船舶柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)能量管理控制策略

肖能齊， 徐翔， 周瑞平

(1.三峽大學(xué) 水電機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)與維護(hù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002； 2.三峽大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院，湖北 宜昌 443002； 3.武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)

隨著節(jié)能減排和航運(yùn)低成本運(yùn)輸?shù)刃枨蠹訌?qiáng)，如何對(duì)船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的能量進(jìn)行更加合理化管理是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題之一[1-3]。當(dāng)前主要是針對(duì)整個(gè)船舶系統(tǒng)的能量管理技術(shù)進(jìn)行研究較多，如國(guó)外開(kāi)發(fā)的K-Chief 500和2100能量管理系統(tǒng)等；而對(duì)于船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的能量管理進(jìn)行研究的文獻(xiàn)較少。目前船舶動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行工況日益趨于復(fù)雜化和多樣化，因此對(duì)各運(yùn)行工況下的能量進(jìn)行優(yōu)化控制策略研究具有十分重要的意義。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者和科研機(jī)構(gòu)在船舶能量管理、船舶動(dòng)力系統(tǒng)能量管理控制策略等方面均進(jìn)行了一定的研究[4-8]，Geertsma等[9]以混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)為對(duì)象，采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃對(duì)實(shí)時(shí)策略進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試，并與現(xiàn)有的基于規(guī)則的控制器進(jìn)行比較。其仿真結(jié)果表明，在負(fù)載需求未知的情況下，等效能耗最小化策略可以額外節(jié)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(jìn)系統(tǒng)的發(fā)電、電機(jī)和混合儲(chǔ)能控制相結(jié)合，以解決船舶推進(jìn)負(fù)荷波動(dòng)的影響。與其他方法相比，所提出的AMPC在提高系統(tǒng)效率、提高可靠性、提高推力生產(chǎn)和減少機(jī)械磨損方面取得了更好的性能。Vu等[11]為了確保艦船系統(tǒng)的船舶動(dòng)力推進(jìn)功率、船舶電力和發(fā)電機(jī)組功率合理分配，以保持分布式資源與負(fù)載設(shè)備之間的功率平衡，提出一種基于模型預(yù)測(cè)控制的能量管理方案，以優(yōu)化高功率斜坡率條件下蓄能與發(fā)電機(jī)之間的協(xié)調(diào)。文中通過(guò)仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方式驗(yàn)證了該方法的有效性。張益敏等[12]結(jié)合國(guó)內(nèi)外船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展，在動(dòng)力系統(tǒng)推進(jìn)結(jié)構(gòu)和能量管理方面進(jìn)行了綜述性概述，在能量管理方面主要是圍繞基于規(guī)則方法和最優(yōu)化方法的控制策略進(jìn)行了闡述。丁峰等[13]構(gòu)建船舶綜合電力系統(tǒng)的多參數(shù)仿真模型，以船舶燃油消耗最小對(duì)最優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行了船舶能量管理控制策略研究。闞志偉等[14]分別構(gòu)建柴油機(jī)模型、電容器模型和鋰電池模型的船舶混合動(dòng)力模型，提出采用坡率法和粒子群算法進(jìn)行能量管理控制策略最優(yōu)化研究，對(duì)降低船舶能耗具有十分重要的意義。

本文主要是以某海監(jiān)船舶四機(jī)雙槳柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)為研究對(duì)象，建立柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)能量流模型及分析能量流特點(diǎn)，提出采用基于工況識(shí)別的規(guī)則能量管理控制策略方法，對(duì)船舶柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)營(yíng)過(guò)程中能量進(jìn)行管理控制。

1 構(gòu)建船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)能量流

以如圖1所示的四機(jī)雙槳混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)為對(duì)象，該船舶推進(jìn)系統(tǒng)有2臺(tái)MAN 9L48/60B大功率柴油機(jī)和2臺(tái)MAN 6L48/60B小功率柴油為系統(tǒng)提供動(dòng)力源；其主要作用是將燃油的化學(xué)能通過(guò)燃燒轉(zhuǎn)化為以扭矩和轉(zhuǎn)速的機(jī)械能形式輸出(即：ES/M)。減速齒輪箱有與大功率柴油機(jī)、小功率柴油機(jī)和軸帶電動(dòng)機(jī)的3個(gè)輸入端，傳動(dòng)軸和軸帶發(fā)電機(jī)的2個(gè)輸出端；其主要作用是將柴油機(jī)輸出的高轉(zhuǎn)速經(jīng)齒輪箱減速后傳遞給傳動(dòng)軸系和可調(diào)螺旋槳，其能量轉(zhuǎn)化形式為機(jī)械能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

