混合動(dòng)力船舶電力推進(jìn)試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

高迪駒, 黃曉剛， 孫彥琰, 黃細(xì)霞

(1. 上海海事大學(xué) 航運(yùn)技術(shù)與控制工程交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201306; 2. 衢州學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院， 浙江 衢州 324000)

混合動(dòng)力船舶電力推進(jìn)試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

高迪駒1, 黃曉剛2， 孫彥琰1, 黃細(xì)霞1

(1. 上海海事大學(xué) 航運(yùn)技術(shù)與控制工程交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201306; 2. 衢州學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院， 浙江 衢州 324000)

為滿足混合動(dòng)力船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的開發(fā)與試驗(yàn)需求，搭建集柴電機(jī)組、鋰電池組、光伏電池混合動(dòng)力系統(tǒng)以及測(cè)功機(jī)控制器于一體的試驗(yàn)平臺(tái)，給出試驗(yàn)平臺(tái)的架構(gòu)及其功能特點(diǎn)，提出一種混合動(dòng)力能量管理控制策略。試驗(yàn)結(jié)果證明，該平臺(tái)可以很好地滿足船舶混合電力推進(jìn)系統(tǒng)開發(fā)的試驗(yàn)研究需求，為在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下驗(yàn)證混合動(dòng)力船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的動(dòng)力裝置配置、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和控制策略提供一個(gè)可靠、有效的測(cè)試平臺(tái)。

船舶工程； 混合動(dòng)力； 船舶電力推進(jìn)； 能量管理

隨著世界經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，海洋污染已成為當(dāng)今威脅人類生存環(huán)境的問(wèn)題之一, 其中船舶污染在海洋環(huán)境污染中占有相當(dāng)大的比例。[1]船舶混合動(dòng)力技術(shù)是一種新型船舶技術(shù)，是船舶發(fā)展的新方向，能有效地緩解能源、環(huán)境問(wèn)題。[2-3]混合動(dòng)力船舶推進(jìn)系統(tǒng)能利用柴-電發(fā)電、風(fēng)能、太陽(yáng)能及蓄電池的儲(chǔ)能，以節(jié)約燃油、降低營(yíng)運(yùn)成本，是極具發(fā)展前景的船舶能源綜合優(yōu)化利用系統(tǒng)，也是船舶節(jié)能減排領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。[4-5]

目前，混合動(dòng)力船舶主要有燃料電池/柴油混合動(dòng)力船、超級(jí)電容/柴油混合動(dòng)力船、LNG/柴油混合動(dòng)力船、風(fēng)翼/柴油機(jī)混合動(dòng)力船以及儲(chǔ)能電池/柴電機(jī)組混合動(dòng)力船等幾種類型。[6-10]2000年，世界上第一艘商用太陽(yáng)能/風(fēng)能混合動(dòng)力的“SOLAR SAZLOR”號(hào)雙體客船在澳大利亞悉尼水域成功試航，該船的主要電源由兩組動(dòng)力電池組成，可驅(qū)動(dòng)40 kW的推進(jìn)電機(jī)，最大航速為6 kn；2003年4月，第一艘裝有燃料電池和柴-電混合動(dòng)力系統(tǒng)的潛艇在德國(guó)基爾港首次試航，其利用燃料電池推進(jìn)，最高航速可達(dá)8 kn；2010年，上海世博會(huì)上亮相了中國(guó)第一艘混合動(dòng)力船-“尚德國(guó)盛”號(hào)游船，該船將太陽(yáng)能和柴油機(jī)組作為混合動(dòng)力，航速約為15 kn。[11-12]在這些船舶的混合動(dòng)力系統(tǒng)的開發(fā)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試與仿真研究是重要的開發(fā)手段。試驗(yàn)平臺(tái)可以測(cè)定系統(tǒng)部件的特性，通過(guò)仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制策略；可在試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行驗(yàn)證，以對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行修改。

國(guó)內(nèi)外已有相關(guān)專家、學(xué)者對(duì)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行研究。其中，大連海事大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究者通過(guò)MATLAB/Simulink實(shí)現(xiàn)了電力推進(jìn)系統(tǒng)的建模與仿真，主要對(duì)象是推進(jìn)系統(tǒng)與螺旋槳負(fù)載[13-14]；文獻(xiàn)[15]以三維實(shí)景的方式搭建了電力推進(jìn)系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)；上海海事大學(xué)的研究者以物理模型與仿真模型相結(jié)合的方式設(shè)計(jì)了電力推進(jìn)仿真系統(tǒng)，推進(jìn)電機(jī)使用了永磁同步電機(jī)[16]；武漢理工大學(xué)的研究者搭建了基于“雙逆變器-電機(jī)”能量互饋式的電力推進(jìn)試驗(yàn)平臺(tái)，并對(duì)推進(jìn)特性進(jìn)行了仿真分析[17]。上述文獻(xiàn)搭建的各種試驗(yàn)平臺(tái)針對(duì)的是以柴油發(fā)電機(jī)組為單一能源的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)，而多種能源混合的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的試驗(yàn)平臺(tái)很少有文獻(xiàn)提及。

