CN110065613A - 一种基于工况识别的船舶柴电混合动力推进系统规则能量管理控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于工况识别的船舶柴电混合动力推进系统规则能量管理控制方法，通过柴电混合动力推进系统的各部件控制单元系统采集与监测的数据，提取用于工况是别的特征参数，采取基于模糊模式识别模型对航行工况进行识别，确定其归属的标准航行工况；然后再根据柴电混合动力推进系统的各运行工况特点和能量传递特点的分析与研究，建立混合动力推进系统工作模式切换规则图，采用基于规则的能量管理控制策略，完成对柴电混合动力推进系统的各部件控制单元系统工作状态或工作模式的切换，通过上述方法可以实现船舶航行过程中自动选择提供更加经济的运行模式，从而达到了提高了柴油机的工作效率，降低燃油消耗的目的。

Description

一种基于工况识别的船舶柴电混合动力推进系统规则能量管 理控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于工况识别的船舶柴电混合动力推进系统规则能量管理控制方法，属于船舶动力系统能量管理技术领域。

背景技术

随着人们对环境保护的意识逐渐增强，船舶行业也相继提出了“低碳经济”和绿色造船理念。在船舶动力推进系统方面，一方面，对于航运界的运营商而言，提高船舶推进系统运行效率，有助于降低船舶运营成本，提升自身在市场中的竞争力；另一方面，也有利于减少CO₂温室气体的排放以及SO_X和NO_X等有害气体的排放。与传统船舶机械推进系统相比较而言，柴电混合动力推进系统具有结构复杂、运行工况多、能量传递过程复杂以及检测与控制系统复杂等特点。由于环保要求和低噪声振动控制的要求越来越严格，目前船舶柴电混合动力推进系统逐步被广泛应用于现代船舶动力推进系统中，其原因在于柴电混合动力推进系统结构更加紧凑，使得柴电混合船舶动力系统在船舶中占用较小的空间；系统的振动噪声由于传统机械式推进系统；更重要的是其具有的多种运行工况和能量传递方式，可以为船舶航行过程中提供更加经济的运行模式。在船舶航行过程中需要经过不同的航区，需要根据柴电混合动力推进系统较多的运行工况中选取最合理的推进模式，从而使得船舶能耗最低；但是目前对于船舶柴电混合动力推进系统的能量管理仅限于对各部件的能量进行监测与统一调度，而运行工况模式的切换主要是根据航行监测值的需求进行人为操纵切换。

发明内容

本发明的主要目的是解决上述背景技术存在的不足，设计一种基于工况识别的船舶柴电混合动力推进系统规则能量管理控制方法，通过上述方法可以实现船舶航行过程中自动选择提供更加经济的运行模式，从而达到了提高了柴油机的工作效率，降低燃油消耗的目的。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种基于工况识别的船舶柴电混合动力推进系统规则能量管理控制方法，所述柴电混合动力推进系统包括对称分布于船舶机舱左弦/右弦位置上的两组双机及轴带电机推进系统；

每组所述双机及轴带电机推进都包括与齿轮箱的输入端相连的大功率柴油机、轴带电机和小功率柴油机，所述齿轮箱的输出轴通过传动轴安装有可调螺旋桨，所述轴带电机与配电装置相连，所述配电装置与柴油发电机组相连；所述大功率柴油机和齿轮箱的输入轴之间安装有C离合器，所述轴带电机和齿轮箱的输入轴之间安装有A离合器，所述小功率柴油机和齿轮箱的输入轴之间安装有B离合器；

所述轴带电机当作发电机使用时，能够将电能通过配电装置提供给船舶中的辅助电力设备，而轴带电机当作电动机使用时，柴油发电机组提供电能，通过配电装置给轴带电机提供能量；所述柴电混合动力推进系统的能量管理控制方法分为航行工况的模糊模式识别和规则能量管理控制两个阶段。

在航行工况的模糊模式识别阶段包括以下步骤：

Step1：柴电混合动力推进系统的各部件控制单元系统采集与监测的数据，从而提取用于工况识别的输入端的平均转速V_r(r/min)、输入端的平均功率P_r(kW)、离合器合排个数n、加/减速时间百分比η(％)和加速度标准差a_std一共5个特征参数；

