混合動力船舶能量管理控制策略設(shè)計(jì)與仿真

袁裕鵬，王凱，嚴(yán)新平

(武漢理工大學(xué)a.國家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心;b.能源與動力工程學(xué)院可靠性工程研究所; c.船舶動力工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430063)

混合動力船舶能量管理控制策略設(shè)計(jì)與仿真

袁裕鵬a，b，c，王凱a，b，c，嚴(yán)新平a，b，c

(武漢理工大學(xué)a.國家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心;b.能源與動力工程學(xué)院可靠性工程研究所; c.船舶動力工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430063)

為了提高船舶的能源利用效率，降低排放，采用柴油發(fā)電機(jī)和燃料電池組成的混合動力為船舶提供電能，其中發(fā)動機(jī)為船舶提供基礎(chǔ)載荷，當(dāng)船舶功率負(fù)荷需求大于基礎(chǔ)載荷時則由燃料電池組提供剩余的功率。針對這樣的混合動力系統(tǒng)，設(shè)計(jì)船舶的能量管理系統(tǒng)的邏輯門限值控制策略和PID控制器。仿真結(jié)果表明，采用這種混合動力結(jié)構(gòu)的船舶，可以提高柴油機(jī)的運(yùn)行效率，所設(shè)計(jì)的PID控制器能很好地滿足船舶的功率需求，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

混合動力船舶;能量管理系統(tǒng);燃料電池;基礎(chǔ)載荷

清潔能源在船舶上的應(yīng)用無疑具有良好的發(fā)展前景。目前風(fēng)能、太陽能、核能以及燃料電池等清潔能源已初步具備在船舶上應(yīng)用的基礎(chǔ)，其中單一的能源的應(yīng)用也已經(jīng)有可供參考和借鑒的實(shí)船案例。但縱觀清潔能源在船舶上應(yīng)用的各種技術(shù)方案，僅利用風(fēng)能或太陽能等單一模式并非為最優(yōu)的應(yīng)用模式。根據(jù)船型的結(jié)構(gòu)、航行區(qū)域和營運(yùn)特點(diǎn)的不同，多種能源的綜合利用的混合動力船舶已成為21世紀(jì)船舶發(fā)展的主要研究方向［1］?！盎旌蟿恿Υ啊笨梢远x為以兩種或兩種以上儲能器、能量源或能量轉(zhuǎn)換器作為動力源，其中至少有一種可以提供電能的船舶。2000年澳大利亞開發(fā)出世界第一艘商用的太陽能/風(fēng)能混合動力雙體客船“Solar Sailor”號太陽能渡船［2］。德國西門子公司向海軍提供的潛水艇用固體高分子燃料電池，在潛艇上安裝燃料電池和柴電動力組成的混合動力系統(tǒng)［3］。2010年1月，意大利和斯洛維尼亞聯(lián)合研制了GREENLINE 33混合動力游艇，該游艇混合了電池組、太陽能和柴油機(jī)動力。

國內(nèi)在混合動力船舶領(lǐng)域方面起步較晚，成功應(yīng)用的例子并不多。在2010年上海世博會上亮相了中國第一艘混合動力船——“尚德國盛”號游船［4］，該船采用太陽能和柴油機(jī)組作為混合動力，速度約15 km/h，節(jié)省電力和減排達(dá)30%以上。此船有柴油發(fā)電機(jī)組、動力鋰離子電池、太陽能電池板3種動力源，擁有柴油發(fā)電機(jī)組電力推進(jìn)、純電池組電力推進(jìn)和柴電機(jī)組與電池組混合電力推進(jìn)3種不同推進(jìn)模式，是目前世界上推進(jìn)模式最多，功率等級最大的多模混合動力船舶。

文中針對柴油發(fā)電機(jī)單獨(dú)為船舶供電時，總體效率不高的缺點(diǎn)，考慮采用柴油發(fā)電機(jī)與燃料電池組成的混合動力，對能量管理系統(tǒng)研制過程中涉及的主要技術(shù)——能量管理策略與PID控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，最后利用MATLAB/Simulink工具箱對設(shè)計(jì)的能量管理控制策略進(jìn)行仿真。

