王瑞昌, 陳志華, 明新國(guó)

(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240)

由于環(huán)境污染的日漸嚴(yán)重和排放法規(guī)的日益嚴(yán)苛，混合動(dòng)力船舶開始逐漸受到關(guān)注[1-2].混合動(dòng)力船舶主要是指由兩個(gè)或多個(gè)能同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的單個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)聯(lián)合組成的船舶.相較于傳統(tǒng)的以柴油機(jī)為主的單一推進(jìn)方式，由混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行推進(jìn)可以顯著提高船舶輕載過程中的燃油效率，降低排放中的污染物含量，從而滿足經(jīng)濟(jì)和環(huán)境保護(hù)的要求.隨著工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，船舶電力來(lái)源也愈加多樣化，主要包括柴油機(jī)發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電、鋰電池、超級(jí)電容及燃料電池等[3].

現(xiàn)代意義上的混合動(dòng)力船舶主要包括串聯(lián)式混合動(dòng)力船舶、并聯(lián)式混合動(dòng)力船舶及混聯(lián)式混合動(dòng)力船舶.混合動(dòng)力系統(tǒng)不再單獨(dú)由發(fā)動(dòng)機(jī)提供船舶航行所需總功率，而是通過采用機(jī)電耦合架構(gòu)，大大提升了船舶動(dòng)力系統(tǒng)的靈活性、安全性、可操作性及環(huán)保性，但是也給混合動(dòng)力船舶的能量管理帶來(lái)了挑戰(zhàn).因此，如何優(yōu)化船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)的能量管理策略就顯得尤為重要.文獻(xiàn)[4]通過對(duì)燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)的能量管理策略進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究，利用燃料電池的優(yōu)化控制策略提高了燃料電池的耐久性，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)功率的合理分配.目前混合動(dòng)力系統(tǒng)的能量管理策略主要分為兩類：一類是基于規(guī)則的控制策略，即依靠預(yù)先制定的規(guī)則，通過判斷船舶航行工況決定混合動(dòng)力系統(tǒng)的工作模式；另外一類是基于優(yōu)化的控制策略[5]，即通過設(shè)定不同的優(yōu)化目標(biāo)，確定不同的能量管理策略.

基于規(guī)則的控制策略可根據(jù)規(guī)則是否具有確定性分為基于確定規(guī)則的策略和基于模糊規(guī)則的策略.文獻(xiàn)[6]通過構(gòu)建由內(nèi)燃機(jī)、發(fā)電機(jī)及鋰電池組成的能量系統(tǒng)模型，根據(jù)船舶作業(yè)的實(shí)際工況制定功率變化規(guī)律，提出了船舶的基礎(chǔ)能量控制策略和高級(jí)能量控制策略.文獻(xiàn)[7]采用模糊邏輯控制(Fuzzy Logic Control, FLC)，以電池荷電狀態(tài)(State of Charge，SOC)值和電池端電壓為輸入，電池工作狀態(tài)(Battery Working State, BWS)為輸出，根據(jù)BWS來(lái)選擇不同的工作模式，并采用仿真對(duì)該能量管理策略進(jìn)行分析驗(yàn)證.結(jié)果表明該方法可以使得發(fā)動(dòng)機(jī)保持在燃油利用效率較高區(qū)域工作，減少污染排放.文獻(xiàn)[8-9]將電池與超級(jí)電容結(jié)合，組成能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，并研究了將這一混合能量存儲(chǔ)系統(tǒng)安裝在串聯(lián)式混合動(dòng)力船舶的工作效果.文獻(xiàn)[10]采用模糊邏輯控制研究了由燃料電池、蓄電池以及超級(jí)電容共同組成的推進(jìn)動(dòng)力來(lái)源的混合動(dòng)力系統(tǒng)能量管理策略，并驗(yàn)證了提出的混合動(dòng)力系統(tǒng)能量分配準(zhǔn)則的合理性.基于優(yōu)化的混合動(dòng)力系統(tǒng)能量控制策略主要分為全局優(yōu)化策略和實(shí)時(shí)優(yōu)化策略.全局優(yōu)化策略是根據(jù)歷史工況數(shù)據(jù)，在線下進(jìn)行算法優(yōu)化，找到最優(yōu)的能量管理控制策略.常用的基于全局優(yōu)化的能量管理策略主要包括模擬退火法、博弈論、線性規(guī)劃、最優(yōu)化控制、動(dòng)態(tài)和隨機(jī)規(guī)劃以及遺傳算法等.實(shí)時(shí)優(yōu)化策略由于可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)船舶的航行工況，得到了較為廣泛的應(yīng)用.文獻(xiàn)[11]研究了一種基于模型預(yù)測(cè)控制的混合動(dòng)力系統(tǒng)能量管理策略，從而實(shí)現(xiàn)了船舶動(dòng)力系統(tǒng)中各個(gè)動(dòng)力源輸出載荷之間的協(xié)調(diào)控制.文獻(xiàn)[12]利用模型預(yù)測(cè)控制算法對(duì)船舶航行所需的功率進(jìn)行預(yù)測(cè)，進(jìn)而對(duì)船舶動(dòng)力系統(tǒng)不同的動(dòng)力能源需提供的功率大小進(jìn)行分配，提升了船舶動(dòng)力系統(tǒng)的燃油效率和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性.

