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船舶电力推进器混合能源储存与发电机控制系统的交互分析和综合控制

摘要—由于水动力的相互作用和海浪的激励，船舶推进系统传动轴上往往承受较大功率和扭矩的作用。对于电子推进装置来说，一个混合能源储存系统可以作为一个有效解决办法处理这一不利影响。而且当HESS引入到现存的船舶电力推动系统时，它可以与发电机控制系统相互作用。本文中将一个基于模型的分析法用于评估混合能源储存系统中多种电源间的相互作用。研究揭示了各控制系统无法协调工作时的不良配合，并得出需要一个系统化的能源管理策略的结论。为了评估系统及能源管理策略的优点，进行了一向比较研究，结果表明系统化能源管理策略在很多性能指标方面优于其他策略。

一．介绍

由于能源高效利用和环境保护行动的开展，船舶电子化对于商船和海军船舶来说都是一个明显的趋势。电力推进技术的引进使我们有机会清楚的看待旧问题并寻找新的解决办法。海军和海洋工程领域面对的一个主要的挑战是研发高效且可靠的电力推进解决方案，以减轻由于水动力相互作用和海浪激励带来推力和扭矩波动的不利影响。这些波动是船舶推进系统中固有的，并同时导致了机械部件的磨损增加。它们也会对电力系统产生不利影响，例如难以预测的能源消耗，低电力效率，和影响船上电网质量的功率波动。为了处理这个问题，我们提出了混合储能系统（HESS）的解决办法。将储能元件作为一个缓冲器，推进电机负载不足时吸收能量，并在过载时提供能量，从而使负载网络不受推进负载波动的影响并提高整个系统的效率。不同的能源储存机制使人们可以利用他们不同的特性去处理功率和推力波动中的不同的频率分量。

船舶电子推进系统与HESS的共同运行依赖于配置良好的HESS硬件和高效的能源管理方案，以减轻负载功率波动的影响并实现更高的系统效率，可靠性和降低磨损的预期目标。在【7】中，HESS的配置和相关的控制含义，即电池和超级电容器（UC）的组合，已经开始研究。

当HESS引入现有的船舶电力推进系统时，它将与电力控制系统共同工作。没有正确的配合，HESS系统和发电机控制系统可能会相互干扰，因而达不到HESS的预期目的。在【9】中，为了供应推进系统电力，电压调节器被广泛应用于电池组中来调节直流母线电压。在UC的【10】中使用PI调节器处理脉冲功率负载，提高了系统的效率。在【11】中，电池和UC与发电机一起工作以遵循负载分布并降低燃油消耗。然而这些控制方案常常伴随负载功率的阶跃或者脉冲变化，他们与水动力相互作用和海浪激励所造成的负载波动不同。作者认为这项特殊的尝试需要考虑多频率特征推进负载波动和HESS控制，与HESS控制和主动力发电控制系统在处理动态负荷波动相同，这个问题目前还未被解决。

本文研究了HESS控制系统在负载发生改变的电力推进系统中的作用，这种改变源于水动力效应和船舶波浪的相互作用。【7】中提及并分析的HESS方案与主动力电子控制系统一并考虑。提出了一个适用于HESS的系统级能源管理方案（EMS），用于减轻推进系统负载波动的影响。为了进行比较分析，还研究了另外两个HESS方案。一个利用了PI控制进行母线电压调节，另一个运用一个负载跟踪方案来消除电机轴上的负载波动。用没有HESS的发电机作为基准来评估这三种HESS方案。将三种方案全部用于消除电线网络上负载波动的影响，通过一种对比研究表现出他们在设计要求和功能上的不同来。结果表明系统级EMS相较于其他方案更有优势，它在母线电压和发电机机械功率带来较少的波动，较高的HESS效率和电池保护性，以及更长的自主运行时间。

这篇论文结构如下：第二部分提出了模型的关键成分。第三部分描述了主动力源和HESS的控制方案，并对每个控制方案做出说明。第四部分阐述了对每一种方案作用的评价并比较了不同的方案。第五部分是结论和全文总结。

