船舶柴電混合動力系統能量管理控制策略

肖能齊， 徐翔， 周瑞平

(1.三峽大學 水電機械設備設計與維護湖北省重點實驗室，湖北 宜昌 443002； 2.三峽大學 機械與動力學院，湖北 宜昌 443002； 3.武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063)

隨著節能減排和航運低成本運輸等需求加強，如何對船舶動力推進系統的能量進行更加合理化管理是一個亟待解決的問題之一[1-3]。當前主要是針對整個船舶系統的能量管理技術進行研究較多，如國外開發的K-Chief 500和2100能量管理系統等；而對于船舶動力推進系統運行過程中的能量管理進行研究的文獻較少。目前船舶動力系統結構和運行工況日益趨于復雜化和多樣化，因此對各運行工況下的能量進行優化控制策略研究具有十分重要的意義。

目前國內外學者和科研機構在船舶能量管理、船舶動力系統能量管理控制策略等方面均進行了一定的研究[4-8]，Geertsma等[9]以混合動力推進系統為對象，采用動態規劃對實時策略進行基準測試，并與現有的基于規則的控制器進行比較。其仿真結果表明，在負載需求未知的情況下，等效能耗最小化策略可以額外節省6%的燃油。Hou等[10]提出了一種新的能源管理策略AMPC，將電力船舶推進系統的發電、電機和混合儲能控制相結合，以解決船舶推進負荷波動的影響。與其他方法相比，所提出的AMPC在提高系統效率、提高可靠性、提高推力生產和減少機械磨損方面取得了更好的性能。Vu等[11]為了確保艦船系統的船舶動力推進功率、船舶電力和發電機組功率合理分配，以保持分布式資源與負載設備之間的功率平衡，提出一種基于模型預測控制的能量管理方案，以優化高功率斜坡率條件下蓄能與發電機之間的協調。文中通過仿真與試驗相結合的方式驗證了該方法的有效性。張益敏等[12]結合國內外船舶混合動力系統的發展，在動力系統推進結構和能量管理方面進行了綜述性概述，在能量管理方面主要是圍繞基于規則方法和最優化方法的控制策略進行了闡述。丁峰等[13]構建船舶綜合電力系統的多參數仿真模型，以船舶燃油消耗最小對最優化目標函數，進行了船舶能量管理控制策略研究。闞志偉等[14]分別構建柴油機模型、電容器模型和鋰電池模型的船舶混合動力模型，提出采用坡率法和粒子群算法進行能量管理控制策略最優化研究，對降低船舶能耗具有十分重要的意義。

本文主要是以某海監船舶四機雙槳柴電混合動力系統為研究對象，建立柴電混合動力系統能量流模型及分析能量流特點，提出采用基于工況識別的規則能量管理控制策略方法，對船舶柴電混合動力系統進行運營過程中能量進行管理控制。

1 構建船舶混合動力系統能量流

以如圖1所示的四機雙槳混合動力推進系統為對象，該船舶推進系統有2臺MAN 9L48/60B大功率柴油機和2臺MAN 6L48/60B小功率柴油為系統提供動力源；其主要作用是將燃油的化學能通過燃燒轉化為以扭矩和轉速的機械能形式輸出(即：ES/M)。減速齒輪箱有與大功率柴油機、小功率柴油機和軸帶電動機的3個輸入端，傳動軸和軸帶發電機的2個輸出端；其主要作用是將柴油機輸出的高轉速經齒輪箱減速后傳遞給傳動軸系和可調螺旋槳，其能量轉化形式為機械能轉化為機械能。

