CN110457859B - 混合电力船舶推进系统的优化控制方法 - Google Patents

混合电力船舶推进系统的优化控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种混合电力船舶推进系统的优化控制方法，包括：设置柴油机发电机组油耗曲线系数、负载功率和锂电池组参数；根据负载功率计算负载功率的等效电阻；根据锂电池组的荷电状态确定锂电池组的充电/放电时间；根据锂电池组的充电时间和放电时间计算锂电池组的工作系数；采用粒子群算法计算柴油发电机组最优油耗值；根据油耗曲线系数、负载功率、锂电池组参数、负载功率的等效电阻、锂电池组的工作系数以及最优油耗值计算柴油发电机组最优输出功率、储能单元最优分配系数；根据最优输出功率和最优分配系数对混合电力船舶推进系统进行优化。本发明可以有效的节省柴油机发电机组的燃料，提高了工作效率。

Description

混合电力船舶推进系统的优化控制方法
技术领域
本发明涉及船舶动力技术领域，尤其涉及一种混合电力船舶推进系统的优化控制方法。
背景技术
随着电力电子器件制造技术的高速发展，电力推进被广泛的应用在船舶推进系统中。采用电力推进的船舶一般选择多台中速柴油机作为动力源，具有较为理想的操纵性，而且降低了船舶振动和噪声，已经被广泛的应用到诸如渡船、海洋支持传、海洋石油钻井平台之中。电池作为高效的储能设备，目前已被广泛的应用于汽车，航空等领域，且结合了电池组的混合动力汽车也日益被更多的人关注。传统的电力推进船舶若能设计成混合电力推进形式，则能够在节能和排放上的更具优势，且能够适应更多的工作环境。
船舶能量管理系统(PMS：power management system)是船舶航行过程中，对发电机组、负载变化、储能系统的状态进行检测和控制，以保证船舶的安全，高效运行的系统。所以，制定合理的能量管理策略，可以确保船舶运行的安全性和可靠性，并能够提高混合电力推进船舶的能效，减少燃料消耗，达到节能减排的目的。
混合电力推进船舶的目的是在传统电力推进船舶的基础上，进一步的提高船舶能效，通过加入电池组和超级电容等储能元件，与柴油发动机组之间配合，使柴油机尽量在高效率下工作，使排放的有害气体更少，燃油消耗率更低，达到节能减排的目的。
现有技术的混合动力的系统，储能设备和柴油发电机组之间的能效的利用率过低。
发明内容
本发明提供一种混合电力船舶推进系统的优化控制方法，以克服上述技术问题。
本发明混合电力船舶推进系统的优化控制方法，包括：
设置柴油机发电机组油耗曲线系数、负载功率和锂电池组参数，所述锂电池组参数包括：锂电池组内阻、DC/DC双向变换器的等效电阻、DC/DC双向变换器两端电压；
根据所述负载功率计算所述负载功率的等效电阻；
根据锂电池组的荷电状态确定锂电池组的充电/放电时间；
根据所述锂电池组的充电时间和放电时间计算所述锂电池组的工作系数；
采用粒子群算法计算柴油发电机组最优油耗值；
根据所述油耗曲线系数、所述负载功率、所述锂电池组参数、所述负载功率的等效电阻、所述锂电池组的工作系数以及所述最优油耗值计算柴油发电机组最优输出功率、储能单元最优分配系数；
根据所述最优输出功率和最优分配系数对混合电力船舶推进系统进行优化。
进一步地，所述根据锂电池组的荷电状态确定锂电池组的充电/放电时间，包括：
判断锂电池组的荷电状态是否小于第一阈值，若是，则开启柴油发电机通过DC/DC双向变换器向锂电池组充电，并记录所述锂电池组的充电时间，若否，则判断所述锂电池组的荷电状态是否大于第二阈值，若大于，则通过DC/DC双向变换器将锂电池组接入电网与柴油机发电机组共同供电，并记录所述锂电池组的放电时间。
进一步地，所述根据所述油耗曲线系数、所述负载功率、所述锂电池组参数、所述负载功率的等效电阻、所述锂电池组的工作系数以及所述最优油耗值计算柴油发电机组最优输出功率、储能单元最优分配系数，包括：
采用公式
Figure GDA0002998197250000031
计算柴油发电机组最优输出功率、储能单元最优分配系数，其中，αn为最优分配系数，SFC(t)为柴油发电机组最优油耗值，C0为油耗曲线系数，Ds为锂电池组的工作系数，ɑ为油耗曲线系数；PLa为负载功率的平均值，Rb为电池组内阻，Rbid为DC/DC双向变换器的等效电阻；
Figure GDA0002998197250000032
为DC/DC双向变换器两端电压的平方；Psa,n+1为n+1台柴油发电机组发出的最优功率，
