摘要：考虑到能源和环境的问题日益突出，开发低能耗、低排放的绿色船舶成为当今船舶工业的首要任务，设计混合动力船舶电力推进系统的架构，研究一套基于规则的混合动力船舶能量管理策略，提出AC/DC与双向DC/DC变换器的协同控制方法.该能量管理策略成功应用于混合动力船舶.能效数据分析证实，该混合动力船舶具有排放少、能耗低、噪声污染少的优点，具有很好的实际应用与推广价值.
关键词：混合动力船舶； 能量管理； 电力推进系统
中图分类号： U665.13
文献标志码： A
Abstract：Considering that the energy and environment problems are getting increasingly prominent， the development of green ships with low energy consumption and low emission has become a chief task for the present shipbuilding industry. The electric propulsion system framework of hybrid electric ships is designed. A set of energy management strategy for hybrid electric ships is studied based on rules， and the cooperative control method of AC/DC and bidirectional DC/DC converters is proposed. The strategy is applied to hybrid electric ships successively. The analysis of energy efficiency shows the hybrid electric ships are of the advantages of low emission， low energy consumption and low noise pollution， and thus this kind of ships is of good application and popularization value.
Key words：hybrid electric ship； energy management； electric propulsion system
0引言
二氧化碳的大量排放使全球变暖，世界各地极端气候频发.资料表明，全球航运业二氧化碳排放量大概占全球温室气体排放量的4%.[1 2]此外，船舶排放也是空气中PM2.5的主要来源之一.[3]由于船舶排放对环境的污染日趋严重，国际海事组织（IMO）以及越来越多的国家和地区正积极采取各种有效措施以减少船舶排放.[4]
利用石化能源（柴油、汽油）、风能、太阳能及蓄电池储能混合供电的混合动力船舶电力推进系统，不仅可节约燃油，还可以降低营运成本，是很有发展前景的能源综合优化利用系统，也是当前船舶节能减排领域的研究热点.[57]这种新型环保型推进系统在注重提高经济性的同时，更注重减少对环境的影响，包括航行和停泊所带来的燃油污染、废气污染和噪声污染等.[8]同时，混合动力船舶兼有柴电电力推进船舶和纯电动船舶的优点：相比于柴电电力推进船舶，可根据负荷大小选择供电模式，保证所有工况下的燃油经济性，且冗余性好；相比于纯电动船舶，初期投入成本低，且续航能力强.[9]
混合动力船舶电力推进系统的关键技术是能量管理及其控制策略，其目的是：在满足船舶动力性能的前提下，控制策略能够根据混合动力系统特性和实时运行工况，将多种能源合理分配、协调控制，使各部件高效率运行，以达到最大的燃油经济性、最少的排放.国内外对混合动力船舶的能量管理及其控制策略已做一些研究.SEENUMANI等[1011]利用混合动力船舶电力推进系统的动态特征，提出分级优化控制的能量管理策略，应用在执行武器或飞机弹射等危险任务的军事舰船上，通过对储能设备中功率流的控制，满足瞬间功率突变的需求.BARABINO等[12]提出军事舰船在不同操作模式下能量系统的数学模型，并通过实验证明该能量管理方法的正确性和可靠性.上述文献提出的能量管理策略都是为解决舰船上电力系统负载突变工况问题，从能量稳定性角度实现能量管理与控制.我国相关技术的研究起步较晚，能够应用于实际系统的能量管理策略相对较少.张敏敏等[13]提出一种基于逻辑门限的能量管理策略，但该策略还处于实验室设计阶段.ZHU等[14]提出基于模糊逻辑控制的混合动力船舶能量管理策略，并进行仿真，但该策略缺乏实际应用效果的论证.
综上可知，混合动力船舶具有节能减排的特点，特别是在民用船舶中具有较好的应用价值.作为实际工程应用，能量管理策略应该算法简单、响应迅速、计算量小.为此，本文提出一种基于规则的混合动力船舶能量管理策略，该策略涵盖系统各种应用工况，并结合实际工程需要提出一种集柴电机组、磷酸铁锂动力电池组为能源的混合动力船舶电力推进系统架构.结合该能量管理策略提出AC/DC与双向DC/DC转换器的协同控制方法，通过能效分析证实该方法可以减少油耗和排放，并具有很好的可靠性.
1混合动力船舶电力推进系统介绍
1.1系统总体架构
混合动力船舶电力推进系统总体架构见图1.系统动力源包括柴电机组、磷酸铁锂动力电池组（简称动力电池组）；柴电机组输出380 V交流电源接入交直交变频器的交流输入端；动力电池组通过双向DC/DC变换器接入交直交变频器的直流母线，再通过DC/AC逆变单元将直流逆变为380 V交流电，供给推进电机M.此外，考虑到双向DC/DC变换器的负担及实际工程的简单、可靠性要求，将船舶日常用电设备通过小型DC/AC逆变器接在动力电池组的输出端.该架构充分利用交直交变频器的特点，既可以使两种电源单独供电，也可以混合供电.