目前，串聯(lián)式船舶動(dòng)力系統(tǒng)可以通過控制電力總線上電流的流動(dòng)方向，能快速、靈活地對(duì)船舶動(dòng)力系統(tǒng)的能量分配進(jìn)行控制，因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了很多針對(duì)串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的能量管理策略.串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)多是在總功率相對(duì)較小的船舶上進(jìn)行設(shè)計(jì)應(yīng)用，相比于串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)，并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)既可以在船舶設(shè)計(jì)制造階段進(jìn)行應(yīng)用，也可以通過將現(xiàn)有的傳統(tǒng)的船舶動(dòng)力系統(tǒng)改裝得到.因此，船舶并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的應(yīng)用可以大大降低投資，起到立竿見影的效果.但是，并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)多用于大功率和大噸位的船舶，針對(duì)并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的能量管理策略研究較少，多是基于確定規(guī)則和模糊規(guī)則的能量管理策略，輸出總功率對(duì)于需求功率的跟隨效果較差.因此，本文主要針對(duì)并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的能量管理策略開展研究.

1 并聯(lián)式船舶動(dòng)力系統(tǒng)

1.1 并聯(lián)式船舶動(dòng)力系統(tǒng)組成概述

船舶動(dòng)力系統(tǒng)是一個(gè)大型的成套設(shè)備，主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置及推進(jìn)裝置.發(fā)動(dòng)機(jī)是船舶航行的主要?jiǎng)恿?lái)源，是船舶動(dòng)力的輸出設(shè)備，主要是將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，推動(dòng)船舶運(yùn)動(dòng).并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)是通過耦合裝置，使用機(jī)械連接將發(fā)動(dòng)機(jī)與螺旋槳直接連接起來(lái)，這就使得發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的功率可以直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，降低能量在傳輸過程中的損失.并聯(lián)式船舶動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)可以根據(jù)船舶航行的不同工況， 為船舶提供驅(qū)動(dòng)力.

圖1 并聯(lián)式船舶動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of parallel ship power system

1.2 并聯(lián)式船舶動(dòng)力系統(tǒng)工作模式

根據(jù)不同的航行工況，并聯(lián)式船舶動(dòng)力系統(tǒng)的工作模式可以分為以下4種.

(1) 發(fā)動(dòng)機(jī)與電池同時(shí)為船舶提供動(dòng)力，此時(shí)船舶動(dòng)力系統(tǒng)提供的推進(jìn)功率最高；

(2) 由發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)為船舶提供動(dòng)力；

(3) 發(fā)動(dòng)機(jī)在為船舶航行提供動(dòng)力的同時(shí), 也提供部分功率給以電池或超級(jí)電容為主的儲(chǔ)能單元，為儲(chǔ)能單元充電；

(4) 在船舶低負(fù)載航行時(shí)，由以電池或者超級(jí)電容為主要儲(chǔ)能單元的儲(chǔ)能模塊放電，單獨(dú)為船舶航行提供動(dòng)力.并聯(lián)式船舶動(dòng)力系統(tǒng)在不同工作模式下運(yùn)行時(shí)的能量流動(dòng)方向如圖2所示.

