袁裕鹏，王凯，严新平

(武汉理工大学a.国家水运安全工程技术研究中心;b.能源与动力工程学院可靠性工程研究所; c.船舶动力工程技术交通行业重点实验室，武汉 430063)

混合动力船舶能量管理控制策略设计与仿真

袁裕鹏a，b，c，王凯a，b，c，严新平a，b，c

(武汉理工大学a.国家水运安全工程技术研究中心;b.能源与动力工程学院可靠性工程研究所; c.船舶动力工程技术交通行业重点实验室，武汉 430063)

为了提高船舶的能源利用效率，降低排放，采用柴油发电机和燃料电池组成的混合动力为船舶提供电能，其中发动机为船舶提供基础载荷，当船舶功率负荷需求大于基础载荷时则由燃料电池组提供剩余的功率。针对这样的混合动力系统，设计船舶的能量管理系统的逻辑门限值控制策略和PID控制器。仿真结果表明，采用这种混合动力结构的船舶，可以提高柴油机的运行效率，所设计的PID控制器能很好地满足船舶的功率需求，提高系统的稳定性。

混合动力船舶;能量管理系统;燃料电池;基础载荷

清洁能源在船舶上的应用无疑具有良好的发展前景。目前风能、太阳能、核能以及燃料电池等清洁能源已初步具备在船舶上应用的基础，其中单一的能源的应用也已经有可供参考和借鉴的实船案例。但纵观清洁能源在船舶上应用的各种技术方案，仅利用风能或太阳能等单一模式并非为最优的应用模式。根据船型的结构、航行区域和营运特点的不同，多种能源的综合利用的混合动力船舶已成为21世纪船舶发展的主要研究方向［1］。“混合动力船舶”可以定义为以两种或两种以上储能器、能量源或能量转换器作为动力源，其中至少有一种可以提供电能的船舶。2000年澳大利亚开发出世界第一艘商用的太阳能/风能混合动力双体客船“Solar Sailor”号太阳能渡船［2］。德国西门子公司向海军提供的潜水艇用固体高分子燃料电池，在潜艇上安装燃料电池和柴电动力组成的混合动力系统［3］。2010年1月，意大利和斯洛维尼亚联合研制了GREENLINE 33混合动力游艇，该游艇混合了电池组、太阳能和柴油机动力。

国内在混合动力船舶领域方面起步较晚，成功应用的例子并不多。在2010年上海世博会上亮相了中国第一艘混合动力船——“尚德国盛”号游船［4］，该船采用太阳能和柴油机组作为混合动力，速度约15 km/h，节省电力和减排达30%以上。此船有柴油发电机组、动力锂离子电池、太阳能电池板3种动力源，拥有柴油发电机组电力推进、纯电池组电力推进和柴电机组与电池组混合电力推进3种不同推进模式，是目前世界上推进模式最多，功率等级最大的多模混合动力船舶。

文中针对柴油发电机单独为船舶供电时，总体效率不高的缺点，考虑采用柴油发电机与燃料电池组成的混合动力，对能量管理系统研制过程中涉及的主要技术——能量管理策略与PID控制器进行设计分析，最后利用MATLAB/Simulink工具箱对设计的能量管理控制策略进行仿真。

1 能量管理系统

能量管理系统(power management system，PMS)是电力推进船舶的关键控制系统之一，是在综合电力系统船舶出现后，根据综合电力系统船舶的实际需求而逐渐出现对船舶电能供给、调度、消耗的新型控制与管理系统［5］。

目前国外大中型船舶电站监控系统已经集监控、智能管理、船舶集成管理系统为一体。相关产品基本上都采用分布控制、集中管理的模式，通过以太网和现场总线将能量管理系统、推进控制系统及其他重要负载系统(如动力定位系统)综合集成在一个平台管理系统中，实现信息互联共享、协调控制和集中管理［6］。

但是目前国内外对于能量管理系统的发展仍处于起步阶段，对于其组成、结构还有较多争论，以Siemens产品为例，能量管理系统将供电与推进进行一体化的考虑，将能量作为一种流动的整体资源进行考虑，比直接通过设备功能划分出模块来切割能量的流动似乎更为合适［7］。

