CN108100202B - Lng-蓄电池混合动力船舶推进系统功率分配方法 - Google Patents

Lng-蓄电池混合动力船舶推进系统功率分配方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种LNG‑蓄电池混合动力船舶推进系统功率分配方法，包括手动控制模式和自动控制模式；所述手动控制模式由驾驶员根据实时航行环境自由切换船舶工作模式；所述自动控制模式包括如下步骤：1)获取当前螺旋桨转速n、蓄电池SOC值以及LNG发动机油门开度α；计算螺旋桨负载的需求功率Preq；2)定义螺旋桨转速最低限值N1，最高限值N2；定义蓄电池的充电阈值SOC＝a，放电阈值SOC＝b；3)在一般水域正常航行时，按照逻辑门限能量管理策略切换工作模式；4)针对工作模式D，以Preq和SOC为输入，以Pe为输出，设计模糊控制策略，以辅助逻辑门限控制策略。该方法解决了LNG发动机动力加载的迟滞性问题，提高了系统的响应速度和操作性。

Description

LNG-蓄电池混合动力船舶推进系统功率分配方法
技术领域
本发明属于混合动力船舶领域，特别是指一种LNG-蓄电池混合动力船舶推进系统功率分配方法。
背景技术
在寻求和探索节能减排新思路中，液化天然气作为一种绿色能源，以其显著的环境效益优势成为了未来船用燃料的第一选择。但是由于LNG发动机的变载能力和调速能力与柴油机相比具有明显的缺陷，动态响应特性上存在明显的迟滞性，因此LNG燃料动力船舶的操纵性在某些特殊航段会有所改变，并且同时由于LNG的特殊理化性质，LNG燃料动力船舶的安全性能有所下降。
申请号为201310225560.2的中国专利，公开了一种柴电混合动力系统的结构及混合方式，其组成包括：主柴油发动机，所述的主柴油发动机与永磁发电机A通过磁力耦合传动机构A同轴连接，所述的永磁发电机A与齿轮箱通过磁力耦合传动机构B连接，所述的齿轮箱与永磁发电机B通过磁力耦合传动机构D连接，所述的永磁发电机B与辅助柴油发动机通过磁力耦合传动机构C同轴连接，所述的辅助柴油发动机与涡轮发电装置B连接，所述的涡轮发电装置B与蓄电池连接，所述的蓄电池与涡轮发电装置A连接，所述的涡轮发电装置A与所述的主柴油发动机连接。
申请号为201510489494.9的中国专利，公开了一种混合动力船舶能源系统工作模式自动切换装置及方法，包括串联混合动力系统、能源系统工作模式自动切换系统、以及功率控制模块，根据动力电池SOC、电池工作温度T以及需求功率P，智能化确定混合能源系统工作模式，进而自动切换工作模式。该装置及方法实现了混合动力船舶能源系统工作模式的自动切换，有效发挥了动力电池的工作性能，提高了船舶的节能减排以及续航性能。
上述系统和方法在一定程度上提高了混合动力系统的工作效率，减少了尾气排放，但无法解决因天然气发动机的功率加载迟滞性而表现出的动力性差、操纵性能不足等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种动态响应性好、船舶操作性佳的LNG-蓄电池混合动力船舶推进系统功率分配方法。
为实现上述目的，本发明所设计的LNG-蓄电池混合动力船舶推进系统功率分配方法该方法，适用于包含如下四种工作模式的LNG-蓄电池混合动力船舶推进系统：
工作模式A：螺旋桨所需功率全部由蓄电池提供，推进电动机驱动螺旋桨，LNG发动机停止工作；
工作模式B：螺旋桨所需功率全部由LNG发动机提供，并且LNG发动机多余功率给蓄电池充电；
工作模式C：螺旋桨所需功率全部由LNG发动机提供，蓄电池既不充电也不放电；
工作模式D：螺旋桨所需功率由LNG发动机与蓄电池共同提供，蓄电池放电，LNG发动机与推进电动机同时驱动螺旋桨；
该功率分配方法包括手动控制模式和自动控制模式两种功率分配模式；
所述手动控制模式由驾驶员根据实时航行环境自由切换船舶工作模式；
所述自动控制模式包括如下步骤：
