混合动力船舶电力推进试验平台设计

高迪驹, 黄晓刚， 孙彦琰, 黄细霞

(1. 上海海事大学 航运技术与控制工程交通行业重点实验室， 上海 201306; 2. 衢州学院 电气与信息工程学院， 浙江 衢州 324000)

混合动力船舶电力推进试验平台设计

高迪驹1, 黄晓刚2， 孙彦琰1, 黄细霞1

(1. 上海海事大学 航运技术与控制工程交通行业重点实验室， 上海 201306; 2. 衢州学院 电气与信息工程学院， 浙江 衢州 324000)

为满足混合动力船舶电力推进系统的开发与试验需求，搭建集柴电机组、锂电池组、光伏电池混合动力系统以及测功机控制器于一体的试验平台，给出试验平台的架构及其功能特点，提出一种混合动力能量管理控制策略。试验结果证明，该平台可以很好地满足船舶混合电力推进系统开发的试验研究需求，为在实验室环境下验证混合动力船舶电力推进系统的动力装置配置、结构优化和控制策略提供一个可靠、有效的测试平台。

船舶工程； 混合动力； 船舶电力推进； 能量管理

随着世界经济的持续发展，海洋污染已成为当今威胁人类生存环境的问题之一, 其中船舶污染在海洋环境污染中占有相当大的比例。[1]船舶混合动力技术是一种新型船舶技术，是船舶发展的新方向，能有效地缓解能源、环境问题。[2-3]混合动力船舶推进系统能利用柴-电发电、风能、太阳能及蓄电池的储能，以节约燃油、降低营运成本，是极具发展前景的船舶能源综合优化利用系统，也是船舶节能减排领域的研究热点。[4-5]

目前，混合动力船舶主要有燃料电池/柴油混合动力船、超级电容/柴油混合动力船、LNG/柴油混合动力船、风翼/柴油机混合动力船以及储能电池/柴电机组混合动力船等几种类型。[6-10]2000年，世界上第一艘商用太阳能/风能混合动力的“SOLAR SAZLOR”号双体客船在澳大利亚悉尼水域成功试航，该船的主要电源由两组动力电池组成，可驱动40 kW的推进电机，最大航速为6 kn；2003年4月，第一艘装有燃料电池和柴-电混合动力系统的潜艇在德国基尔港首次试航，其利用燃料电池推进，最高航速可达8 kn；2010年，上海世博会上亮相了中国第一艘混合动力船-“尚德国盛”号游船，该船将太阳能和柴油机组作为混合动力，航速约为15 kn。[11-12]在这些船舶的混合动力系统的开发过程中，实验室测试与仿真研究是重要的开发手段。试验平台可以测定系统部件的特性，通过仿真优化设计系统控制策略；可在试验平台上进行验证，以对发现的问题进行修改。

国内外已有相关专家、学者对船舶电力推进系统的试验平台进行研究。其中，大连海事大学等机构的研究者通过MATLAB/Simulink实现了电力推进系统的建模与仿真，主要对象是推进系统与螺旋桨负载[13-14]；文献[15]以三维实景的方式搭建了电力推进系统试验平台；上海海事大学的研究者以物理模型与仿真模型相结合的方式设计了电力推进仿真系统，推进电机使用了永磁同步电机[16]；武汉理工大学的研究者搭建了基于“双逆变器-电机”能量互馈式的电力推进试验平台，并对推进特性进行了仿真分析[17]。上述文献搭建的各种试验平台针对的是以柴油发电机组为单一能源的船舶电力推进系统，而多种能源混合的船舶电力推进系统的试验平台很少有文献提及。

混合动力船舶电力推进系统与传统的柴电电力推进系统有很大的区别，其最核心的内容是多能源混合能量管理与控制策略。文章针对混合动力船舶电力推进系统的特点，设计一个集柴电机组、磷酸铁锂动力电池组、光伏电池混合动力船舶电力推进系统和电力测功机于一体的试验平台。通过分析船舶混合动力系统测试与加载模拟的需求，给出相应的多能源混合的能量管理控制策略。

