宋恩哲， 孫曉軍， 姚崇， 劉治江

(哈爾濱工程大學 動力與能源工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

節(jié)能環(huán)保的呼聲日益增強，船舶能效法規(guī)日益嚴格。隨著船舶能效設計指數標準第2、3階段實施日期的逼近，船企面臨著巨大的技術挑戰(zhàn)[1-2]。針對目前船舶業(yè)面臨難題，開發(fā)新型動力系統(tǒng)與智能控制策略是實現船舶業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略[3]；《船舶工業(yè)深化結構調整加快轉型升級行動計劃(2016-2020年)》中明確要求綠色環(huán)保主流船舶、高技術船舶作為船舶發(fā)展重點研究方向[4]?；旌蟿恿Υ笆嵌鄤恿υ聪到y(tǒng)，通過多種動力源的特性互補，可以實現整體系統(tǒng)性能的提升和改善[5]。混合動力主要分為電力混合推進系統(tǒng)、柴電混合推進系統(tǒng)、氣電混合推進系統(tǒng)、新能源混合推進系統(tǒng)[6-9]。船舶氣電混合動力技術采用天然氣發(fā)動機和電機作為混合動力源，可減少15%～20%的CO2排放量、80%的NOx排放量、100%的硫化物和顆粒排放，可以實現船舶動力的超低排放要求，并且電機的瞬態(tài)快速響應特性能夠彌補單獨使用天然氣發(fā)動機時動力性較差、動態(tài)響應較慢的缺陷[10-11]。目前對柴電混合動力系統(tǒng)以及控制策略進行了研究[12-14]，對氣電混合動力系統(tǒng)的研究發(fā)展較少且主要集中在能效計算[8]、節(jié)能減排等理論分析方面[15]，對于混合動力系統(tǒng)推進模式的科學分類和能量管理控制策略的研究還不夠深入。對于船舶氣電混合動力系統(tǒng)切換控制策略是實現最優(yōu)性能的關鍵技術，是能量管理系統(tǒng)的核心組成，策略設計的完善程度直接決定整系統(tǒng)的經濟性、動力性和排放性[16-17]。

本文針對氣電混合動力系統(tǒng)中設備的工作特性進行模式切換條件研究，基于邏輯門限建立切換控制策略。對切換控制策略進行仿真研究分析提出該策略的不足，再針對性利用動態(tài)協(xié)調算法展開研究分析，并且對2種方式性能進行對比分析。

1 船舶氣電混合動力推進系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)總體架構

船舶氣電混合動力系統(tǒng)連接方式如圖1所示，系統(tǒng)動力源主要包括天然氣發(fā)動機、可逆電機、儲能系統(tǒng)；設備參數如表1所示。

圖1 混合動力推進系統(tǒng)拓撲圖

表1 混合動力系統(tǒng)設備參數表

1.2 推進系統(tǒng)模式分類

根據《混合動力船舶檢驗指南》中提出的相關規(guī)范將船舶氣電混合動力系統(tǒng)運行模式分為4個模式：機械推進模式MP、儲能電力推進模式PTH、主機推進充電模式PTO、混合推進模式Boost：

1)機械推進模式。

該模式下系統(tǒng)離合器1接排，僅天然氣發(fā)動機處于工作狀態(tài)，電機只在系統(tǒng)需求功率發(fā)生變化時工作，用于彌補天然氣發(fā)動機的動態(tài)響應，在進入穩(wěn)定工況后，電機不工作，由天然氣發(fā)動機單獨驅動螺旋槳。此時船舶推進功率屬于中高負荷且蓄電池荷電狀態(tài)(state of charge,SOC)狀態(tài)處于高效區(qū)。

2)儲能電力推進模式。

該模式下離合器2接排，可逆電機處于電動機狀態(tài)，在儲能電力推進模式，天然氣發(fā)動機不工作，通過蓄電池組向電動機供電，單獨驅動螺旋槳。該模式下船舶推進功率需求較低且航行在對排放和噪聲有較高要求的區(qū)域。

