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智能船舶混合动力与推进系统的设计与控制

重点

bull;对船舶的机械，电气和混合动力推进进行分类。

bull;对船舶的燃烧，电化学，存储和混合电源进行分类。

bull;审查动力和推进架构的机遇，挑战和趋势。

bull;总结了控制策略的发展，其收益和机会。

bull;提出对扭矩，螺距和模型预测控制的整体研究。

内容

1.介绍31

2.机械推进 33

2.1. 定螺距螺旋桨 33

2.2. 可控螺距螺旋桨 34

2.3. 机械推进的好处和挑战 34

2.4. 机械推进的应用 35

2.5. 机械推进的控制策略 35

2.5.1. 调速器速度控制 35

2.5.2. 状态反馈控制，带发动机和涡轮增压器速度测量 35

2.5.3. 自适应速度控制 35

2.5.4. 组合曲线控制 36

2.5.5. 降低螺距的组合曲线控制 36

2.5.6.最佳速度和螺距控制 37

2.5.7.有效的迎角控制 37

3.电动推进 38

3.1 电动推进的好处和挑战 38

3.2. 电动推进器的应用 39

3.3. 电网的控制策略 39

3.3.1. 电压和频率控制 39

3.3.2. 二次电源管理控制 40

3.3.3. 基于实时模型的电源管理 40

3.3.4. 功率跟踪 40

3.4 推进控制的控制策略 40

3.4.1 扭矩和功率控制 40

4. 混合动力驱动 41

4.1. 混合动力的好处和挑战 41

4.2. 混合动力的应用 41

4.3. 混合动力控制策略 41

4.3.1. 轴带发电机控制 42

4.3.2. 电动助力 42

5. 混合动力驱动 42

5.1. 混合动力电源推动电力的好处和挑战 43

5.2. 混合动力电源在电力推进中的应用 43

5.3. 混合电源的电力推进控制策略 43

5.3.1. 启发式控制策略 44

5.3.2. 等效消费最小化策略 44

5.3.3. 通过运行负载估算进行电源管理 44

5.3.4. 负载均衡 45

6. 带混合动力的混合动力 45

6.1. 混合动力在混合动力电源中的应用 45

6.2. 混合动力推进的控制策略 46

6.2.1. 启发式控制策略 46

6.2.2. 等效消费最小化策略 46

7. 直流混合电源的电推进 46

7.1. 混合直流电源的好处 46

7.2. 混合直流电源在电力推进中的应用 47

7.3. 直流电源电推进的控制策略 47

7.3.1. 原动力频率控制 47

7.3.2. 负载分担 47

7.3.3. 最佳负载均衡策略 47

7.3.4. 为多个标准建立模型预测控制 47

8. 讨论与总结 47

8.1. 动力和推进系统架构 48

8.2. 控制策略 49

9.智能船控制研究 50

9.1. 机械传动系的控制 50

9.1.1. 转矩控制 50

9.1.2. 自适应组合器控制 51

9.1.3. 迎角和扭矩控制 51

9.2. 混合动力中的电驱动控制 51

9.2.1. 电动助力 51

9.2.2. 取力器 51

9.3. 混合电源的能源管理 51

9.3.1. ECMS 52

9.3.2. 渐渐落后的ECMS 52

9.3.3. 多种绩效标准的ECMS策略 52

9.4. 集成控制方法可实现灵活的任务环境 52

10. 结论与建议 52

致谢 53

参考文献 53

摘要

设计更高效，更通用的船舶的最新趋势增加了混合动力和动力供应架构的多样性。为了提高这些架构的性能，需要智能控制策略，而目前大多数是采用传统的控制策略。首先，本文将船舶推进拓扑分为机械，电气和混合推进，将电源拓扑分为燃烧，电化学，存储和混合供电。然后，我们回顾了推进和供电系统及其控制策略的发展，随后讨论了这些系统及相关控制的机遇与挑战。我们得出的结论是，具有先进控制策略的混合动力架构可以减少多达10–35％的燃油消耗和排放，同时改善噪音，可维护性，可操纵性和舒适性。随后，本文总结了推进和供电技术应用的优缺点和发展趋势，并回顾了有前途的先进控制策略的适用性和优势。最后，本文分析了哪些控制策略可以改善未来智能和自主舰艇的混合系统性能，并得出结论，将扭矩，迎角和模型预测控制与动态设置相结合可以提高未来智能和更多自主舰艇的性能。

