一种船用柴电混合动力系统的控制方法与流程

本发明属于船舶电力与能源，具体涉及一种高效高安全船用柴电混合动力系统的控制策略。

背景技术：

1、近年来，中国船舶数量增加，近海及港内船舶需要大量机动航行，柴油机严重偏离标定功率的最佳效率点，导致燃烧效率低、油耗量增加及产生大量有害排放污染物等后果。中国政府对此制定了严格的船舶排放法规，要求新造船舶需从动力系统设计选型阶段采用节能减排方案。提高船舶机动性能是解决当前问题的重要举措之一。机动性是指船舶航速从一种状态切换到另一种状态的动态响应性能。研究人员提出运用柴电混合动力方案来提高船舶的机动性能，以减少油耗量和控制污染物的排放。柴电混合力系统使用柴油机与电动机两种原动力，兼具动力性和经济性，是结合传统机械推进与电力推进的一种新型混合动力的系统方案，适用于新形势下的各种运输工具。但其技术极其复杂，涉及发动机、电机、控制模块及传动系统等各个方面，因此柴电混合动力尚未大规模普及运用，仍处于关键研发试用阶段。

2、目前柴电混合动力主要以三种状态工作。一是轴带发电机(power take off，pto)模式：当船舶所需负荷较低且航行于稳定状态时，柴油机长期处于低负荷高油耗率状态，此时运行pto模式能够利用主机富余功率向船舶电网供电，减少一台辅机运行，大大提升了船舶的经济性及环保性；二是电动机(power take in，pti)模式：当船舶处于起动或在较低负荷机动航行时，可以利用电动机良好的加速性能提升船舶的机动响应能力，尤其在进出港及特殊机动航行工况时，pti模式运行不仅能够提升船舶的机动性，还可以大大节省油耗；当船舶主机发生故障时，pti模式可以作为备用模式确保船舶安全运行，是柴电混合动力的一大优势；三是柴油机模式：柴油机由于其热效率高、功率密度大被广泛应用于船舶推进系统中。各种状态之间的切换，以及设备的配合，都需要在系统架构和控制策略方面进行深入的研究。

技术实现思路

1、因此本发明研究一种高效、节能、结构简单、系统稳定、绿色、安全的船用柴电混合动力系统，以解决混合动力船舶系统能源利用率低、系统结构复杂、系统可靠性稳定性低的问题。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种船用柴电混合动力系统的控制方法，基于船用柴电混合动力主系统和船用柴电混合动力从系统组成的双桨推进系统，船用柴电混合动力主系统由双燃料主推进柴油机和兼做轴带发电机的主电动机、主储能动力电池、动力耦合系统以及驱动推进螺旋桨的主传动系统组成，船用柴电混合动力从系统由双燃料从推进柴油机和兼做轴带发电机的从电动机、从储能动力电池、动力耦合系统以及驱动推进螺旋桨的从传动系统组成，传动系统为带离合器的混合动力齿轮箱，电动机直接通过齿轮箱连接推进螺旋桨，柴油机通过离合器连接齿轮箱，电动机通过变频器连接储能动力电池，主从储能动力电池分别连接独立的逆变电源，包括以下步骤：

3、步骤一，船舶的两种工况选择

4、需要船舶长时间处于经济航行时选择柴油机驱动工况(工况1)：采用双燃料主推进柴油机或双燃料从推进柴油机推进，柴油机工作于经济燃油消耗航速以及推进转速下，主电动机或从电动机通过柴油机的富裕功率发电变成pto工作模式的轴带发电机，一方面为船舶电网供电，满足船舶基本航行交流负载需求，另一方面可以为储能动力电池进行小电流充电，在船舶航行过程中，利用双燃料柴油机富裕功率为电池储能，以满足下一次过闸所需用电；需要船舶以最小推力实现船舶移动时选择电池驱动工况(工况2)：采用储能动力电池为全船供电；

5、步骤二，混合动力系统的三种工作模式选择

6、针对船舶航行规则设定，以soc、航速为变量划分区块，决定电动机和柴油机的功率分配，根据需求航速决定柴油机单独驱动、储能动力电池单独驱动和柴油机单独驱动并为储能动力电池充电三种工作模式的切换：当处于过闸工况或航速低于某限值，且soc高于30％时储能动力电池单独驱动；当处于过船闸工况且soc低于30％，或者soc低于85％时，柴油机单独驱动并提供额外的转矩给电动机，电动机以发电方式工作并采用恒流模式给储能动力电池组充电；当soc大于85％时柴油机单独驱动并采用恒压限流给储能动力电池组充电，至soc达到100％后停止充电；操控台向系统给定所需的航速，系统确认当前模式和目标模式，启动相应的切换策略。

