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2021-12-12 08:49:32高鍵，張剛
艦船科學技術 2021年11期
高 鍵，張 剛
(江蘇科技大學 電子信息學院，江蘇 鎮江 212003)
0 引 言
由于通過技術要求使柴油機滿足排放的要求已經不能滿足實現，陳永軍[1]提出了關于混動力系統的設計，從串聯、并聯以及串并混聯3種結構說明研究現狀，提出新型混合動力設計并采用了自動切換控制系統。文獻[2]中對固體氧化物燃料電池以及微型燃氣輪機混合動力系統進行建模仿真分析，并提出了新的控制方法，對燃油和空氣流量以及進出口溫度具有良好的控制效果，一定程度上提高了系統對燃料的利用率，提高了混合動力船舶的推進效率。針對系統控制的問題，蔡英鳳等[3]在汽車混合動力領域提出了補償滑?？刂?，從轉矩的角度控制系統的傳動過程，控制系統的穩定性。文獻[4]中對混合動力船的具體改造進行優化設計，從方案、施工等各個環節進行設計，提出了新型的改造方案。對上述文獻中的內容進行研究發現，首先從混合動力船的結構角度優化混合動力的結構，其次從燃料和混合動力的效率出發，如何控制系統的利用率以及增強系統的燃料電池的效率，總體缺乏系統控制以及整體運行性能的研究。文獻[5]中針對燃料電池壽命的問題以及電能質量問題，提出了一種小波變換的船舶能量管理策略，以此提高電池壽命以及電能質量。文獻[6]以無人船為對象，采用了智能的深度網絡算法對系統的能量管理進行分析，對系統混合動力系統的使用情況進行非常詳細的分析與說明，對本文關于控制策略的研究具有很好的參考價值。文獻[7 - 8]從能量管理的角度，使用模糊控制策略以及粒子群優化算法對混合動力系統進行優化控制，實現船舶動力的綠色發展。文獻[9]在北斗系統導航基礎上對混合動力船舶進行研究，實現如何節能減排，提高混合動力船舶的推進能力以及系統的穩定性，以此實現節能減排的目的。文獻[10]為混合動力船舶設計了基于瞬時優化船舶機電電機混合動力控制系統，由柴油機和發電機構成混合動力系統的硬件，利用模塊分化的方法設計系統軟件，系統設計完成后,通過對比試驗進行耗能效果驗證。結果表明，混合動力控制系統較傳統動力控制系統節約油耗5.5 L，以此實現了節能減排的目標。文獻[11]針對燃料燃料電池混合儲能的尺寸進行了設計，對燃料電池轉化時的頻率進行優化。文獻[12 - 13]對系統建立模型仿真分析系統的動力性能以及氮氧化物的排放，定量分析系統的改善狀況，并對鋰電池組和永磁同步發電機進行系統運行分析，模擬鋰電池的投入與切斷。
綜上所述，混合動力船舶主要對燃料電池和鋰電池的混合動力、發電機與蓄電池的混合動力等常見的混合動力系統模型進行仿真分析研究，從燃料電池的利用率以及鋰電池的使用壽命和電能質量的角度，分析系統中混合動力的穩定性，其中缺少相應的具體分析。本文通過使用改進的RBF自適應滑?？刂撇呗詫π铍姵亟M與發電機組的轉換控制，提高蓄電池組混合動力系統的效率以及電能質量，并且通過Matlab/Simulink進行仿真分析實驗，進一步證明控制策略的有效性。
1 蓄電池組混合動力模型
船舶混合動力推進是將傳統的柴油發電機與清潔能源包括太陽能電池、風電等組合使用的動力系統，兩者有著不同的工作性能，相互補充，控制船舶動力能夠達到更好的效果，其中目前常見蓄電池組是一種可充電的鋰電池組?；旌蟿恿ο到y有串聯、并聯、串并混合3種架構形式，本文將使用并聯結構模型，其模型結構圖如圖1所示。
圖1 混合動力系統并聯結構圖Fig.1 Parallel structure diagram of hybrid power system
如何合理控制蓄電池的使用使得效率最大化是控制研究的重點。對系統發電機和蓄電池進行結構細化，包括蓄電池組、柴油發電機組以及逆變結構，針對不同的負荷采用不同的逆變參數。其結構圖如圖2所 示。
圖2 混合動力系統電力部分結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of the electric power part of the hybrid power system
