并联式船舶混合动力系统能量管理策略研究

作     者：张恒熙 

作者单位：哈尔滨工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：范立云

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 082402[工学-轮机工程] 0824[工学-船舶与海洋工程] 

主      题：并联式 船舶 混合动力 参数匹配 能量管理策略 

摘      要：随着国际船舶组织和世界各国在船舶排放领域的法规陆续出台,船舶航运业面临着巨大的节能减排压力。船舶混合动力系统不仅可以将天然气、太阳能、电能等清洁能源作为船舶推进的动力源,减少船舶排放,还可以通过制定合理的能量管理策略,实现对动力系统能效的提升。因此本文采用气体机和动力电池为动力源,以并联式船舶混合动力系统为研究对象,对系统的参数匹配、建模仿真、能量管理策略等关键技术进行研究,为并联式船舶混合动力系统设计和开发提供理论支撑。针对并联式船舶混合动力系统的构型特点,提出了并联式船舶混合动力系统的参数匹配方法,确定了气体机、可逆电机、动力电池、齿轮箱、螺旋桨、船体等系统主要部件的参数。在MATLAB/Simulink仿真平台上,采用模块化建模的方法建立了并联式船舶混合动力系统模型。通过分析所定义的气体机充电功率天然气消耗率和电机推进天然气节省率,设计了一种基于逻辑门限值的能量管理策略,有效解决了传统基于逻辑门限值的管理策略中逻辑门限值依赖于工程经验的缺点。研究结果表明:基于逻辑门限值的能量管理策略有着较低的系统天然气消耗量,但无法实现对动力电池SOC的调控,且在受到SOC上边界限制时,系统天然气消耗量显著增大。针对并联式船舶混合动力系统的运行模式,设计了一种基于模糊控制的能量管理策略。首先设计了双输入双输出的模糊控制结构,然后对模糊控制变量进行了论域变换,并制定了变量的模糊子集、隶属度函数以及模糊规则,最后确定了输出量的解模糊方法。研究结果表明:基于模糊控制的能量管理策略可以有效地实现对动力电池SOC的调控,但系统天然气消耗量整体上显著高于基于逻辑门限值的能量管理策略。为了实现对系统天然气消耗量的优化,设计了一种基于ECMS的能量管理策略。首先通过引入充放电等效因子和动力电池SOC惩罚函数表达了动力电池瞬时等效天然气消耗量,然后结合气体机瞬时天然气消耗量得到了系统瞬时等效天然气消耗量,最后考虑了系统天然气消耗量以及动力电池SOC终末值偏移量的影响,选取了不同初始动力电池SOC下的最佳充放电等效因子。研究结果表明:基于ECMS的能量管理策略能在实现对动力电池SOC调控的同时保持较低的系统天然气消耗量,但充放电等效因子的选取依赖于特定的船舶工况。