圖1 四機(jī)雙槳混合動(dòng)力系統(tǒng)Fig.1 Four-engine two-propeller hybrid system

與傳動(dòng)的船舶推進(jìn)系統(tǒng)相比較，柴電混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)中柴油機(jī)燃燒產(chǎn)生的機(jī)械能經(jīng)過(guò)齒輪箱傳遞可以驅(qū)動(dòng)軸帶發(fā)電機(jī)發(fā)電，其電能需要經(jīng)過(guò)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(zhuǎn)換形式為燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能再轉(zhuǎn)化為電能。對(duì)于如圖1所示的船舶柴電混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)而言，當(dāng)2臺(tái)齒輪箱內(nèi)的離合器處于不同的狀態(tài)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)不同運(yùn)行工況之間的切換，則有不同的船舶動(dòng)力系統(tǒng)推進(jìn)形式，其將對(duì)應(yīng)著不同的能量傳遞形式。本文通過(guò)對(duì)不同推進(jìn)形式的能量特點(diǎn)和能量流規(guī)律進(jìn)行分析與研究，構(gòu)建了如圖2所示的四機(jī)雙槳混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)能量流圖。

根據(jù)圖1所示的柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置圖及其對(duì)應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換和能量傳遞特性可知：通過(guò)齒輪箱內(nèi)離合器的合排與脫排，從而可以完成混合動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)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(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)一共有12種運(yùn)行模式，有4種單機(jī)推進(jìn)運(yùn)行模式、2種雙機(jī)并車(chē)聯(lián)合推進(jìn)運(yùn)行模式和6種PTI推進(jìn)運(yùn)行模式組成，各種運(yùn)行模式其對(duì)應(yīng)的齒輪箱離合器狀態(tài)和具體推進(jìn)工況如表1所示。

2 基于工況識(shí)別的規(guī)則能量管理策略

船舶在實(shí)際航行過(guò)程中將處于不同的航行海況條件下，則船舶動(dòng)力系統(tǒng)也處于不同的航行工況條件下，其對(duì)應(yīng)的柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩、離合器狀態(tài)和船舶航速等參數(shù)也將發(fā)生變化。因此為了使船舶航行過(guò)程中處于最合理的運(yùn)行工況條件下，本文提出基于航行工況模糊模式識(shí)別的規(guī)則能量管理控制策略對(duì)船舶航行工況進(jìn)行優(yōu)化。

圖2 四機(jī)雙槳混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)能量流Fig.2 Energy flow diagram of four-engine two-propeller hybrid propulsion system

表1 船舶四機(jī)雙槳混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的12種運(yùn)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(shí)別模型

通過(guò)提取m個(gè)用于船舶柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)工況識(shí)別的特征參數(shù)值，則對(duì)于每個(gè)待識(shí)別工況均有m個(gè)特征參數(shù)值，因此對(duì)于n個(gè)待識(shí)別工況可以構(gòu)建m×n階的特征參數(shù)值矩陣X：

(1)

式中xij為第j個(gè)待識(shí)別工況的第i個(gè)特征參數(shù)所對(duì)應(yīng)的值。

為了將待識(shí)別工況與標(biāo)準(zhǔn)航行工況進(jìn)行對(duì)比與航行工況模糊識(shí)別，需要根據(jù)柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)的工況特點(diǎn)，制定h種標(biāo)準(zhǔn)航行工況；同理，可以構(gòu)建m×h階的特征參數(shù)值矩陣Y：

(2)