混合動(dòng)力船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的柴電電力推進(jìn)系統(tǒng)有很大的區(qū)別，其最核心的內(nèi)容是多能源混合能量管理與控制策略。文章針對(duì)混合動(dòng)力船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一個(gè)集柴電機(jī)組、磷酸鐵鋰動(dòng)力電池組、光伏電池混合動(dòng)力船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)和電力測(cè)功機(jī)于一體的試驗(yàn)平臺(tái)。通過(guò)分析船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)測(cè)試與加載模擬的需求，給出相應(yīng)的多能源混合的能量管理控制策略。

1 試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

1.1試驗(yàn)平臺(tái)需求分析

混合動(dòng)力船舶電力推進(jìn)試驗(yàn)平臺(tái)作為一個(gè)半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，不僅配備有推進(jìn)控制系統(tǒng)，而且還配置了電力測(cè)功機(jī)，具有以下功能：

1) 可通過(guò)試驗(yàn)平臺(tái)的搭建，驗(yàn)證多能源混合動(dòng)力系統(tǒng)在船舶上應(yīng)用的可行性，包括系統(tǒng)動(dòng)力裝置配置、結(jié)構(gòu)優(yōu)化與參數(shù)匹配。

2) 可通過(guò)混合動(dòng)力電力推進(jìn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證混合動(dòng)力船舶操縱控制技術(shù)、能量管理等控制策略。

3) 可利用試驗(yàn)平臺(tái)獲得一種以能耗少、排放少、續(xù)航能力大為綜合指標(biāo)的混合動(dòng)力船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

1.2試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)上述功能，搭建混合動(dòng)力船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)(見圖1)。系統(tǒng)動(dòng)力源包括柴油發(fā)電機(jī)組、磷酸鐵鋰動(dòng)力電池組(簡(jiǎn)稱鋰電池組)和太陽(yáng)能光伏電池組，其中太陽(yáng)能光伏電池直接給鋰電池組充電；柴油發(fā)電機(jī)組通過(guò)AC/DC不可控整流裝置將交流整流成直流;同時(shí),鋰電池組通過(guò)雙向DC/DC變換器接入直流母線(直流母線電壓為500 V),再通過(guò)DC/AC逆變器將直流逆變?yōu)?80 V交流電，供給電力推進(jìn)控制裝置(該裝置由操縱臺(tái)、推進(jìn)控制器和推進(jìn)電機(jī)組成)。該平臺(tái)將可回饋?zhàn)冾l器和交流電機(jī)作為電力測(cè)功機(jī)來(lái)模擬螺旋槳負(fù)載。

圖1 試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

該試驗(yàn)平臺(tái)是一種串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)，其實(shí)驗(yàn)室裝配布置見圖2。系統(tǒng)的特點(diǎn)有：

1) 具有很強(qiáng)的開放性。其以網(wǎng)絡(luò)化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化來(lái)構(gòu)建，有助于系統(tǒng)的快速構(gòu)建、快速調(diào)試，增強(qiáng)試驗(yàn)、研究的靈活性。

2) 負(fù)載給定方便。以變頻器和交流電機(jī)組作為負(fù)載系統(tǒng)，除可以模擬螺旋槳負(fù)載外，還可以給定港航領(lǐng)域的常用負(fù)載，如起重機(jī)、卷鋼機(jī)等。

3) 控制靈活，容易實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)平臺(tái)由PLC控制器實(shí)現(xiàn)控制，使系統(tǒng)可靠、靈活、控制方法簡(jiǎn)單。

圖2 試驗(yàn)平臺(tái)布置

2 試驗(yàn)平臺(tái)能量管理控制策略

混合動(dòng)力系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、非線性電力電子設(shè)備使用廣泛的特點(diǎn)。[18]多能源的混合接入會(huì)對(duì)船舶動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)生各種瞬間干擾，影響船舶的航行安全。選擇一種合理、最優(yōu)的控制策略能提高船舶的安全性和穩(wěn)定性。[19]因此，混合動(dòng)力船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是能量管理策略。

