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摘要：节能减排对于减少船舶运输成本具有重要意义，本文针对串联式船舶混合动力系统能量利用率低的问题，以混合动力船舶节能减排为目的，基于MATLAB/Simulink搭建了混合动力船舶的能量管理的控制策略模型。
Abstract： Energy saving and emission reduction are of great significance for reducing the cost of ship transportation. This article aims at the problem of low energy utilization of the hybrid power system of series ships. With the purpose of energy saving and emission reduction of hybrid ships， the energy of hybrid ships is built based on MATLAB/Simulink. Management control strategy model.
关键词：混合动力船舶;能量管理;Simulink
Key words： hybrid ship;energy management;Simulink
中图分类号：U661.31 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）20-0021-02
0 引言
相比于传统的船舶推进装置，船舶电力推进装置以其机动性强、节能环保等优点成为了船舶发展的趋势，如今在船厂中混合动力船舶已屡见不鲜。但是，串联式混合动力船舶在实船应用的过程中依然存在着能量利用率低的问题，这严重影响船舶电力推进装置的经济性。为了提高串联式混合动力船舶的能量利用率，实现高效率的能量转换，需要制定合适且高效的能量管理策略。本文根据船舶驾驶员期望航速与船舶电力推进装置的推进功率之间的关系，针对串联式混合动力船舶的特点制定了相应的能量管理策略，并且基于MATLAB/Simuink软件搭建了船舶电力推进装置能量管理的模型。
1 串联式混合动力系统船舶概述及系统能量流向分析
1.1 串联式混合动力系统船舶概述 串联式船舶混合动力系统的主要结构是由发电机组、离合器、蓄电池电动机、螺旋桨、电力变换装置等部分组成。电动机由发电机和发动机组成的发电机组供电，然后电动机再为蓄电池充电或者制動螺旋桨。船舶在慢速，启动、低负荷时由蓄电池单独供电给发动机制动螺旋桨，在船舶进行加速或者高负荷时由发电机组和蓄电池一起供电来制动螺旋桨。
在串联式船舶混合动力系统中，螺旋桨通常由电动机直接进行驱动，系统的操控性强、动态反馈好、控制策略较为简单一些，因此柴油发动机可以不受负荷特性的影响和约束，便于对工作节点的改变，从而能一直在高效率地带工作，在发动机和负载之间采用了非刚性的链接方法，可以适当降低冲击和振动，使得系统的结构设计更为灵敏。本文所提出的能量管理策略的原则就是让柴油发电机组尽可能工作的高效区，提高船舶混合动力系统的效率。
1.2 系统能量流向分析 串联式混合动力船舶根据其结构以及功能特征共分为发电系统、储能系统和输出系统三个部分。发电系统由柴油发电机组组成，其能量流向为发电机组将原动机产生的动能转化为电能，此过程会有10%-20%的能量损耗;储能系统主要部件是蓄电池，储能系统的能量流向是双向的，可以储存发电机组发出的电能或者输出储存的电能;输出系统由船舶推进电机、螺旋桨以及相关控制设备组成，可以从发电机组或者蓄电池吸收电能并转化为动能进而推动船舶前进。串联式混合动力船舶能量流向见图1。
2 串联式混合动力船舶能量管理策略
根据船舶运行的工况不同，启用不同的发电机组来实现能量的高效利用。蓄电池单独工作的假设一台发电机组的容量为PG，该发电机组推进电机功率约为0.74PG，其发电输出至蓄电池的功率约为0.86PG，所能达到的最大航速为V;在两台发电机组同时工作的情况下，发电机组推进电机功率约为1.44PG，其发电输出至蓄电池的功率约为1.73PG，所能达到的最大航速为1.4V;在三台发电机组同时工作的情况下，发电机组推进电机功率约为2.24PG，其发电输出至蓄电池的功率约为2.52PG，所能达到的最大航速为2V;在四台发电机组同时工作的情况下，发电机组推进电机功率约为3.04PG，其发电输出至蓄电池的功率约为3.46PG，所能达到的最大航速为2.8V。现根据船舶航行的实际需要，对于船舶混合动力系统的工作模式进行优化来实现能量利用率的提高。下文中定义航速在0-V为微动工况，航速在V-2.8V为巡航工况。不同工况进入策略见图2。