Figure GDA0002998197250000033
为负载功率的波动等效电阻的平方。
进一步地，所述根据所述最优输出功率和最优分配系数对混合电力船舶推进系统进行优化，包括：
若最优分配系数等于1时，则不用锂电池组，负载需求功率完全由发电机组提供；
若最优分配系数不小于0且小于1时，发电机组和锂电池组共同工作；
若最优分配系数等于0时，负载波动完全由锂电池组提供，发电机组恒功率运行。
进一步地，所述第一阈值为30％，所述第二阈值为90％。
本发明实现了船舶混合电力系统满足了船舶航行功率负载需求的同时，又能合理的对储能设备和柴油发电机组之间的功率分配，降低了柴油发电机组的油耗，减少了有害气体的排放。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明混合电力船舶推进系统的优化控制方法流程图；
图2是现有技术混合动力船舶结构图；
图3是现有技术柴油机油耗率与负荷关系图；
图4是现有技术DC/DC变换器拓扑结构；
图5是现有技术船舶柴油机组油耗率曲线；
图6是本发明优化策略示意图；
图7是本发明控制策略流程图；
图8是本发明n台柴油机燃油消耗三维图；
图9是本发明n+1台柴油机燃油消耗三维图；
图10是现有技术运输航行工况下负载功率曲线；
图11是本发明引入锂电池组与控制策略的仿真结果；
图12是本发明与现有技术燃油消耗率对比图；
图13是本发明与现有技术燃油消耗总量对比图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是本发明混合电力船舶推进系统的优化控制方法流程图，如图1所示，本实施例的方法可以包括：
步骤101、设置柴油机发电机组油耗曲线系数、负载功率和锂电池组参数，所述锂电池组参数包括：锂电池组内阻、DC/DC双向变换器的等效电阻、DC/DC双向变换器两端电压；
步骤102、根据所述负载功率计算所述负载功率的等效电阻；
步骤103、根据锂电池组的荷电状态确定锂电池组的充电/放电时间；
具体而言，采集锂电池组的开路电流i(t)；Q为最大电池容量；SOCini为锂电池初始荷电量，该些参量从电池出厂说明书和用电流表直接读出，根据该些参数锂电池组的荷电状态通过为已知量。
电力推进船舶的主要动力源通常是由船用柴油机驱动的同步发电机组。船用柴油机的燃料通常为柴油或重燃料油。传统的电力推进船舶一般采用交流组网技术，交流组网的船舶中，所有的发电机组必须以固定频率同步工作，以保证船舶电网的稳定性和安全性。但在船舶直流组网下，则可以避免这个问题。由于各台柴油机可以在直流组网下独立工作，不需要频率和电压的配合，因此，相比于传统的交流组网技术，直流组网更便于各机组之间的配合，使各船用柴油机工作在最佳转速下。船用柴油机的油耗率和负荷之间的关系趋势都非常相近，如图3所示，是现有技术某型号柴油机的油耗率(SFC：Special FuelConsumption)和其同步发电机负荷的关系图，可以看出其最佳油耗率在50％到60％之间，此最佳油耗区间和柴油机型号直接相关，若柴油机在其他负荷区间工作，就会产生多余的能量损失。
柴油机发电机组的每小时油耗率曲线可以用公式(2)中的二次函数拟合
C1＝C0+ɑ×Pm+b×Pm2 (2)
其中，Pm是柴油机的机械功率，C0、ɑ和b是拟合公式中二次多项式的系数。本实施例以某300KW柴油机为例，表1为300KW柴油机油耗率的参数表。具体参数如表1所示：
表1
参数 C<sub>0</sub>(g/h) ɑ(g/Wh) b(g/h)
数值 8561 114.6 0.201
在混合电力推进船舶中，船舶储能模块分别由锂电池组和超级电容组成。锂电池能量密度大，适合完成对发电机组冗余功率的存储。但锂电池工作时受电化学反应速率的限制，当负载功率突变时，不能快速响应功率变化，即锂电池的动态响应能力差。超级电容工作时，由于内部发生的是物理变化，对负载功率的变化能快速响应，可以迅速提供较大功率，补充到电网中去，为其他供电设备提供缓冲。但超级电容能量密度低，无法高效的存储能量。所以，根据两者相辅相成的工作特点，混合电力推进系统的储能模块由锂电池组和超级电容共同组成。