2 能量管理策略

在混合电力推进船舶中，风能、太阳能和燃料电池等清洁能源可以通过转换为电能与船舶电站相连，然后将清洁能源和柴油机组提供的电能供给各个用电负载，见图1。当混合能源系统结合在一起时，能克服单独使用其中任何一种能源的局限性。但多个能量单元增加了系统的复杂性，如何制定合理的能量管理策略，使由多个能量单元构成的混合动力系统稳定、可靠、高效地工作是混合动力船舶的关键技术之一。

图1 混合动力船舶推进系统构成

混合动力船舶能量管理策略的核心是保证混合动力系统实现船舶的期望响应，同时优化控制能量的转换与传输过程，即在不损害船舶性能和部件寿命的前提下，合理分配各能量单元的功率输出，控制电能的储存和释放，实现各能量单元的工作性能优化，同时减少功率损耗，提高全船的燃油经济性。目前，在混合动力能量管理策略方面研究较多的是汽车。M.C. Kisacikoglu和Li Chunyan等学者［8-9］研究了由燃料电池、蓄电池和超级电容组成的混合动力系统，采用模糊逻辑控制策略，能较好优化各能量单元的工作性能，提高了系统的寿命和经济性。但模糊规则的建立依靠操作者的经验，具有一定的主观因素，且难以实现，因此，文中采用简单的逻辑门限制控制策略。

3 能量管理系统的设计

设计混合动力船舶动力系统结构见图2，该推进系统由发电部分(包括柴油发电机、燃料电池(fuel cell，FC)组)、推进部分(包括变频器、推进电机和螺旋桨)、负载部分，以及能量管理系统组成。

图2 混合动力船舶动力系统组成

由于燃料电池价格昂贵，且大功率燃料电池为系统供电时，系统通常处在低效率加载运行状态。此外，由于燃料电池动态响应速度慢及不能很好跟踪负荷的波动，因此单独FC系统不能完全满足船舶的电力需求。此外，负载需求波动会损害FC组和减少其生命周期。如果FC系统单独供应所有的电力需求，这将增加FC系统的大小和成本以及氢消费。因此，船舶以柴油发动机提供全船的基础载荷(基载)(见图3)，并辅以FC组组成的混合动力结构。

图3 混合动力船舶功率-时间关系

当船舶所需功率高于基载时，柴油发动机处在最高效率点运行，超出的部分则由燃料电池进行负荷补偿，并通过能量管理系统进行优化管理;当船舶负载低于基础负载时柴油发动机跟随负载运行。这样的混合动力系统的优点在于:①在进行设计时，柴油发动机功率不需要选择很大，而且柴油发动机可以长时间在效率最高点运行，节省能源;②避免单独使用柴油发动机，即在船舶负荷随通航环境改变或在船用负载突然加大时，造成柴油燃烧不充分而产生黑烟的现象，这不仅降低能耗，改善环境污染，而且延长了发动机的使用寿命;③通过制定合理的能量管理控制策略，可以让柴油发动机和燃料电池保持良好的工作状态，提高系统的整体稳定性。

混合动力船舶电力系统组成见图4，燃料电池组和柴油机的输出功率由船舶的实时功率需求以及能量管理策略决定。

图4 混合动力船舶电力系统组成原理

文中采用简单的逻辑门限制控制策略，其工作过程是:首先检测船舶当前的瞬时需求功率P，与设定的基载P0相比较(基载一般选择发电机组的额定功率)。当P≤P0时，柴油发电机为全船供电，此时柴油发动机跟随着负载运行;当P0＜P≤P0+PFC1时，柴油发电机与燃料电池1工作，此时柴油发动机将在最高效率点运行，另一部分功率P-P0则由燃料电池提供;当P0+PFC1＜P时，柴油发电机、燃料电池1和燃料电池2一起工作。

4 系统仿真分析

混合动力船舶电网系统控制框图见图5，柴油发电机和燃料电池组均采用反馈控制，并由PID控制器控制。每个控制器都根据PID参数预设值工作。燃料电池组和柴油发电机产生的电通过逆变器和系统互连设备供给全船。柴油发电机的额定功率为50 kW，燃料电池组的最大输出功率均为20 kW。