2.1 微动工况 柴油机发电机组的实际功率低于额定功率的30%时，容易在燃烧室和排气管处积累烟灰同时造成点火失败现象。本文采取的应对措施是微动工况低功率输出完全由蓄电池作为能量来源，当蓄电池SOC低于设定值时，柴油机发电机组以柴油机额定功率运行对蓄电池进行充电;当蓄电池SOC高于设定值时，柴油机发电机组停止工作。当船舶驾驶员指令为微动工况时，若蓄电池SOC大于60%，则船舶工作在纯电模式，此时由蓄电池单独进行功率输出;若蓄电池SOC小于60%，此时启动一台发电机组为蓄电池充电，在蓄电池SOC大于90%后发电机组停止工作，船舶推进电机仍由蓄电池独立驱动，流程图见图3。 2.2 巡航工况 巡航工况船舶航速较大，螺旋桨出于高负载工作的状态，该状态船舶电网的功率波动较大，螺旋桨的微小波动也会引起很大的电网功率波动。所以巡航工况利用蓄电池和发电机组共同驱动船舶推进电机，大部分的功率输出由柴油发电机组承担，波动部分由蓄电池承担，该方法可以避免柴油发电机工作在低效区间，进而增加了船舶的燃料利用率。
当船舶驾驶员指令为巡航工况时，若航行速度为V-1.4V，启动一台发电机组工作，船舶推进电机由一台发电机和蓄电池共同驱动;若航行速度为1.4V-2V，同时启动两台发电机组工作，船舶推进电机由两台发电机和蓄电池共同驱动;若航行速度为2V-2.8V，同时启动三台发电机组工作，船舶推进电机由三台发电机和蓄电池共同驱动。在船舶巡航的过程中，若蓄电池SOC小于60%，则此时多启动一台柴油机发电机组且满功率运行为蓄电池充电，直至其SOC大于90%。巡航工況下的能量管理策略见图4。
3 Simulink模型搭建
在船舶运行的过程中，能量管理系统实时地采集船舶驾驶员所发出的操作指令以及船舶本身的运行状态，根据既定的程序对能量管理系统采集到的信息进行判断和处理，随后将对应的指令输出至电机控制系统、柴油机控制系统以及各种附件，进而实现对于船舶的能量管理功能。
针对上文中所描述的能量管理策略，使用MATLAB/Simuink软件进行模型搭建。使用该软件进行建模出于以下3个原因：①该模型具有通用性，只要接口定义一致就可以实现模型的互用;②Simulink可视化的设计对于复杂的逻辑更易于实现和解读;③Simulink可以直接生成标准化的代码，避免了手写代码的漏洞较多的情况。混合动力船舶的能量管理控制共分为信号输入、逻辑处理和信号输出三部分。
4 结论
本文针对串联式船舶混合动力系统能量利用率低的问题，提出了一种能量管理的策略，并以MATLAB/Simulink软件作为载体来实现控制策略代码化。该能量管理策略可以大幅度提高串联式混合动力船舶的能量利用效率，是一种在实际工程中可行性及可靠性较高的方案。
参考文献：
[1]杨发财，李世安，沈秋婉，等.绿色航运发展趋势和燃料电池船舶的应用前景[J].船舶工程，2020，42（04）：46-52.
[2]卢耀文.船舶并联式气电混合动力系统能量管理与节能研究[D].哈尔滨工程大学，2019.
[3]张晨.插电式混合动力汽车动力系统参数匹配及能量管理策略研究[D].长安大学，2016.
Abstract： Energy saving and emission reduction are of great significance for reducing the cost of ship transportation. This article aims at the problem of low energy utilization of the hybrid power system of series ships. With the purpose of energy saving and emission reduction of hybrid ships， the energy of hybrid ships is built based on MATLAB/Simulink. Management control strategy model.
关键词：混合动力船舶;能量管理;Simulink
Key words： hybrid ship;energy management;Simulink
中图分类号：U661.31 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）20-0021-02
0 引言
相比于传统的船舶推进装置，船舶电力推进装置以其机动性强、节能环保等优点成为了船舶发展的趋势，如今在船厂中混合动力船舶已屡见不鲜。但是，串联式混合动力船舶在实船应用的过程中依然存在着能量利用率低的问题，这严重影响船舶电力推进装置的经济性。为了提高串联式混合动力船舶的能量利用率，实现高效率的能量转换，需要制定合适且高效的能量管理策略。本文根据船舶驾驶员期望航速与船舶电力推进装置的推进功率之间的关系，针对串联式混合动力船舶的特点制定了相应的能量管理策略，并且基于MATLAB/Simuink软件搭建了船舶电力推进装置能量管理的模型。
1 串联式混合动力系统船舶概述及系统能量流向分析
1.1 串联式混合动力系统船舶概述 串联式船舶混合动力系统的主要结构是由发电机组、离合器、蓄电池电动机、螺旋桨、电力变换装置等部分组成。电动机由发电机和发动机组成的发电机组供电，然后电动机再为蓄电池充电或者制動螺旋桨。船舶在慢速，启动、低负荷时由蓄电池单独供电给发动机制动螺旋桨，在船舶进行加速或者高负荷时由发电机组和蓄电池一起供电来制动螺旋桨。