Step2：对于船舶航行过程中待识别的n个工况及其对应的5个特征参数，则构成了5xn阶的待识别工况的特征参数值矩阵：

X＝[(x₁₁,x₂₁,x₃₁,x₄₁,x₅₁)^T,(x₁₂,x₂₂,x₃₂,x₄₂,x₅₂)^T…(x_1n,x_2n,x_3n,x_4n,x_5n)^T]；

Step3：对其进行归一化处理后，得到船舶航行过程中待识别工况的相对隶属度矩阵R＝[(r₁₁,r₂₁,r₃₁,r₄₁,r₅₁)^T,(r₁₂,r₂₂,r₃₂,r₄₂,r₅₂)^T…(r_1n,r_2n,r_3n,r_4n,r_5n)^T]；

Step4：将待识别航行工况与标准航行工况对比，来构建船舶待识别的n个工况的模糊识别矩阵U_cxn＝[(u₁₁,u₂₂,…,u_hn)^T,(u₂₁,u₂₂,…,u_2n)^T…(u_h1,u_h2,…,u_hn)^T]；

Step5：基于最优相对隶属度模式识别理论、相对隶属度以及待识别工况对应的权重模糊向量W，则得到各待识别工况最优相对隶属向量，从而可以识别待识别工况归属于对应的标准航行工况。

在规则能量管理控制阶段包括以下步骤：

Step1：根据齿轮箱中A离合器、B离合器和C离合器的合排或脱排组合，从而得到柴电混合动力推进系统的10种运行工况；

Step2：根据柴电混合动力推进系统的各运行工况特点和能量传递特点的分析与研究，建立混合动力推进系统工作模式切换规则图；

Step3：根据工作模式切换规则，制定用于柴电混合动力推进系统能量管理控制规则判断方法，从而根据判断规则对船舶航行工况进行最优化控制。

所述柴电混合动力推进系统的10种运行工况：

柴电混合动力推进系统能量管理控制规则：

表格中各参数的含义：T_req船舶航行需求扭矩；T₁为小功率柴油机输出扭矩；T₂为大功率柴油机输出扭矩；T_1min为小功率柴油机最优油耗对应的最小扭矩；

T_1max为小功率柴油机最优油耗对应的最大扭矩；T_2min为大功率柴油机最优油耗对应的最小扭矩；T_2max为大功率柴油机最优油耗对应的最大扭矩；T_PTO为轴带发电机充电所需扭矩；T_PTI为PTI电动机输出扭矩，即在轴带电机作电动机使用时；T_E-PTI为PTI电动机最大输出扭矩，即在轴带电机作电动机使用时。

本发明有如下有益效果：

1、通过采用本发明的柴电混合动力推进系统的航行工况的模糊模式识别方法，可以快速完成对于航行过程中待识别工况所属的标准航行工况进行识别，为船舶柴电混合动力推进系统的能量管理控制奠定了基础。

2、运用规则的能量管理控制方法对船舶混合动力推进系统能量进行统一管理和分配，以提高船舶燃油经济性和减少CO₂和有害气体的排放。

3、本发明也适用于其它类型混合动力推进系统。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是船舶柴电混合动力推进系统示意图。

图2是基于工况识别的船舶柴电混合动力系规则能量管理控制方法流程图。

图3是混合动力推进系统工作模式切换规则图。

图4是柴电混合动力推进系统的工况识别详细流程图。

图5是柴迪混合动力推进系统能量管理控制规则判断流程图。

其中：齿轮箱1、大功率柴油机2、C离合器3、轴带电机4、A离合器、B离合器6、小功率柴油机7、可调螺旋桨8、传动轴9、配电装置10、柴油发电机组11。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例1：

请参阅图1-5，一种基于工况识别的船舶柴电混合动力推进系统规则能量管理控制方法，所述柴电混合动力推进系统包括对称分布于船舶机舱左弦/右弦位置上的两组双机及轴带电机推进系统；每组所述双机及轴带电机推进都包括与齿轮箱1的输入端相连的大功率柴油机2、轴带电机4和小功率柴油机7，所述齿轮箱1的输出轴通过传动轴9安装有可调螺旋桨8，所述轴带电机4与配电装置10相连，所述配电装置10与柴油发电机组11相连；所述大功率柴油机2和齿轮箱1的输入轴之间安装有C离合器3，所述轴带电机4和齿轮箱1的输入轴之间安装有A离合器5，所述小功率柴油机7和齿轮箱1的输入轴之间安装有B离合器6；

