船舶混合電力推進系統(tǒng)設(shè)計及優(yōu)化控制仿真

張 程，賈寶柱,2

(1. 大連海事大學(xué) 船舶電氣工程學(xué)院，遼寧大連 116026；2. 廣東海洋大學(xué) 海運學(xué)院，廣東湛江 524088)

0 引 言

船舶電力推進系統(tǒng)具有良好的控制和操縱性能，動力裝置在機艙中布置靈活，同時在振動、噪聲以及排放控制方面具有獨特的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用在船舶推進系統(tǒng)中[1–2]。采用電力推進的船舶，一般選擇多臺中速柴油機作為動力源，同時加入儲能系統(tǒng)構(gòu)成混合電力推進結(jié)構(gòu)[3–5]。國內(nèi)外學(xué)者對混合電力推進船舶的功率分配優(yōu)化進行了大量研究，Zahedi等[6]利用非線性平均方法，對低壓直流混合動力全電推船舶進行了建模和仿真研究。Soleymani等[7]采用帶約束條件的粒子群算法解決混合動力船舶中各設(shè)備的最優(yōu)輸出功率組合。Kanellos等[8]提出一種優(yōu)化需求側(cè)管理和發(fā)電調(diào)度的方法，通過調(diào)整船舶推進電機的功率消耗，提出了一種動態(tài)規(guī)劃算法，能夠保證船舶電力系統(tǒng)運行的成本和溫室氣體排放最小化的目標。袁裕鵬[9]設(shè)計了船舶能量管理系統(tǒng)的邏輯門限值控制策略，在滿足船舶的功率需求的基礎(chǔ)上，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。王凱[10]通過小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)確定了最優(yōu)能量效率下的最佳發(fā)動機轉(zhuǎn)速，以此改善船舶動力系統(tǒng)的經(jīng)濟性并減少二氧化碳排放。

船舶能量管理系統(tǒng)（Power management system,PMS）在船舶航行過程中對發(fā)電機組、負載變化、儲能系統(tǒng)的狀態(tài)進行監(jiān)測和控制，以保證船舶的安全、高效運行。目前針對船舶混合電力推進的研究主要集中在運用智能算法優(yōu)化功率的分配問題上，鮮有通過混合電力推進系統(tǒng)控制策略對柴油發(fā)電機組油耗進行優(yōu)化問題的研究。制定合理的能量管理策略，可以確保船舶運行的安全性和可靠性，并能夠提高混合電力推進船舶的能效，減少燃料消耗，達到節(jié)能減排的目的。

本文擬對混合電力推進船舶的柴油發(fā)電機組油耗和儲能系統(tǒng)的功率損耗進行建模，根據(jù)船舶航行負載功率需求，結(jié)合鋰電池組在船舶直流組網(wǎng)下的工作特點，提出一種基于等效燃油消耗量分析的能量控制策略。通過仿真計算，得出在設(shè)定負載功率下，船舶發(fā)電機組和鋰電池組的最佳工作區(qū)間，并與傳統(tǒng)的電力推進船舶油耗量進行對比，驗證控制策略的有效性。

1 模型建立

船舶混合電力推進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 船舶混合電力推進結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Hybrid electric propulsion ship structure

在船舶混合電力推進系統(tǒng)中，主要動力源仍然是由船用柴油機驅(qū)動的同步發(fā)電機組，船用柴油機的燃料通常為柴油或重質(zhì)燃料油。

傳統(tǒng)的電力推進船舶一般采用交流組網(wǎng)技術(shù)，在網(wǎng)發(fā)電機組須以相同的固定頻率同步工作，以保證船舶電網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性。相比交流組網(wǎng)技術(shù)，直流組網(wǎng)下的各臺柴油機可以獨立工作，不需要頻率和電壓的同步控制，更便于機組之間的配合，各發(fā)電柴油機可工作在各自的最佳轉(zhuǎn)速下。

1.1 柴油發(fā)電機組功率效率分析

柴油機的每小時油耗量曲線可以用如下的二次函數(shù)擬合：

其中：Pm為柴油機的機械功率；C0，a和b為擬合公式中二次多項式的系數(shù)。本文以300 kW柴油機為例，其中C0=8 561，g·h–1；a=114.6，g·kWh–1，b=0.201；g·kW2h–1。

某型號同步發(fā)電機組柴油機的油耗率和其發(fā)電機負荷的關(guān)系如圖2所示，最佳油耗率在50%～60%負荷區(qū)間。需要說明的是，最佳油耗區(qū)間和柴油機型號直接相關(guān)，不同柴油機有不同的最佳油耗率曲線。