對蓄電池與發電機組的混合動力系統電能質量與功率效率進行著重分析。以無人船為例[6]，假設混合動力船舶的參數如表1所示。
表1 船舶電力參數Tab.1 Ship electrical parameters
此船推進系統中傳動部分耗電量為主要部分，以及系統控制部分耗電，沒有大型的日用耗電損耗，相比較而言，負載簡單，有利于系統理論仿真控制研究。
2 混合動力系統建模
在本文混合動力系統研究中，針對蓄電池控制分析將以功率P為控制目標，假設P1為發電機輸出的功率，P2為蓄電池提供的功率，關于發電機P1在系統沒有投入P2時，發電機可以進行調節滿足系統功率需求，在P2投入時進行控制操作。其中滿足功率關系如下式：
其中，取P1和P2的計算分別為p1=ui和p2=u2R。
2.1 滑模控制器設計
此處的滑?？刂茷榭刂苹旌蟿恿ο到y的效率最優化以及功率的及時投入，因此采取對系統輸出的功率以及負載實際功率對比優化，判斷系統是否需要將蓄電池組投入使用，因此采取對綜合負載誤差進行控制分析，誤差值如下式：
式中：e為混合動力系統負載功率誤差；P為負載實際功率；P*為系統提供的實際功率。
2.2 RBF結構及理論
本文采用RBF神經網絡自適應滑模控制，控制系統簡要過程如圖3所示。利用RBF網絡的萬能逼近特性，逼近滑?？刂普`差f(x)，進行誤差反饋及補償，達到系統的穩定。其中，自適應律和滑模h趨近律共同保證系統的穩定。
圖3 神經網絡控制結構簡圖Fig.3 Schematic diagram of neural network control structure
網絡算法為：
其中，h為網絡的高斯基函數輸出，W*為網絡的理想權值，?為網絡的逼近誤差，?≤?N。
網絡輸入取x=[e e’]T，則網絡輸出為：
根據式（3）和式（4）可得：
2.3 滑模面及趨近律的設計
改進傳統滑模面切換函數s=ce+e′，選取滑模面切換函數：
其中：k1，k2分別為滑模面切換函數的比列系數和積分系數。
對函數s求導，得
根據滑?？刂评碚摚斚到y工作在滑面時，s′=0，得
其中，slaw表示趨近律，通過改進等速趨近律，采用分數階滑模趨近律，本質未變，通過逼近的方法增加了可調系數。
其中，0＜α＜1，ζ＞0。
變換得：
證明：
根據式（15）和式（8），可得：
3 仿真分析
為研究和分析本文所采用的改進的滑?？刂撇呗詫旌蟿恿Υ挠行砸约翱煽啃?，通過Matlab/Simulink仿真平臺設計380 V/60 Hz的混合動力無人船模型，對緩和動力船系統的電能轉換和分配進行仿真，分析功率效率以及混合動力船的電能質量，判斷通過此方法對系統的電能混合動力控制的可靠性，并與一般PI控制下的效果進行對比。對系統電壓以及頻率等電能質量進行定量分析，分析控制策略的優越性，以及不足之處。仿真時長設置為5 s，關于蓄電池組的投切過程依據系統仿真實際變化進行控制，部分圖形取仿真2.95～3.05 s的仿真圖。系統仿真的主要參數如表2所示。
表2 混合動力船舶系統電力參數Tab.2 Electric parameters of hybrid power ship system
根據表2進行仿真參數設置，其中LCL參數設計應該滿足濾波參數的原則10f＜fres＜f開關/2。在仿真系統中關于電動機負載的額定參數[12]，所采用的參數如表3所示。
表3 電動機額定參數Tab.3 Motor rated parameters
3.1 功率變化分析
對本文所采用的控制方式進行仿真。首先分析系統功率分配投入的狀態，從蓄電池組和柴油發電機的功率變化狀況進行分析，關于蓄電池組和柴油發電機功率投入變化分別如圖4和圖5所示。
圖4 蓄電池組功率變化圖Fig.4 Change chart of battery pack power
圖5 發電機功率變化圖Fig.5 Change diagram of generator power
由圖4可以看到，初期投入緩慢，投入的負載是沒有在柴油發電機供電的負載，同時無功功率大于有功功率，說明系統中感性負載較多，直至系統達到穩定狀態之后，檢測發現系統中發電機的功率不能完全滿足電機以及其他容性負載的需要，因此在3 s時刻投入蓄電池組進行補充供電，隨著其他容性負載的進入系統有功功率增加，同時無功功率減少。