所述轴带电机4当作发电机使用时，能够将电能通过配电装置10提供给船舶中的辅助电力设备，而轴带电机4当作电动机使用时，柴油发电机组11提供电能，通过配电装置4给轴带电机4提供能量；所述柴电混合动力推进系统的能量管理控制方法分为航行工况的模糊模式识别和规则能量管理控制两个阶段。

进一步的，所述柴电混合动力系统一共具有10种运行工况，其运行工况的实现主要是通过2台齿轮箱中A离合器、B离合器和C离合器之间的合排与脱排组合而得到，如表1所示的柴电混合动推进系统运行工况。

表1柴电混合动推进系统运行工况

实施例2：

在航行工况的模糊模式识别阶段包括以下步骤：

Step1：柴电混合动力推进系统的各部件控制单元系统采集与监测的数据，从而提取用于工况识别的输入端的平均转速V_r(r/min)、输入端的平均功率P_r(kW)、离合器合排个数n、加/减速时间百分比η(％)和加速度标准差a_std一共5个特征参数；

Step2：对于船舶航行过程中待识别的n个工况及其对应的5个特征参数，则构成了5xn阶的待识别工况的特征参数值矩阵：

X＝[(x₁₁,x₂₁,x₃₁,x₄₁,x₅₁)^T,(x₁₂,x₂₂,x₃₂,x₄₂,x₅₂)^T…(x_1n,x_2n,x_3n,x_4n,x_5n)^T]；

Step3：对其进行归一化处理后，得到船舶航行过程中待识别工况的相对隶属度矩阵R＝[(r₁₁,r₂₁,r₃₁,r₄₁,r₅₁)^T,(r₁₂,r₂₂,r₃₂,r₄₂,r₅₂)^T…(r_1n,r_2n,r_3n,r_4n,r_5n)^T]；

Step4：将待识别航行工况与标准航行工况对比，来构建船舶待识别的n个工况的模糊识别矩阵U_cxn＝[(u₁₁,u₂₂,…,u_hn)^T,(u₂₁,u₂₂,…,u_2n)^T…(u_h1,u_h2,…,u_hn)^T]；

Step5：基于最优相对隶属度模式识别理论、相对隶属度以及待识别工况对应的权重模糊向量W，则得到各待识别工况最优相对隶属向量，从而可以识别待识别工况归属于对应的标准航行工况。

实施例3：

在规则能量管理控制阶段包括以下步骤：

Step1：根据齿轮箱1中A离合器5、B离合器6和C离合器3的合排或脱排组合，从而得到柴电混合动力推进系统的10种运行工况如表1所示；

Step2：根据表1所示的柴电混合动推进系统运行工况建立柴电混合动力推进系统工作模式切换规则图，如图3所示；

Step3：根据工作模式切换规则，设计逻辑规则对该船舶混合动力推进系统的工作模式进行判断与选择，可以控制柴油机、轴带发电机等的转矩的合理分配，从而达到对混合动力推进系统的能量进行合理分配目的，其柴电混合动力推进系统的能量控制规则如表2所示。

表2在航行过程中船舶混合动力推进系统的能量控制规则

表格中各参数的含义：T_req船舶航行需求扭矩；T₁为小功率柴油机输出扭矩；T₂为大功率柴油机输出扭矩；T_1min为小功率柴油机最优油耗对应的最小扭矩；T_1max为小功率柴油机最优油耗对应的最大扭矩；T_2min为大功率柴油机最优油耗对应的最小扭矩；T_2max为大功率柴油机最优油耗对应的最大扭矩；T_PTO为轴带发电机充电所需扭矩；T_PTI为PTI电动机输出扭矩，即在轴带电机作电动机使用时；T_E-PTI为PTI电动机最大输出扭矩，即在轴带电机作电动机使用时。

Claims (5)

1.一种基于工况识别的船舶柴电混合动力推进系统规则能量管理控制方法，所述柴电混合动力推进系统包括对称分布于船舶机舱左弦/右弦位置上的两组双机及轴带电机推进系统；

每组所述双机及轴带电机推进都包括与齿轮箱(1)的输入端相连的大功率柴油机(2)、轴带电机(4)和小功率柴油机(7)，所述齿轮箱(1)的输出轴通过传动轴(9)安装有可调螺旋桨(8)，所述轴带电机(4)与配电装置(10)相连，所述配电装置(10)与柴油发电机组(11)相连；所述大功率柴油机(2)和齿轮箱(1)的输入轴之间安装有C离合器(3)，所述轴带电机(4)和齿轮箱(1)的输入轴之间安装有A离合器(5)，所述小功率柴油机(7)和齿轮箱(1)的输入轴之间安装有B离合器(6)；

