于光宇

摘要：節能減排對于減少船舶運輸成本具有重要意義，本文針對串聯式船舶混合動力系統能量利用率低的問題，以混合動力船舶節能減排為目的，基于MATLAB/Simulink搭建了混合動力船舶的能量管理的控制策略模型。

Abstract： Energy saving and emission reduction are of great significance for reducing the cost of ship transportation. This article aims at the problem of low energy utilization of the hybrid power system of series ships. With the purpose of energy saving and emission reduction of hybrid ships， the energy of hybrid ships is built based on MATLAB/Simulink. Management control strategy model.

關鍵詞：混合動力船舶;能量管理;Simulink

Key words： hybrid ship;energy management;Simulink

中圖分類號：U661.31? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）20-0021-02

0? 引言

相比于傳統的船舶推進裝置，船舶電力推進裝置以其機動性強、節能環保等優點成為了船舶發展的趨勢，如今在船廠中混合動力船舶已屢見不鮮。但是，串聯式混合動力船舶在實船應用的過程中依然存在著能量利用率低的問題，這嚴重影響船舶電力推進裝置的經濟性。為了提高串聯式混合動力船舶的能量利用率，實現高效率的能量轉換，需要制定合適且高效的能量管理策略。本文根據船舶駕駛員期望航速與船舶電力推進裝置的推進功率之間的關系，針對串聯式混合動力船舶的特點制定了相應的能量管理策略，并且基于MATLAB/Simuink軟件搭建了船舶電力推進裝置能量管理的模型。

1? 串聯式混合動力系統船舶概述及系統能量流向分析

1.1 串聯式混合動力系統船舶概述? 串聯式船舶混合動力系統的主要結構是由發電機組、離合器、蓄電池電動機、螺旋槳、電力變換裝置等部分組成。電動機由發電機和發動機組成的發電機組供電，然后電動機再為蓄電池充電或者制動螺旋槳。船舶在慢速，啟動、低負荷時由蓄電池單獨供電給發動機制動螺旋槳，在船舶進行加速或者高負荷時由發電機組和蓄電池一起供電來制動螺旋槳。

在串聯式船舶混合動力系統中，螺旋槳通常由電動機直接進行驅動，系統的操控性強、動態反饋好、控制策略較為簡單一些，因此柴油發動機可以不受負荷特性的影響和約束，便于對工作節點的改變，從而能一直在高效率地帶工作，在發動機和負載之間采用了非剛性的鏈接方法，可以適當降低沖擊和振動，使得系統的結構設計更為靈敏。本文所提出的能量管理策略的原則就是讓柴油發電機組盡可能工作的高效區，提高船舶混合動力系統的效率。

1.2 系統能量流向分析? 串聯式混合動力船舶根據其結構以及功能特征共分為發電系統、儲能系統和輸出系統三個部分。發電系統由柴油發電機組組成，其能量流向為發電機組將原動機產生的動能轉化為電能，此過程會有10%-20%的能量損耗;儲能系統主要部件是蓄電池，儲能系統的能量流向是雙向的，可以儲存發電機組發出的電能或者輸出儲存的電能;輸出系統由船舶推進電機、螺旋槳以及相關控制設備組成，可以從發電機組或者蓄電池吸收電能并轉化為動能進而推動船舶前進。串聯式混合動力船舶能量流向見圖1。

2? 串聯式混合動力船舶能量管理策略

根據船舶運行的工況不同，啟用不同的發電機組來實現能量的高效利用。蓄電池單獨工作的假設一臺發電機組的容量為PG，該發電機組推進電機功率約為0.74PG，其發電輸出至蓄電池的功率約為0.86PG，所能達到的最大航速為V;在兩臺發電機組同時工作的情況下，發電機組推進電機功率約為1.44PG，其發電輸出至蓄電池的功率約為1.73PG，所能達到的最大航速為1.4V;在三臺發電機組同時工作的情況下，發電機組推進電機功率約為2.24PG，其發電輸出至蓄電池的功率約為2.52PG，所能達到的最大航速為2V;在四臺發電機組同時工作的情況下，發電機組推進電機功率約為3.04PG，其發電輸出至蓄電池的功率約為3.46PG，所能達到的最大航速為2.8V。現根據船舶航行的實際需要，對于船舶混合動力系統的工作模式進行優化來實現能量利用率的提高。下文中定義航速在0-V為微動工況，航速在V-2.8V為巡航工況。不同工況進入策略見圖2。

2.1 微動工況? 柴油機發電機組的實際功率低于額定功率的30%時，容易在燃燒室和排氣管處積累煙灰同時造成點火失敗現象。本文采取的應對措施是微動工況低功率輸出完全由蓄電池作為能量來源，當蓄電池SOC低于設定值時，柴油機發電機組以柴油機額定功率運行對蓄電池進行充電;當蓄電池SOC高于設定值時，柴油機發電機組停止工作。當船舶駕駛員指令為微動工況時，若蓄電池SOC大于60%，則船舶工作在純電模式，此時由蓄電池單獨進行功率輸出;若蓄電池SOC小于60%，此時啟動一臺發電機組為蓄電池充電，在蓄電池SOC大于90%后發電機組停止工作，船舶推進電機仍由蓄電池獨立驅動，流程圖見圖3。

2.2 巡航工況? 巡航工況船舶航速較大，螺旋槳出于高負載工作的狀態，該狀態船舶電網的功率波動較大，螺旋槳的微小波動也會引起很大的電網功率波動。所以巡航工況利用蓄電池和發電機組共同驅動船舶推進電機，大部分的功率輸出由柴油發電機組承擔，波動部分由蓄電池承擔，該方法可以避免柴油發電機工作在低效區間，進而增加了船舶的燃料利用率。

當船舶駕駛員指令為巡航工況時，若航行速度為V-1.4V，啟動一臺發電機組工作，船舶推進電機由一臺發電機和蓄電池共同驅動;若航行速度為1.4V-2V，同時啟動兩臺發電機組工作，船舶推進電機由兩臺發電機和蓄電池共同驅動;若航行速度為2V-2.8V，同時啟動三臺發電機組工作，船舶推進電機由三臺發電機和蓄電池共同驅動。在船舶巡航的過程中，若蓄電池SOC小于60%，則此時多啟動一臺柴油機發電機組且滿功率運行為蓄電池充電，直至其SOC大于90%。巡航工況下的能量管理策略見圖4。

3? Simulink模型搭建

在船舶運行的過程中，能量管理系統實時地采集船舶駕駛員所發出的操作指令以及船舶本身的運行狀態，根據既定的程序對能量管理系統采集到的信息進行判斷和處理，隨后將對應的指令輸出至電機控制系統、柴油機控制系統以及各種附件，進而實現對于船舶的能量管理功能。

針對上文中所描述的能量管理策略，使用MATLAB/Simuink軟件進行模型搭建。使用該軟件進行建模出于以下3個原因：①該模型具有通用性，只要接口定義一致就可以實現模型的互用;②Simulink可視化的設計對于復雜的邏輯更易于實現和解讀;③Simulink可以直接生成標準化的代碼，避免了手寫代碼的漏洞較多的情況。混合動力船舶的能量管理控制共分為信號輸入、邏輯處理和信號輸出三部分。

4? 結論

本文針對串聯式船舶混合動力系統能量利用率低的問題，提出了一種能量管理的策略，并以MATLAB/Simulink軟件作為載體來實現控制策略代碼化。該能量管理策略可以大幅度提高串聯式混合動力船舶的能量利用效率，是一種在實際工程中可行性及可靠性較高的方案。

參考文獻：

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