如图2所示，将储能设备接入直流电网，可以提高船舶的续航能力，并且通过设计优化控制策略，有效的降低油耗，达到提高船舶能效的目的。将锂电池组等直流储能设备接入船舶电网，需要DC/DC变换器，又称直流斩波器，一个基本的DC/DC变换器结构如图4所示。DC/DC变换器的作用是将船舶上的直流电源，如锂电池组、超级电容等，变为可调控的直流电源，通过PWM信号对DC/DC变换器的控制达到开关的效果，并能完成对直流电源充放电控制。为了便于研究在充放电过程中，整个推进系统的功率损耗，对DC/DC变换器的功率损耗进行分析，DC/DC变换器的功率损耗主要包括晶体管的导通和开关损耗，二极管的导通损耗以及电感元件和电容元件的电阻损耗。DC/DC变换器的工作模式分为在升压变换器模式(Boost)和降压变换器模式(Buck)，在此两种工作模式下，DC/DC变换器的工作效率几乎相同，由于主要的研究对象在于对混合动力系统的控制策略的优化，所以两种模式下DC/DC变换器的功率损耗可以简化以等效电阻建立模型，开关损耗和电容、电感等期间的损耗可以忽略不计，建立如公式(3)所示的数学模型：
Figure GDA0002998197250000081
其中，Rbid是DC/DC的等效电阻，Vbid为变换器两端电压，当变换器分别为boost/buck模式时，Vbid分别为高压侧电压Vbid,h和低压侧的电压Vbid,l。
锂电池组的功率损耗(7)可以用和公式(4)一样的方法推导得出，
Figure GDA0002998197250000082
由系统结构图可以得到锂电池组和DC/DC变换器在同一支路，即Ib＝Ibid，且忽略锂电池组上的压降，可以将公式(4)和(3)整理得到锂电池组和DC/DC变换器所在支路的整体功率损耗，如公式(6)所示，
Figure GDA0002998197250000083
在整个混合电力系统中，功率平衡关系如图3所示，在充电和放电模式下，具体公式分别为(7)、(8)所示。
充电模式：Ps＝PL+Pbid+Pb (7)
放电模式：Ps+Pb＝PL+Pbid (8)
所以，包含了锂电池组和DC/DC变换器的储能模块整体损耗如公式(9)
充电模式:
Figure GDA0002998197250000091
放电模式:
Figure GDA0002998197250000092
步骤104、根据所述锂电池组的充电时间和放电时间计算所述锂电池组的工作系数；
具体而言，其中Ds为锂电池组的工作系数，即锂电池组的一个充放电周期中，充电时长占充放电总时长的比值，即：
Figure GDA0002998197250000093
且
Ds+D’S＝1
Figure GDA0002998197250000094
其中，C0，n+1、C0，n、α、bn、bn+1分别为柴油机开启台数为n和n+1时的油耗曲线的各项系数，PLa为负载功率的平均值。Psa,n，Psa,n+1分别为在开启n台和n+1台柴油机时的平均功率，αn，αn+1分别为在开启n台和n+1台柴油机时的储能单元分配系数。
步骤105、采用粒子群算法计算柴油发电机组最优油耗值；
具体而言，在研究混合电力推进系统的控制策略时，对锂电池组的外特性表现精准程度需求较低，假定其在规定荷电状态(SOC：State Of Charge)区间工作时，电阻不受温度影响，呈线性变化。所以对锂电池组建立等效电阻模型，锂电池组的端电压Vb计算公式由公式(11)表示，SOC值计算由公式(12)推导所得：
Figure GDA0002998197250000101
Figure GDA0002998197250000102
其中，Rb为锂电池组内阻；V0为锂电池组两端开路电压；i(t)为锂电池组的开路电流；K为极化电阻；Q为最大电池容量；A为电池电压指数；B为电池容量指数；SOCini为锂电池初始荷电量。
步骤106、根据所述油耗曲线系数、所述负载功率、所述锂电池组参数、所述负载功率的等效电阻、所述锂电池组的工作系数以及所述最优油耗值计算柴油发电机组最优输出功率、储能单元最优分配系数；
具体而言，船舶在海上航行时，海况随时会发生变化，因此船舶动力单元就需要时刻调整发力，保证正常的海上航行。在混合电力船舶中，发电机单元就需要根据海况的不同而调整发电机组的功率或启停发电机组的数量，由于在混合电力推进船舶中，引入了储能设备与柴油发电机组配合工作，为了使柴油机的油耗能够有效降低，船舶能够高效航行，可以根据海况和船舶动力系统各设备的状态，合理的对船舶负载功率进行分配。
本申请以储能设备中锂电池组的荷电状态为参考对象，控制对象为船舶柴油发电机组的功率和锂电池组的充放电功率，目标是船舶混合电力系统既要满足船舶航行功率负载的需求，又能合理的对储能设备和柴油发电机组进行功率分配，使柴油发电机组的油耗降低，有害排放减少。