圖2 柴油機油耗率與負荷關(guān)系圖Fig. 2 Diesel engine fuel consumption rate and load diagram

1.2 DC/DC變換器和鋰電池組

鋰電池組等儲能設(shè)備需要通過DC/DC變換器接入電網(wǎng)，DC/DC變換器的作用是將船舶上的儲能設(shè)備，如蓄電池組、超級電容等，變?yōu)榭烧{(diào)控的直流電源，通過PWM技術(shù)控制的開關(guān)信號完成對直流電源的充放電控制。鋰電池組和DC/DC變換器共同構(gòu)成船舶的儲能系統(tǒng)。

為了研究在充放電過程中電力系統(tǒng)的功率損耗，需對DC/DC變換器的功率損耗進行分析。主要包括晶體管的導(dǎo)通和開關(guān)損耗，二極管的導(dǎo)通損耗以及電感元件和電容元件的電阻損耗。

DC/DC變換器的工作模式分為升壓變換器模式（Boost）和降壓變換器模式（Buck），在這2種工作模式下，DC/DC變換器的工作效率幾乎相同，均能以等效電阻的形式建立模型，開關(guān)損耗和電容、電感等損耗則忽略不計。為便于分析，按照高壓側(cè)電壓導(dǎo)出損耗計算公式如下[11]：

其中：Rbid為DC/DC的等效電阻；Vbid，h為變換器的高壓側(cè)電壓。

在研究混合電力推進系統(tǒng)的控制策略時，對鋰電池組的外特性表現(xiàn)精準程度需求較低，假定其在規(guī)定荷電狀態(tài)區(qū)間工作時，電阻不受溫度影響，呈線性變化。對鋰電池組建立等效電阻模型。鋰電池組的端電壓計算公式由式（3）表示，SOC值計算由式（4）推導(dǎo)所得[12]：

其中：Rb為鋰電池組內(nèi)阻；V0為鋰電池組兩端開路電壓；i（t）為鋰電池組的開路電流；K為極化電阻；Q為最大電池容量；A為電池電壓指數(shù)；B為電池容量指數(shù)；SOCini為鋰電池初始荷電量。

鋰電池組的功率損耗可以用和式（2）一樣的方法推導(dǎo)得出：

鋰電池組和DC/DC變換器在同一支路，即Ib=Ibid，且忽略鋰電池組上的壓降，可以將公式（5）和公式（2）整理得到鋰電池組和DC/DC變換器所在支路的整體功率損耗，即整個儲能系統(tǒng)的功率損耗：

在整個混合電力系統(tǒng)中，柴油發(fā)電機組的功率記為Ps，負載功率為PL、鋰電池組經(jīng)DC/DC變換器吸收或發(fā)出功率Pbid,h和儲能系統(tǒng)的功率損耗Pess,l，在鋰電池組的充電和放電狀態(tài)下滿足的關(guān)系分別為：

因此，將式（6）進行整理，可以得到：

2 控制策略設(shè)計

船舶在海上航行時，隨著海況發(fā)生變化，混合電力推進系統(tǒng)中發(fā)電機單元需要不斷調(diào)整在網(wǎng)發(fā)電機組的功率或啟停發(fā)電機組的數(shù)量。在電力系統(tǒng)中引入了儲能設(shè)備與柴油發(fā)電機組配合工作，通過控制儲能設(shè)備的充放電模式，合理的對船舶負載在儲能設(shè)備和柴油發(fā)電機組間進行分配，即可以在保證系統(tǒng)動力輸出的前提下，使發(fā)電柴油機一直工作在最佳油耗區(qū)間，進而實現(xiàn)降低柴油機油耗率的目的，這就是混合推進系統(tǒng)優(yōu)化控制的目標。

控制策略設(shè)計以儲能設(shè)備中鋰電池組的荷電狀態(tài)為狀態(tài)參數(shù)，目標對象為船舶柴油發(fā)電機組的輸出功率和鋰電池組的充放電功率。

柴油發(fā)電機并網(wǎng)工況下的油耗率曲線如圖3所示，n表示在網(wǎng)的柴油發(fā)電機總數(shù)量?？梢钥闯觯粝嗤吞柕囊唤M柴油機并網(wǎng)工作，在網(wǎng)發(fā)電機組數(shù)量一般由外界負載決定（需要考慮電站的裕度和安全性），但單臺機組的輸出功率，則需要由所設(shè)計的控制策略進行計算得出。

圖3 船舶柴油發(fā)電機組油耗率曲線Fig. 3 Specific fuel consumption curve of marine diesel units