二．混合储能船舶电力推进系统的动态模型

本文建立出一个系统模型，为船舶电力推进系统分析工作以及数值研究提供合适的数值平台。这个模型包含柴油机-发电机组以及相关联的二极管整流器一并作为主要能源；配有电池的混合能源储存系统（HESS）以及超级电容（UC）作为能源储存器；一个精细的感应电动机模型和一个船舶螺旋桨动态模型可以用来感应出在电力驱动船舶上由曲轴旋转和波浪造成的波动；还有直流总线的动态模型。将能量储存系统的功率电子转换器和推进电机用于电流控制。为了保证方案的完整性，我们把核心的模型方程放在这一部分，此外具体的建模工作细节可以在【7】中找到。

1. 螺旋桨和船舶动力模型

螺旋桨和船舶模型用于捕捉螺旋桨和船舶运动的力学表现，例如电机传动轴的转矩和电力波动由螺旋桨传递给船体的机械动力可以表示为：

P_Load = 2pi;nQ ， （1）

当转速n固定，其波动频率与转矩Q相同。螺旋桨产生的推力和扭矩可以表示为：

T = sgn(n)beta;_TK_T0rho;n²D⁴, (2)

Q = sgn(n)beta;_QK_Q0rho;n²D⁵, (3)

其中K_T0和K_Q0分别表示推力和转矩系数，在不考虑损失的情况下，beta;是损失系数，rho;是水的密度，D是螺旋桨直径。推力和转矩系数以如下方式表示【12】：

K_T0 = f_KT (J,PR,A_e/A_o,Z,R_n),

K_Q0 = f_KQ(J,PR,A_e/A_o,Z,R_n), (4)

其中J = Va/nD表示推进系数，V_a表示船舶前进速度，PR为桨距比，Ae/A0为拓展的桨叶面积比，Z表示桨叶数，Rn为雷诺数

船舶动力要考虑不同强迫作用下船舶航速的变化，例如推进系统，兴波，风力，以及流体阻力：

(m mx)times;dU dt= T(1minus;td) R F, (5)

其中m表示船舶数量，m_x是船舶增加量，td表示推力减额系数，F表示波浪扰动，R表示摩擦阻力，兴波阻力和风阻力之和。其中每个作用力的具体信息可以查阅【7】.

1. 混合储能系统模型和直流母线动态模型

HESS的互补特性可以在优化系统配置与能量管理控制方式中展现出来，因此可以比单独使用电池或超级电容提供更高的电能和能量密度【13】-【14】。在HESS模型中，总电池组和UC模块的充电状态被定义为状态变量，而电池和UC电流被作为控制变量。即：

X=[]=[],u=[]= [] (6)

HESS模型因此表述为：

˙ x1 ˙ x2 =' 1 3600Q 0 0 1 VmaxCUC # u1 u2 , (7)

其中Q为电池容量，CUC和Vmax分别是UC的最大电容电压。电池和UC的输出电流按如下表示：

PB =NBtimes;(VOCIBminus;RBI2 B),

PUC =NUCtimes;(VmaxSOCUCIUCminus;RUCI2UC), （8）

NB和NUC分别表示电池模块数量和UC模块数量，RB和RUC分别表示电池模块和UC模块的内阻，VOC表示一个电池模块的开路电压。详细信息可以在【7】中找到。

基于电流的直流母线动态可以按如下表示：

VDC =Iin C, (9)

其中VDC是直流母线电压，C是直流母线电容，Iin =(PGen PB PUCminus;PIM)/VDC是流入母线电容的电流。PGen是是发电机的电力输出功率，PIM是感应电机的电力输入功率。其他负载的功率需求被认为是固定不变的，因此不考虑它的影响。