由于試驗(yàn)平臺(tái)中配備了兩種能量，因此可以分為兩種工作模式。

工作模式1：柴電機(jī)組作主動(dòng)力源，鋰電池等其余能源作輔助動(dòng)力源，見圖3(a)。系統(tǒng)中，柴電機(jī)組始終在最佳效率的工作狀態(tài)下運(yùn)行，輸出額定功率。當(dāng)船舶需求能量(區(qū)域0y1at0)小于柴電機(jī)組提供的能量(區(qū)域0yat0)時(shí)，圖中A區(qū)為柴電機(jī)組的剩余可用能量，此時(shí)，柴電機(jī)組可向鋰電池儲(chǔ)能裝置充電，回收多余能量；當(dāng)船舶需求能量(區(qū)域t0ambt1)大于柴電機(jī)組提供的能量(區(qū)域abt2t1)時(shí)，B區(qū)為系統(tǒng)還欠缺的能量，在此情況下，通過(guò)鋰電池放電來(lái)補(bǔ)充系統(tǒng)能量，其中區(qū)域t0ambt1為混合供電區(qū)。

工作模式2：鋰電池作主動(dòng)力源，柴電機(jī)組等其余能源作輔助動(dòng)力源，見圖3(b)。根據(jù)鋰電池工作特點(diǎn)，在其荷電狀態(tài)(State of Charge，SOC)下能滿足系統(tǒng)功率的需求時(shí)，由鋰電池提供全部能量(區(qū)域0y1mbt0)，當(dāng)SOC下降到一定程度后，就需要起動(dòng)柴電機(jī)組來(lái)滿足系統(tǒng)功率需求。從a點(diǎn)開始起動(dòng)柴電機(jī)組，此時(shí)又回到工作模式1，直到鋰電池SOC能單獨(dú)滿足船舶功率需求時(shí)再使柴電機(jī)組停止工作。

(a)柴電機(jī)組作主動(dòng)力源功率分析曲線(b)鋰電池作主動(dòng)力源功率分析曲線

圖3 混合動(dòng)力船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)工況分析示意圖

在船舶靠岸后，由岸電給動(dòng)力電池充電，保證鋰電池的能量。

設(shè)定PL為負(fù)載功率，Pb為鋰電池組可用功率，Pe為柴電機(jī)組輸出功率，Pec為柴電機(jī)組給鋰電池組充電功率。船舶正常航行時(shí)，能量控制規(guī)則為：

1) 工作模式2的優(yōu)先級(jí)高于工作模式1，即在滿足工作模式2的條件下，系統(tǒng)優(yōu)先進(jìn)入工作模式2。

2) 系統(tǒng)啟動(dòng)后，如果SOC初始值≥80%，首先進(jìn)入工作模式2，船舶所需功率全部由鋰電池提供，鋰電池處于放電狀態(tài)，此時(shí)PL=Pb，Pe=0，直到SOClt;50%。

3) 如果30%≤SOClt;50%，系統(tǒng)退出工作模式2，進(jìn)入工作模式1，柴電機(jī)組運(yùn)行在最佳效率的工作狀態(tài)，并恒定功率輸出。若PL≤Pe，PL=Pe-Pec，柴電機(jī)組處于供電狀態(tài)，鋰電池處于充電狀態(tài)；若PLgt;Pe，PL=Pe+Pb，由柴電機(jī)組和鋰電池混合供電。

4) 如果充電，使SOC≥80%時(shí)，鋰電池可單獨(dú)工作，系統(tǒng)退出工作模式1，進(jìn)入工作模式2，柴油發(fā)電機(jī)組停止工作。

5) 如果放電，使SOClt;30%時(shí)，轉(zhuǎn)到“6)”。

6) 系統(tǒng)啟動(dòng)后，如果30%≤SOC初始值lt;80%，首先進(jìn)入工作模式1，鋰電池可處于放電狀態(tài)，也可處于充電狀態(tài)，但柴電機(jī)組必須運(yùn)行。柴電機(jī)組運(yùn)行在最佳效率的工作狀態(tài)，并輸出恒定功率。

7) 當(dāng)SOClt;30%時(shí)，若PL≤Pe，PL=Pe-Pec，柴電機(jī)組處于供電狀態(tài)，鋰電池處于充電狀態(tài)；若PLgt;Pe，系統(tǒng)進(jìn)行功率限制，系統(tǒng)需求功率限制在PL=Pe，直到SOCgt;30%后，取消功率限制，回到“6)”。當(dāng)SOC≥80%時(shí)，回到“2)”。圖4為能量管理策略流程圖。

圖4 能量管理策略流程

3 實(shí)驗(yàn)比較分析

實(shí)驗(yàn)室模擬船舶參數(shù)為：排水量為92 t，阻力系數(shù)為694.2，螺旋槳直徑為0.8 m，螺旋槳轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，電動(dòng)機(jī)額定輸出功率為35 kW，柴油發(fā)電機(jī)組額定功率為30 kW。實(shí)驗(yàn)室配置16組動(dòng)力性磷酸鐵鋰電池，電池總?cè)萘繛?00 Ah，電壓為500 V。