式中yik為第k個(gè)標(biāo)準(zhǔn)航行工況的第i個(gè)特征參數(shù)所對(duì)應(yīng)的值。

由于n個(gè)待識(shí)別工況和h個(gè)標(biāo)準(zhǔn)航行工況的特征參數(shù)在量綱上存在差異，因此可通過(guò)如下式(3)和式(4)消除n個(gè)待識(shí)別的m×n階的特征參數(shù)值矩陣X和h個(gè)標(biāo)準(zhǔn)航行工況m×h階的特征參數(shù)值矩陣Y指標(biāo)量綱：

(3)

(4)

式中：rij第j個(gè)待識(shí)別工況的第i個(gè)特征參數(shù)值隸屬度；sik第k個(gè)標(biāo)準(zhǔn)航行工況第i個(gè)特征參數(shù)值隸屬度。

通過(guò)式(1)～(4)對(duì)特征參數(shù)進(jìn)行歸一化處理，可以得到n個(gè)待識(shí)別工況特征值和h個(gè)標(biāo)準(zhǔn)航行工況特征值的相對(duì)隸屬度矩陣式(5)和(6)：

(5)

(6)

為了將待識(shí)別的n個(gè)工況根據(jù)轉(zhuǎn)矩、航速和齒輪箱離合器狀態(tài)等m個(gè)特征參數(shù)按照混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)船舶的h種標(biāo)準(zhǔn)航行工況進(jìn)行識(shí)別，則模糊識(shí)別矩陣為：

(7)

將待識(shí)別工況j的m個(gè)特征參數(shù)的相對(duì)隸屬度分別與標(biāo)準(zhǔn)航行工況k的特征參數(shù)相對(duì)隸屬度進(jìn)行逐一比較后，得到m個(gè)特征參數(shù)相對(duì)優(yōu)屬度分別介于相鄰級(jí)別區(qū)間[a1j,b1j]，[a2j,b2j]，…，[amj,bmj]，則可以得到待識(shí)別工況j的級(jí)別上限值bj和級(jí)別的下限值aj：

(8)

本文通過(guò)構(gòu)建工況j對(duì)標(biāo)準(zhǔn)航行工況k之間的權(quán)廣義距離平方和最小的目標(biāo)函數(shù)，以求解待識(shí)別工況j對(duì)標(biāo)準(zhǔn)航行工況k的最優(yōu)相對(duì)隸屬度：

(9)

構(gòu)造式(9)在ukj約束條件下極值變?yōu)闊o(wú)條件極值問(wèn)題求解的拉格朗日函數(shù)：

(10)

對(duì)式(10)求導(dǎo)可得：

(11)

(12)

通過(guò)式(11)和式(12)可得：

(13)

根據(jù)式(8)和(13)可以得到待識(shí)別工況j對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)航行工況k的最優(yōu)相對(duì)隸屬度模糊識(shí)別理論模型為:

(14)

2.2 基于規(guī)則的能量管理控制策略

在基于航行工況模糊模式識(shí)別的方法對(duì)船舶運(yùn)行工況進(jìn)行識(shí)別的基礎(chǔ)之上，對(duì)船舶柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)行工況進(jìn)行進(jìn)一步最合理的優(yōu)化，提出基于規(guī)則的能量管理控制策略。其主要是采取基于邏輯門(mén)限值的方式設(shè)定柴油機(jī)的工作轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩、船舶航行的平均航速、電機(jī)工作轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩和船舶需求轉(zhuǎn)矩等門(mén)限參數(shù)，從而使柴油機(jī)處于高效率曲線區(qū)間允許，以便于對(duì)能量進(jìn)行最優(yōu)化控制規(guī)則與分配規(guī)則，使船舶動(dòng)力系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟(jì)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(jù)表1所示的船舶四機(jī)雙槳混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的12種運(yùn)行模式和圖2所示的混合動(dòng)力系統(tǒng)能量流特點(diǎn)，建立如圖3所示的四機(jī)雙槳混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)工作模式切換規(guī)則圖。

圖3 四機(jī)雙槳混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)工作模式切換規(guī)則Fig.3 Working mode switching rule diagram of four-engine two-propeller hybrid propulsion system

