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智能船舶混合动力和推进系统的设计与控制:对发展的回顾
R.D. Geertsma ， R.R. Negenborn , K. Visser , J.J. Hopman
荷兰代尔夫特理工大学海洋运输技术学院。
荷兰国防学院军事科学学院。
强调
1.对船舶的机械、电力和混合动力进行分类。
2.用于船舶的燃烧、电化学、储存和混合动力供应。
3.审查动力和推进架构的机会、挑战和趋势。
4.总结控制策略的发展，他们的利益和机会。
5.建议对扭矩、螺距和模型预测控制进行整体研究。
文章信息
文章历史:
收到2016年8月25日
于2017年2月12日收到订正表格。
接受了2017年2月20日
2017年3月8日上线。
关键词:电力推进混合推进、非线性控制系统、控制系统技术、海洋系统、造船工业、船舶设计、国防工业、电力系统储能。
摘要
最近的趋势是设计更高效和多用途的船舶，增加了混合动力的多样性和电源架构。为了提高这些架构的性能，智能，控制策略是必需的，而大多数传统的控制策略是目前应用的。首先，本文将船舶推进拓扑划分为机械、电力和混合动力，并将电源拓扑分为燃烧、电化学、存储和混合动力电源。然后,我们回顾了推进和供电系统的发展以及它们的控制策略。讨论这些系统和相关控制的机会和挑战。我们得出这样的结论采用先进控制策略的混合结构可以减少燃料消耗和排放。提高噪音、可维护性、机动性和舒适性。随后,本文总结了推进和电源应用的优缺点和趋势。技术，并回顾了有前景的先进控制策略的适用性和好处。最后，本文分析了控制策略可以提高混合系统性能的原因。未来的智能和自治船舶，并得出结论:扭矩、攻角和动态设置的模型预测控制可以提高未来智能的性能自治的船只。
2017年,作者。
由爱思唯尔有限公司出版。这是一个在CC许可下的开放存取文章。
1。介绍
与其他许多行业一样，航运业也处于良好状态。减少环境影响的压力。如果没有措施
到2050年，二氧化碳排放量预计将增加50-250%，而《巴黎公约》则要求大幅削减。
实现2摄氏度全球变暖目标[1]。此外,运输已经占到全球氮氧化物排放量的15%。
如果不采取措施，预计也会增加[1]。进步在电力和推进系统和能源管理方面。然而，改进可以大大有助于减少二氧化碳和氮氧化物排放[2]。
为了执行这些进展，国际海事组织(国际海事组织)《防污公约》的规定越来越严格。船舶排放限制[3]。第一，国际海事组织防污公约附件六。对氮氧化物(NOx)的排放量进行限制。柴油发动机的输出功率超过130千瓦。例如，2011年1月后建造的船舶柴油机，被称为Tier 2，在高速引擎中被限制为7.7 g/kWh。14.4 g/kWh的低速发动机。在排放控制从2016年1月起，这些地区被称为第3层，这些限制减少到2.0 g/kWh和3.4 g[3]。目前这些限制
解决发动机的NOx生产，而不是船舶推进。以及发电作为一个整体。然而,发展为汽车每英里生产氮氧化物，并引起公众的强烈抗议。确定实际驾驶条件下的标准，可能会导致未来的航运规定限制了氮氧化物的生产英里[4]。然而，最重要的研究领域要减少柴油机驱动和发电的NOx排放。发动机是NOx减排技术，如废气再循环(EGR)和选择性催化还原后处理。
(SCR)[5 - 7]。其次，国际海事组织的《国际海事组织规则》制定了目标。为降低能源效率设计指标(EEDI)新船。这个EEDI是衡量二氧化碳排放量的一个指标。一艘货船每吨货物和每英里生产。新与之相比，货船必须将其EEDI减少10%。基准的货船在2013年引入，达到30%。2030年其他船舶类型也正在准备类似的措施。因此，推进和发电设备的未来。船舶必须大幅减少燃料消耗和排放。在未来几年而减少燃料消耗和排放的压力。船舶的运行状况是否有所增加?多样化:近海船舶执行许多任务，例如中转和临界动态定位(DP)操作[8,9];
重型吊车，如开拓精神，展示an。增加各种海上作业的能力和复杂性;海军舰艇在公海执行传统的巡逻任务。也被部署在沿海地区;而拖轮则需要全部带缆桩。拖曳时牵引，在运输过程中需要有限的动力。或备用[10]。由于这些不同的操作配置，电源而且推进装置在许多性能上必须表现良好标准,如:
1.燃料消耗;
2.排放;
3.所示辐射噪声;
4.所示推进可用性;
5.机动性;
6.因噪音、振动和气味而感到舒适;
