一类混合动力船舶电力推进系统能量优化管理与控制策略研究

As the energy and environmental issues are getting increasingly prominent, developing green ship with high fuel economy and low gas emissions has become a chief task for present shipbuilding industry. The application of hybrid propulsion is an effective way for solution to ship energy conservation and emissions reduction. The marine hybrid electric propulsion system utilizes the new energy technologies, and its key core is energy management strategy. In view of the lack of energy management strategy for hybrid ship and the status of urgent need, this subject intends to find research methods applicable for optimal energy management and control strategy, with the study object of marine hybrid electric propulsion system, which is supplied by diesel generator set, lithium batteries and photovoltaic cells. 1) An integration composite objective function is to be established for the purpose of four evaluation indexes based on researching the coupling among fuel economy, gas emission, endurance and power system stability of ships. 2) Constraint condition of objective are to be selected based on researching the influence factors of the objective function and their relation. 3) A research will be developed on approximate transform nonlinear optimization problems for energy management into the standard problems of existing methods. 4) Iterative solution is committed to the objective function of energy management, and a set of hybrid energy management and control strategy of ships is researched based on the solution. The result of the subject is to be verified on hybrid power experiment platform of ship in laboratory, and to be tested on ships furthermore.

随着能源和环境的问题日益突出，开发低能耗、低排放的新型船舶成为当今船舶工业的首要任务。应用混合动力技术是解决船舶节能减排的有效途径，混合动力船舶电力推进系统应用了新能源技术，其关键核心和枢纽是能量管理策略。针对现有混合动力船舶能量管理策略匮乏，又迫切需要的现状，本课题以一类基于柴油发电机组、锂电池、光伏电池作为能源的混合动力船舶电力推进系统为对象，开展能量优化管理与控制策略研究：1）研究混合动力船舶经济性、排放性、续航能力和船舶电力系统稳定性之间互相耦合关系，建立以上述四个性能为评价指标的复合一体化目标函数；2）研究目标函数的影响因数及其相互关系，选取约束条件；3）开展面向能量管理的非线性优化问题与现有方法的近似转换研究；4）能量管理目标函数优化问题的迭代求解，并建立一套适用于混合动力船舶能量管理策略与控制策略。上述研究成果在实验室混合动力船舶试验平台上进行验证，并在实船上进行试验。

以柴油为动力的船舶废气排放对大气环境的危害日益加深。以锂离子电池、光伏电池及柴电为能源的混合动力船舶电力推进系统是解决船舶节能减排的最新技术。这种新型电力推进船舶的混合能源系统是一个集成了电气、机械、化学和热力学系统的非线性随机动态系统，能源产生、分配、混合、切换、控制的过程十分复杂。混合能源系统运行的稳定性、可靠性和安全性很大程度上依赖于高性能的能量管理与控制策略。. 本项目以一类基于柴油发电机组、锂电池、光伏电池为能源的混合动力船舶电力推进系统为研究对象，深入分析了混合动力船舶能源系统的结构特点，研究了能源系统特性与数学模型、状态控制技术以及协调控制技术。重点开展以提高燃油经济性、减少废气排放，并具有最大续航能力为目标的能量优化管理与控制策略的研究。在综合考虑系统稳定性前提下，建立了面向能量优化的目标函数，选取锂电池SOC、螺旋桨负载转矩等约束条件；先后利用了模糊逻辑、动态规划以及切换系统理论对目标函数进行求解认证。. 算法简单、响应迅速、计算量小的能量管理策略可以满足实际工程应用。为此，分析了混合动力船舶的各种供电模式，结合AC/DC与双向DC/DC变换器协同控制方法的基础上，提出了基于规则的混合动力船舶能量管理控制策略，通过能效分析，混合动力船舶可以年节省油耗约29.2%，年减少排放约29.5%。针对混合动力船舶复杂的系统结构以及基于规则的策略过于简化而达不到系统优化的目标，提出了基于模糊逻辑控制的能量管理策略，该策略不仅能提高燃油经济性，还能降低废气排放。以锂电池SOC经验值为约束条件的模糊逻辑策略达不到系统全局优化，通过对SOC值进行模糊化处理，提出了一种改进型模糊逻辑控制策略，进一步提高系统优化效果，减少油耗和排放，提升了船舶的续航能力。为了研究混合动力船舶的全局优化问题，提出了动力电池等效油耗的最小油耗量的目标函数，得到柴油发电机的最优控制序列，采用动态规划和切换系统理论优化多种能源的功率输出比重，计算出整个航行周期内柴油发电机的最小油耗值。最后，在上海海事大学船舶混合动力实验平台和上海某环境监测单位执法船进行了能量管理策略的实验验证。. 通过该项目深入研究发现该类船舶可应用于工况或者航道变化明显区域，特别是城市内河航道、景区航道。针对城市水上巴士、景区游览船、城市轮渡船、环保执法船、工程船都能适用。