船舶實際航行中，因海況變化，推進功率會發(fā)生一定的波動，甚至有時會出現(xiàn)瞬時較大幅度的增大或減小現(xiàn)象，這會引起船舶電站的瞬態(tài)調(diào)整動作。若控制動作不及時，則會導(dǎo)致船舶電網(wǎng)電壓大幅度波動，嚴重時會危害到電網(wǎng)的安全性。同時，頻繁的調(diào)整動作會造成船舶發(fā)電柴油機的工況不穩(wěn)定現(xiàn)象，不但影響其運行經(jīng)濟性，而且對柴油機壽命也帶來一定的損害。增加了鋰電池組后，外界負載的功率變化可以由鋰電池組承擔，外界負載瞬時增高時，所增加的部分通過控制鋰電池組發(fā)電來補充。同樣，當外界負載瞬時減小時，通過控制鋰電池組充電吸收發(fā)電機組所發(fā)出的剩余功率。

此外，鋰電池組在和柴油發(fā)電機共同工作時，可以根據(jù)自身工作特點完成對柴油發(fā)電機工作點的優(yōu)化，以達到降低燃料消耗的目的。因此需要對鋰電池組的充放電模式進行合理控制，以使鋰電池可以充分發(fā)揮自身在降低燃料消耗方面的作用。為了更合理地將船舶負載功率在鋰電池組和柴油發(fā)電機組之間分配，船舶負載功率PL（t）分為負載功率平均值PLa和負載功率波動值，滿足關(guān)系。柴油發(fā)電機組發(fā)出的功率為Ps（t），其平均值為Psa。定義鋰電池組的功率分配系數(shù)α如下式：

其中，α =1時，此時鋰電池組不工作，負載需求功率完全由發(fā)電機組提供。0α<1時，發(fā)電機組和鋰電池組協(xié)調(diào)工作。α = 0時，負載波動完全由鋰電池組提供，發(fā)電機組恒功率運行。

圖4中，2條曲線分別為有n和n+1臺柴油發(fā)電組在網(wǎng)工作時的油耗率曲線。假設(shè)在某一時刻，發(fā)電機組在點A的負載功率下工作，此時的負載功率為PL（t）。若此時檢測到鋰電池組的荷電狀態(tài)SOC在90%以上，即可認為鋰電池組電量充足，可以和柴油發(fā)電機組共同為船舶負載提供能量，通過控制DC/DC變換器將鋰電池組調(diào)整為放電模式，將其接入電網(wǎng)，使柴油發(fā)電機組的工作點從A向B'點遷移。由對應(yīng)縱坐標的SFC值可以看出，柴油發(fā)電機組的燃油消耗率較原先得到降低。

圖4 優(yōu)化策略分析Fig. 4 Optimization strategy analysis

若檢測到鋰電池組的SOC值低于30%，則可認為其無法協(xié)助柴油發(fā)電機組共同為船舶負載提供能量，想要繼續(xù)發(fā)揮鋰電池組在優(yōu)化油耗方面的作用，鋰電池組則需進行充電，即從發(fā)電設(shè)備轉(zhuǎn)換為負載設(shè)備。需要注意的是，此時的船舶需求負載功率應(yīng)以原本的船舶負載功率加上鋰電池充電功率之和計算，由船舶電站PMS決定是否另外啟動一臺柴油發(fā)電機進行并網(wǎng)供電。本文所用船舶模型中，在鋰電池組的充電狀態(tài)下，柴油發(fā)電機組在網(wǎng)臺數(shù)為n+1。以柴油發(fā)電機組的工作點在燃油消耗率的最佳值附近為約束，確定n+1臺柴油發(fā)電機組的工作點在圖4的B點附近，此時柴油發(fā)電機組在最佳工況點附近工作，同時能夠為鋰電池組充電?？刂撇呗猿绦蛟O(shè)計流程圖如圖5所示，其中SOC_flag的初始值設(shè)為0。

3 對比驗證

根據(jù)前面給出的各模塊功率損耗模型，對船舶在運行過程中的油耗進行計算，研究船舶負載功率和油耗的關(guān)系。通過與未引入控制策略的油耗率對比探討所研究控制策略的可行性和優(yōu)化效果。

3.1 計算控制策略結(jié)果

圖5 控制策略流程圖Fig. 5 Control strategy process

根據(jù)式（1），由于引入了控制策略之后，某一確定負載下的柴油發(fā)電機組的功率依據(jù)鋰電池組的荷電狀態(tài)被分為充電環(huán)節(jié)和放電環(huán)節(jié)，可以得到[13]：

