基于滑?？刂频幕旌蟿?dòng)力船舶控制策略

高 鍵，張 剛

(江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

由于通過技術(shù)要求使柴油機(jī)滿足排放的要求已經(jīng)不能滿足實(shí)現(xiàn)，陳永軍[1]提出了關(guān)于混動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從串聯(lián)、并聯(lián)以及串并混聯(lián)3種結(jié)構(gòu)說明研究現(xiàn)狀，提出新型混合動(dòng)力設(shè)計(jì)并采用了自動(dòng)切換控制系統(tǒng)。文獻(xiàn)[2]中對固體氧化物燃料電池以及微型燃?xì)廨啓C(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)出口溫度具有良好的控制效果，一定程度上提高了系統(tǒng)對燃料的利用率，提高了混合動(dòng)力船舶的推進(jìn)效率。針對系統(tǒng)控制的問題，蔡英鳳等[3]在汽車混合動(dòng)力領(lǐng)域提出了補(bǔ)償滑模控制，從轉(zhuǎn)矩的角度控制系統(tǒng)的傳動(dòng)過程，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[4]中對混合動(dòng)力船的具體改造進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從方案、施工等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)，提出了新型的改造方案。對上述文獻(xiàn)中的內(nèi)容進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，首先從混合動(dòng)力船的結(jié)構(gòu)角度優(yōu)化混合動(dòng)力的結(jié)構(gòu)，其次從燃料和混合動(dòng)力的效率出發(fā)，如何控制系統(tǒng)的利用率以及增強(qiáng)系統(tǒng)的燃料電池的效率，總體缺乏系統(tǒng)控制以及整體運(yùn)行性能的研究。文獻(xiàn)[5]中針對燃料電池壽命的問題以及電能質(zhì)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(zhì)量。文獻(xiàn)[6]以無人船為對象，采用了智能的深度網(wǎng)絡(luò)算法對系統(tǒng)的能量管理進(jìn)行分析，對系統(tǒng)混合動(dòng)力系統(tǒng)的使用情況進(jìn)行非常詳細(xì)的分析與說明，對本文關(guān)于控制策略的研究具有很好的參考價(jià)值。文獻(xiàn)[7 - 8]從能量管理的角度，使用模糊控制策略以及粒子群優(yōu)化算法對混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)船舶動(dòng)力的綠色發(fā)展。文獻(xiàn)[9]在北斗系統(tǒng)導(dǎo)航基礎(chǔ)上對混合動(dòng)力船舶進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)如何節(jié)能減排，提高混合動(dòng)力船舶的推進(jìn)能力以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以此實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。文獻(xiàn)[10]為混合動(dòng)力船舶設(shè)計(jì)了基于瞬時(shí)優(yōu)化船舶機(jī)電電機(jī)混合動(dòng)力控制系統(tǒng)，由柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)構(gòu)成混合動(dòng)力系統(tǒng)的硬件，利用模塊分化的方法設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件，系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后,通過對比試驗(yàn)進(jìn)行耗能效果驗(yàn)證。結(jié)果表明，混合動(dòng)力控制系統(tǒng)較傳統(tǒng)動(dòng)力控制系統(tǒng)節(jié)約油耗5.5 L，以此實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排的目標(biāo)。文獻(xiàn)[11]針對燃料燃料電池混合儲(chǔ)能的尺寸進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對燃料電池轉(zhuǎn)化時(shí)的頻率進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)[12 - 13]對系統(tǒng)建立模型仿真分析系統(tǒng)的動(dòng)力性能以及氮氧化物的排放，定量分析系統(tǒng)的改善狀況，并對鋰電池組和永磁同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行分析，模擬鋰電池的投入與切斷。

綜上所述，混合動(dòng)力船舶主要對燃料電池和鋰電池的混合動(dòng)力、發(fā)電機(jī)與蓄電池的混合動(dòng)力等常見的混合動(dòng)力系統(tǒng)模型進(jìn)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(zhì)量的角度，分析系統(tǒng)中混合動(dòng)力的穩(wěn)定性，其中缺少相應(yīng)的具體分析。本文通過使用改進(jìn)的RBF自適應(yīng)滑?？刂撇呗詫π铍姵亟M與發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)換控制，提高蓄電池組混合動(dòng)力系統(tǒng)的效率以及電能質(zhì)量，并且通過Matlab/Simulink進(jìn)行仿真分析實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步證明控制策略的有效性。