1)获取当前螺旋桨转速n、蓄电池SOC值以及LNG发动机油门开度α；根据当前螺旋桨转速n和LNG发动机油门开度α，计算螺旋桨负载的需求功率Preq，Preq＝Pe+Pm，其中，Pe为LNG发动机输出功率，Pm为推进电动机输出功率；
2)定义螺旋桨转速N1为螺旋桨转速最低限值，定义螺旋桨转速N2为螺旋桨转速最高限值；定义SOC＝a和SOC＝b分别是蓄电池的充电阈值和放电阈值；
3)在一般水域正常航行时，按照逻辑门限能量管理策略切换工作模式，具体包括：
a、当n≤N1时，系统按工作模式A运行，此时Preq＝Pm。
b、当N1<n<N2时：若SOC＞a，按照工作模式C运行，此时Preq＝Pe；若SOC≤a，系统按工作模式B运行，此时Preq＝Pe+Pm，Preq、Pe为正值，Pm为负值；
c、当n≥N2时，系统按工作模式D运行，此时Preq＝Pe+Pm，Pe、Pm均为正值；
4)针对工作模式D，以Preq和SOC为输入，以Pe为输出，设计模糊控制策略，以辅助逻辑门限控制策略。
优选地，所述模糊控制策略具体包括以下步骤：
a)对输入变量需求功率Preq和电池SOC，以及输出变量LNG发动机输出功率Pe分别进行量化及模糊化处理；
b)分别确定Preq、SOC和Pe的隶属度函数；
c)确定模数控制规则；
d)反模糊化，得到优化的LNG发动机输出功率Pe和推进电动机输出功率Pm。
优选地，步骤a)中，进行模糊化处理时，选择需求功率Preq、电池SOC以及LNG发动机输出功率Pe的论域均为[0，1，……，m]，m为自然数，其取值通过量化因子模块进行系数变换，从而确定论域中m的取值。
优选地，步骤a)中，进行模糊化处理时，将需求功率Preq、电池SOC分别和LNG发动机输出功率Pe分别分为多个模糊子集(子集数量根据经验确定)。
优选地，步骤b)中，输入变量、输出变量采用梯形或三角形隶属度函数。
优选地，步骤c)中，模糊逻辑控制规则要保证以下几点：
a)保证船舶航行需求；
b)减少LNG发动机的工况变化频次，尽量使其保持高效率运行；
c)维持蓄电池SOC在期望值附近，以延长蓄电池使用寿命。
优选地，步骤d)中，反模糊化采用重心法。
优选地，所述手动控制模式包括：
a)船舶在靠离泊期间，需要频繁用车、用舵，对船舶机动性能要求较高，此时按工作模式A运行；
b)在通航环境复杂航段，通航条件不利于船舶航行，对船舶的保速性保向性以及变速性能要求较高，此时按工作模式D运行；
优选地，所述充电阈值为a＝80％，放电阈值为b＝30％。
优选地，该方法采用超级电容，为船舶提供较大的起动能量，并有效回收部分制动能量。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：该方法首先针对不同航行环境，以驾驶员命令为输入，切换不同行驶模式，其次针对正常水域环境，采用逻辑门限控制策略。针对混合驱动模式，又采用模糊控制进行优化，以增强控制系统柔性和鲁棒性，即采用“开关式+逻辑门限+模糊控制”的三策略功率分配方法，解决了LNG发动机动力加载的迟滞性问题，提高LNG-蓄电池混合动力船舶推进系统的响应速度和操作性，以便更好地适应多变的航行环境。
附图说明
图1为本发明所采用的LNG-蓄电池混合动力船舶推进系统的结构示意图。
图2为本发明所提供的逻辑门限能量管理策略与转速-时间曲线的关系的示意图。
图3为本发明所提供的功率分配方法流程图。
图4为经实施例中方法优化前后排放性能对比图。
图5为经实施例中方法优化前后耗气量对比图。
其中：LNG储罐1、功率分配策略控制器2、发动机控制器3、LNG发动机4、双击并车齿轮箱5、螺旋桨6、推进电动机7、电机控制器8、DC/AC变频器9、直流母线10、蓄电池11、超级电容12、蓄电池控制器13。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明实施例采用如图1所示的LNG-蓄电池混合动力船舶推进系统，包括LNG发动机4、LNG储罐1(采用C型罐)、蓄电池11(采用锂电池或铅酸电池)、超级电容12、直流母线10、DC/AC变频器9、推进电动机7、螺旋桨6，双击并车齿轮箱5以及功率分配策略控制器2、发动机控制器3、电机控制器8、蓄电池控制器13。