在圖3中針對(duì)該柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)的12種運(yùn)行制定了合理的工作模式切換規(guī)則，根據(jù)規(guī)則能量管理控制策略方法設(shè)計(jì)了系統(tǒng)運(yùn)行工況的運(yùn)行工況模式進(jìn)行邏輯判斷。從而達(dá)到對(duì)混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的能量進(jìn)行最優(yōu)化分配規(guī)則與控制規(guī)則，如表2所示給出了該船舶動(dòng)力系統(tǒng)的能量控制規(guī)則。

表2 在航行過(guò)程中船舶混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的能量控制規(guī)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(jī)最優(yōu)油耗對(duì)應(yīng)的最小扭矩；T1為2#柴油機(jī)輸出扭矩；T2為1#柴油機(jī)輸出扭矩；T2max為1#柴油機(jī)最優(yōu)油耗對(duì)應(yīng)的最大扭矩；TPTI為PTI電動(dòng)機(jī)輸出扭矩；T1 min為2#柴油機(jī)最優(yōu)油耗對(duì)應(yīng)的最小扭矩；T1max為2#柴油機(jī)最優(yōu)油耗對(duì)應(yīng)的最大扭矩；TPTO為軸帶發(fā)電機(jī)充電所需扭矩；TE-PTI為PTI電動(dòng)機(jī)最大輸出扭矩。

根據(jù)上述圖3和表2中所示的系統(tǒng)規(guī)則模式切換規(guī)則和能量控制規(guī)則，可得如圖4所示的四機(jī)雙槳混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)能量管理控制規(guī)則判斷流程圖。該動(dòng)力系統(tǒng)的判斷流程圖主要是在基于航行工況模糊模式識(shí)別的方法對(duì)船舶運(yùn)行工況進(jìn)行識(shí)別的基礎(chǔ)之上，根據(jù)能量管理控制規(guī)則判斷流程圖對(duì)當(dāng)前船舶航行工況進(jìn)一步的合理優(yōu)化。

3 混合動(dòng)力系統(tǒng)能量管理控制策略實(shí)例分析

基于航行工況識(shí)別規(guī)則能量管理控制策略方法：首先在船舶航行過(guò)程中，提取待識(shí)別工況特征參數(shù)，采取模糊模式識(shí)別模式對(duì)當(dāng)前航行工況進(jìn)行識(shí)別；然后根據(jù)柴電混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的能量控制規(guī)則對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，最后通過(guò)指令切換各部件的運(yùn)行狀態(tài)，使其在最優(yōu)的工況下運(yùn)行，如圖5所示的基于工況識(shí)別的規(guī)則能量管理控制策略原理圖。

圖4 四機(jī)雙槳混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)能量管理控制規(guī)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(shí)別的規(guī)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(jù)該混合動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)，將標(biāo)準(zhǔn)航行工況分為低速航行工況、經(jīng)濟(jì)巡航工況和高速航行工況3種；同時(shí)選取齒輪箱離合器合排個(gè)數(shù)n、輸入端的平均轉(zhuǎn)速Vr、加/減速時(shí)間百分比η、輸入端的平均功率Pr以及加速度標(biāo)準(zhǔn)差astd等5個(gè)工況識(shí)別特征參數(shù)，如表1所示給出了3種標(biāo)準(zhǔn)航行工況的特征參數(shù)值。

表2 3種標(biāo)準(zhǔn)航行工況特征參數(shù)Table 2 Characteristic parameters of three standard operating conditions

根據(jù)2.1節(jié)所述，通過(guò)對(duì)所提取齒輪箱離合器合排個(gè)數(shù)n、輸入端的平均轉(zhuǎn)速Vr、加/減速時(shí)間百分比η、輸入端的平均功率Pr以及加速度標(biāo)準(zhǔn)差astd的5種特征參數(shù)進(jìn)行歸一化處理后，經(jīng)計(jì)算可得3種標(biāo)準(zhǔn)航行工況特征值相對(duì)隸屬度矩陣：

(15)

本文選取3個(gè)待識(shí)別工況，其個(gè)待識(shí)別工況的特征參數(shù)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(duì)特征參數(shù)進(jìn)行歸一化處理后，可得3個(gè)待識(shí)別工況的相對(duì)隸屬度矩陣：

(16)

