电力推进船舶机电系统的多尺度耦合与优化控制方法研究

The matching of the ship hull, propulsion motor and ship propeller is the guarantee of good electric ship navigation performance and high energy efficiency. The electromechanical coupling has features of random and uncertain external sea load, large time scale difference within systems and non-linear characteristics. The work to solve this coupled problem is innovative and challenging. The optimisation of electrical propulsion system control method is of high significance to the energy efficiency increase of electrical propulsion ship working under full load conditions..Based on load modeling and forecasting methods of the sea and wave loads, this work will investigate the electric propulsion driven motor behavior, the modeling and coupling theories and methods of the propeller and the ship, as well as conduct hardware-in-the-loop experiment on a small scale electric propulsion system with references to the actual sea conditions. The electromechanical coupling model will be established, the inherent matching law of 'ship, motor, propeller', the matching methods, and the optimisation of the driven motor control strategy will be found out; thus, the matching theory and methods of the 'ship, motor, propeller' will be improved. The research will provide theories, methods and technical support to electric propulsion ship's safe, reliable and efficient operation.

电力推进系统船机桨匹配是保证电力推进船舶航行性能和高效的关键。电力推进系统与船体的耦合问题具有外载荷变化的随机和不确定性、电力系统与机械系统时间尺度较大差异性和系统非线性的特点，问题的研究具有创新性和挑战性。电力推进系统控制方法的优化对于电力推进船舶全工况运行效率的提升具有改善意义。.本研究课题针对电力推进船舶，基于波浪载荷负载建模及预报方法，对电力推进系统中的推进电机驱动特性、螺旋桨水动力学和船体运动学的建模、耦合理论和方法进行研究，并模拟实际海况进行小比例电力推进系统硬件在回路实验研究，从而建立推进电机驱动特性、螺旋桨水动力学及船体运动学耦合模型及计算方法，寻求电力推进船舶的“船机桨”匹配内在规律、优化匹配方法和优化控制策略；完善电力推进船舶的“船机桨”优化匹配理论及方法。通过项目研究，将为电力推进船舶的安全、可靠、高效节能运行提供理论与方法支撑。

项目背景.新能源电力推进船舶具有外载荷变化的随机和不确定性、电力系统与机械系统时间尺度较大差异性和系统非线性的特点。新能源电力推进船舶控制方法的优化对于船舶全工况运行效率的提升具有改善意义。..研究内容.构建了一套完整的船舶电力推进系统多尺度耦合模型，研制了基于燃料电池的锂电池和超级电容的复合储能直流母线的电力推进系统研究平台，基于dSPACE实时仿真系统研究了“船机桨”多工况优化匹配方法和推进系统优化及控制策略，开发了基于人工智能的船舶负荷预报模型和基于复合电源的电力推进船舶能量管理控制策略。..重要结果.1、针对以复合电源为储能设备的混合动力系统的能量管理策略设计问题，提出一种考虑船舶运行工况的能量管理策略。将复合电源的能量管理策略设计与容量配置问题耦合，提出使用鲸鱼优化算法，将能量管理策略参数与复合电源容量参数定为优化变量，通过调用混合动力系统仿真模型对能量管理策略与容量配置进行联优化。仿真实验结果验证了所提出的能量管理策略与联合优化方法的有效性。.2、使用自适应阻抗二次调节算法实现负载由多个能量源平均承担。该方法通过平移下垂曲线实现对直流微电网母线电压的恢复，同时通过对下垂曲线斜率的调节促使各并联变换器外特性阻抗趋于一致;通过混合动力实验平台进行算法验证，实验结果表明，该控制方法可显著提高系统的稳态和暂态均流精度。.3、低通滤波算法的复合储能协调控制策略是通过超级电容模组吸收高频分量和储能电池承担负载功率中低频分量，从而燃料电池承担稳定的负载功率需求，并且根据复合电源的状态，自适应调整低通滤波算法中的滤波时间常数。通过实验平台的验证，该算法有效的提高系统稳定性和延长电池寿命。..科学意义.能源和环境问题日益受到社会的关注，清洁能源，新能源和电力推进技术在船舶领域的应用逐步成为行业研究的热点。其中，燃料电池混合动力系统具有能量效率高、无污染等优点，但因锂电池的循环寿命短、功率密度低等缺点，限制了其系统性能的发挥。利用超级电容辅助锂电池工作，构成复合电源系统，同时具有较高的能量密度和功率密度，通过构建船舶直流母线供电系统，为新能源，多能源的接入提供的支撑。