其特征在于：所述轴带电机(4)当作发电机使用时，能够将电能通过配电装置(10)提供给船舶中的辅助电力设备，而轴带电机(4)当作电动机使用时，柴油发电机组(11)提供电能，通过配电装置(4)给轴带电机(4)提供能量；所述柴电混合动力推进系统的能量管理控制方法分为航行工况的模糊模式识别和规则能量管理控制两个阶段。

2.根据权利要求1所述的一种基于工况识别的船舶柴电混合动力推进系统规则能量管理控制方法，其特征在于，在航行工况的模糊模式识别阶段包括以下步骤：

Step1：柴电混合动力推进系统的各部件控制单元系统采集与监测的数据，从而提取用于工况识别的输入端的平均转速V_r(r/min)、输入端的平均功率P_r(kW)、离合器合排个数n、加/减速时间百分比η(％)和加速度标准差a_std一共5个特征参数；

Step2：对于船舶航行过程中待识别的n个工况及其对应的5个特征参数，则构成了5xn阶的待识别工况的特征参数值矩阵：

X＝[(x₁₁,x₂₁,x₃₁,x₄₁,x₅₁)^T,(x₁₂,x₂₂,x₃₂,x₄₂,x₅₂)^T…(x_1n,x_2n,x_3n,x_4n,x_5n)^T]；

Step3：对其进行归一化处理后，得到船舶航行过程中待识别工况的相对隶属度矩阵R＝[(r₁₁,r₂₁,r₃₁,r₄₁,r₅₁)^T,(r₁₂,r₂₂,r₃₂,r₄₂,r₅₂)^T…(r_1n,r_2n,r_3n,r_4n,r_5n)^T]；

Step4：将待识别航行工况与标准航行工况对比，来构建船舶待识别的n个工况的模糊识别矩阵U_cxn＝[(u₁₁,u₂₂,…,u_hn)^T,(u₂₁,u₂₂,…,u_2n)^T…(u_h1,u_h2,…,u_hn)^T]；

Step5：基于最优相对隶属度模式识别理论、相对隶属度以及待识别工况对应的权重模糊向量W，则得到各待识别工况最优相对隶属向量，从而可以识别待识别工况归属于对应的标准航行工况。

3.根据权利要求1所述的一种基于工况识别的船舶柴电混合动力推进系统规则能量管理控制方法，其特征在于，在规则能量管理控制阶段包括以下步骤：

Step1：根据齿轮箱(1)中A离合器(5)、B离合器(6)和C离合器(3)的合排或脱排组合，从而得到柴电混合动力推进系统的10种运行工况；

Step2：根据柴电混合动力推进系统的各运行工况特点和能量传递特点的分析与研究，建立混合动力推进系统工作模式切换规则图；

Step3：根据工作模式切换规则，制定用于柴电混合动力推进系统能量管理控制规则判断方法，从而根据判断规则对船舶航行工况进行最优化控制。

4.根据权利要求3所述的一种基于工况识别的船舶柴电混合动力推进系统规则能量管理控制方法，其特征在于，所述柴电混合动力推进系统的10种运行工况：

5.根据权利要求3所述的一种基于工况识别的船舶柴电混合动力推进系统规则能量管理控制方法，其特征在于，柴电混合动力推进系统能量管理控制规则：

表格中各参数的含义：T_req船舶航行需求扭矩；T₁为小功率柴油机输出扭矩；T₂为大功率柴油机输出扭矩；T_1min为小功率柴油机最优油耗对应的最小扭矩；T_1max为小功率柴油机最优油耗对应的最大扭矩；T_2min为大功率柴油机最优油耗对应的最小扭矩；T_2max为大功率柴油机最优油耗对应的最大扭矩；T_PTO为轴带发电机充电所需扭矩；T_PTI为PTI电动机输出扭矩，即在轴带电机作电动机使用时；T_E-PTI为PTI电动机最大输出扭矩，即在轴带电机作电动机使用时。