3)主機推進充電模式。

該模式下離合器1和2均接排，可逆電機處于發(fā)電機狀態(tài)，天然氣發(fā)動機和發(fā)電機都處于工作狀態(tài)，由天然氣發(fā)動機單獨驅動螺旋槳，同時利用剩余功率通過發(fā)電機為蓄電池組充電。在該模式下當系統(tǒng)需求功率較低時可以改變發(fā)動機的工況點；當SOC較低時可以對蓄電池進行充電；適用于船舶推進功率需求中等或較低且SOC狀態(tài)較低的情況。

4)混合推進模式。

該模式離合器1和2均接排，可逆電機處于電動機狀態(tài)，天然氣發(fā)動機和電動機都處于工作狀態(tài)，此時系統(tǒng)需求功率在天然氣發(fā)動機的外特性曲線之外，天然氣發(fā)動機無法滿足系統(tǒng)需求功率，多余功率由電動機彌補，同時電動機也彌補天然氣發(fā)動機系統(tǒng)的動態(tài)響應。適用于船舶推進功率需求很高且航行在對排放和噪聲要求不高的區(qū)域。

2 切換控制策略

切換控制策略將涉及到總需求功率、發(fā)動機和電動機目標轉速、轉矩等多種控制信號輸出。因此，切換控制策略必須識別出總功率需求，并根據發(fā)動機、電動機和電池等部件目前工作狀態(tài)合理確定發(fā)動機和電動機的目標轉速和扭矩。切換控制策略由4部分組成。

2.1 需求功率識別

需求功率指的是為保持螺旋槳轉速不變的情況下，動力系統(tǒng)需要向螺旋槳輸入的功率，主要包含發(fā)動機功率輸入端和電動機功率輸入端2個方面。在穩(wěn)定運行工況下，螺旋槳工作在螺旋槳推進特性曲線上，當用多動力源(發(fā)動機和可逆電機)驅動螺旋槳時，螺旋槳要保持輸入功率和輸出功率的一致；此時，混合動力系統(tǒng)經過齒輪箱輸出的轉速與螺旋槳的轉速成比例關系；混合動力系統(tǒng)的功率等于螺旋槳吸收的功率。通常螺旋槳需要的功率與轉速的三次方成比例。輸出功率與轉速按照船機推進特性工況(E3)試驗循環(huán)進行計算[18-19]。

2.2 確定模式間切換條件

天然氣發(fā)動機是船舶氣電混合動力系統(tǒng)的主要動力源，因此要著重確定天然氣發(fā)動機的低負荷運行邊界條件。天然氣發(fā)動機類型眾多關于低負荷邊界并無某明確的計算方法和法規(guī)標準，對于不同結構的動力系統(tǒng)而言，低負荷低效率區(qū)范圍都不相同，而對圖1所示的船舶并聯(lián)式氣電混合動力系統(tǒng)而言，發(fā)動機低負荷低效率區(qū)即為當系統(tǒng)機械推進效率小于儲能電力推進效率時的發(fā)動機工作區(qū)，因此天然氣發(fā)動機低負荷低效率區(qū)最大轉矩線為當機械推進效率與儲能電力推進效率相等時發(fā)動機效率所對應的輸出轉矩，該轉矩稱為等效低負荷扭矩。

機械推進效率與儲能電力推進效率分別為[15]：

ηMP=ηeηclηgbηprop

(1)

ηPTH=ηb,avgηbηpcηmηclηgbηprop

(2)

式中：ηMP為機械推進效率；ηPTH為儲能電力推進效率；ηe為發(fā)動機效率；ηb,avg為蓄電池平均儲能效率，41.87%[19]；ηb為蓄電池平均放電效率，94%；ηpc為電力轉換裝置效率，95%；ηm為電動機效率，90%；ηgb為齒輪箱運行效率，98%；ηcl為離合器效率，99.9%[8]。

由式(1)和(2)可知，機械推進效率與儲能電力推進模式下效率相等時發(fā)動機效率為：

ηe=ηb,avgηbηpcηm

(3)

通過式(3)可得發(fā)動機效率為33.6%；圖2給出通過試驗測得推進特性下的發(fā)動機工作效率，根據圖2可知發(fā)動機效率為33.6%對應的轉速、扭矩分別為1 004 r/min和618 N·m，此時系統(tǒng)負荷為30%。因此當天然氣發(fā)動機負荷低于30% 時系統(tǒng)處于低負荷低效率區(qū)，為儲能電力推進模式、混合推進模式的分界點。