1 能量管理系統(tǒng)

能量管理系統(tǒng)(power management system，PMS)是電力推進(jìn)船舶的關(guān)鍵控制系統(tǒng)之一，是在綜合電力系統(tǒng)船舶出現(xiàn)后，根據(jù)綜合電力系統(tǒng)船舶的實(shí)際需求而逐漸出現(xiàn)對船舶電能供給、調(diào)度、消耗的新型控制與管理系統(tǒng)［5］。

目前國外大中型船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)集監(jiān)控、智能管理、船舶集成管理系統(tǒng)為一體。相關(guān)產(chǎn)品基本上都采用分布控制、集中管理的模式，通過以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線將能量管理系統(tǒng)、推進(jìn)控制系統(tǒng)及其他重要負(fù)載系統(tǒng)(如動力定位系統(tǒng))綜合集成在一個平臺管理系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)信息互聯(lián)共享、協(xié)調(diào)控制和集中管理［6］。

但是目前國內(nèi)外對于能量管理系統(tǒng)的發(fā)展仍處于起步階段，對于其組成、結(jié)構(gòu)還有較多爭論，以Siemens產(chǎn)品為例，能量管理系統(tǒng)將供電與推進(jìn)進(jìn)行一體化的考慮，將能量作為一種流動的整體資源進(jìn)行考慮，比直接通過設(shè)備功能劃分出模塊來切割能量的流動似乎更為合適［7］。

2 能量管理策略

在混合電力推進(jìn)船舶中，風(fēng)能、太陽能和燃料電池等清潔能源可以通過轉(zhuǎn)換為電能與船舶電站相連，然后將清潔能源和柴油機(jī)組提供的電能供給各個用電負(fù)載，見圖1。當(dāng)混合能源系統(tǒng)結(jié)合在一起時，能克服單獨(dú)使用其中任何一種能源的局限性。但多個能量單元增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，如何制定合理的能量管理策略，使由多個能量單元構(gòu)成的混合動力系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、高效地工作是混合動力船舶的關(guān)鍵技術(shù)之一。

圖1 混合動力船舶推進(jìn)系統(tǒng)構(gòu)成

混合動力船舶能量管理策略的核心是保證混合動力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)船舶的期望響應(yīng)，同時優(yōu)化控制能量的轉(zhuǎn)換與傳輸過程，即在不損害船舶性能和部件壽命的前提下，合理分配各能量單元的功率輸出，控制電能的儲存和釋放，實(shí)現(xiàn)各能量單元的工作性能優(yōu)化，同時減少功率損耗，提高全船的燃油經(jīng)濟(jì)性。目前，在混合動力能量管理策略方面研究較多的是汽車。M.C. Kisacikoglu和Li Chunyan等學(xué)者［8-9］研究了由燃料電池、蓄電池和超級電容組成的混合動力系統(tǒng)，采用模糊邏輯控制策略，能較好優(yōu)化各能量單元的工作性能，提高了系統(tǒng)的壽命和經(jīng)濟(jì)性。但模糊規(guī)則的建立依靠操作者的經(jīng)驗(yàn)，具有一定的主觀因素，且難以實(shí)現(xiàn)，因此，文中采用簡單的邏輯門限制控制策略。

3 能量管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)混合動力船舶動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2，該推進(jìn)系統(tǒng)由發(fā)電部分(包括柴油發(fā)電機(jī)、燃料電池(fuel cell，F(xiàn)C)組)、推進(jìn)部分(包括變頻器、推進(jìn)電機(jī)和螺旋槳)、負(fù)載部分，以及能量管理系統(tǒng)組成。