1 试验平台结构

1.1试验平台需求分析

混合动力船舶电力推进试验平台作为一个半实物仿真实验系统，不仅配备有推进控制系统，而且还配置了电力测功机，具有以下功能：

1) 可通过试验平台的搭建，验证多能源混合动力系统在船舶上应用的可行性，包括系统动力装置配置、结构优化与参数匹配。

2) 可通过混合动力电力推进系统动态控制实验，验证混合动力船舶操纵控制技术、能量管理等控制策略。

3) 可利用试验平台获得一种以能耗少、排放少、续航能力大为综合指标的混合动力船舶电力推进系统的设计方案。

1.2试验平台结构设计

为实现上述功能，搭建混合动力船舶电力推进系统试验平台(见图1)。系统动力源包括柴油发电机组、磷酸铁锂动力电池组(简称锂电池组)和太阳能光伏电池组，其中太阳能光伏电池直接给锂电池组充电；柴油发电机组通过AC/DC不可控整流装置将交流整流成直流;同时,锂电池组通过双向DC/DC变换器接入直流母线(直流母线电压为500 V),再通过DC/AC逆变器将直流逆变为380 V交流电，供给电力推进控制装置(该装置由操纵台、推进控制器和推进电机组成)。该平台将可回馈变频器和交流电机作为电力测功机来模拟螺旋桨负载。

图1 试验平台结构

该试验平台是一种串联式混合动力系统，其实验室装配布置见图2。系统的特点有：

1) 具有很强的开放性。其以网络化、模块化、标准化、通用化来构建，有助于系统的快速构建、快速调试，增强试验、研究的灵活性。

2) 负载给定方便。以变频器和交流电机组作为负载系统，除可以模拟螺旋桨负载外，还可以给定港航领域的常用负载，如起重机、卷钢机等。

3) 控制灵活，容易实现。试验平台由PLC控制器实现控制，使系统可靠、灵活、控制方法简单。

图2 试验平台布置

2 试验平台能量管理控制策略

混合动力系统具有结构复杂、非线性电力电子设备使用广泛的特点。[18]多能源的混合接入会对船舶动力系统产生各种瞬间干扰，影响船舶的航行安全。选择一种合理、最优的控制策略能提高船舶的安全性和稳定性。[19]因此，混合动力船舶电力推进系统的关键技术是能量管理策略。

由于试验平台中配备了两种能量，因此可以分为两种工作模式。

工作模式1：柴电机组作主动力源，锂电池等其余能源作辅助动力源，见图3(a)。系统中，柴电机组始终在最佳效率的工作状态下运行，输出额定功率。当船舶需求能量(区域0y1at0)小于柴电机组提供的能量(区域0yat0)时，图中A区为柴电机组的剩余可用能量，此时，柴电机组可向锂电池储能装置充电，回收多余能量；当船舶需求能量(区域t0ambt1)大于柴电机组提供的能量(区域abt2t1)时，B区为系统还欠缺的能量，在此情况下，通过锂电池放电来补充系统能量，其中区域t0ambt1为混合供电区。

工作模式2：锂电池作主动力源，柴电机组等其余能源作辅助动力源，见图3(b)。根据锂电池工作特点，在其荷电状态(State of Charge，SOC)下能满足系统功率的需求时，由锂电池提供全部能量(区域0y1mbt0)，当SOC下降到一定程度后，就需要起动柴电机组来满足系统功率需求。从a点开始起动柴电机组，此时又回到工作模式1，直到锂电池SOC能单独满足船舶功率需求时再使柴电机组停止工作。

(a)柴电机组作主动力源功率分析曲线(b)锂电池作主动力源功率分析曲线

图3 混合动力船舶电力推进系统工况分析示意图

在船舶靠岸后，由岸电给动力电池充电，保证锂电池的能量。

设定PL为负载功率，Pb为锂电池组可用功率，Pe为柴电机组输出功率，Pec为柴电机组给锂电池组充电功率。船舶正常航行时，能量控制规则为：

1) 工作模式2的优先级高于工作模式1，即在满足工作模式2的条件下，系统优先进入工作模式2。

2) 系统启动后，如果SOC初始值≥80%，首先进入工作模式2，船舶所需功率全部由锂电池提供，锂电池处于放电状态，此时PL=Pb，Pe=0，直到SOClt;50%。

3) 如果30%≤SOClt;50%，系统退出工作模式2，进入工作模式1，柴电机组运行在最佳效率的工作状态，并恒定功率输出。若PL≤Pe，PL=Pe-Pec，柴电机组处于供电状态，锂电池处于充电状态；若PLgt;Pe，PL=Pe+Pb，由柴电机组和锂电池混合供电。

4) 如果充电，使SOC≥80%时，锂电池可单独工作，系统退出工作模式1，进入工作模式2，柴油发电机组停止工作。

5) 如果放电，使SOClt;30%时，转到“6)”。

6) 系统启动后，如果30%≤SOC初始值lt;80%，首先进入工作模式1，锂电池可处于放电状态，也可处于充电状态，但柴电机组必须运行。柴电机组运行在最佳效率的工作状态，并输出恒定功率。