由于待識(shí)別工況的特征參數(shù)在船舶航行工況模式識(shí)別過(guò)程中均具有不同的權(quán)重，因此通過(guò)式(17)、(18)計(jì)算各參數(shù)的權(quán)重向量W：

(17)

(18)

根據(jù)表2中的3種標(biāo)準(zhǔn)航行工況下特征參數(shù)值及式(17)可得到y(tǒng)i：

y=[0.733 0.517 0.750 0.591 0.880]

(19)

根據(jù)3個(gè)待識(shí)別工況的特征參數(shù)向量X1、X2和X3以及式(18)和式(19)，可得3個(gè)待識(shí)別工況特征參數(shù)對(duì)應(yīng)的權(quán)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(shù)P=2時(shí)，待識(shí)別工況j對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)航行工況k的最優(yōu)相對(duì)隸屬度模糊識(shí)別理論模型式(14)可以變換為：

(21)

將3種標(biāo)準(zhǔn)航行工況特征值相對(duì)隸屬度矩陣S、3個(gè)待識(shí)別工況相對(duì)隸屬度矩陣R以及3個(gè)待識(shí)別工況X對(duì)應(yīng)的權(quán)重模糊向量W的值代入式(21)，可得待識(shí)別工況分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)航行工況的相對(duì)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(jù)式(22)計(jì)算可得在船舶航行過(guò)程中，3個(gè)待識(shí)別工況X1、X2和X3分別相對(duì)于低速航行工況、經(jīng)濟(jì)巡航工況和高速航行工況3種標(biāo)準(zhǔn)航行工況的相對(duì)隸屬度u1、u2和u3值。在待識(shí)別工況X1的相對(duì)隸屬度u1中，最大值為向量0.794 4，則待識(shí)別工況X1屬于3種標(biāo)準(zhǔn)航行工況中的低速經(jīng)濟(jì)航行工況；在待識(shí)別工況X2的相對(duì)隸屬度u2中，最大值為向量0.775 8，則待識(shí)別工況X2屬于3種標(biāo)準(zhǔn)航行工況中的經(jīng)濟(jì)巡航工況；在待識(shí)別工況X3的相對(duì)隸屬度u3中，最大值為向量0.601 0，則待識(shí)別工況X3屬于3種標(biāo)準(zhǔn)航行工況中的高速航行工況。運(yùn)用基于航行工況模糊模式識(shí)別的方法比較待識(shí)別工況與標(biāo)準(zhǔn)航行工況的5個(gè)特征參數(shù)的相似程度，從而確定待識(shí)別工況屬于哪一種表中航行工況；然后采取邏輯門(mén)限值設(shè)計(jì)與控制的規(guī)則能量管理控制方法，進(jìn)一步確定最優(yōu)的柴電混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行模式。

4 結(jié)論

1)針對(duì)船舶四機(jī)雙槳柴電混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的4種單機(jī)模式、6種PTI模式和2種并車(chē)模式的12種運(yùn)行工況各自的運(yùn)行特點(diǎn)以及運(yùn)行過(guò)程中各組成部件的運(yùn)行狀態(tài)和能量傳遞特點(diǎn)進(jìn)行了歸納與研究；

2)本文提出了基于工況識(shí)別的規(guī)則能量管理控制策略對(duì)船舶柴電混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)能量進(jìn)行統(tǒng)一管理和分配，首先選取齒輪箱離合器合排個(gè)數(shù)n、輸入端的平均轉(zhuǎn)速Vr、加/減速時(shí)間百分比η、輸入端的平均功率Pr以及加速度標(biāo)準(zhǔn)差astd5個(gè)參數(shù)作為船舶航行工況識(shí)別的合理特征參數(shù)，其次提取船舶航行工況的特征參數(shù)并建立標(biāo)準(zhǔn)航行工況，運(yùn)用所建立的航行工況模糊模式識(shí)別模型識(shí)別樣本所屬的航行工況，即實(shí)現(xiàn)航行工況識(shí)別；最后基于規(guī)則的能量管理控制策略和混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)制定的能量管理控制規(guī)則判斷流程圖，進(jìn)行最優(yōu)工況選擇。