1.简介

像许多其他行业一样，航运业也承受着降低其对环境影响的巨大压力。如果不采取任何措施，到2050年，CO2的排放量预计将增加50-250％，实现2°C的全球变暖目标。此外，航运业已经占全球NOx排放量的15％，如果不采取任何措施，预计排放量也会增加。但是，动力和推进系统的进步以及能源管理的改进可以显着降低CO2和NOx的排放量。

为了执行这些进步，国际海事组织（IMO）的Marpol法规对船舶排放物施加了越来越严格的限制。首先，IMO Marpol附件VI对输出功率超过130 kW的柴油发动机的加权循环氮氧化物（NOx）排放设定了限制。例如，2011年1月以后建造的被称为Tier 2的船舶上的柴油发动机，对于高速发动机，限制为7.7 g / kWh，对于低速发动机，限制为14.4 g / kWh。从2016年1月起，在排放控制区（称为第3层），这些限值分别降至2.0 g / kWh和3.4 g / kWh 。这些限制当前仅针对发动机的NOx生产，而不是整个船舶的推进和发电。然而，针对汽车每英里NOx生产的发展趋势以及公众对确定现实驾驶条件下的标准的强烈抗议，可能会导致未来的运输法规限制每英里NOx的生产。尽管如此，减少柴油机推进和发电过程中NOx排放的最重要研究领域是NOx减排技术，例如废气再循环（EGR）和选择性催化还原后处理（SCR）。其次，IMO Marpol法规为降低新船的能效设计指数（EEDI）设定了目标。EEDI是货船每吨货物和每英里产生的CO2排放量的量度。与2013年推出时的基准货船相比，新货船的EEDI将从10％降低到2030年的30％。其他船型也在采取类似措施。因此，未来几年中，用于未来船舶的推进装置和发电厂必须大大减少燃料消耗和排放。

随着船舶数量的增加，船舶的运行状况也日益多样化：近海船舶执行许多任务，例如过境和关键动态定位（DP）操作；重型起重机船（例如，Priveering Spirit）在各种海上作业中表现出更高的能力和复杂性；海军舰船在公海执行传统的巡逻行动，但也部署在沿海行动中；拖船和拖船在拖曳时需要全力拉动，在运输或待命期间需要有限的动力。由于这些不同的运行状况，动力和推进装置必须在许多性能标准上表现良好，

例如：

1.燃油消耗;

2.排放物；

3.辐射噪声；

4.推进能力；

5.机动性

6.由于噪音，振动和气味极小而舒适；

7.发动机热负荷和机械负荷造成的维修费用；

8.购买成本。

此外，如常规所做的那样，多样化的运行状况使得很难在船舶设计阶段针对特定工作点优化动力和推进装置。因此，自1990年代以来，对于各种类型的船舶，如游轮和首都船，如HNLMS鹿特丹，动力和推进配置已适应于具有电力推进的变化的运行状况（见图1）。但是，尽管电推进在低速时更为有效，但它会在发电机，电力转换器，变压器和电动机等电气部件中引入额外的5-15％的推进功率转换损耗。

效率和适应性对各种运行状况的权衡取舍导致了越来越多的动力和推进架构，其可归纳如下：

1，机械推进，电气推进或两者的混合组合；

2，内燃机，燃料电池，储能或混合动力的发电；

3，交流或直流配电。

随着系统架构复杂度的增加，控制的自由度也随之增加。但是，大多数先进的推进架构仍使用相同的传统控制策略：固定的组合器曲线，固定的频率生成器，基于规则的电池使用和操作员控制的配置设置。相反，在航海和汽车领域的研究表明，具有传统控制功能的先进体系结构并不能显着减少燃料消耗或排放，而系统的成本和复杂性却确实会增加。

然而，尚未开发出用于海事应用的高级控制策略。然而，在优化电池部署和智能使用DC架构方面的有限研究表明，智能控制策略可以减少10％至35％的油耗和排放。几乎没有涉及对其他标准的影响的分析。因此，迫切需要对智能控制策略进行整体研究和开发，以提高各种标准的性能，以实现高级架构对未来智能船的好处。为了指导这项研究，必须对每种架构的适用控制策略及其在上述标准下的性能进行审查。

尽管对汽车混合动力电动汽车的结构及其控制策略有广泛的评论，但对于船舶的动力和推进结构及其控制策略却缺乏这样的评论。此外，并联，串联和串联-并联混合动力汽车的分类不适用于船舶的动力和推进结构，因为船舶可以具有多个推进发动机，电动推进马达，柴油发电机，燃料电池和储能装置系统。