1 蓄電池組混合動(dòng)力模型

船舶混合動(dòng)力推進(jìn)是將傳統(tǒng)的柴油發(fā)電機(jī)與清潔能源包括太陽能電池、風(fēng)電等組合使用的動(dòng)力系統(tǒng)，兩者有著不同的工作性能，相互補(bǔ)充，控制船舶動(dòng)力能夠達(dá)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?dòng)力系統(tǒng)有串聯(lián)、并聯(lián)、串并混合3種架構(gòu)形式，本文將使用并聯(lián)結(jié)構(gòu)模型，其模型結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 混合動(dòng)力系統(tǒng)并聯(lián)結(jié)構(gòu)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(diǎn)。對系統(tǒng)發(fā)電機(jī)和蓄電池進(jìn)行結(jié)構(gòu)細(xì)化，包括蓄電池組、柴油發(fā)電機(jī)組以及逆變結(jié)構(gòu)，針對不同的負(fù)荷采用不同的逆變參數(shù)。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所 示。

圖2 混合動(dòng)力系統(tǒng)電力部分結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the electric power part of the hybrid power system

對蓄電池與發(fā)電機(jī)組的混合動(dòng)力系統(tǒng)電能質(zhì)量與功率效率進(jìn)行著重分析。以無人船為例[6]，假設(shè)混合動(dòng)力船舶的參數(shù)如表1所示。

表1 船舶電力參數(shù)Tab.1 Ship electrical parameters

此船推進(jìn)系統(tǒng)中傳動(dòng)部分耗電量為主要部分，以及系統(tǒng)控制部分耗電，沒有大型的日用耗電損耗，相比較而言，負(fù)載簡單，有利于系統(tǒng)理論仿真控制研究。

2 混合動(dòng)力系統(tǒng)建模

在本文混合動(dòng)力系統(tǒng)研究中，針對蓄電池控制分析將以功率P為控制目標(biāo)，假設(shè)P1為發(fā)電機(jī)輸出的功率，P2為蓄電池提供的功率，關(guān)于發(fā)電機(jī)P1在系統(tǒng)沒有投入P2時(shí)，發(fā)電機(jī)可以進(jìn)行調(diào)節(jié)滿足系統(tǒng)功率需求，在P2投入時(shí)進(jìn)行控制操作。其中滿足功率關(guān)系如下式：

其中，取P1和P2的計(jì)算分別為p1=ui和p2=u2R。

2.1 滑?？刂破髟O(shè)計(jì)

此處的滑模控制為控制混合動(dòng)力系統(tǒng)的效率最優(yōu)化以及功率的及時(shí)投入，因此采取對系統(tǒng)輸出的功率以及負(fù)載實(shí)際功率對比優(yōu)化，判斷系統(tǒng)是否需要將蓄電池組投入使用，因此采取對綜合負(fù)載誤差進(jìn)行控制分析，誤差值如下式：

式中：e為混合動(dòng)力系統(tǒng)負(fù)載功率誤差；P為負(fù)載實(shí)際功率；P*為系統(tǒng)提供的實(shí)際功率。

2.2 RBF結(jié)構(gòu)及理論

本文采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)滑模控制，控制系統(tǒng)簡要過程如圖3所示。利用RBF網(wǎng)絡(luò)的萬能逼近特性，逼近滑?？刂普`差f(x)，進(jìn)行誤差反饋及補(bǔ)償，達(dá)到系統(tǒng)的穩(wěn)定。其中，自適應(yīng)律和滑模h趨近律共同保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。

圖3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)簡圖Fig.3 Schematic diagram of neural network control structure

網(wǎng)絡(luò)算法為：

其中，h為網(wǎng)絡(luò)的高斯基函數(shù)輸出，W*為網(wǎng)絡(luò)的理想權(quán)值，?為網(wǎng)絡(luò)的逼近誤差，?≤?N。

網(wǎng)絡(luò)輸入取x=[e e’]T，則網(wǎng)絡(luò)輸出為：

根據(jù)式（3）和式（4）可得：

2.3 滑模面及趨近律的設(shè)計(jì)

改進(jìn)傳統(tǒng)滑模面切換函數(shù)s=ce+e′，選取滑模面切換函數(shù)：

其中：k1，k2分別為滑模面切換函數(shù)的比列系數(shù)和積分系數(shù)。

對函數(shù)s求導(dǎo)，得

根據(jù)滑模控制理論，當(dāng)系統(tǒng)工作在滑面時(shí)，s′=0，得

其中，slaw表示趨近律，通過改進(jìn)等速趨近律，采用分?jǐn)?shù)階滑模趨近律，本質(zhì)未變，通過逼近的方法增加了可調(diào)系數(shù)。