圖1 四機雙槳混合動力系統Fig.1 Four-engine two-propeller hybrid system

與傳動的船舶推進系統相比較，柴電混合動力推進系統中柴油機燃燒產生的機械能經過齒輪箱傳遞可以驅動軸帶發電機發電，其電能需要經過變頻裝置和配電裝置提供給輔助電力裝置和用戶；其能量轉換形式為燃料的化學能轉化為機械能再轉化為電能。對于如圖1所示的船舶柴電混合動力推進系統而言，當2臺齒輪箱內的離合器處于不同的狀態時，可以實現船舶動力推進系統不同運行工況之間的切換，則有不同的船舶動力系統推進形式，其將對應著不同的能量傳遞形式。本文通過對不同推進形式的能量特點和能量流規律進行分析與研究，構建了如圖2所示的四機雙槳混合動力推進系統能量流圖。

根據圖1所示的柴電混合動力系統結構布置圖及其對應的能量轉換和能量傳遞特性可知：通過齒輪箱內離合器的合排與脫排，從而可以完成混合動力系統運行模式和能量傳遞方式的切換和改變。本文所述的柴電混合動力推進系統一共有12種運行模式，有4種單機推進運行模式、2種雙機并車聯合推進運行模式和6種PTI推進運行模式組成，各種運行模式其對應的齒輪箱離合器狀態和具體推進工況如表1所示。

2 基于工況識別的規則能量管理策略

船舶在實際航行過程中將處于不同的航行海況條件下，則船舶動力系統也處于不同的航行工況條件下，其對應的柴油機轉矩、離合器狀態和船舶航速等參數也將發生變化。因此為了使船舶航行過程中處于最合理的運行工況條件下，本文提出基于航行工況模糊模式識別的規則能量管理控制策略對船舶航行工況進行優化。

圖2 四機雙槳混合動力推進系統能量流Fig.2 Energy flow diagram of four-engine two-propeller hybrid propulsion system

表1 船舶四機雙槳混合動力推進系統的12種運行模式Table 1 12 operating modes of ship four-engine double-propeller hybrid propulsion system

2.1 航行工況模糊模式識別模型

通過提取m個用于船舶柴電混合動力系統工況識別的特征參數值，則對于每個待識別工況均有m個特征參數值，因此對于n個待識別工況可以構建m×n階的特征參數值矩陣X：

(1)

式中xij為第j個待識別工況的第i個特征參數所對應的值。

為了將待識別工況與標準航行工況進行對比與航行工況模糊識別，需要根據柴電混合動力系統的工況特點，制定h種標準航行工況；同理，可以構建m×h階的特征參數值矩陣Y：

(2)

式中yik為第k個標準航行工況的第i個特征參數所對應的值。

由于n個待識別工況和h個標準航行工況的特征參數在量綱上存在差異，因此可通過如下式(3)和式(4)消除n個待識別的m×n階的特征參數值矩陣X和h個標準航行工況m×h階的特征參數值矩陣Y指標量綱：

(3)

(4)

式中：rij第j個待識別工況的第i個特征參數值隸屬度；sik第k個標準航行工況第i個特征參數值隸屬度。

通過式(1)～(4)對特征參數進行歸一化處理，可以得到n個待識別工況特征值和h個標準航行工況特征值的相對隸屬度矩陣式(5)和(6)：

(5)

(6)

為了將待識別的n個工況根據轉矩、航速和齒輪箱離合器狀態等m個特征參數按照混合動力推進系統船舶的h種標準航行工況進行識別，則模糊識別矩陣為：

(7)

將待識別工況j的m個特征參數的相對隸屬度分別與標準航行工況k的特征參數相對隸屬度進行逐一比較后，得到m個特征參數相對優屬度分別介于相鄰級別區間[a1j,b1j]，[a2j,b2j]，…，[amj,bmj]，則可以得到待識別工況j的級別上限值bj和級別的下限值aj：

(8)

本文通過構建工況j對標準航行工況k之間的權廣義距離平方和最小的目標函數，以求解待識別工況j對標準航行工況k的最優相對隸屬度：

(9)

構造式(9)在ukj約束條件下極值變為無條件極值問題求解的拉格朗日函數：

(10)