因此，本文概述了混合动力和推进架构及其在船舶上的控制策略的开发和应用。本文将推进拓扑分为机械推进（第2节），电气推进（第3节）和混合推进（第4节）以及燃烧电源，电化学电源，储能电源和混合电源的电力系统拓扑（第5节）。此外，本文还回顾了组合架构，例如带有混合电源的混合动力（第6节）和带有DC混合动力的混合动力电源（第7节）。对于所有这些动力和推进架构，本文回顾了其优点和挑战，在船舶上的应用以及控制策略。由于对这些先进的船舶结构和控制策略的研究是有限的，因此每个部分还回顾了地面微电网和混合动力汽车技术的相关文献。最后，本文总结了动力和推进系统架构的发展，优点，缺点和应用趋势，并在第8节中回顾了可用的控制策略及其优点，在第9节中总结了研究机会，并在第10节中进行了总结。

2.机械推进

在19世纪之前，船由桨和帆推动。然后，蒸汽机的发展导致了机械推进的引入。在19和20世纪，驱动发动机从往复式蒸汽机和蒸汽轮机发展为柴油机，在某些应用中还发展为燃气轮机。有关这些发展的详细历史回顾，可查阅Curley 。（Curley R.船舶的完整历史。纽约大不列颠教育出版社；2012。）

图2显示了具有机械推进力的现代船舶的典型结构。原动机（通常为柴油发动机或燃气轮机）直接或直接驱动推进器（通常为螺旋桨）。通过变速箱替代性的原动力是蒸汽轮机与（核）蒸汽提升设备和燃气轮机的组合。但是，由于柴油船的燃油效率高，因此大多数船舶都在使用柴油发动机，因此本文仅针对柴油发动机。需要一个单独的交流网络来生成和分配辅助负载的电力，例如可变速度驱动器，暖气通风和空调（HVAC）以及其他关键任务和辅助系统。柴油机，蒸汽轮机或燃气轮机发电机为该电网供电。

需要一个单独的交流网络来生成和分配辅助负载的电力，例如可变速度驱动器，暖气通风和空调（HVAC）以及其他关键任务和辅助系统。柴油，蒸汽轮机或燃气轮机发电机为该电网供电。对于由低速柴油机驱动的大型货船，不需要变速箱，并且可以通过反转发动机的旋转来实现反转。另一方面，较小的船舶确实需要齿轮箱来降低发动机转速，因为它们是由中型或中型驱动的。

最常用的推进器是固定螺距推进器（FPP）。它需要可逆的发动机或变速箱来停止和换向。替代地，可控螺距螺旋桨（CPP）可以提供负向推力，以停止和倒车。其他推进器是水射流，表面穿刺推进器，旋涡螺旋桨，桨轮，鲸鱼尾巴和磁流体动力推进器。此外，推进和转向可以结合在可转向推进器中。但是，尽管其他推进器也适用相同的原理和控制策略，但本审查将仅限于螺旋桨。因此，接下来将更详细地介绍FPP和CPP的特征。

2.1.定螺距螺旋桨

当机械推进装置中的推进器为FPP时，船舶的阻力，螺旋桨和变速箱将决定柴油机的负载特性。该负载特性称为螺旋桨曲线。在图3中，绘制了三个螺旋桨曲线，代表了柴油机在试验条件，设计条件和非设计条件下所承受的负载。

螺旋桨曲线已绘制在发动机工作范围内。该工作范围显示了发动机可提供的最大功率随发动机转速的变化。此外，图3显示了发动机的特定燃料消耗（SFC）与发动机转速和输出功率的关系。该特定图来自典型的中速柴油机的二次拟合模型。

螺旋桨曲线，工作范围和SFC轮廓图表示静止状态，没有加速和减速。状态下运行时，柴油发动机以恒定的发动机转速提供恒定的功率输出。例如，可以在1125 rpm和2500 kW的工作点达到设计速度。在此计条件下，比油耗为191 g / kWh。另一方面，在由于恶劣天气和船体结垢而导致的非设计状态下，将在工作点以1125 rpm和3000 kW的速度达到设计速度，从而导致平均比油耗为193 g / kWh。

但是，在动态条件下，例如在恶劣天气中航行和转弯，实际负载会在螺旋桨曲线的平均工作点附近波动。图3所示的非设计状态代表平均负载增加。为了防止过载引起的平均负载波动，在螺旋桨曲线和发动机工作范围之间需要有足够的余量。这可以

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