首先对船舶柴油机的油耗曲线进行分析，如图5所示，n表示有“n”台柴油发电机，在设计控制策略中，认为所有柴油机都能被控制在最佳转速。如图5所示曲线可以分析得出，若一组相同型号的柴油机同时工作，不论在哪个负载功率下，都能确定需要的发电机的数量，但具体的工作功率，需要根据所设计的控制策略进行计算得出。
在船舶实际航行中，由于海况的多变性，船舶负载具有一定波动，甚至有很多瞬变大功率，致使船舶电网的电压也会随着波动，增加了储能装置后，负载功率的变化可以由锂电池组提供。也可以通过发电机组的启停和对锂电池组的充放电，将能量储存在锂电池之中。本发明的方法可以发挥出储能设备的优势，有效降低燃料消耗。
如图6所示，船舶负载功率PL(t)分为负载平均值PLa和负载波动值柴油发电机组发出的功率为Ps(t)，其平均值为Psa。α为储能单元的功率分配系数，其定义如公式(13)
Figure GDA0002998197250000111
柴油发电机组和锂电池组的控制策略的过程为：假设在某一时刻，船舶在点A的负载功率下工作，若此时检测到锂电池组的荷电状态(SOC:State of Charge)在90％以上，即锂电池此时电量充足，可以和柴油发电机组共同工作，为船舶负载提供能量，则控制DC/DC变换器将锂电池组调整为放电模式，将锂电池中的能量送入直流电网，使柴油发电机组的发出功率从PLa降低到Psa,n，即从工作点A向左移至B’，从纵坐标的SFC值可以看出，柴油发电机组的燃油消耗率得到降低。若此时检测到锂电池组的SOC值低于30％，则认为其无法协助柴油发电机组共同为船舶负载提供能量，且需要对电池组充电，此时启动一台柴油发电机，需要注意的是，此时的船舶负载为船舶原本的负载与锂电池充电功率之和。通过优化计算，以柴油发电机组的工作点在燃油消耗率的最佳值附近为约束，确定n+1台柴油发电机组的工作点在B点附近。如图7所示，Soc_flag标识位设置防止判断进入死循环。进一步度所述根据锂电池组的荷电状态确定锂电池组的充电/放电时间，包括：
判断锂电池组的荷电状态是否小于第一阈值，若是，则开启柴油发电机通过DC/DC双向变换器向锂电池组充电，并记录所述锂电池组的充电时间，若否，则判断所述锂电池组的荷电状态是否大于第二阈值，若大于，则通过DC/DC双向变换器将锂电池组接入电网与柴油机发电机组共同供电，并记录所述锂电池组的放电时间。本实施例第一阈值为30％，第二阈值为90％。该第一阈值和第二阈值可以保证电池组不会被过充和过放，在此区间的电池组的寿命更长。
根据公式(1)，由于引入了控制策略之后，某一确定负载下的柴油发电机组的功率依据锂电池组的荷电状态被分为充电环节和放电环节，可以得到，
Figure GDA0002998197250000131
可以将(15)式通过数学变换转换为：
Figure GDA0002998197250000132
假设仿真计算的总时间为T，为了方便计算负载波动，将其定义如下：
Figure GDA0002998197250000133
由控制策略的分析可得，当船舶储能装置满足辅助柴油发电机组的条件时，此时工作的发电机组数为n，柴油发电机组油耗SFC和柴油发电机组平均功率Psa,n与储能单元分配系数αn的关系如图8所示，因为此时不再需要另外开启一台柴油发电机，故此时公式(13)中的Psa,n+1和αn+1视为常数。通过粒子群算法计算，可以快速搜索到油耗的最小值SFCmin和其对应的Psa,n与αn。依据同样的办法，可以得到船舶储能装置不满足辅助柴油发电机组工作时的情况，如图9所示，并求得此时油耗最小值SFCmin，n+1和其对应的Psa,n+1与αn+1。
步骤107、根据所述最优输出功率和最优分配系数对混合电力船舶推进系统进行优化。
进一步地，所述根据所述最优输出功率和最优分配系数对混合电力船舶推进系统进行优化，包括：
若最优分配系数等于1时，则不用锂电池组，负载需求功率完全由发电机组提供；
若最优分配系数不小于0且小于1时，发电机组和锂电池组共同工作；
若最优分配系数等于0时，负载波动完全由锂电池组提供，发电机组恒功率运行。
本申请通过Matlab仿真软件进行混合电力推进船舶的优化控制策略的实现和结果的验证。由于混合电力推进船舶多作业于短途的往返运输中，所以针对这种工况进行仿真验证。某海洋石油平台支持船的运输航行工况下的负载功率曲线如图10所示。