圖2 混合動力船舶動力系統(tǒng)組成

由于燃料電池價(jià)格昂貴，且大功率燃料電池為系統(tǒng)供電時，系統(tǒng)通常處在低效率加載運(yùn)行狀態(tài)。此外，由于燃料電池動態(tài)響應(yīng)速度慢及不能很好跟蹤負(fù)荷的波動，因此單獨(dú)FC系統(tǒng)不能完全滿足船舶的電力需求。此外，負(fù)載需求波動會損害FC組和減少其生命周期。如果FC系統(tǒng)單獨(dú)供應(yīng)所有的電力需求，這將增加FC系統(tǒng)的大小和成本以及氫消費(fèi)。因此，船舶以柴油發(fā)動機(jī)提供全船的基礎(chǔ)載荷(基載)(見圖3)，并輔以FC組組成的混合動力結(jié)構(gòu)。

圖3 混合動力船舶功率-時間關(guān)系

當(dāng)船舶所需功率高于基載時，柴油發(fā)動機(jī)處在最高效率點(diǎn)運(yùn)行，超出的部分則由燃料電池進(jìn)行負(fù)荷補(bǔ)償，并通過能量管理系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化管理;當(dāng)船舶負(fù)載低于基礎(chǔ)負(fù)載時柴油發(fā)動機(jī)跟隨負(fù)載運(yùn)行。這樣的混合動力系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于:①在進(jìn)行設(shè)計(jì)時，柴油發(fā)動機(jī)功率不需要選擇很大，而且柴油發(fā)動機(jī)可以長時間在效率最高點(diǎn)運(yùn)行，節(jié)省能源;②避免單獨(dú)使用柴油發(fā)動機(jī)，即在船舶負(fù)荷隨通航環(huán)境改變或在船用負(fù)載突然加大時，造成柴油燃燒不充分而產(chǎn)生黑煙的現(xiàn)象，這不僅降低能耗，改善環(huán)境污染，而且延長了發(fā)動機(jī)的使用壽命;③通過制定合理的能量管理控制策略，可以讓柴油發(fā)動機(jī)和燃料電池保持良好的工作狀態(tài)，提高系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。

混合動力船舶電力系統(tǒng)組成見圖4，燃料電池組和柴油機(jī)的輸出功率由船舶的實(shí)時功率需求以及能量管理策略決定。

圖4 混合動力船舶電力系統(tǒng)組成原理

文中采用簡單的邏輯門限制控制策略，其工作過程是:首先檢測船舶當(dāng)前的瞬時需求功率P，與設(shè)定的基載P0相比較(基載一般選擇發(fā)電機(jī)組的額定功率)。當(dāng)P≤P0時，柴油發(fā)電機(jī)為全船供電，此時柴油發(fā)動機(jī)跟隨著負(fù)載運(yùn)行;當(dāng)P0＜P≤P0+PFC1時，柴油發(fā)電機(jī)與燃料電池1工作，此時柴油發(fā)動機(jī)將在最高效率點(diǎn)運(yùn)行，另一部分功率P-P0則由燃料電池提供;當(dāng)P0+PFC1＜P時，柴油發(fā)電機(jī)、燃料電池1和燃料電池2一起工作。

4 系統(tǒng)仿真分析

混合動力船舶電網(wǎng)系統(tǒng)控制框圖見圖5，柴油發(fā)電機(jī)和燃料電池組均采用反饋控制，并由PID控制器控制。每個控制器都根據(jù)PID參數(shù)預(yù)設(shè)值工作。燃料電池組和柴油發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電通過逆變器和系統(tǒng)互連設(shè)備供給全船。柴油發(fā)電機(jī)的額定功率為50 kW，燃料電池組的最大輸出功率均為20 kW。

圖5 混合動力船舶能量管理系統(tǒng)控制原理

柴油發(fā)電機(jī)、燃料電池組、逆變器和互連設(shè)備的傳遞函數(shù)如下。

圖6為船舶在某段時間工作過程中的實(shí)時功率需求。

柴油發(fā)電機(jī)、燃料電池組控制器的參數(shù)分別取:PDG=1，IDG=0.8，DDG=1;PFC1=1，IFC1=0.8，DFC1=0;PFC2=1，IFC2=0.8，DFC2=0。根據(jù)能量管理策略，在這段時間內(nèi)，柴油發(fā)電機(jī)、燃料電池組1和燃料電池組2的輸出功率分別見圖7～9。