對式(10)求導可得：

(11)

(12)

通過式(11)和式(12)可得：

(13)

根據式(8)和(13)可以得到待識別工況j對于標準航行工況k的最優相對隸屬度模糊識別理論模型為:

(14)

2.2 基于規則的能量管理控制策略

在基于航行工況模糊模式識別的方法對船舶運行工況進行識別的基礎之上，對船舶柴電混合動力系統的運行工況進行進一步最合理的優化，提出基于規則的能量管理控制策略。其主要是采取基于邏輯門限值的方式設定柴油機的工作轉速和轉矩、船舶航行的平均航速、電機工作轉速和轉矩和船舶需求轉矩等門限參數，從而使柴油機處于高效率曲線區間允許，以便于對能量進行最優化控制規則與分配規則，使船舶動力系統的燃油經濟性得到提高以及減少溫室氣體和硫化物等有害氣體的排放。根據表1所示的船舶四機雙槳混合動力推進系統的12種運行模式和圖2所示的混合動力系統能量流特點，建立如圖3所示的四機雙槳混合動力推進系統工作模式切換規則圖。

圖3 四機雙槳混合動力推進系統工作模式切換規則Fig.3 Working mode switching rule diagram of four-engine two-propeller hybrid propulsion system

在圖3中針對該柴電混合動力系統的12種運行制定了合理的工作模式切換規則，根據規則能量管理控制策略方法設計了系統運行工況的運行工況模式進行邏輯判斷。從而達到對混合動力推進系統的能量進行最優化分配規則與控制規則，如表2所示給出了該船舶動力系統的能量控制規則。

表2 在航行過程中船舶混合動力推進系統的能量控制規則Table 2 Energy control rules of ship′s hybrid propulsion system during navigation

注：Treq船舶航行需求扭矩；T2 min為1#柴油機最優油耗對應的最小扭矩；T1為2#柴油機輸出扭矩；T2為1#柴油機輸出扭矩；T2max為1#柴油機最優油耗對應的最大扭矩；TPTI為PTI電動機輸出扭矩；T1 min為2#柴油機最優油耗對應的最小扭矩；T1max為2#柴油機最優油耗對應的最大扭矩；TPTO為軸帶發電機充電所需扭矩；TE-PTI為PTI電動機最大輸出扭矩。

根據上述圖3和表2中所示的系統規則模式切換規則和能量控制規則，可得如圖4所示的四機雙槳混合動力推進系統能量管理控制規則判斷流程圖。該動力系統的判斷流程圖主要是在基于航行工況模糊模式識別的方法對船舶運行工況進行識別的基礎之上，根據能量管理控制規則判斷流程圖對當前船舶航行工況進一步的合理優化。

3 混合動力系統能量管理控制策略實例分析

基于航行工況識別規則能量管理控制策略方法：首先在船舶航行過程中，提取待識別工況特征參數，采取模糊模式識別模式對當前航行工況進行識別；然后根據柴電混合動力推進系統的能量控制規則對其進行進一步優化，最后通過指令切換各部件的運行狀態，使其在最優的工況下運行，如圖5所示的基于工況識別的規則能量管理控制策略原理圖。

圖4 四機雙槳混合動力推進系統能量管理控制規則判斷流程Fig.4 Energy management control rule judgment flow chart of four-engine two-propeller hybrid propulsion system

圖5 基于工況識別的規則能量管理控制策略原理Fig.5 Schematic diagram of regular energy management control strategy based on condition recognition

本文首先根據該混合動力系統的運行特點，將標準航行工況分為低速航行工況、經濟巡航工況和高速航行工況3種；同時選取齒輪箱離合器合排個數n、輸入端的平均轉速Vr、加/減速時間百分比η、輸入端的平均功率Pr以及加速度標準差astd等5個工況識別特征參數，如表1所示給出了3種標準航行工況的特征參數值。