圖2 發(fā)動機推進特性曲線

觀察圖3可知，天然氣發(fā)動機的工作效率為33.6%(對應圖2中30%等效低負荷曲線)，此時對應的工況為轉速1 004 r/min、扭矩618 N·m，即A點，此時對應的是30%負荷(額定功率為218 kW)，圖中AC線為天然氣發(fā)動機效率為33.6%等效率曲線；30%等效低負荷曲線與293 kW(混合動力系統(tǒng))推進特性曲線的交點為B，此時轉速和扭矩分別為878 r/min和638 N·m，成為機械推進模式和儲能電力推進模式的分界點；D點為219 kW推進特性曲線與218 kW外特性曲線的交點，此時轉速和扭矩分別為1 299 r/min和1 400 N·m，成為機械推進模式和混合推進模式的分界點；30%等效低負荷曲線與293 kW推進特性曲線的交點為C，此時轉速和扭矩分別為700 r/min和693 N·m，此時B、C、D點成為機械推進模式、儲能電力推進模式。

圖3 特性曲線匯總

根據表1所選蓄電池的類型確定電池SOC的邊界條件，如圖4所示[20]；磷酸鐵鋰電池開路電壓OCV-SOC的關系是非線性的，OCV在SOC小于20%和大于80%時相對于SOC的靈敏度很高，即SOC發(fā)生微小的變化都會引起OCV較大的變化，如果在這種情況下給電動機提供電能，將使電動機兩端的電壓不穩(wěn)定，降低電動機運行的穩(wěn)定性和安全性，而在SOC處于20%～80%的OVC曲線比較平坦，可以保持較平穩(wěn)的充放電，為電機工作提供良好運行環(huán)境?？紤]到蓄電池的平穩(wěn)充放電和效率，并為蓄電池留有一定的放電和充電裕度，蓄電池SOC確定的工作確定為40%～80%[21]。

圖4 磷酸鐵鋰電池的 OCV-SOC 曲線

船舶并聯(lián)氣電混合動力系統(tǒng)通過加入電機來實現改變天然氣發(fā)動機運行工況工作點和提高響應速度。根據系統(tǒng)需求負荷和蓄電池SOC狀態(tài)將其混合動力系統(tǒng)進行模式狀態(tài)劃分，改變天然氣發(fā)動機工作狀態(tài)，有效改善天然氣發(fā)動機低負荷下效率低下、排放惡化的問題，同時可以確保天然氣發(fā)動機較長時間工作在高效率中等負荷區(qū)。根據上述切換條件，不同運行模式的約束條件如表2所示，圖5更加直觀的反映狀態(tài)分類的分界線。

圖5 模式狀態(tài)曲線

表2 系統(tǒng)工作模式劃分與約束條件

2.3 功率分配

功率分配模塊主要實現發(fā)動機和電動機目標功率的分配；發(fā)動機的目標功率Pe_target是根據總需求功率和狀態(tài)模式確定的，具體發(fā)動機目標功率為：

(4)

電動機目標功率Pm_target則由總需求功率與發(fā)動機目標功率計算獲得，如果Pm_target為負值表示處于發(fā)電機狀態(tài)，天然氣發(fā)動機多余能量通過發(fā)電機為蓄電池充電。電動機目標功率Pm_target為：

(5)

式中：Te_eff_min(n)和Te_max(n)為天然氣發(fā)動機等效低負荷扭矩和外特性扭矩，N·m；n為齒輪箱輸出轉速，r/min。

綜合需求功率、切換條件以及發(fā)動機和電機目標功率，得到如圖6所示的切換控制策略確定發(fā)動機、電動機目標功率的示意圖。

圖6 切換控制策略流程

2.4 離合器控制

在工作模式發(fā)生變化時，涉及到動力源加入和退出，此時需要離合器居中調度。不同工作模式下離合器的工作狀態(tài)如表3所示。離合器控制策略如圖7所示。當離合器主從轉速差nΔclt≤5 r/min時認定轉速同步成功，接排成功指令發(fā)出；當動力源輸出扭矩降為50 N·m時，認定滿足脫排條件，即可脫排，天然氣發(fā)動機停機。