在該能量管理策略與控制器的作用下，電網(wǎng)的總輸出功率見圖10。

圖6 船舶實(shí)時功率需求示意

圖7 柴油發(fā)電機(jī)的輸出功率

由仿真結(jié)果可見，在這段時間內(nèi)，柴油發(fā)電機(jī)大部分時間在額定功率下運(yùn)行，見圖7。若是采用單獨(dú)的柴油機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，則柴油發(fā)電機(jī)的功率不僅會選擇很大(至少90 kW)，而且也會在頻繁變化的負(fù)荷下運(yùn)行，見圖6。因此采用柴油機(jī)和燃料電池組成的混合動力系統(tǒng)，可以大大提高柴油機(jī)的運(yùn)行效率，節(jié)約能源降低排放。此外，由圖6和圖10可以看出，在設(shè)計(jì)的PID控制器作用下，系統(tǒng)的相應(yīng)速度快、無超調(diào)，電網(wǎng)的輸出功率能很好地滿足船舶的負(fù)載需求。

圖8 燃料電池1的輸出功率

圖9 燃料電池2的輸出功率

圖10 電網(wǎng)的輸出功率

5 結(jié)束語

針對柴油發(fā)電機(jī)與燃料電池組成混合動力船舶的實(shí)際，利用柴油機(jī)擔(dān)負(fù)船舶的基礎(chǔ)載荷，設(shè)計(jì)了邏輯門限制控制策略，可以使柴油機(jī)發(fā)電機(jī)長時間運(yùn)行在額定工況，優(yōu)化發(fā)動機(jī)的性能，節(jié)約能源降低排放。而且設(shè)計(jì)的PID控制器能使電網(wǎng)的輸出功率很好跟隨船舶負(fù)載的電力需求。

由于燃料電池動態(tài)響應(yīng)速度慢及不能很好跟蹤負(fù)荷的波動，所以當(dāng)負(fù)載需求波動很大時會損害燃料電池組和減少其生命周期。為此，增加燃料電池系統(tǒng)的能量存儲系統(tǒng)(ESS)可提高整體系統(tǒng)的動態(tài)性能，提高燃料的經(jīng)濟(jì)性。今后還需進(jìn)一步對增加儲能系統(tǒng)如蓄電池或超級電容組成的混合動力系統(tǒng)開展研究。

［1］嚴(yán)新平，徐立，袁成清.船舶清潔能源技術(shù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2012.

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［5］宋波.船舶能量管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究［J］.中國艦船研究，2011，6(2):93-97.

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Design and Simulate of Energy Management Control Strategy for Hybrid Ship

YUAN Yu-peng，WANG Kai，YAN Xin-ping
(a.National Engineering Research Center for Water Transport Safety; b.Reliability Engineering Institute，School of Energy and Power Engineering; c.Key Laboratory of Marine Power Engineering and Technology，Wuhan University of Technology，Wuhan 430063，China)

In order to improve the energy efficiency and reduce emissions of ships，both of the diesel generator and fuel cell are used to supply power to the hybrid ship，in which the engine provides the basic load，and the rest power is provided by the fuel cell when the ship power load demand is greater than the basic load.For such a hybrid system，the logic threshold control strategy of energy management system and PID controller are designed.The simulation results show that the running efficiency of diesel engine is improved，which can satisfy the power demand of ship by use of PID controller and improve the stability of the system.

hybrid ship;energy management system;fuel cells;base load

U665.12

A

1671-7953(2015)02-0095-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.02.025

2015-01-09

修回日期:2015-01-21

國家科技支撐計(jì)劃課題(2014BAG04B01)

袁裕鵬(1980-)，男，博士后

研究方向:船舶清潔能源技術(shù)

E-mail:canicula2000@whut.edu.cn