圖5 船舶需求功率曲線

應(yīng)用對(duì)象為周期性作業(yè)的船舶，如擺渡船、工程作業(yè)船或水上巴士等，通過(guò)電力測(cè)功機(jī)設(shè)定船舶需求功率。圖5為某類船舶整個(gè)運(yùn)行過(guò)程(包含啟動(dòng)、加速、全速運(yùn)行、減速、停止)所需求功率的曲線圖，當(dāng)全速運(yùn)行時(shí)，最大需求功率為35 kW，耗時(shí)近4 h。在忽略船舶照明等一般負(fù)載，同時(shí)不考慮動(dòng)力電池組的充放電效率的條件下，運(yùn)用提出的能量管理策略，利用試驗(yàn)平臺(tái)的數(shù)據(jù)記錄儀獲取4組數(shù)據(jù)，分別是鋰電池SOC初始值為80%、60%、40%、20%時(shí)的數(shù)據(jù)(見圖6～圖9)。在這些圖中，實(shí)線為船舶實(shí)際需求功率，虛線為柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行功率。利用雙向DC/DC變換器，使柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)一直處于滿負(fù)荷運(yùn)行(約30 kW)狀態(tài)。

圖6 SOC初始值80%時(shí)的柴電機(jī)組功率、SOC變化曲線

圖7 SOC初始值60%時(shí)的柴電機(jī)組功率、SOC變化曲線

圖8 SOC初始值40%時(shí)的柴電機(jī)組功率、SOC變化曲線

圖9 SOC初始值20%時(shí)的柴電機(jī)組功率、SOC變化曲線

對(duì)比圖6～圖9可以看出，只有當(dāng)SOC初始值在80%以上時(shí)，動(dòng)力電池才能單獨(dú)供電，而且隨著SOC初始值的變小，柴電機(jī)組的使用時(shí)間變長(zhǎng)，這符合混合動(dòng)力船舶電力系統(tǒng)的使用規(guī)范。也就是說(shuō)，通?；旌蟿?dòng)力船舶電力系統(tǒng)在啟航之前，保證其動(dòng)力電池SOC為100%。在一個(gè)工作周期中，SOC初始值為80%的系統(tǒng)柴電機(jī)組使用時(shí)間較SOC初始值為20%的時(shí)間減少1 h。

因此，混合動(dòng)力船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)較傳統(tǒng)的柴電電力推進(jìn)系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：

1. 柴油發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量可以明顯縮小，此試驗(yàn)平臺(tái)的裝機(jī)容量縮小了14.3%。

2. 由于柴油發(fā)電機(jī)組是斷續(xù)工作的，因此其油耗和廢氣排放量均有明顯的減少，而當(dāng)SOC初始值為80%時(shí)，能減少近40%的廢氣排放。

4 結(jié) 語(yǔ)

介紹半實(shí)物仿真的混合動(dòng)力船舶電力推進(jìn)試驗(yàn)平臺(tái)，提出一種船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)能量管理的控制策略。試驗(yàn)結(jié)果證明，該系統(tǒng)可以很好地滿足船舶混合電力推進(jìn)系統(tǒng)開發(fā)的需求。利用該試驗(yàn)平臺(tái)，可以驗(yàn)證能量管理策略在實(shí)際工程中應(yīng)用的可行性，能夠提出動(dòng)力裝置配置和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等的可靠方案，為船舶混合動(dòng)力電力推進(jìn)系統(tǒng)在實(shí)船上應(yīng)用提供一個(gè)非常有效的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

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DesignofTestPlatformforMarineHybridElectricPropulsion

GAODiju1,HUANGXiaogang2,SUNYanyan1,HUANGXixia1
(1. Key Laboratory Marine Technology amp; Control Engineering Ministry Communications, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China; 2. College of Electrical and Information Engineering, Quzhou University, Quzhou 324000, China)

An experimental research platform for marine hybrid electric propulsion systems is developed by integrating diesel generator sets, lithium batteries, photovoltaic cells and dynamometer controller. The architecture and function features of the test platform are described. An energy management strategy for the marine hybrid electric propulsion is proposed. Test results show that the test platform satisfies the requirements of experimental study of the hybrid system. The platform will be an convinient envirenment for research in power system configurations, structure optimization and the control strategy of marine hybrid electric propulsion system.

ship engineering; hybrid power; marine electric propulsion; energy management

2014-02-01

國(guó)家自然科學(xué)基金(61304186，51209134)；上海市科委項(xiàng)目(1316051500)；上海海事大學(xué)研究生創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(yc2011059)

高迪駒 (1978-)，男，浙江上虞人，工程師，博士生，主要從事船舶電力電子裝置及其自動(dòng)化技術(shù)、新能源技術(shù)方面研究。E-mail：ponyhigh@163.com.

1000-4653(2014)02-0015-04

U661.74; U664.14

A