7) 当SOClt;30%时，若PL≤Pe，PL=Pe-Pec，柴电机组处于供电状态，锂电池处于充电状态；若PLgt;Pe，系统进行功率限制，系统需求功率限制在PL=Pe，直到SOCgt;30%后，取消功率限制，回到“6)”。当SOC≥80%时，回到“2)”。图4为能量管理策略流程图。

图4 能量管理策略流程

3 实验比较分析

实验室模拟船舶参数为：排水量为92 t，阻力系数为694.2，螺旋桨直径为0.8 m，螺旋桨转速为1 500 r/min，电动机额定输出功率为35 kW，柴油发电机组额定功率为30 kW。实验室配置16组动力性磷酸铁锂电池，电池总容量为100 Ah，电压为500 V。

图5 船舶需求功率曲线

应用对象为周期性作业的船舶，如摆渡船、工程作业船或水上巴士等，通过电力测功机设定船舶需求功率。图5为某类船舶整个运行过程(包含启动、加速、全速运行、减速、停止)所需求功率的曲线图，当全速运行时，最大需求功率为35 kW，耗时近4 h。在忽略船舶照明等一般负载，同时不考虑动力电池组的充放电效率的条件下，运用提出的能量管理策略，利用试验平台的数据记录仪获取4组数据，分别是锂电池SOC初始值为80%、60%、40%、20%时的数据(见图6～图9)。在这些图中，实线为船舶实际需求功率，虚线为柴油发电机运行功率。利用双向DC/DC变换器，使柴油发电机运行时一直处于满负荷运行(约30 kW)状态。

图6 SOC初始值80%时的柴电机组功率、SOC变化曲线

图7 SOC初始值60%时的柴电机组功率、SOC变化曲线

图8 SOC初始值40%时的柴电机组功率、SOC变化曲线

图9 SOC初始值20%时的柴电机组功率、SOC变化曲线

对比图6～图9可以看出，只有当SOC初始值在80%以上时，动力电池才能单独供电，而且随着SOC初始值的变小，柴电机组的使用时间变长，这符合混合动力船舶电力系统的使用规范。也就是说，通常混合动力船舶电力系统在启航之前，保证其动力电池SOC为100%。在一个工作周期中，SOC初始值为80%的系统柴电机组使用时间较SOC初始值为20%的时间减少1 h。

因此，混合动力船舶电力推进系统较传统的柴电电力推进系统有以下优点：

1. 柴油发电机组装机容量可以明显缩小，此试验平台的装机容量缩小了14.3%。

2. 由于柴油发电机组是断续工作的，因此其油耗和废气排放量均有明显的减少，而当SOC初始值为80%时，能减少近40%的废气排放。

4 结 语

介绍半实物仿真的混合动力船舶电力推进试验平台，提出一种船舶混合动力系统能量管理的控制策略。试验结果证明，该系统可以很好地满足船舶混合电力推进系统开发的需求。利用该试验平台，可以验证能量管理策略在实际工程中应用的可行性，能够提出动力装置配置和结构优化等的可靠方案，为船舶混合动力电力推进系统在实船上应用提供一个非常有效的实验环境。

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DesignofTestPlatformforMarineHybridElectricPropulsion

GAODiju1,HUANGXiaogang2,SUNYanyan1,HUANGXixia1
(1. Key Laboratory Marine Technology amp; Control Engineering Ministry Communications, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China; 2. College of Electrical and Information Engineering, Quzhou University, Quzhou 324000, China)

An experimental research platform for marine hybrid electric propulsion systems is developed by integrating diesel generator sets, lithium batteries, photovoltaic cells and dynamometer controller. The architecture and function features of the test platform are described. An energy management strategy for the marine hybrid electric propulsion is proposed. Test results show that the test platform satisfies the requirements of experimental study of the hybrid system. The platform will be an convinient envirenment for research in power system configurations, structure optimization and the control strategy of marine hybrid electric propulsion system.

ship engineering; hybrid power; marine electric propulsion; energy management

2014-02-01

国家自然科学基金(61304186，51209134)；上海市科委项目(1316051500)；上海海事大学研究生创新计划项目(yc2011059)

高迪驹 (1978-)，男，浙江上虞人，工程师，博士生，主要从事船舶电力电子装置及其自动化技术、新能源技术方面研究。E-mail：ponyhigh@163.com.

1000-4653(2014)02-0015-04

U661.74; U664.14

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