表3 離合器工作狀態(tài)

圖7 動態(tài)協(xié)調控制算法控制策略

3 動態(tài)協(xié)調控制算法

在混合動力系統(tǒng)狀態(tài)切換過程中，當狀態(tài)切換前后的天然氣發(fā)動機和可逆電機目標轉速和功率發(fā)生了突變，由于2種動力源瞬態(tài)響應不同導致超調過大，需要在狀態(tài)切換過程中通過可逆電機進行動態(tài)協(xié)調控制。要解決動態(tài)協(xié)調控制問題，本文從功率入手進行控制；工程上天然氣發(fā)動機采用轉速閉環(huán)控制策略，屬于被動輸出功率，在混合動力系統(tǒng)中調節(jié)天然氣輸出功率是通過可逆電機來完成，故可逆電機采用的是功率/扭矩閉環(huán)控制[22]；當天然氣發(fā)動機/電機輸出的功率與目標功率的相差較大時，對電機的功率輸出進行協(xié)調分配，使輸出功率保持較穩(wěn)定的狀態(tài)，從而完成從當前模式向目標模式的平穩(wěn)過渡，故可逆電機目標輸出功率為：

Pm-target=Preq-Pe+Pm-ch

(6)

式中Pm-target為電動機目標功率；Pe為發(fā)動機實際輸出功率；Preq為需求功率；Pm-ch為充電需求功率。

模式1～6的定義和約束條件見表3。工況1，3，5中，SOC>0.8;工況2，4，6中，0.4

(7)

式中τengine為低通濾波器的時間常數，在總需求功率的基礎上，經過矢量求和的方式來求取電機功率，通過功率/扭矩閉環(huán)方式進行動態(tài)協(xié)調。

4 模式切換試驗結果分析與對比

為了研究混合動力系統(tǒng)特性以及驗證狀態(tài)切換時的切換控制策略和動態(tài)協(xié)調策略，設計如表4所示的測試工況來進行驗證。

表4 模式狀態(tài)切換試驗方案

觀察圖8可以得知，切換控制策略導致天然氣發(fā)動機轉速超調嚴重，轉速偏差率最高可達16.11%(工況2)，是因為切換控制策略在離合器接排/脫排直接把目標功率加載到天然氣發(fā)動機上，其天然氣管路的滯后性導致了轉速波動幅度較大；工況4和工況6結果表明PTO與Boost之間相互切換切換控制策略的轉速超調最低，也是由于兩模式切換時離合器不需要相應的調節(jié)，而動態(tài)協(xié)調算法可以轉速偏差穩(wěn)定到12%以內且穩(wěn)定時間能維持在3 s以內。為了更加直觀的反映2種方式性能和魯棒性，采用雷達圖對天然氣發(fā)動機轉速變化率和轉速穩(wěn)定時間參數進行對比分析，選取這2參數的原因是因為船舶動力系統(tǒng)以轉速閉環(huán)控制進行設計，轉速達到預定值可說明船舶阻力與輸出功率達到平衡。雷達圖中所圍成的面積越小代表性能越好，如圖9所示。通過工況6中測試工況包圍的面積可知動態(tài)協(xié)調算法的整體性能優(yōu)于切換控制策略。

圖8 測試工況轉速變化曲線

圖9 2種策略性能對比

5 結論

1) 基于規(guī)則控制策略可以良好地改善天然氣發(fā)動機運行工況，但是在模式切換過程中由于功率突變導致轉速的較大波動，調速性能較差；提出的動態(tài)協(xié)調控制算法可解決上述問題。

2) 加入動態(tài)協(xié)調算法以后，發(fā)動機轉速在切換過程中表現得過度很平穩(wěn)，整體功率波動較低。通過本文使得混合動力系統(tǒng)在模式切換過程中充分發(fā)揮可逆電機動態(tài)響應快的優(yōu)勢，加入動態(tài)協(xié)調算法可以加速轉速穩(wěn)定，驗證了算法的有效性和可靠性。