7.所示发动机热和机械负荷的维护费用
8.购买成本
此外，多样化的业务配置使其难以实现。优化动力和推进装置的具体操作。按照惯例，在容器的设计阶段。因此,自上世纪90年代以来，电力和推进配置一直存在。适用于各种电动推进装置。各种船型，如游船、船舶等。然而，尽管电力推进更有效率的低速，它引入了额外的转换?5-15%的电力推进力损失。发电机、电力转换器、变压器等部件和电动马达。
这种效率和对多样性的适应性之间的权衡。经营概况导致了越来越多的权力。推进架构，可划分为
:
图1 有电力推进的鹿特丹。
1.机械推进，电力推进或混合组合两种;
2.发电与内燃机，燃料电池，能源存储或混合组合
3.交流或直流配电。
随着系统架构的复杂性增加，学位控制自由的增加。然而,最先进的推进架构仍然使用相同的传统控制策略:固定组合曲线，固定频率发生器，基于规则。使用电池和操作控制的配置设置。相反，在海事和汽车领域的研究也有显示了具有传统控制功能的高级体系结构。不显著降低燃料消耗或排放，同时降低成本。系统的复杂性确实增加了[10,11]。
然而，先进的海上应用控制策略还没有开发出来。优化的有限研究。电池的部署和智能使用DC。然而，架构已经显示了智能控制策略。能在燃料消耗和排放上减少10-35%吗?(12 - 18)。
对其他标准的影响分析几乎没有被覆盖。因此，全面研究和发展。智能控制策略，以提高各标准的性能。是否迫切需要实现先进体系结构的好处?未来的智能船舶为了指导这项研究，
每个架构都需要审查适用的控制策略，以及他们在上面列出的标准的表现。
虽然对汽车混合动力车有广泛的评论。电动汽车结构及其控制策略。[19,11,20,21]，这样的评论缺乏动力和推动力。船舶的结构及其控制策略。此外,平行、串联和串并联的分类[19,22]。
电动汽车不适用于船舶的动力和动力。建筑，因为船舶可以有多个推进引擎，电力。
推进电动机，柴油发电机，燃料电池和能源。存储系统因此，本文对其进行了研究。混合动力和动力的开发与应用。船舶的结构及其控制策略。本文分类推进结构为机械推进(截面)。
- 、电力推进(第3节)和混合动力推进(第4节)和燃烧功率的电力系统拓扑供应、电化学电源、储存电源及混合动力供应(第5节)。此外，论文评审。混合的建筑，例如混合动力的混合动力。电力供应(第6节)和混合动力推进与直流混合。图1所示。有电力推进的鹿特丹。32 R.D. Geertsma et al. / Applied Energy 194(2017) 30-54。电力供应(第7节)。对于所有这些电力和推进结构，本文综述了该应用的优点和面临的挑战。关于船舶和控制策略。因为研究这些先进的结构和控制策略为船舶有限的，每一节也从陆地上审查相关文献。微网和混合动力汽车技术。最后,本文概述了该技术的发展、优点和不足。电力和推进系统结构的应用趋势，并回顾现有的控制策略及其收益。在第8节中，回顾第9节的研究机会并在第10节结束。
2。机械推进
在19世纪之前，船只是由船桨和船帆推动的。然后，蒸汽机的发展导致了引言的机械推进。
在19世纪和20世纪，驱动引擎由相互的蒸汽机和蒸汽涡轮进入柴油发动机，对某些应用来说，是气体涡轮机。对这些发展的详细历史回顾可以在Curley[23]中被发现。
现代船舶机械的典型建筑。推进装置如图2所示。原动机(1)，典型的柴油发动机或燃气轮机，驱动推进器(3)，典型的螺旋桨，直接或通过变速箱(2)。搬运工是蒸汽涡轮机，与(核能)蒸汽相结合。增加工厂和燃气轮机。然而，这篇综述的重点是柴油发动机，因为大多数船舶使用它们是由于他们的高燃料效率。
需要一个单独的电气交流网络(6)来产生。并分配辅助荷载(5)的电力，如变量速度驱动(4)，加热通风和空调(HVAC)和其他关键任务和辅助系统。柴油,蒸汽轮机或燃气轮机发电机(7)提供电力网络。
对于大型货船，由低速柴油机驱动，没有变速箱是必需的，反转可以通过倒车来实现发动机转动。另一方面，较小的船只需要变速箱。降低发动机的速度，因为它们是由中或高速柴油发动机。这个变速箱也可以用扭转轴旋转。
精通轴旋转。最实用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反转。或者，一个可调螺距螺旋桨(CPP)可以提供负值推力用于停车和倒车。其它推进器是水喷气机，表面穿刺螺旋桨，摆线螺旋桨，桨叶车轮，鲸尾，磁水动力推进[24]。此外，推进和转向可以结合在可操纵推进器。然而，这一综述将仅限于螺旋桨，尽管同样的原则和控制策略适用于其他推进器。因此，FPP和CPP的特点。下面将详细介绍。