圖2 并聯(lián)式船舶動(dòng)力系統(tǒng)不同工作模式的能量流動(dòng)Fig.2 Energy flow at different operating modes of parallel ship power system

并聯(lián)式船舶動(dòng)力系統(tǒng)多用于大中型船舶，需求功率一般較大，且耦合裝置為機(jī)械連接，采用智能控制算法頻繁地更換船舶動(dòng)力系統(tǒng)的工作模式會(huì)對(duì)耦合裝置造成較為嚴(yán)重的磨損，而現(xiàn)有的基于經(jīng)驗(yàn)的和基于確定規(guī)則的能量管理策略不能滿足船舶動(dòng)力系統(tǒng)航行過程中的實(shí)際功率需求.因此，本文采用改進(jìn)的模糊邏輯控制對(duì)并聯(lián)式船舶動(dòng)力系統(tǒng)的能量管理策略進(jìn)行研究.

2 改進(jìn)的模糊邏輯控制算法

2.1 算法設(shè)計(jì)

船舶在航行的過程中，除了需要滿足其在靜水中航行的需求功率之外，還需要考慮船舶在航行過程中受到的環(huán)境擾動(dòng).文獻(xiàn)[13]利用自適應(yīng)模糊控制實(shí)現(xiàn)了船舶動(dòng)力定位，即利用控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器抵消風(fēng)、浪等作用于船舶上的環(huán)境擾動(dòng).而船舶在航行過程中的實(shí)際需求功率則可以通過將船舶循環(huán)航行過程中一個(gè)周期內(nèi)的需求功率與環(huán)境擾動(dòng)相疊加得到：

Pd=Pcla+Pr

其中：Pd為模糊邏輯控制中實(shí)際的需求功率；Pcla為靜水狀態(tài)下的典型需求功率；Pr為環(huán)境擾動(dòng)帶來(lái)的額外的需求功率.

根據(jù)模糊邏輯規(guī)則輸出的總功率不能較為精確地滿足需求功率大小，改進(jìn)的模糊邏輯控制算法是在模糊邏輯控制的基礎(chǔ)上將輸出總功率與需求功率的差值乘以一個(gè)修正因子作為修正項(xiàng)，與需求功率相疊加，作為修正的需求功率，進(jìn)而可以激活不同的模糊邏輯控制規(guī)則，減小輸出總功率與實(shí)際需求功率的差值.此時(shí)的需求功率修正為

Perror=Pd-Pout

其中：w為修正系數(shù)，可以通過調(diào)整修正系數(shù)的大小達(dá)到調(diào)整修正項(xiàng)大小的效果；Perror為需求功率與修正前實(shí)際輸出總功率的差值，即需求功率的修正項(xiàng)；Pout為輸出總功率.

2.2 模糊邏輯控制器設(shè)定

并聯(lián)式船舶動(dòng)力系統(tǒng)通過耦合裝置中的機(jī)械連接將發(fā)動(dòng)機(jī)、電池組及螺旋槳聯(lián)結(jié)在一起，頻繁地更換動(dòng)力系統(tǒng)的工作模式將會(huì)大大降低船舶動(dòng)力系統(tǒng)的整體壽命.因此本文在不對(duì)船舶動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行壽命產(chǎn)生較大影響的前提下，通過調(diào)用MATLAB軟件中的Fuzzy工具箱，利用基于改進(jìn)模糊邏輯控制的管理策略對(duì)船舶動(dòng)力系統(tǒng)的工作模式進(jìn)行實(shí)時(shí)切換，進(jìn)而提升并聯(lián)式船舶動(dòng)力系統(tǒng)的能量利用效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性，如圖3所示.圖中：Pe-out為柴油機(jī)提供的推進(jìn)功率；Pe-bat為柴油機(jī)提供給電池組的充電功率；Pbat為電池組的推進(jìn)功率.