由圖5可以看到，系統柴油發電機穩定供電時，穩定供電負載沒有變化，當在3 s時蓄電池并入通過蓄電池組進行補償，系統柴油發電機功率首先得到緩解，在沒有滿載的情況下，系統功率可進行調節。當滿載之后，通過蓄電池組進行穩定供電時，柴油發電機輸出的功率同樣可以穩定在初始功率0.924 MW，功率會在此上下波動，但是功率波動范圍較小。
3.2 功率效率分析
對系統功率的效率進行分析，蓄電池組的投入是否可以有效提高系統的使用效率。系統蓄電池組和發電機有功功率效率的仿真圖如圖6和圖7所示。
圖6 蓄電池組功率投入的效率Fig.6 Efficiency of battery pack power input
圖7 發電機組功率投入效率Fig.7 Efficiency of generating set power input
通過功率的投入發現蓄電池組投入的有功功率增大，其中無功變化相對較小。隨著有功投入增大，系統的效率增大，當3 s發電機組完全投入之后效率達到98%。由圖7可以看到，柴油發電機組的功率效率穩定在87.4%左右基本無變化，如果采用發電機進行供電，其效率無法達到98%，同時發電機中鐵損和銅損也相應增大。當系統采用蓄電池組時，其基本完全投入使用，通過百分之百的投入使用，可以有效提高系統功率效率，提高船舶推進以及負載供電的效率。
4 結 語
本文通過改進的滑模控制理論，對混合動力船舶的供電進行控制仿真分析，將改進傳統滑?？刂撇呗杂糜诎峨姴⒕W的電壓控制，采用PI形式的滑模面與分數階滑?？刂坡蓙砜刂苹旌蟿恿M行控制，同時抑制了系統采用滑模控制的抖振現象。仿真實驗驗證了傳統滑?？刂撇呗缘挠行?，相比之下改進傳統滑?？刂撇呗跃哂懈玫姆€定性和可靠性，能夠有效地抑制系統本身產生的抖振，但是不能完全消除。通過仿真研究發現，本文所采用的控制方法可以有效實現混合動力船蓄電池和柴油發電機的綜合控制，提高船舶供電系統電能的利用率。
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圖1 混合動力系統并聯結構圖Fig.1 Parallel structure diagram of hybrid power system
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圖2 混合動力系統電力部分結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of the electric power part of the hybrid power system
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其中，取P1和P2的計算分別為p1=ui和p2=u2R。
2.1 滑模控制器設計
此處的滑?？刂茷榭刂苹旌蟿恿ο到y的效率最優化以及功率的及時投入，因此采取對系統輸出的功率以及負載實際功率對比優化，判斷系統是否需要將蓄電池組投入使用，因此采取對綜合負載誤差進行控制分析，誤差值如下式：
式中：e為混合動力系統負載功率誤差；P為負載實際功率；P*為系統提供的實際功率。
2.2 RBF結構及理論
本文采用RBF神經網絡自適應滑模控制，控制系統簡要過程如圖3所示。利用RBF網絡的萬能逼近特性，逼近滑?？刂普`差f(x)，進行誤差反饋及補償，達到系統的穩定。其中，自適應律和滑模h趨近律共同保證系統的穩定。
圖3 神經網絡控制結構簡圖Fig.3 Schematic diagram of neural network control structure
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其中，h為網絡的高斯基函數輸出，W*為網絡的理想權值，?為網絡的逼近誤差，?≤?N。
網絡輸入取x=[e e’]T，則網絡輸出為：
根據式（3）和式（4）可得：
2.3 滑模面及趨近律的設計
改進傳統滑模面切換函數s=ce+e′，選取滑模面切換函數：
其中：k1，k2分別為滑模面切換函數的比列系數和積分系數。
對函數s求導，得
根據滑?？刂评碚摚斚到y工作在滑面時，s′=0，得
