混合动力船舶的能量管理与控制策略探究

混合动力船舶的能量管理与控制策略探究

曹彪

中交广州航道局有限公司广东广州510290

摘要：本文将通过对混合动力船舶的供电模式类型以及电力推进系统整体架构介绍其电力推进系统，进而分别提出合理的混合动力船舶能量管理以及控制策略，以期为有关人员提供可靠参考。

关键词：混合动力船舶；能量管理；能量控制

引言

在我国整体社会经济高速发展过程中，工业的发展占据重要的地位。然而在此过程中，由于长时间过于追求发展速度，很多工业企业忽视了环保问题，造成废水、废气大量排放，加重了温室效应。船舶会产生大量二氧化碳气体，同时其废气也会危及大气，因此有关人员应致力于对其能量管理、控制加以深入研究。

1混合动力船舶的电力推进系统

1.1供电模式类型

（1）混合供电：此模式主要是在推进具有较大的负载，且动力电池组、柴电机组等无法满足船舶独立供电的需求阶段，有关人员采用动力电池组以及柴电机组进行共同供电[1]。

（2）柴电供电：在推进船舶的过程中通过柴油机对发电机进行驱动，并且进行供电和为相应电池组进行及时充电。

（3）电池供电：得益于此模式不产生烟尘、没有噪音的优势，此模式通常被应用于船舶抛锚或者航行速度为经济型航速阶段。动力电池组在此过程中为供电的状态。

（4）岸电供电：此模式主要是被应用于船舶的靠泊、停航阶段，此时柴电机组处于停工状态，而动力电池组在此阶段进行充电，主要依靠380V的岸电进行供电。

1.2电力推进系统整体架构

此系统中的动力源主要为磷酸铁锂动力电池组以及柴电机组，其中电池组一般会经由双向的DC/DC变换器被接入到相应直流母线中，随后经由AC/DC的逆变单元对直流进行逆变，使之成为380V的交流电对推进电机进行供电。

2混合动力船舶的能量管理策略

混合动力船舶的能量管理系统一般都会综合分析电力系统，从而对调度能量的方式、调度能量的实现方式以及相应原则加以确定。在混合动力船舶整体电力系统中，能量系统占据着极其重要的地位，不仅能够对船舶运行的实际状况加以动态分析，还可以对船舶相应电网日常工作的可靠性、稳定性，以及船舶自身的经济性以及机动性进行综合分析，从而帮助有关工作人员科学管理并优化能量整体配置，进而实现在确保供电的安全、连续且稳定前提下，节约相应的投入成本，最终达成降能耗的目标。

在排除设备效率影响的基础上，可以设定如下参数：

负载功率为PL，动力电池组的放电功率为Pbd，动力电池组的充电功率为Pbc，动力电池组的可用功率为Pbr，柴电机组的输出功率为Pe，柴电机组的额定功率为Per。通常混合动力船舶会使用岸电对动力电池组进行充电直至充满，从而使废气的排放以及柴油机组的整体油耗降低[2]。另外，电池的SOC（初始电荷状态）是100％。经过分析得出以下结论：

①系统在满足电池的供电模式时，会优先采取电池驱动的模式。

②在启动柴油机组时，应保持其持续处于满负荷运行状态。

③在起航的时候，电池的SOC为100％，此时系统会优先采取电池驱动的模式进行供电，此时船舶需要的功率均为动力电池组所提供的功率，此时的PL与Pbd相等，且Pe的值为0。

④当SOC不低于70％时，电池会对对船舶提供其需要的功率，在此阶段Pe的值为0，PL与Pbr相等。

⑤若在电池充电过程中，且SOC处于20-70％，一旦PL超过Per，则PL为Pe和Pbd的和，系统为混合供电，动力电池组开始放电；一旦PL未超过Per，则PL为Pe和Pbc的差，此时系统为柴电供电，动力电池组开始充电。

⑥若电池正在放电，同时SOC处于20-70％范围中，系统将转为电池供电，此时的PL与Pbr相等，且Pe为0。

⑦若SOC不超过20％，则系统会转为柴电供电，在此过程中，如果PL大于Pbr则柴电无法提供系统所需功率，系统功率会被与Pe相同，且柴电也无法向电池提供功率，电池不放电也不充电；如果PL不超过Per则PL为Pe和Pbc的差，此时柴电供电，电池充电。