2.1。固定螺距螺旋桨
当机械推进装置的推进器是FPP时，船的阻力，螺旋桨和齿轮箱决定负载。柴油发动机的特性。这个负载特性称为螺旋桨曲线[25]。在图3，三个螺旋桨曲线已经被绘制出来，代表了所经历的负荷。柴油机在试验工况、设计工况、设计工况。条件[26]。
螺旋桨的曲线已在发动机中绘制出来了信封。这个操作信封显示了最大的功率。发动机可以作为发动机转速的一种功能。此外,图3显示了发动机的燃油消耗率(SFC)。发动机转速和输出功率的函数。这个特定的情节是由一个典型中速的二次拟合模型推导出来的吗?柴油引擎。
图2所示。典型的机械推进系统。
图3所示。三个螺旋桨曲线和发电机在三个柴油机上的载重线。
带有典型SFC等高线图的操作信封。
螺旋桨曲线、操作信封和SFC等高线图。表示静止状态，无加速和减速。当在固定条件下运行时，柴油发动机以恒定的发动机转速输出恒定的功率。例如，设计速度可以在操作点上实现每分钟1125转和2500千瓦。在这个设计条件下，具体燃料消耗量为191克/千瓦时。
另一方面，在offdesign中，由于恶劣的天气和船体的污染，设计速度将在每分钟1125转的操作点达到3000千瓦，导致平均燃油消耗率193克/千瓦时。
然而，在动态条件下，如航行在重物。天气和转弯时，实际负荷在平均水平上下波动。螺旋桨曲线的工作点[27,28]。偏离设计的条件图3所示为负载平均增加。在防止在平均水平上下波动负载，在螺旋桨曲线和引擎需要列车运行。这是可以实现的。选择一个具有更高等级的发动机(见图3)。
然而，过高的发动机增加了推进的成本。工厂和增加燃料消耗的平均操作。现在点可能与最优燃料消耗有更大的距离，接近最大载重线。另外,择一个具有更大的操作范围的引擎。部分负荷最近成为可能一个更广泛的操作信封可采用连续式涡轮增压，废门，或可变涡轮几何[25]。例如,顺序涡轮增压(STC)关闭操作信封。当排气气流过低而不能有效时，涡轮增压器。
性能。
总之，FPP的挑战是匹配柴油发动机，变速箱，螺旋桨和船舶的阻力，使发动机能在它的工作范围内安全地跑过速度范围的引擎。船的最低速度是受到限制的。最低发动机转速限制。
为了反转，引擎或变速箱需要是可逆的。
2.2。
可调螺距螺旋桨
为了克服上面提到的挑战，CPP是可以的。使用[25]，因为螺旋桨螺距增加了一个额外的学位。控制降低螺距可减少螺旋桨推力和动力被发动机以一定的轴速度吸收。这允许推力低于最小发动机转速的值和完整的音高。此外，反转螺距使推力成为可能反转，不反转发动机或变速箱。CPP因此可直接提高机动性和控制策略。用于提高性能。
2.3。机械推进的好处和挑战。
机械推进在设计速度上特别有效，80到100%的最高速度。在这个范围内，柴油机在其最有效的工作点运行(见图3)。机械推进由三次功率转换组成。分阶段，主发动机，变速箱和螺旋桨，这将导致低转换损失。因为氮氧化物排放的限制。对于第二层和第三层的引擎，用g/kWh表示效率。操作，导致低功率输出，也会导致更低NOx排放，考虑到高速的限制。
发动机比低速发动机低。最后,机械推进的采购成本低，由于其复杂性低。这证明了机械推进的应用。运输船舶，如能源分析所示。在一个载重量的油轮上，它将88%的能量转化为燃料。主柴油机[29]。本研究就此得出结论船舶类型、燃料消耗和排放最好能减少。回收废气和冷却水中的余热产生辅助电源和加热。
然而，与引擎匹配的设计速度也有所修正。其他操作信封的工厂行为。CPP可以以增加系统的成本增加额外的控制自由的复杂性。然而，机械推进面临以下问题挑战:
- 机动性受到发动机工作范围的限制。使用CPP可提高机动性，但仍保留限于防止发动机过载。
- 高静态和动态的发动机加载可以增加引擎需要的维护工作。CPP的应用采用适当的控制策略可以减少静电。动态加载[28][26][30]
- 机械推进燃料效率低，排放高。当航行速度低于最高速度的70%时，因为发动机油耗显著低于50%额定功率(见图3)。
- 由于失败，机械推进装置的可用性很差。驱动列车上的任何部件都直接引导损失的推进
确定了主推进发动机的NOx排放。
5、在操作信封上的操作点。
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