圖3 MATLAB軟件中的Fuzzy工具箱Fig.3 Fuzzy toolbox in MATLAB software

2.2.1輸入及輸出設(shè)定 MATLAB軟件中的Fuzzy工具箱主要是通過設(shè)定輸入、輸出的隸屬度函數(shù)及模糊規(guī)則，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)模糊邏輯控制.基于模糊邏輯控制的并聯(lián)式船舶動(dòng)力系統(tǒng)能量管理策略的輸入主要包括船舶所需的總功率和電池組剩余的荷電狀態(tài)值兩個(gè)狀態(tài)量.設(shè)定船舶所需的總功率及電池組剩余的荷電狀態(tài)有7個(gè)隸屬度集合，分別為VS(非常小)、S(小)、RS(較小)、M(中等)、RB(較大)、B(大)以及VB(非常大).船舶所需的總功率和電池組剩余的荷電狀態(tài)的隸屬度函數(shù)如圖4(a)、4(b)所示，圖中P為概率.基于模糊邏輯控制的并聯(lián)式船舶動(dòng)力系統(tǒng)能量管理策略的輸出是對(duì)船舶需求的總功率進(jìn)行分配，即柴油機(jī)輸出功率和電池組輸出功率.設(shè)定柴油機(jī)推進(jìn)時(shí)輸出功率有9個(gè)隸屬度集合，分別為VS(非常小)、S(小)、RS(較小)、LS(偏小)、M(中等)、LB(偏大)、RB(較大)、B(大)以及VB(非常大)；電池組應(yīng)輸出功率有3個(gè)隸屬度集合，分別為S(小)、M(中等)以及B(大)；柴油機(jī)充電時(shí)向電池輸出功率有3個(gè)隸屬度集合，分別為S(小)、M(中等)以及B(大).其隸屬度函數(shù)如圖4(c)～ 4(e)所示.

圖4 隸屬度函數(shù)配置Fig.4 Configuration of membership functions

2.2.2模糊規(guī)則設(shè)定 根據(jù)船舶動(dòng)力系統(tǒng)的模糊邏輯控制原理，設(shè)定了如表1～3所示的柴油機(jī)推進(jìn)時(shí)輸出功率、電池組應(yīng)輸出功率和柴油機(jī)充電時(shí)向電池輸出功率的模糊邏輯控制規(guī)則.例如，當(dāng)需求功率為VS，即小功率需求(0～10)kW，電池組剩余荷電狀態(tài)為VS(0～0.2)kW， 此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)分配的功率為VB(80～90)kW，因?yàn)榇藭r(shí)柴油機(jī)的輸出功率一部分用來(lái)提供船舶航行所需的功率，另一部分用來(lái)給電池組充電.

表1 Pe-out控制規(guī)則Tab.1 Control rules of Pe-out

表2 Pbat的控制規(guī)則Tab.2 Control rules of Pbat

表3 Pe-bat的控制規(guī)則Tab.3 Control rules of Pe-bat

3 示例驗(yàn)證

3.1 船舶動(dòng)力系統(tǒng)的基本情況

以某新型內(nèi)河拖輪的典型工況作為研究對(duì)象，該船舶的典型工況主要包括停靠港口、離港、加速航行及正常巡航等經(jīng)典工況.船舶航行過程中的實(shí)際需求功率如圖5所示，圖中：t為時(shí)間.

圖5 船舶航行過程中的需求功率Fig.5 Demand power during ship sailing

3.2 Simulink仿真結(jié)果分析

根據(jù)模糊邏輯控制原理，建立并聯(lián)式船舶動(dòng)力系統(tǒng)的Simulink仿真模型，如圖6所示，圖中2、2.5等數(shù)字為修正系數(shù).Signal 1用于模擬船舶航行過程中為克服環(huán)境擾動(dòng)所需提供的功率波形；Signal 2用于模擬靜水條件下船舶航行所需的功率需求波形；Signal 3和Signal 4 相疊加用于模擬電池組的荷電狀態(tài)變化曲線；Signal 5用于修正Signal 3和Signal 4疊加后的電池組荷電狀態(tài)曲線，將其修正為縱坐標(biāo)在0～1之間的變化曲線.由柴油機(jī)輸出功率和電池組輸出功率共同組成的輸出總功率與需求功率的關(guān)系如圖7所示.修正前的柴油機(jī)輸出功率和電池組輸出功率曲線分別如圖8(a)和圖8(b)所示，經(jīng)過模糊邏輯控制，可以對(duì)船舶航行的需求功率進(jìn)行分配，即規(guī)定柴油機(jī)輸出功率和電池組輸出功率的大小.柴油機(jī)輸出功率可以通過調(diào)節(jié)燃油消耗實(shí)現(xiàn)，電池組輸出功率可以通過調(diào)節(jié)輸出電流電壓實(shí)現(xiàn).

