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智能船舶混合动力和推进系统的设计和控制
发展回顾
R.D. Geertsma,, R.R. Negenborn , K. Visser, J.J. Hopman
(荷兰代尔夫特理工大学海事与运输技术系，荷兰国防军事学院军事科学系。)
(代尔夫特理工大学3ME学院，34楼，Mekelweg 2，2628荷兰代尔夫特，荷兰）
最近设计更高效和多功能船舶的趋势增加了混合推进和电源架构的多样性。为了提高这些架构的性能，需要智能控制策略，而目前主要采用传统的控制策略。首先，本文将船舶推进拓扑结构分为机械，电气和混合动力推进，以及电力拓扑结构分为燃烧，电化学，储存和混合动力电源。然后，我们回顾推进和供电系统及其控制策略的发展，随后讨论这些系统和相关控制的机遇和挑战。我们得出结论：采用先进控制策略的混合动力架构可以将油耗和排放降低10-35％，同时改善噪音，可维护性，可操作性和舒适性。随后，本文总结了推进和供电技术的优点和缺点以及应用趋势，并回顾了有前途的先进控制策略的适用性和益处。最后，本文分析了哪些控制策略可以提高混合动力系统对未来智能船和自主船的性能，并得出结论扭矩，迎角和模型预测控制与动态设置的结合可以提高未来智能船和自主船的性能。
关键词：电力推进，混合动力推进非线性控制系统技术，海洋系统造船业，船舶设计国防工业电力系统储能
术语：
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代号 |
解释 |
代号 |
解释 |
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T |
扭矩 |
M |
马达 |
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n |
转速 |
P |
功率 |
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alpha; |
有效角度 |
f |
频率 |
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theta; |
实际俯仰角 |
DP |
动态定位 |
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Fth |
船舶推力 |
PID |
比例积分微分控制 |
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Xset |
设定点 |
nact |
实际轴转速 |
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V |
电压 |
Vship |
船舶行驶速度 |
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iexc |
励磁电流 |
MIMO |
多重输入多重输出 |
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I |
电流 |
MISO |
多输入单输出 |
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G |
发电机 |
n eng |
速度矢量（m/s） |
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ntc |
实际涡轮增压器转速 |
前言
与许多其他行业一样，航运业也面临着减轻其环境影响的巨大压力。 如果不采取措施，预计到2050年二氧化碳排放量将增加50％至250％，而巴黎公约则需要大幅减少至2050年实现2 C全球变暖目标[1]。 此外，航运已经造成2了全球氮氧化物排放量的15％，如果不采取措施，这种排放量也会增加[1]。 但是，动力和推进系统的进步以及能源管理的改进可以显着减少二氧化碳和氮氧化物排放[2]。为了实施这些进步，国际海事组织（IMO）Marpol法规对船舶排放实施了越来越严格的限制[3]。首先，IMO Marpol附件VI对输出功率超过130 kW的柴油发动机的加权循环氮氧化物（NOx）排放设置了限制。例如，2011年1月以后建造的船舶（称为第2层）上的柴油发动机对于高速发动机的限值为7.7克/千瓦时，对于低速发动机限值为14.4克/千瓦时。