3混合动力船舶的能量控制策略

3.1DC/DC以及AC/DC控制

在混合动力船舶的能量管理系统中，DC/DC以及AC/DC变换器主要是调度系统，二者将直接影响系统的稳定性和安全性、电池组整体能量的流向以及柴电、电池二者功率的具体分配。

（1）其中，DC/DC属于一种双向的变换器，兼具受控以及直通两种具体工作形式：

①受控模式：DC/DC将经由通信总线受控于管理系统控制，依照系统相应命令对放电、充电状态以及输出功率的大小进行确定。

②直通模式：负载电压的高低和电池组电压高低将对电池放电、充电的状态进行确定，若负载电压超过电池组电压则处于充电状态，反之处于放电状态。

（2）AC/DC属于不可控、单向的一种整流单元，其主要任务为把发电机组释放的交流电转为直流电，随后将电源提供给负载。

DC/DC在线即动力电池组处于在线的状态，而AC/DC在线即柴电机组处于在线的状态。按照混合能量的相关控制原则，DC/DC和AC/DC存在4种组合工作状态：

（1）DC/DC在线而AC/DC离线，此时主要通过电池进行供电；

（2）DC/DC在线且AC/DC也在线，此时主要通过柴电或者混合形式进行供电；

（3）DC/DC离线而AC/DC在线，此时主要通过柴电进行供电；

（4）DC/DC离线且AC/DC也离线，此时系统将会处于停止供电的状态。

3.2转换供电模式

能量管理、控制动态的流程即DC/DC和AC/DC的切除以及投入控制，主要有以下两种控制形式：

（1）手动控制：按照系统实际需求，以手动形式对DC/DC和AC/DC的切除以及投入进行有效控制[3]。

（2）自动控制：按照混合动力船舶的能量管理相应原则，通过PLC（可编程逻辑控制器）对DC/DC和AC/DC的切除以及投入进行有效控制。在此模式中，按照系统的供电方式，可以将DC/DC和AC/DC控制划分成混合、电池以及柴电3种供电模式：

①混合模式：当DC/DC处于在线状态投入AC/DC，会使前者从直通转变成受控的模式，此时AC/DC对投入的浪涌电路进行抑制；当AC/DC处于在线状态投入DC/DC，DC/DC为受控模式且无功率输出，有关人员对其逐渐增加直至达到需求值，此时通信总线将给定需求的功率。

②电池模式：DC/DC在线且AC/DC也在线，切除后者。此时DC/DC受控，对其输出的功率逐渐增加，同时对AC/DC的输出功率降低，当后者输出的功率在0附近将其切除，随后DC/DC将转成直通的模式；DC/DC离线且AC/DC也离线，投入前者。DC/DC在受控模式时将其投入，DC/DC会转换成直通的模式。

③柴电模式：DC/DC在线且AC/DC也在线，切除前者。此时DC/DC受控，对其输出的功率降低，对后者输出的功率提高，当前者接近0，将其切除；DC/DC离线且AC/DC也离线，投入后者，此时其输出的功率为0，可以直接将其投入运行。

结论

总体而言，经过有关部门的深入研究可知，相较于传统单能源的动力船舶，混合动力船舶优势明显，不仅可以使柴电机组装机的容量降低，让成本降低；还可以使能耗降低、燃烧效率上升，同时实现减排，对环境起到了一定程度的保护作用；更能够通过电池进行供电，从而扩大了能够行使水域的整体范围。

参考文献：

[1]王炜.基于ARM的混合动力船舶的能量管理系统研究[J].舰船科学技术，2019，41（02）：100-102.

[2]阚志伟，王锡淮.混合动力船舶能量管理系统控制与优化[J].船电技术，2018，38（08）：36-40+44.

[3]高迪驹，张伟，王旭阳，等.基于模型预测控制的混合动力船舶能量控制策略[J].上海海事大学学报，2018，39（02）：60-65.