圖6 并聯(lián)式船舶動(dòng)力系統(tǒng)的Simulink仿真模型Fig.6 Simulink simulation model of parallel ship power system

圖7 需求功率與修正前輸出總功率對(duì)比Fig.7 Comparison of required power and unmodified output power

圖8 修正前的柴油機(jī)輸出功率和電池組輸出功率Fig.8 Unmodified propulsion power required for diesel and battery package

圖9 修正后的模糊邏輯仿真圖Fig.9 Modified simulation model of fuzzy logic control

圖10 需求功率與修正后輸出總功率對(duì)比圖Fig.10 Modified comparison chart of required power and output power

圖11 修正后柴油機(jī)需提供的推進(jìn)功率和電池組需提供的推進(jìn)功率Fig.11 Modified propulsion power required for diesel engine and battery package

圖12 修正前后的需求功率與實(shí)際輸出總功率差值曲線Fig.12 Unmodified and modified error curves of demand power and actual output power

修正前后輸出總功率與需求功率誤差絕對(duì)值的差值曲線如圖13所示.用δ來(lái)表示修正后的誤差大?。?/p>

圖13 修正前后輸出總功率與需求功率誤差絕對(duì)值的差值曲線Fig.13 Error curve of absolute error between required power and output power before and after modification

δ=

如果δ<0，則表明修正后的誤差更小.觀察可知，修正后系統(tǒng)誤差更小，修正效果較好.

3.3 算法穩(wěn)健性分析

(1) 不同模糊邏輯控制規(guī)則下，修正前后輸出總功率與需求功率的誤差分析.

通過選用3種不同的模糊邏輯控制規(guī)則，均將輸出總功率與需求功率的差值作為修正項(xiàng)，對(duì)需求功率進(jìn)行修正，所得的修正前后輸出總功率與需求功率誤差絕對(duì)值的差值如圖14(a)～14(c)所示.可見，該算法可以有效降低輸出總功率與需求功率的差值.

圖14 3種模糊邏輯控制規(guī)則下修正前后輸出總功率與需求功率誤差絕對(duì)值的差值Fig.14 Error of absolute error between required power and output power before and after modification under three different fuzzy logic control rules

(2) 不同模糊邏輯控制規(guī)則間的輸出總功率與需求功率誤差比較.

分別比較3種不同模糊邏輯控制規(guī)則下修正后輸出總功率與需求功率誤差絕對(duì)值的差值，如圖15和16所示.可知，相比于其他兩種模糊邏輯控制規(guī)則，本文中提出的模糊邏輯控制規(guī)則較好.

圖15 第1種與第2種模糊邏輯控制規(guī)則的差值Fig.15 Error of the first and the second fuzzy logic control rules

綜上所述，本文提出的改進(jìn)的模糊邏輯控制算法具有較好的穩(wěn)健性.

圖16 第1種與第3種模糊邏輯控制規(guī)則的差值Fig.16 Error of the first and the third fuzzy logic control rules

4 結(jié)語(yǔ)

以柴油機(jī)為主要推進(jìn)裝置的并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)為例，針對(duì)船舶不同的航行工況，通過改進(jìn)模糊邏輯控制，以需求功率與實(shí)際輸出總功率的差值作為需求功率的修正項(xiàng)，對(duì)需求功率輸入端激發(fā)的模糊規(guī)則進(jìn)行更改，可以簡(jiǎn)便快捷地實(shí)現(xiàn)對(duì)并聯(lián)式船舶動(dòng)力系統(tǒng)能量管理進(jìn)行決策，為大功率船舶動(dòng)力系統(tǒng)的能量管理提供了新的解決方案.