按照功能分类，该推进系统可分为发动部分(包括LNG发动机4、蓄电池11、超级电容12)和推进部分(包括推进电动机7和螺旋桨6)、传动部分(包括双机并车齿轮箱5)，以及功率分配单元(包括功率分配策略控制器2、发动机控制器3、电机控制器8、蓄电池控制器13)。发动部分的作用是为系统提供动力源，其中LNG发动机4和蓄电池11可作为两个主要的动力源，超级电容12主要提供起动瞬间的大能量，以及制动能量的回收。推进部分的作用是为船舶提供推力，将动力源提供的能量转化为直接动力。功率分配单元的作用是根据船舶的合理分配各能量单元的功率输出，控制电能的储存和释放，实现各能量单元的工作性能优化，同时减少功率损耗，从而改善LNG发动机功率加载的迟滞性。
当LNG发动机4与推进电动机6共同提供动力时，该推进系统的工作过程简要描述如下：LNG发动机4输出动力，经双机并车齿轮箱5，将动力传递至螺旋桨6。蓄电池11与超级电容12并联接入直流母线10。直流母线10上的直流电通过逆变器变换成三相交流电为推进电动机7供电，推进电动机6输出动力经双机并车齿轮箱5与LNG发动机4并联接入，从而拖动螺旋桨6。
该推进系统的结构特点在于相对于其他形式的混合动力系统，保持了原动机和负载之间的机械连接，能量的利用率较高。除此之外，相比于串联式混合动力系统，同功率水平下该系统的成本相对较低。
该混合动力船舶推进系统包括如下四种工作模式：
工作模式A：所需功率全部由蓄电池提供，LNG发动机停止工作。该模式通常适用于船舶离泊、靠泊状态；
工作模式B：螺旋桨所需功率由LNG发动机提供，并且多余功率给蓄电池充电。该模式通常适用于船舶航行于一般航道、负荷适中、工况变化小且蓄电池剩余电量SOC值较低的状态；
工作模式C：所需功率全部由LNG发动机提供，蓄电池既不充电也不放电。该模式通常适用于船舶航行于一般航道、负荷适中、工况变化小且蓄电池剩余电量SOC值较高的状态；
工作模式D：所需功率由LNG发动机与蓄电池共同提供，蓄电池放电。该模式通常适用于船舶航经某些特殊航段，例如，闸区、险、窄、弯以及连续桥区等通航环境复杂航段，需要采取应急或频繁改变动力等操作时。
如图3所示，本发明所提供的LNG-蓄电池混合动力船舶推进系统功率分配方法，包括以下步骤：
步骤1：该功率分配方法优先进入手动控制模式，驾驶员可以根据实时的航行环境，掌握好时机切换船舶运行模式，从而提高船舶的操纵性。具体包括：
a)船舶在靠离泊期间，需要频繁用车、用舵，对船舶机动性能要求较高。此时按工作模式A运行，由蓄电池提供全部功率，推进电动机驱动螺旋桨；
b)船舶航经某些特殊航段，如闸区、险、窄、弯以及连续桥区等通航环境复杂航段，通航条件不利于船舶航行，对船舶的保速性保向性以及变速性能要求较高。此时按工作模式D运行，由LNG发动机和蓄电池共同提供功率，LNG发动机与推进电动机驱动螺旋桨；
步骤2：获取当前螺旋桨转速n，蓄电池SOC值以及LNG发动机油门开度α；根据当前螺旋桨转速n和LNG发动机油门开度α，采用机桨模型算出螺旋桨负载的需求功率Preq，数学表达式为：
其中Preq＝Pe+Pm，Pe为LNG发动机功率，Pm为推进电动机功率；
步骤3：定义螺旋桨某一转速N1为螺旋桨转速最低限值，定义螺旋桨某一转速N2为螺旋桨转速最高限值，具体值根据螺旋桨特性参数以及航行需求决定；定义SOC＝a和SOC＝b分别是蓄电池的充电阈值和放电阈值(根据蓄电池的充放电特性决定)，实施例中a＝0.3，b＝0.7。
步骤4：如图2所示，在一般水域正常航行时，优先按照逻辑门限能量管理策略切换工作模式，具体包括：
a、螺旋桨转速n小于等于N1，即n≤N1时：