图5 混合动力船舶能量管理系统控制原理

柴油发电机、燃料电池组、逆变器和互连设备的传递函数如下。

图6为船舶在某段时间工作过程中的实时功率需求。

柴油发电机、燃料电池组控制器的参数分别取:PDG=1，IDG=0.8，DDG=1;PFC1=1，IFC1=0.8，DFC1=0;PFC2=1，IFC2=0.8，DFC2=0。根据能量管理策略，在这段时间内，柴油发电机、燃料电池组1和燃料电池组2的输出功率分别见图7～9。

在该能量管理策略与控制器的作用下，电网的总输出功率见图10。

图6 船舶实时功率需求示意

图7 柴油发电机的输出功率

由仿真结果可见，在这段时间内，柴油发电机大部分时间在额定功率下运行，见图7。若是采用单独的柴油机发电系统，则柴油发电机的功率不仅会选择很大(至少90 kW)，而且也会在频繁变化的负荷下运行，见图6。因此采用柴油机和燃料电池组成的混合动力系统，可以大大提高柴油机的运行效率，节约能源降低排放。此外，由图6和图10可以看出，在设计的PID控制器作用下，系统的相应速度快、无超调，电网的输出功率能很好地满足船舶的负载需求。

图8 燃料电池1的输出功率

图9 燃料电池2的输出功率

图10 电网的输出功率

5 结束语

针对柴油发电机与燃料电池组成混合动力船舶的实际，利用柴油机担负船舶的基础载荷，设计了逻辑门限制控制策略，可以使柴油机发电机长时间运行在额定工况，优化发动机的性能，节约能源降低排放。而且设计的PID控制器能使电网的输出功率很好跟随船舶负载的电力需求。

由于燃料电池动态响应速度慢及不能很好跟踪负荷的波动，所以当负载需求波动很大时会损害燃料电池组和减少其生命周期。为此，增加燃料电池系统的能量存储系统(ESS)可提高整体系统的动态性能，提高燃料的经济性。今后还需进一步对增加储能系统如蓄电池或超级电容组成的混合动力系统开展研究。

［1］严新平，徐立，袁成清.船舶清洁能源技术［M］.北京:国防工业出版社，2012.

［2］严新平.新能源在船舶上的应用进展及展望［J］.船海工程.2010，39(6):111-115.

［3］CHALK S G，MILLER J F.Challenges for fuel cells in transport applications［J］.Journal of Power Source，2000，8(6):40-51.

［4］韩旗，黄一民，张纪元，等.船舶能量管理系统技术［J］.船舶工程，2009，(31):102-104.

［5］宋波.船舶能量管理系统设计研究［J］.中国舰船研究，2011，6(2):93-97.

［6］冒如权.舰船能量管理系统现状及发展趋势［J］.上海船舶运输科学研究所学报.2012，35(1):19-22.

［7］张纪元，王洪波，罗晓春.舰船能量管理系统技术研究［J］.船电技术，2007(2):97-99.

［8］KISACIKOGLU M C，UZUNOGLU M，ALAM M S.Load sharing using fuzzy logic control in a fuel cell/ultra capacitor hybrid vehicle［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2009，34(3):1497-1507.

［9］LI Chunyan，LIU Guoping.Optimal fuzzy power control and management of fuel cell/battery hybrid vehicles［J］. Journal of Power Sources，2009，193:525-533.

Design and Simulate of Energy Management Control Strategy for Hybrid Ship

YUAN Yu-peng，WANG Kai，YAN Xin-ping
(a.National Engineering Research Center for Water Transport Safety; b.Reliability Engineering Institute，School of Energy and Power Engineering; c.Key Laboratory of Marine Power Engineering and Technology，Wuhan University of Technology，Wuhan 430063，China)

In order to improve the energy efficiency and reduce emissions of ships，both of the diesel generator and fuel cell are used to supply power to the hybrid ship，in which the engine provides the basic load，and the rest power is provided by the fuel cell when the ship power load demand is greater than the basic load.For such a hybrid system，the logic threshold control strategy of energy management system and PID controller are designed.The simulation results show that the running efficiency of diesel engine is improved，which can satisfy the power demand of ship by use of PID controller and improve the stability of the system.

hybrid ship;energy management system;fuel cells;base load

U665.12

A

1671-7953(2015)02-0095-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.02.025

2015-01-09

修回日期:2015-01-21

国家科技支撑计划课题(2014BAG04B01)

袁裕鹏(1980-)，男，博士后

研究方向:船舶清洁能源技术

E-mail:canicula2000@whut.edu.cn