在串联式船舶混合动力系统中，螺旋桨通常由电动机直接进行驱动，系统的操控性强、动态反馈好、控制策略较为简单一些，因此柴油发动机可以不受负荷特性的影响和约束，便于对工作节点的改变，从而能一直在高效率地带工作，在发动机和负载之间采用了非刚性的链接方法，可以适当降低冲击和振动，使得系统的结构设计更为灵敏。本文所提出的能量管理策略的原则就是让柴油发电机组尽可能工作的高效区，提高船舶混合动力系统的效率。
1.2 系统能量流向分析 串联式混合动力船舶根据其结构以及功能特征共分为发电系统、储能系统和输出系统三个部分。发电系统由柴油发电机组组成，其能量流向为发电机组将原动机产生的动能转化为电能，此过程会有10%-20%的能量损耗;储能系统主要部件是蓄电池，储能系统的能量流向是双向的，可以储存发电机组发出的电能或者输出储存的电能;输出系统由船舶推进电机、螺旋桨以及相关控制设备组成，可以从发电机组或者蓄电池吸收电能并转化为动能进而推动船舶前进。串联式混合动力船舶能量流向见图1。
2 串联式混合动力船舶能量管理策略
根据船舶运行的工况不同，启用不同的发电机组来实现能量的高效利用。蓄电池单独工作的假设一台发电机组的容量为PG，该发电机组推进电机功率约为0.74PG，其发电输出至蓄电池的功率约为0.86PG，所能达到的最大航速为V;在两台发电机组同时工作的情况下，发电机组推进电机功率约为1.44PG，其发电输出至蓄电池的功率约为1.73PG，所能达到的最大航速为1.4V;在三台发电机组同时工作的情况下，发电机组推进电机功率约为2.24PG，其发电输出至蓄电池的功率约为2.52PG，所能达到的最大航速为2V;在四台发电机组同时工作的情况下，发电机组推进电机功率约为3.04PG，其发电输出至蓄电池的功率约为3.46PG，所能达到的最大航速为2.8V。现根据船舶航行的实际需要，对于船舶混合动力系统的工作模式进行优化来实现能量利用率的提高。下文中定义航速在0-V为微动工况，航速在V-2.8V为巡航工况。不同工况进入策略见图2。
2.1 微动工况 柴油机发电机组的实际功率低于额定功率的30%时，容易在燃烧室和排气管处积累烟灰同时造成点火失败现象。本文采取的应对措施是微动工况低功率输出完全由蓄电池作为能量来源，当蓄电池SOC低于设定值时，柴油机发电机组以柴油机额定功率运行对蓄电池进行充电;当蓄电池SOC高于设定值时，柴油机发电机组停止工作。当船舶驾驶员指令为微动工况时，若蓄电池SOC大于60%，则船舶工作在纯电模式，此时由蓄电池单独进行功率输出;若蓄电池SOC小于60%，此时启动一台发电机组为蓄电池充电，在蓄电池SOC大于90%后发电机组停止工作，船舶推进电机仍由蓄电池独立驱动，流程图见图3。 2.2 巡航工况 巡航工况船舶航速较大，螺旋桨出于高负载工作的状态，该状态船舶电网的功率波动较大，螺旋桨的微小波动也会引起很大的电网功率波动。所以巡航工况利用蓄电池和发电机组共同驱动船舶推进电机，大部分的功率输出由柴油发电机组承担，波动部分由蓄电池承担，该方法可以避免柴油发电机工作在低效区间，进而增加了船舶的燃料利用率。
当船舶驾驶员指令为巡航工况时，若航行速度为V-1.4V，启动一台发电机组工作，船舶推进电机由一台发电机和蓄电池共同驱动;若航行速度为1.4V-2V，同时启动两台发电机组工作，船舶推进电机由两台发电机和蓄电池共同驱动;若航行速度为2V-2.8V，同时启动三台发电机组工作，船舶推进电机由三台发电机和蓄电池共同驱动。在船舶巡航的过程中，若蓄电池SOC小于60%，则此时多启动一台柴油机发电机组且满功率运行为蓄电池充电，直至其SOC大于90%。巡航工況下的能量管理策略见图4。
3 Simulink模型搭建
在船舶运行的过程中，能量管理系统实时地采集船舶驾驶员所发出的操作指令以及船舶本身的运行状态，根据既定的程序对能量管理系统采集到的信息进行判断和处理，随后将对应的指令输出至电机控制系统、柴油机控制系统以及各种附件，进而实现对于船舶的能量管理功能。
针对上文中所描述的能量管理策略，使用MATLAB/Simuink软件进行模型搭建。使用该软件进行建模出于以下3个原因：①该模型具有通用性，只要接口定义一致就可以实现模型的互用;②Simulink可视化的设计对于复杂的逻辑更易于实现和解读;③Simulink可以直接生成标准化的代码，避免了手写代码的漏洞较多的情况。混合动力船舶的能量管理控制共分为信号输入、逻辑处理和信号输出三部分。
4 结论
本文针对串联式船舶混合动力系统能量利用率低的问题，提出了一种能量管理的策略，并以MATLAB/Simulink软件作为载体来实现控制策略代码化。该能量管理策略可以大幅度提高串联式混合动力船舶的能量利用效率，是一种在实际工程中可行性及可靠性较高的方案。
参考文献：
[1]杨发财，李世安，沈秋婉，等.绿色航运发展趋势和燃料电池船舶的应用前景[J].船舶工程，2020，42（04）：46-52.
[2]卢耀文.船舶并联式气电混合动力系统能量管理与节能研究[D].哈尔滨工程大学，2019.
[3]张晨.插电式混合动力汽车动力系统参数匹配及能量管理策略研究[D].长安大学，2016.