系统按工作模式A运行，由蓄电池提供所需功率，此时Preq＝Pm。
b、螺旋桨转速n大于N1，小于N2时，即N1<n<N2时：
当SOC＞a，即SOC值高于蓄电池充电阈值，系统按照工作模式C运行，即所需功率全部由LNG发动机提供，蓄电池既不充电也不放电，此时Preq＝Pe。
当SOC≤a时，即SOC值低于蓄电池充电阈值时，系统按工作模式B运行，即所需功率由LNG发动机提供，并且多余功率给蓄电池充电，此时Preq＝Pe+Pm，其中Pm为负值。
c、螺旋桨转速n大于N2，即n≥N2时：
系统优先进入工作模式D，所需功率由LNG发动机与蓄电池共同提供，蓄电池放电，此时Preq＝Pe+Pm。
步骤5：针对工作模式D，即混合驱动模式，以需求功率Preq和电池SOC为输入，以LNG发动机输出功率Pe为输出，设计模糊控制策略，以辅助逻辑门限控制策略。具体包括：
a、输入输出量化及模糊化处理
选择需求功率Preq、电池SOC和LNG发动机输出功率Pe的论域均为[0，1，……，m]，m为自然数，其取值通过量化因子模块进行系数变换，从而确定论域中m的取值。
将相应的需求功率Preq和电池SOC各分为七个模糊子集{VS，S，RS，M，RB，B，VB}，将LNG发动机输出功率Pe分为九个模糊子集{VS，S，RS，RM，M，VM，RB，B，VB}。
b、确定隶属度函数
离散型隶属度函数可表示为：
连续型可表示为：
集合A的论域为X，A的元素为x，x属于A的程度由隶属度函数映射为0与n(n为常数，注意隶属度函数中的n仅用于该公式，与螺旋桨转速n无关)之间的某一隶属度μA(x)。
本发明中，输入变量和输出变量分别采用梯形和三角形隶属度函数。
c、确定模数控制规则
①模糊逻辑控制规则要保证以下几点：
②保证船舶航行需求；
③减少LNG发动机的工况变化频次，尽量使其保持高效率运行；
维持蓄电池SOC在期望值附近，以延长蓄电池使用寿命。
d、反模糊化
反模糊化的方法采用重心法，其数学表达式为：
uc为清晰化后输出值；u为模糊值；A(u)为u对应的隶属度函数；Z为u所在论域。
为验证上述LNG-蓄电池混合动力船舶推进系统功率分配方法的效果，本发明设计了仿真实验，仿真试验基于MATLAB/simulink软件，搭建天然气发动机动力系统和混合动力系统，在已设置的需求功率曲线下，从响应时间、耗气量与排放性三个方面进行对比试验。其中发动机额定功率为147KW，额定转速为1500r/min；电机额定功率为40KW，额定转速为1500r/min。
表1为天然气发动机系统与运用该控制策略的混合动力系统响应时间的对比。可以看出运用该控制策略的混合动力系统的响应时间相比于天然气发动机动力系统，从各个功率范围的改变都有降低，响应速度均有提高。
图4为天然气发动机系统与运用该控制策略的混合动力系统排放对比。可以看出运用该控制策略的混合动力系统的排放性能相比于天然气发动机动力系统，从各个排放物成分都有降低，排放性能均有提高。
图5为天然气发动机系统与运用该控制策略的混合动力系统耗气量对比。可以看出运用该控制策略的混合动力系统的耗气量相比于天然气发动机动力系统有所降低。
表1优化前后响应时间对比
综上所述，本发明很好地解决了LNG发动机动力加载的迟滞性问题，显著提高了LNG-蓄电池混合动力船舶推进系统的响应速度和操作性，因而能够更好地适应多变的航行环境。对于减少排放、降低耗气，本发明也取得了较好的效果。

Claims (10)

1.一种LNG-蓄电池混合动力船舶推进系统功率分配方法，适用于包含如下四种工作模式的LNG-蓄电池混合动力船舶推进系统：
工作模式A：螺旋桨所需功率全部由蓄电池提供，推进电动机驱动螺旋桨，LNG发动机停止工作；
工作模式B：螺旋桨所需功率全部由LNG发动机提供，并且LNG发动机多余功率给蓄电池充电；
工作模式C：螺旋桨所需功率全部由LNG发动机提供，蓄电池既不充电也不放电；