7、储能动力电池单独驱动功能实现：混合动力系统在外部指令给定纯电动模式工况下，实现船舶纯电池动力驱动的功能；当遥控系统给定电池模式时，混合动力系统控制模式切换为储能动力电池单独驱动，轴带发电机的变频器运行模式处于电机模式。单舷混动控制器接收本地或遥控控制启停指令，接收到启动指令后，首先启动齿轮箱滑油泵，滑油泵启动并确认油压建立后，可启动轴带变频器控制轴带发电机跟随手柄给定转速进行功率输出，储能动力电池单独驱动模式下，应实时判断储能动力电池的电量以及输出电压，当电池电量低情况下，应限制输出功率，当储能动力电池电量过低时，应停止轴带变频器并禁止发电机启动并输出声光报警提示。

8、推进柴油机驱动功能实现：混合动力系统在外部指令给定柴油机单独驱动模式工况下，实现船舶柴油机单独驱动的控制功能；当遥控系统给定柴油机单独驱动模式时，混合动力系统切换控制模式为柴油机单独驱动，当工况切换完毕后，轴带发电机的变频器切换电动机运行模式为轴带发电机发电模式；柴油机单独驱动模式下，柴油机富裕功率通过轴带发电机发电，一方面提供逆变电源直流供电，另一方面为储能动力电池进行储能。

9、进一步，所述的步骤二中工作模式切换步骤如下：

10、柴油机单独驱动航行模式切换至储能动力电池单独驱航行模式：第一步，柴油机控制船舶制动停船，停船后混合动力系统停机，柴油机脱排并停机；第二步，控制模式转换为储能动力电池单独驱航行模式，储能动力电池动力系统启动，轴带发电机启动，齿轮箱滑油泵启动，齿轮箱合排，期间逆变电源无需停机，供电电源由轴带发电机转换为储能动力电池供电；

11、储能动力电池单独驱航行模式切换至柴油机单独驱动航行模式：第一步，控制模式转换为柴驱航行模式，柴油机启动；第二步，柴油机转速匹配怠速转速后，柴油机转换为功率模式并降至0后，柴油机合排，随后在线切换为轴带发电机发电模式，期间逆变电源无需停机，供电电源由储能动力电池供电切换为轴带发电机供电。

12、进一步，所述的步骤二中轴带发电机发电功能实现：当船舶处于柴油机推进的正常航行工况时，柴油机的输出通过齿轮箱传递至轴带发电机，此时轴带发电机的变频器工作在轴带异步发电工况，变频器在直流侧输出稳定的直流母线电压，提供给逆变电源用于船舶交流供电，并通过限制储能动力电池的充电电流，进行恒压限流发电。

13、更进一步，储能动力电池进行充电管理步骤为：当船舶处于航行工况时，轴带发电机的变频器作为储能动力电池的充电电源，当船舶处于靠泊工况采用岸电进行供电时，逆变电源(此时处于反向整流模式)作为储能动力电池的充电电源；不论处于以上哪种工况，功率模块的工作模式均为恒压限流模式，通过限制储能动力电池充电电流进行直流母线电压浮动控制；当储能动力电池均压充至3.4v或者单体电压充至3.6v时，功率模块进入浮充模式，确保储能动力电池均压或者单体电压维持在上述电压范围以内。

14、更进一步，储能动力电池进行放电管理步骤为：当船舶处于纯电动推进工况下，储能动力电池放电为逆变电源以及轴带发电机的变频器供电，混合动力系统将对储能动力电池容量以及放电速率进行实时监控；当放电速率超过1c且维持时间超过30s后将提示降速，并降低推进转速。当储能动力电池均压低于3.05v后，将提示电池容量低，建议从电动机推进模式切换为柴油机推进模式，当电池均压低于3v后，停止推进电动机，进行低电量保护；逆变电源在任何情况下均不停机，两台逆变电源永远处于在网并联运行状态，当电池均压低于3v或者soc低于30％后，提示电量低报警，当soc低于20％后提示启动应急发电机组；以上设定保护值参数以及范围可根据实际情况进行调整。

15、再进一步，所述的动力齿轮箱含pti接口，电机通过pti接口接入齿轮箱，电动机与推进主柴油机通过齿轮箱组成并轴机械混合动力系统，通过能量管理系统控制主机的启停、离合器合分排以及电机的功率流向实现船舶在不同工况下的混合动力运行模式。

16、本发明的技术效果是：

17、本发明可以在保证系统动力充足、功能稳定的情况下，有效提升系统效率，节省系统燃油，提升系统可靠性和安全性

18、本发明通过采用安全型电池和超级电容复合储能、双向多端口变电、电能先进管控等方案，实现能量的双向流动、快速充放和脉冲功率输出，降低系统体积、重量，提升系统快速动态响应性能。

19、本发明通过采用模块化的体系结构和标准化的能量接口，提高系统可拓展性和布置灵活性；通过采用配电滤波，提升系统供电品质。

20、相对于传统电池储能系统，本发明具有系统密度高、响应速度快、能量充放可控性好、系统可拓展性好、模块化程度高、布置灵活等优点，可增强船舶电力系统的供电可靠性、改善船舶电力系统电能品质，特别适用于有脉冲负载使用要求的船舶电力与能源系统。