其中，0＜α＜1，ζ＞0。

變換得：

證明：

根據(jù)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(jìn)的滑?？刂撇呗詫旌蟿?dòng)力船的有效性以及可靠性，通過Matlab/Simulink仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)380 V/60 Hz的混合動(dòng)力無人船模型，對緩和動(dòng)力船系統(tǒng)的電能轉(zhuǎn)換和分配進(jìn)行仿真，分析功率效率以及混合動(dòng)力船的電能質(zhì)量，判斷通過此方法對系統(tǒng)的電能混合動(dòng)力控制的可靠性，并與一般PI控制下的效果進(jìn)行對比。對系統(tǒng)電壓以及頻率等電能質(zhì)量進(jìn)行定量分析，分析控制策略的優(yōu)越性，以及不足之處。仿真時(shí)長設(shè)置為5 s，關(guān)于蓄電池組的投切過程依據(jù)系統(tǒng)仿真實(shí)際變化進(jìn)行控制，部分圖形取仿真2.95～3.05 s的仿真圖。系統(tǒng)仿真的主要參數(shù)如表2所示。

表2 混合動(dòng)力船舶系統(tǒng)電力參數(shù)Tab.2 Electric parameters of hybrid power ship system

根據(jù)表2進(jìn)行仿真參數(shù)設(shè)置，其中LCL參數(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足濾波參數(shù)的原則10f＜fres＜f開關(guān)/2。在仿真系統(tǒng)中關(guān)于電動(dòng)機(jī)負(fù)載的額定參數(shù)[12]，所采用的參數(shù)如表3所示。

表3 電動(dòng)機(jī)額定參數(shù)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(jìn)行仿真。首先分析系統(tǒng)功率分配投入的狀態(tài)，從蓄電池組和柴油發(fā)電機(jī)的功率變化狀況進(jìn)行分析，關(guān)于蓄電池組和柴油發(fā)電機(jī)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(fā)電機(jī)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(fù)載是沒有在柴油發(fā)電機(jī)供電的負(fù)載，同時(shí)無功功率大于有功功率，說明系統(tǒng)中感性負(fù)載較多，直至系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之后，檢測發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)的功率不能完全滿足電機(jī)以及其他容性負(fù)載的需要，因此在3 s時(shí)刻投入蓄電池組進(jìn)行補(bǔ)充供電，隨著其他容性負(fù)載的進(jìn)入系統(tǒng)有功功率增加，同時(shí)無功功率減少。

由圖5可以看到，系統(tǒng)柴油發(fā)電機(jī)穩(wěn)定供電時(shí)，穩(wěn)定供電負(fù)載沒有變化，當(dāng)在3 s時(shí)蓄電池并入通過蓄電池組進(jìn)行補(bǔ)償，系統(tǒng)柴油發(fā)電機(jī)功率首先得到緩解，在沒有滿載的情況下，系統(tǒng)功率可進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)滿載之后，通過蓄電池組進(jìn)行穩(wěn)定供電時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)輸出的功率同樣可以穩(wěn)定在初始功率0.924 MW，功率會(huì)在此上下波動(dòng)，但是功率波動(dòng)范圍較小。

3.2 功率效率分析

對系統(tǒng)功率的效率進(jìn)行分析，蓄電池組的投入是否可以有效提高系統(tǒng)的使用效率。系統(tǒng)蓄電池組和發(fā)電機(jī)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(fā)電機(jī)組功率投入效率Fig.7 Efficiency of generating set power input

通過功率的投入發(fā)現(xiàn)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(tǒng)的效率增大，當(dāng)3 s發(fā)電機(jī)組完全投入之后效率達(dá)到98%。由圖7可以看到，柴油發(fā)電機(jī)組的功率效率穩(wěn)定在87.4%左右基本無變化，如果采用發(fā)電機(jī)進(jìn)行供電，其效率無法達(dá)到98%，同時(shí)發(fā)電機(jī)中鐵損和銅損也相應(yīng)增大。當(dāng)系統(tǒng)采用蓄電池組時(shí)，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(tǒng)功率效率，提高船舶推進(jìn)以及負(fù)載供電的效率。

4 結(jié) 語

本文通過改進(jìn)的滑?？刂评碚?，對混合動(dòng)力船舶的供電進(jìn)行控制仿真分析，將改進(jìn)傳統(tǒng)滑?？刂撇呗杂糜诎峨姴⒕W(wǎng)的電壓控制，采用PI形式的滑模面與分?jǐn)?shù)階滑模控制律來控制混合動(dòng)力進(jìn)行控制，同時(shí)抑制了系統(tǒng)采用滑?？刂频亩墩瘳F(xiàn)象。仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了傳統(tǒng)滑模控制策略的有效性，相比之下改進(jìn)傳統(tǒng)滑模控制策略具有更好的穩(wěn)定性和可靠性，能夠有效地抑制系統(tǒng)本身產(chǎn)生的抖振，但是不能完全消除。通過仿真研究發(fā)現(xiàn)，本文所采用的控制方法可以有效實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力船蓄電池和柴油發(fā)電機(jī)的綜合控制，提高船舶供電系統(tǒng)電能的利用率。