由第1節(jié)中混合電力推進系統(tǒng)各模塊的功率損耗模型，可以將式（12）轉(zhuǎn)換為：

其中，C0,n+1，C0,n，a，bn，bn+1分別為柴油機開啟臺數(shù)為n和n+1時的油耗曲線的各項系數(shù)，為負載功率的平均值。Psa,n，Psa,n+1分別為在開啟n臺和n+1臺柴油機時的平均功率，αn、αn+1分別為在開啟n臺和n+1臺柴油機時的儲能單元分配系數(shù)。

一個充放電周期的總時間設(shè)定為T，為方便計算負載波動，用負載功率在總時間T上的均方差等效表示負載波動，PL（t）為船舶負載功率，PLa為負載功率平均值，定義等效負載波動Req如下：

由第2節(jié)設(shè)計的控制策略，當船舶鋰電池組滿足輔助柴油發(fā)電機組工作條件時，在網(wǎng)工作的發(fā)電機組數(shù)為，柴油發(fā)電機組油耗SFC和柴油發(fā)電機組平均功率Psa,n與儲能單元分配系數(shù)αn的關(guān)系如圖6所示。因為此時不再需要另外開啟1臺柴油發(fā)電機，故此時式（13）中的Psa,n+1和αn視為常數(shù)。

圖6 n臺在網(wǎng)柴油機燃油消耗關(guān)系圖Fig. 6 Fuel consumption relationship of multiple diesel engines.

應(yīng)用智能優(yōu)化方法可以快速搜索到油耗的最小值SFCmin,n和其對應(yīng)的Psa,n與αn。同樣，可以得到鋰電池組中的能量不能夠滿足輔助柴油發(fā)電機組工作時的計算結(jié)果，即需要增加1臺在網(wǎng)柴油發(fā)電機的情況，計算結(jié)果如圖7所示，求得此時油耗最小值SFCmin,n+1和其對應(yīng)的Psa,n+1與αn+1。

3.2 仿真結(jié)果及對比驗證

應(yīng)用Matlab進行優(yōu)化控制策略結(jié)果的仿真驗證。鑒于多數(shù)混合電力推進船舶為短途往返運輸船，因此選擇某海洋平臺多功能支持船作為仿真對象，運輸航行工況下的負載功率曲線如圖8所示。

圖9為加入本文所提出控制策略后的仿真結(jié)果?？梢钥闯?，隨著對鋰電池組的充放電控制，鋰電池的荷電狀態(tài)在設(shè)置的區(qū)間內(nèi)變化。根據(jù)控制策略，對鋰電池組充電時一般為多機并網(wǎng)供電模式，電池組放電時，和柴油發(fā)電機組共同為負載提供能量，在整個過程中，柴油發(fā)電機組都能夠工作在其最佳工況點附近。

圖7 n+1臺在網(wǎng)柴油機燃油消耗關(guān)系圖Fig. 7 Fuel consumption relationship of multiple diesel engines

圖8 運輸航行工況下負載功率曲線Fig. 8 Load power curve under transport sailing conditions

圖9 引入鋰電池組與控制策略的仿真結(jié)果Fig. 9 Simulation results of introducing lithium battery packs and control strategies

圖10為加入鋰電池組并采用本文提出的控制策略與未引入鋰電池組的燃油消耗率對比。由同一運行工況下的仿真對比可以看出，采用本文所提出方法，船舶動力系統(tǒng)的平均燃油消耗率在199 g/kWh附近，比不引入鋰電池組的205 g/kWh有所降低。設(shè)定時長為5 h的仿真計算，總共節(jié)省的燃油量為119.37 kg，合計約為3%的節(jié)油量（見圖11）。隨著船舶運行時間的增長及海況變化，或者船舶電站輸出功率的頻繁變化，采用本文提出的方法在燃油消耗降低方面會有更明顯的效果。

圖10 引入鋰電池組與控制策略前后燃油消耗率對比Fig. 10 Comparison of fuel consumption rate before and after introduction of lithium battery pack and control strategy

圖11 引入鋰電池組與控制策略前后燃油消耗率總量對比Fig. 11 Comparison of fuel consumption before and after introduction of lithium battery pack and control strategy

4 結(jié) 語

本文通過將鋰電池組引入傳統(tǒng)電力推進船舶，構(gòu)成一種新型混合電力推進船舶結(jié)構(gòu)，通過DC/DC變換器將柴油發(fā)電機組發(fā)出的多余能量儲存在鋰電池組中。根據(jù)混合電力推進船舶的工作特性，提出一種鋰電池組和柴油發(fā)電機組協(xié)調(diào)工作的優(yōu)化控制策略，可以有效節(jié)省船舶運行期間的燃油消耗量，提高船舶能效。對海洋平臺多功能支持船的仿真實驗對比分析，驗證了所提出的控制策略能夠在運營期間節(jié)省約3%的燃料消耗。