在排放控制领域，从2016年1月开始，称为Tier 3，这些限制降低到2.0 g / kWh和3.4 g / kWh [3]。目前这些限制解决了发动机的NOx生产问题，而不是整个船舶的推进和发电问题。然而，为了解决汽车每英里生产氮氧化物的问题以及公众为了在现实的驾驶条件下确定标准而哗然，可能会导致未来的运输法规限制每英里NOx的产量[4]。然而，减少柴油机推进和发电NOx排放的最重要研究领域是NOx排放技术，如废气再循环（EGR）和选择性催化还原后处理（SCR）[5-7]。其次，IMO Marpol法规为降低新船的能效设计指数（EEDI）制定了目标。这个EEDI是衡量货船每吨货物和每英里产生的二氧化碳排放量。与2013年引入的基准货船相比，新货船必须将其EEDI从10％降低到2030年的30％。类似措施正在为其他船型准备。因此，未来船舶的推进和发电厂必须在未来几年大幅减少燃料消耗和排放。
虽然减少燃料消耗和排放的压力有所增加，但船舶的运行形态已经变得越来越多样化：近海船舶执行许多任务，例如过境和临界动态定位（DP）操作[8,9]；诸如开拓精神之类的重型起重机船舶对于各种海上作业表现出增加的容量和复杂性；海军舰艇在公海进行传统的巡逻作业，但也部署在沿海作业中；而拖船在拖车时需要全拉式牵引，并且在运输或待机期间需要有限的动力[10]。由于这些不同的运行模式，动力和推进装置必须在许多性能标准上表现良好，例如：
1.燃料消耗；
2.排放物；
3.辐射噪声；
4.推进可用性；
5.可操作性；
6.由于最小的噪音，振动和气味而带来的舒适感；
7.由于发动机热负荷和机械负荷造成的维修成本；
8.购买成本。
此外，多样的业务概况使得很难
按照惯例，在船舶设计阶段针对特定操作点优化动力和推进装置。因此，自20世纪90年代以来，动力和推进配置已适应各种船舶类型（如游轮和主要船舶，如鹿特丹HNLMS（见图1）的电动推进装置的不同操作模式。然而，尽管电气推进在低速下更加高效，但它在发电机，电力转换器，变压器和电动机等电气部件中引入了5-15％的推进功率的额外转换损失。
效率和适应不同运行配置文件之间的这种折衷导致了各种各样的动力和推进架构，其可以分类如下
机械推进，电力推进或两者的混合组合；用内燃机，燃料电池，储能或混合动力组合发电和交流或直流配电。
随着系统架构的复杂性增加，控制的自由度增加。然而，大多数高级推进架构仍然使用相同的传统控制策略：固定组合器曲线，固定频率发生器，基于规则的电池使用和操作员控制的配置设置。相反，海事和汽车领域的研究表明，采用传统控制的先进架构不会显着降低燃料消耗或排放，同时系统的成本和复杂性也会增加[10,11]。
尽管如此，先进的海上应用控制策略尚未开发出来。然而，有关电池部署优化和DC架构智能使用的有限研究表明，智能控制策略可将燃油消耗和排放降低10-35％[12-18]。几乎没有涉及对其他标准的影响分析。因此，迫切需要对智能控制策略进行整体研究和开发以提高各种标准的性能，以实现未来智能船舶先进架构的优势。为了指导这项研究，必须对每种架构的适用控制策略进行评估，并根据上述标准对其进行评估。
虽然对汽车混合动力电动汽车架构及其控制策略有广泛的评论[19,11,20,21]，但对船舶的动力和推进架构及其控制策略缺乏此评论。此外，并联，串联和串并联[19,22]混合动力电动车辆的分类不适用于船舶动力和推进结构，因为船舶可以有多个推进发动机，电动推进电动机，柴油发电机，燃料电池和储能系统。因此，本文对船舶混合动力和推进结构及其控制策略的开发应用进行了综述。本文将推进拓扑分为机械推进（第2节），电力推进（第3节）和混合推进（第4节）以及燃烧电源，电化学电源，储能电源和混合动力系统电源（第5节）。此外，本文回顾了混合动力推进与混合动力电源（第6节）和混合推进与直流电源（第7节）等组合体系结构。对于所有这些动力和推进架构，本文回顾了好处和挑战，船舶应用和控制策略。由于对这些先进的船舶结构和控制策略的研究是有限的，因此每一部分也会审阅地球微电网和混合动力电动汽车技术的相关文献。最后，本文总结了电力和推进系统架构的发展，优点，缺点和应用趋势，并回顾了第8节中可用的控制策略及其优点，回顾了第9节中的研究机会，并在第10。
2.机械推进
在19世纪之前，船只被桨和帆推进。然后，蒸汽机的发展导致了机械推进的引入。在19世纪和20世纪，驱动发动机由往复式蒸汽机和蒸汽轮机发展为柴油发动机，并在某些应用中用于燃气轮机。 Curley [23]对这些发展进行了详细的历史回顾。