图11为引入混合电力推进的控制策略后的仿真结果，从中可以看到，随着对锂电池组的充放电，锂电池的荷电状态在设置的区间内变化，且根据控制策略，对电池组充电时需要额外开启一台柴油机，电池组放电时，和柴油发电机组共同为负载提供能量。在仿真过程中，每一个工况点都按照第四节中的算法搜索计算，最终得到图11中柴油发电机功率和时间的关系图。
在对运输航行的仿真过程中，燃油消耗率在200g/kWh附近，比不引入锂电池组和控制策略有所降低。如图12所示，为燃油消耗率在引入锂电池组和控制策略前后的对比。在时长为五个小时的仿真中，节省的总油耗为119.37kg，即能够节省约3％的燃料，油耗对比图如图13所示。
本文通过将对船舶柴油机发电机，锂电池组和DC/DC变换器的功率损耗进行建模和分析，通过柴油发电机组和锂电池组的配合，可以有效的节省燃料，提高了工作效率。可以在某海洋平台的近海支持船舶的航行运输工况下，节省约3％的燃料消耗。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种混合电力船舶推进系统的优化控制方法，其特征在于，包括：
设置柴油机发电机组油耗曲线系数、负载功率和锂电池组参数，所述锂电池组参数包括：锂电池组内阻、DC/DC双向变换器的等效电阻、DC/DC双向变换器两端电压；
根据所述负载功率计算所述负载功率的等效电阻；
根据锂电池组的荷电状态确定锂电池组的充电/放电时间；
根据所述锂电池组的充电时间和放电时间计算所述锂电池组的工作系数；
采用粒子群算法计算柴油发电机组最优油耗值；
根据所述油耗曲线系数、所述负载功率、所述锂电池组参数、所述负载功率的等效电阻、所述锂电池组的工作系数以及所述最优油耗值计算柴油发电机组最优输出功率、储能单元最优分配系数；
根据所述最优输出功率和最优分配系数对混合电力船舶推进系统进行优化。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据锂电池组的荷电状态确定锂电池组的充电/放电时间，包括：
判断锂电池组的荷电状态是否小于第一阈值，若是，则开启柴油发电机通过DC/DC双向变换器向锂电池组充电，并记录所述锂电池组的充电时间，若否，则判断所述锂电池组的荷电状态是否大于第二阈值，若大于，则通过DC/DC双向变换器将锂电池组接入电网与柴油机发电机组共同供电，并记录所述锂电池组的放电时间。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述根据所述油耗曲线系数、所述负载功率、所述锂电池组参数、所述负载功率的等效电阻、所述锂电池组的工作系数以及所述最优油耗值计算柴油发电机组最优输出功率、储能单元最优分配系数，包括：
采用公式
Figure FDA0002998197240000021
计算柴油发电机组最优输出功率、储能单元最优分配系数，其中，αn为最优分配系数，SFC(t)为柴油发电机组最优油耗值，C0为油耗曲线系数，Ds为锂电池组的工作系数，ɑ为油耗曲线系数；PLa为负载功率的平均值，Rb为电池组内阻，Rbid为DC/DC双向变换器的等效电阻；
Figure FDA0002998197240000022
为DC/DC双向变换器两端电压的平方；Psa,n+1为n+1台柴油发电机组发出的最优功率，
Figure FDA0002998197240000023
为负载功率的波动等效电阻的平方；
C0,n、C0,n+1为柴油机开启台数为n和n+1台时油耗，单位g/h；
αn+1为在开启n+1台柴油机时的储能单元分配系数；
Psa,n为在开启n台柴油机时的平均功率，单位kW
bn、bn+1分别为柴油机开启台数为n和n+1时进行拟合公式计算时的系数。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述最优输出功率和最优分配系数对混合电力船舶推进系统进行优化，包括：
若最优分配系数等于1时，则锂电池组不工作，负载需求功率完全由发电机组提供；
若最优分配系数不小于0且小于1时，发电机组和锂电池组共同工作；
若最优分配系数等于0时，负载波动完全由锂电池组提供，发电机组恒功率运行。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一阈值为30％，所述第二阈值为90％。
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