表格1：控制方案的组成

三．综合能源储备的电力推进系统控制方案

HESS需要借助舰载电力网络中现有的控制系统协同工作，从而实现预期的高效率和可靠性。本文在表格一中介绍的四种方案可以用于理解不同控制设计的优点和局限性。图一体现了这些不同方案的总体图。HESS的尺寸是根据4级海况【7】下能量与功率需求分析决定的，本文使用6个电池模块和9个UC模块减缓电力船舶推进系统的负载波动。

1. 不包含HESS的基础系统的发电机控制

在基础情况下，我们首先考虑配有柴油机发电组的系统，一个由负载追踪方案控制的推动电机，和一个用于发电机控制的PI总线电压调节器。无HESS基础系统的响应被作为评估其他方案优缺点的基准。用于发电机控制的抗饱和PI电压调节器已经成功应用在船舶当中。本文中的BL系统和其他三个控制系统一样，在评估每个方案工作状态时使用相同的PI电压调节器作为发电机控制。为了理解发电机控制和HESS能源管理系统的相互作用，建立出围绕一个工作点的线性化模型。BL反馈系统的系统框图如图2所示。GGen，GBus和GIM分别是发电机，直流总线，和感应电机动态变化的传递函数。由负载波动和IM动态变化导致的IM电流变化，被视为总线的波动。将总线电压Vd和负载波动LF的数学期望当作外部输入，并把总线电压误差EDC=Vd-VDC当作性能变量，整个系统的反馈可以按如下方法表示：

EDC =【1 /（1 GGenGBus）】*【（Vd GIM*GBus）/（ 1 GGenGBus）】*LF. (10)

1. 配有HESS的电机负载追踪控制

用于HESS的电机负载追踪方案（MLF）已经出现在许多功率和能源应用之中，例如混合电力汽车。它常常利用一个给定的负载配置方案或一个预期模型。为了考虑能量循环的动态影响并减轻负载波动的影响，在【7】中提出了利用滚动时域法的MLF方案，以此来解释能量循环的动态影响和减轻负载波动的影响。这种方法还需要考虑储能系统特性和运行限制。然而在【7】中电动机和发电机的驱动力被忽略了，而且电动机转速和发电机输出功率被假设为期望值。本文中将会把电动机和发电机驱动力考虑在内，还将对MLF的性能进行评估分析。在限制范围内使成本函数最简化后，用于追踪电动机负载的基于优化的控制方案可以数学表达为：

J =Phi;(x(t N)) t Nminus;1 sum; k=tL(x(k),u(k)), (11)

约束条件：

x(k 1) = f(x(k),u(k)),x(t) = x0, (12)

C(x(k),u(k))le;0, (13)

其中Phi;(x(N))和L(x(k),u(k))终值和临时成本函数，N是成本评估的时间窗口，而C(x(k),u(k))是约束条件。

优化的目的是减少功率追踪误差，提高能量效率并避免高充电/放电电流从而延长电池寿命。动力追踪指令由船舶/螺旋桨动态模型获得，它可以捕获推进系统功率负载的波动。为了利用电动机负载波动的特点并拓展HESS在发电机两次连续放电过程中的自持续运行时间，HESS的功率追踪指令被设置为PMLF = PLoad –PDCLoad，其中PLoad是等式（1）中的电动机负载功率而PDCLoad是PLoad的直流分量，通过PLoad获得。

图二：基准系统的方块图

图三：BL和MLF：总线电压响应（顶点）和他们的频率范围（底点）

通过一个低通滤波器。MLF方案可以数学表达为：

Phi;(x(N)) =1 2(PMLF(N)minus;PBattery(N)minus;PUC(N))2, (14)

L(x(k),u(k)) =1/2(PMLF(k)minus;PBattery(k)minus;PUC(k))2 alpha;BRBu2 1(k) alpha;UCRUCu2 2(k), (15)

取值范围：20%le;x1 le;90%, 30%le;x2 le;99%, minus;200Ale;u1 le;200A, minus;240Ale;u2 le;240A （16）

x1(k 1) x2(k 1) = x1(k) x2(k) ' Ts 3600Q 0 0 Ts VmaxCUC # u1(k) u

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