其中，slaw表示趨近律，通過改進等速趨近律，采用分數階滑模趨近律，本質未變，通過逼近的方法增加了可調系數。
其中，0＜α＜1，ζ＞0。
變換得：
證明：
根據式（15）和式（8），可得：
3 仿真分析
為研究和分析本文所采用的改進的滑?？刂撇呗詫旌蟿恿Υ挠行砸约翱煽啃?，通過Matlab/Simulink仿真平臺設計380 V/60 Hz的混合動力無人船模型，對緩和動力船系統的電能轉換和分配進行仿真，分析功率效率以及混合動力船的電能質量，判斷通過此方法對系統的電能混合動力控制的可靠性，并與一般PI控制下的效果進行對比。對系統電壓以及頻率等電能質量進行定量分析，分析控制策略的優越性，以及不足之處。仿真時長設置為5 s，關于蓄電池組的投切過程依據系統仿真實際變化進行控制，部分圖形取仿真2.95～3.05 s的仿真圖。系統仿真的主要參數如表2所示。
表2 混合動力船舶系統電力參數Tab.2 Electric parameters of hybrid power ship system
根據表2進行仿真參數設置，其中LCL參數設計應該滿足濾波參數的原則10f＜fres＜f開關/2。在仿真系統中關于電動機負載的額定參數[12]，所采用的參數如表3所示。
表3 電動機額定參數Tab.3 Motor rated parameters
3.1 功率變化分析
對本文所采用的控制方式進行仿真。首先分析系統功率分配投入的狀態，從蓄電池組和柴油發電機的功率變化狀況進行分析，關于蓄電池組和柴油發電機功率投入變化分別如圖4和圖5所示。
圖4 蓄電池組功率變化圖Fig.4 Change chart of battery pack power
圖5 發電機功率變化圖Fig.5 Change diagram of generator power
由圖4可以看到，初期投入緩慢，投入的負載是沒有在柴油發電機供電的負載，同時無功功率大于有功功率，說明系統中感性負載較多，直至系統達到穩定狀態之后，檢測發現系統中發電機的功率不能完全滿足電機以及其他容性負載的需要，因此在3 s時刻投入蓄電池組進行補充供電，隨著其他容性負載的進入系統有功功率增加，同時無功功率減少。
由圖5可以看到，系統柴油發電機穩定供電時，穩定供電負載沒有變化，當在3 s時蓄電池并入通過蓄電池組進行補償，系統柴油發電機功率首先得到緩解，在沒有滿載的情況下，系統功率可進行調節。當滿載之后，通過蓄電池組進行穩定供電時，柴油發電機輸出的功率同樣可以穩定在初始功率0.924 MW，功率會在此上下波動，但是功率波動范圍較小。
3.2 功率效率分析
對系統功率的效率進行分析，蓄電池組的投入是否可以有效提高系統的使用效率。系統蓄電池組和發電機有功功率效率的仿真圖如圖6和圖7所示。
圖6 蓄電池組功率投入的效率Fig.6 Efficiency of battery pack power input
圖7 發電機組功率投入效率Fig.7 Efficiency of generating set power input
通過功率的投入發現蓄電池組投入的有功功率增大，其中無功變化相對較小。隨著有功投入增大，系統的效率增大，當3 s發電機組完全投入之后效率達到98%。由圖7可以看到，柴油發電機組的功率效率穩定在87.4%左右基本無變化，如果采用發電機進行供電，其效率無法達到98%，同時發電機中鐵損和銅損也相應增大。當系統采用蓄電池組時，其基本完全投入使用，通過百分之百的投入使用，可以有效提高系統功率效率，提高船舶推進以及負載供電的效率。
4 結 語
本文通過改進的滑模控制理論，對混合動力船舶的供電進行控制仿真分析，將改進傳統滑?？刂撇呗杂糜诎峨姴⒕W的電壓控制，采用PI形式的滑模面與分數階滑?？刂坡蓙砜刂苹旌蟿恿M行控制，同時抑制了系統采用滑模控制的抖振現象。仿真實驗驗證了傳統滑?？刂撇呗缘挠行?，相比之下改進傳統滑?？刂撇呗跃哂懈玫姆€定性和可靠性，能夠有效地抑制系統本身產生的抖振，但是不能完全消除。通過仿真研究發現，本文所采用的控制方法可以有效實現混合動力船蓄電池和柴油發電機的綜合控制，提高船舶供電系統電能的利用率。
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