具有机械推进的现代船舶的典型结构在图2中示出。原动机（1），典型地是模具发动机或燃气涡轮，直接或间接地驱动推进器（3），通常为推进器通过变速箱（2）。替代原动机是 蒸汽轮机与（核）蒸汽提升装置和燃气轮机相结合。然而，这次审查侧重于柴油发动机，因为大多数船舶由于其高燃料效率而使用它们。
为了产生和分配辅助负载（5）的电力，例如变速驱动器（4），暖通风和空调（HVAC）以及其他任务关键和辅助设备，需要一个单独的电气交流电网络（6）系统。柴油机，蒸汽轮机或燃气轮机发电机（7）为这个电网提供电力。
对于由低速柴油发动机驱动的大型货船，不需要变速箱，通过倒转发动机旋转可以实现倒车。另一方面，小型船只需要变速箱来降低发动机转速，因为它们是由中型或中型驱动的
高速柴油机。该变速箱也可用于反转轴旋转。
应用最多的推进器是固定螺距螺旋桨（FPP）。它需要一个可逆的发动机或变速箱来停止和倒车。或者，可调螺距螺旋桨（CPP）可以提供停止和倒车的负向推力。其他推进器包括水射流，表面穿孔螺旋桨，环形螺旋桨，桨轮，鲸尾和磁流体动力推进[24]。此外，推进器和转向装置可以组合成可转向的推进器。然而，该评论仅限于螺旋桨，尽管同样的原理和控制策略也适用于其他推进器。因此，下面将更详细地介绍FPP和CPP的特性。
2.1． 固定螺距螺旋桨
当机械推进装置中的推进器是FPP时，船舶的阻力，螺旋桨和齿轮箱确定柴油机的负载特性。 这种负载特性被称为螺旋桨曲线[25]。 在图3中，绘制了三条螺旋桨曲线，代表柴油机在试验条件，设计条件和非设计条件下所经受的负载[26]。
螺旋桨曲线已绘制在发动机运行范围内。 这个工作范围显示了发动机可以提供的最大功率作为发动机转速的函数。 此外，图3显示了发动机的具体燃料消耗（SFC）作为发动机速度和输送功率的函数。 这个特定的曲线是从一个典型的中速柴油发动机的二次拟合模型得出的。
螺旋桨曲线，工作包络和SFC等值线图代表平稳状态，没有加速和贬值。在静止状态下运行时，柴油发动机以恒定的发动机转速输出恒定的功率输出。例如，设计速度可以在1125 rpm和2500 kW的运行点实现。在这种设计条件下，具体的燃料消耗量为191克/千瓦时。另一方面，由于恶劣的天气和船体结垢造成的非设计状态下，设计转速将在1125 rpm和3000kW的工作点上实现，从而导致193 g / kWh的平均燃料消耗率。
然而，在动态条件下，如在恶劣天气下航行和转弯时，实际载荷会在螺旋桨曲线的平均运行点附近波动[27,28]。图3所示的非设计条件代表负载的平均增加量。为了防止平均负荷周围的过载，螺旋桨曲线和发动机工作范围之间需要足够的余量。这可以通过选择额定功率增加的发动机来实现（见图3）。
然而，过高的发动机增加了推进装置的成本并增加了燃料消耗，因为平均运行点现在距最佳燃料消耗的距离更近，该距离接近最大装载线。或者，最近选择部分负荷范围更广的发动机也成为可能。连续涡轮增压，废气门或可变涡轮几何结构可以实现更广泛的操作性能[25]。例如，顺序涡轮增压（STC）通过关闭涡轮增压器来扩大运行范围，因为废气流量太低而无法实现有效性能。
总之，FPP的挑战是匹配柴油机，变速箱，螺旋桨和船舶的阻力，以便发动机可以在整个发动机转速范围内的运行范围内安全运行。船舶的最低速度受最低发动机转速限制的限制。为了倒车，引擎或变速箱需要是可逆的。
2.2．可调螺距螺旋桨
为了克服上述挑战，可以使用CPP [25]，因为螺旋桨桨距引入了额外的控制程度。减小螺距可降低螺旋桨推力和发动机在特定轴速下吸收的功率。这样可以将推力降低到最低发动机转速和全行程的值以下。此外，反向俯仰使推力反向，而不会使发动机或变速箱反向。 CPP因此直接提高了可操作性，并且可以使用控制策略来提高性能。
2.3．机械推进的好处和挑战
机械推进在设计速度下特别有效，在最高速度的80％和100％之间。在这个范围内，柴油发动机工作在最有效的工作点（见图3）。此外，机械推进只包括三个功率转换阶段，主发动机，变速箱和螺旋桨，这导致低转换损失。由于二级和三级发动机对NOx排放的限制以g/kWh表示，因此，高效运行，导致较低的动力输出，还将导致较低的NOx排放，同时铭记高速发动机的限制低于那些低速引擎。最后，机械推进的购买成本很低，由于其复杂性低。这证明运输船舶的
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