EL-EMS）和决策层的EMS（DL-EM），其中两个EL-EMS分别用于实现多堆燃料电池系统（MFCS）和多组电池储能系统（MBSS）两者内部同构电源之间的功率分配，而DL-EMS用于实现MFCS和MBSS这两种异构电源之间的能量管理。通过巧妙集成三个层级的EMS，该策略在确保FCV的HPS稳定运行同时，能够实现多目标实时控制和优化。此外，基于StarSim的实验测试结果表明，所提BLRT-EMS可显著降低母线电压波动、减少氢气消耗、提高系统效率，并具有工程应用便捷性。
随着全球航运业对温室气体减排的需求日益增加，FCV逐渐成为未来船舶脱碳过程中的重要选择。然而，现有FCV的EMS在面对MFCS和MBBS并联的场景时，难以实现多目标实时控制和协同优化。为此，大连海事大学新能源船舶综合电力与智能控制科研团队提出了一种应用于FCV的BLRT-EMS，显著降低了母线电压波动、降低了氢耗、提高了系统效率，并具备工程应用便捷性。
1. 双层实时能量管理策略（BLRT-EMS）：该策略通过执行层和决策层的协同工作，实现了多目标实时控制和优化。执行层的两个EMS分别负责MFCS和MBSS内部的功率分配，而决策层的EMS则负责两者之间的能量协调优化。
2. 分散式最优功率分配策略：在第一个EL-EMS中，研究团队提出了一种分散式最优功率分配策略，允许每个FCS根据其发电成本分配输出功率比例，确保多个FCS在长期运行条件下性能一致，从而延缓FC的退化速率。
3. 分布式协同控制策略：在第二个EL-EMS中，研究团队提出了一种基于平均一致性算法的分布式协同控制策略，实现了多个BSS之间的荷电状态（SoC）动态均衡、输出功率比例分配和母线电压精确恢复，从而延长了电池的使用寿命。
4. 能量协调优化策略：在DL-EMS中，研究团队提出了一种能量协调优化策略，通过改进等效消耗最小化策略（ECMS）来减少氢耗，通过构建输出功率优化函数来提高系统效率，并将这两种策略纳入级联优化框架，实现氢耗和效率联合优化，以及提升FCV的续航性能。
1.配单系统架构
为了满足船级社的检验规范，研究团队对传统FCV的HPS进行了改进，主要包括两个燃料电池、两个升压转换器、两个电池储能单元、两个双向DC/DC转换器、推进负载、推进驱动器、逆变器、日用负载等模块。
2.分散式最优功率分配策略
通过对经济调度问题（EDP）的求解，研究团队实现了MFCS的最优功率分配。每个FCS根据其发电成本函数动态调整输出功率，确保系统在长期运行中的性能一致性。
3.分布式协同控制策略
研究团队提出了一种基于平均一致性算法的分布式控制策略，实现了MBSS之间的SoC均衡、功率分配和电压恢复。该策略通过单补偿回路实现了多目标控制，简化了系统结构并提高了稳定性。
4.能量协调优化策略
研究团队改进了传统的ECMS，通过动态调整SoC平衡系数和输出功率优化函数，实现了氢耗的最小化和系统效率的最大化。
1.实验平台
研究团队基于StarSim HIL实验平台构建了HPS的仿真模型，并通过MT-1070-RCP实时控制器实现了BLRT-EMS的部署。实验参数包括两个FCS、两个BSS、推进负载和日用负载等。
2.实验结果
实验结果表明，与现有的功率跟随策略（PFS）、有限状态机（FSM）和ECMS相比，BLRT-EMS在初始平均SoC较低的情况下，总氢耗减少了19.17%，系统效率提高了4.81%，FCS效率提高了2.77%。此外，BLRT-EMS在SoC均衡速度和母线电压波动控制方面也表现出色。
3.运行应力分析
通过对FCS和BSS的输出功率波动进行分析，研究团队发现BLRT-EMS能够有效平滑电源的输出功率波动，从而延长其使用寿命。
本文提出的BLRT-EMS通过统一EL-EMS和DL-EMS，建立了船舶EMS的新研究框架，有效解决了双层EMS研究割裂的问题。实验结果表明，BLRT-EMS在减少氢耗、提高系统效率和延长电源寿命方面具有显著优势。未来，研究团队将进一步探索数据驱动方法，以实现完全分布式的EMS，从而在多目标控制和优化方面取得更大突破。
Y. Zeng, Q. Zhang*, S. You, et al. Bilayered real-time energy management strategy for hybrid power systems in hydrogen fuel cell vessels[J]. IEEE Transactions on Transportation Electrification, 2024, 10(4): 7954-7970．
Yuji Zeng
Dalian Maritime University
China
Qinjin Zhang
Dalian Maritime University
China
Shi You
Technical University of Denmark
Denmark
Yancheng Liu
Dalian Maritime University
China
Herbert H. C. Iu
The University of Western Australia
Australia
Haohao Guo
Dalian Maritime University
China
Siyuan Liu
Dalian Maritime University
China
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