工作模式D：螺旋桨所需功率由LNG发动机与蓄电池共同提供，蓄电池放电，LNG发动机与推进电动机同时驱动螺旋桨；
其特征在于：
该功率分配方法包括手动控制模式和自动控制模式两种功率分配模式；
所述手动控制模式由驾驶员根据实时航行环境自由切换船舶工作模式；
所述自动控制模式包括如下步骤：
1)获取当前螺旋桨转速n、蓄电池SOC值以及LNG发动机油门开度α；根据当前螺旋桨转速n和LNG发动机油门开度α，计算螺旋桨负载的需求功率Preq，Preq＝Pe+Pm，其中，Pe为LNG发动机输出功率，Pm为推进电动机输出功率；
2)定义螺旋桨转速N1为螺旋桨转速最低限值，定义螺旋桨转速N2为螺旋桨转速最高限值；定义SOC＝a和SOC＝b分别是蓄电池的充电阈值和放电阈值；
3)在一般水域正常航行时，按照逻辑门限能量管理策略切换工作模式，具体包括：
a、当n≤N1时，系统按工作模式A运行，此时Preq＝Pm；
b、当N1<n<N2时：若SOC＞a，按照工作模式C运行，此时Preq＝Pe；若SOC≤a，系统按工作模式B运行，此时Preq＝Pe+Pm，Preq、Pe为正值，Pm为负值；
c、当n≥N2时，系统按工作模式D运行，此时Preq＝Pe+Pm，Pe、Pm均为正值；
4)针对工作模式D，以Preq和SOC为输入，以Pe为输出，设计模糊控制策略，以辅助逻辑门限控制策略。
2.根据权利要求1所述的LNG-蓄电池混合动力船舶推进系统功率分配方法，其特征在于：所述模糊控制策略具体包括以下步骤：
a)对输入变量需求功率Preq和电池SOC，以及输出变量LNG发动机输出功率Pe分别进行量化及模糊化处理；
b)分别确定Preq、SOC和Pe的隶属度函数；
c)确定模数控制规则；
d)反模糊化，得到优化的LNG发动机输出功率Pe和推进电动机输出功率Pm。
3.根据权利要求2所述的LNG-蓄电池混合动力船舶推进系统功率分配方法，其特征在于：步骤a)中，进行模糊化处理时，选择需求功率Preq、电池SOC和LNG发动机输出功率Pe的论域均为[0，1，……，m]，m为自然数，其取值通过量化因子模块进行系数变换，从而确定论域中m的取值。
4.根据权利要求2所述的LNG-蓄电池混合动力船舶推进系统功率分配方法，其特征在于：步骤a)中，进行模糊化处理时，将需求功率Preq、电池SOC和LNG发动机输出功率Pe分别分为多个模糊子集。
5.根据权利要求2所述的LNG-蓄电池混合动力船舶推进系统功率分配方法，其特征在于：步骤b)中，输入变量、输出变量采用梯形或三角形隶属度函数。
6.根据权利要求2所述的LNG-蓄电池混合动力船舶推进系统功率分配方法，其特征在于：
步骤c)中，模糊逻辑控制规则要保证以下几点：
a)保证船舶航行需求；
b)减少LNG发动机的工况变化频次，尽量使其保持高效率运行；
c)维持蓄电池SOC在期望值附近，以延长蓄电池使用寿命。
7.根据权利要求2所述的LNG-蓄电池混合动力船舶推进系统功率分配方法，其特征在于：步骤d)中，反模糊化采用重心法。
8.根据权利要求1所述的LNG-蓄电池混合动力船舶推进系统功率分配方法，其特征在于：所述手动控制模式包括：
a、船舶在靠离泊期间，需要频繁用车、用舵，对船舶机动性能要求较高，此时按工作模式A运行；
b、在通航环境复杂航段，通航条件不利于船舶航行，对船舶的保速性保向性以及变速性能要求较高，此时按工作模式D运行。
9.根据权利要求1所述的LNG-蓄电池混合动力船舶推进系统功率分配方法，其特征在于：所述充电阈值为a＝80％，放电阈值为b＝30％。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的LNG-蓄电池混合动力船舶推进系统功率分配方法，其特征在于：该方法采用超级电容，为船舶提供较大的起动能量，并有效回收部分制动能量。
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