表2 3種標準航行工況特征參數Table 2 Characteristic parameters of three standard operating conditions

根據2.1節所述，通過對所提取齒輪箱離合器合排個數n、輸入端的平均轉速Vr、加/減速時間百分比η、輸入端的平均功率Pr以及加速度標準差astd的5種特征參數進行歸一化處理后，經計算可得3種標準航行工況特征值相對隸屬度矩陣：

(15)

本文選取3個待識別工況，其個待識別工況的特征參數向量為X1=(220,3 000,2,1.2,0.22)、X2=(310,6 200,3,2,0.2)和X3=(370,7 200,4,2.5,0.3)。同理可以對特征參數進行歸一化處理后，可得3個待識別工況的相對隸屬度矩陣：

(16)

由于待識別工況的特征參數在船舶航行工況模式識別過程中均具有不同的權重，因此通過式(17)、(18)計算各參數的權重向量W：

(17)

(18)

根據表2中的3種標準航行工況下特征參數值及式(17)可得到yi：

y=[0.733 0.517 0.750 0.591 0.880]

(19)

根據3個待識別工況的特征參數向量X1、X2和X3以及式(18)和式(19)，可得3個待識別工況特征參數對應的權重模糊向量：

W1=[0.211 0.149 0.216 0.170 0.253]

W2=[0.206 0.213 0.224 0.197 0.160]

W3=[0.193 0.194 0.234 0.192 0.187]

(20)

取距離參數P=2時，待識別工況j對于標準航行工況k的最優相對隸屬度模糊識別理論模型式(14)可以變換為：

(21)

將3種標準航行工況特征值相對隸屬度矩陣S、3個待識別工況相對隸屬度矩陣R以及3個待識別工況X對應的權重模糊向量W的值代入式(21)，可得待識別工況分別對標準航行工況的相對隸屬度為：

u1=[0.794 4 0.166 1 0.039 6]

u2=[0.104 1 0.775 8 0.120 1]

u3=[0.085 6 0.313 4 0.601 0]

(22)

根據式(22)計算可得在船舶航行過程中，3個待識別工況X1、X2和X3分別相對于低速航行工況、經濟巡航工況和高速航行工況3種標準航行工況的相對隸屬度u1、u2和u3值。在待識別工況X1的相對隸屬度u1中，最大值為向量0.794 4，則待識別工況X1屬于3種標準航行工況中的低速經濟航行工況；在待識別工況X2的相對隸屬度u2中，最大值為向量0.775 8，則待識別工況X2屬于3種標準航行工況中的經濟巡航工況；在待識別工況X3的相對隸屬度u3中，最大值為向量0.601 0，則待識別工況X3屬于3種標準航行工況中的高速航行工況。運用基于航行工況模糊模式識別的方法比較待識別工況與標準航行工況的5個特征參數的相似程度，從而確定待識別工況屬于哪一種表中航行工況；然后采取邏輯門限值設計與控制的規則能量管理控制方法，進一步確定最優的柴電混合動力推進系統運行模式。

4 結論

1)針對船舶四機雙槳柴電混合動力推進系統的4種單機模式、6種PTI模式和2種并車模式的12種運行工況各自的運行特點以及運行過程中各組成部件的運行狀態和能量傳遞特點進行了歸納與研究；

2)本文提出了基于工況識別的規則能量管理控制策略對船舶柴電混合動力推進系統能量進行統一管理和分配，首先選取齒輪箱離合器合排個數n、輸入端的平均轉速Vr、加/減速時間百分比η、輸入端的平均功率Pr以及加速度標準差astd5個參數作為船舶航行工況識別的合理特征參數，其次提取船舶航行工況的特征參數并建立標準航行工況，運用所建立的航行工況模糊模式識別模型識別樣本所屬的航行工況，即實現航行工況識別；最后基于規則的能量管理控制策略和混合動力推進系統制定的能量管理控制規則判斷流程圖，進行最優工況選擇。