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智能船舶混合动力和推进系统的设计与控制：发展回顾
摘要
最近设计更高效和多功能船舶的趋势增加了混合动力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，而目前主要采用常规控制策略。
首先，本文将船舶推进拓扑分为机械，电力和混合动力推进，以及电力拓扑结构分为燃烧，电化学，储能和混合动力电源。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，机动性和舒适性。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未来智能船和自主船混合动力系统的性能，并得出扭矩，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。
1、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，CO2排放量预计到2050年增加50-250％，而巴黎公约要求显著减少，以实现2℃的全球变暖目标[1]。此外，航运已经贡献了全球NOx的15％的排放量，如果不采取措施这也将增加，[1]。然而，电力和推进系统和能量管理的改进的进步可以显著地减少两个CO2和NOx排放物[2]。
为了实施这些进展，国际海事组织（IMO）Marpol法规对船舶排放物施加了越来越严格的限制[3]。首先,IMO Marpol附件VI对输出功率超过130kW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月以后建造在船舶上的柴油发动机，被称为Tier2，对于高速发动机而言限于7.7g/kWh，对于超低速发动机则限制在14.4g/kWh。在排放控制领域，从2016年1月起，被称为Tier 3，这些限制降低到2.0g/kWh和3.4g/kWh[3]。目前这些限制强调的是发动机产生NOx而不是船舶推进和发电整体。然而，旨在解决汽车每英里产生氮氧化物的问题以及公众在实际驾驶条件下哗众取宠以确定标准的发展，可能会导致未来航运法规限制每英里产生的NOx [4]。然而，最重要的研究领域，以减少NOX从推进和发电的柴油发动机的排放是NOX减排技术，诸如废气再循环（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％。类似的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。
尽管减少燃料消耗和排放的压力有所增加，但船舶的作业形式日益多样化：近海船舶执行许多任务，如过境和临界动态定位（DP）作业[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行动，但也部署在沿海作战中;而拖船在拖车时需要完整的系缆拉力，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、燃油消耗;
2、排放;
3、辐射噪声;
4、推进可用性;
5、操作性;
6、由于最小的噪音，振动和气味而令人舒适;
7、发动机热负荷和机械负荷导致的维修成本;
8、购买成本。
此外，多样的操作特性使得在船舶设计阶段的特定操作点优化动力和推进装置变得困难，这正如传统方式一样。因此，自20世纪90年代以来，动力和推进配置伴随着电动推进装置的不同操作模式已适应各种船舶类型（如游轮和主要船舶，如鹿特丹HNLMS）。然而，虽然电力推进在低速下更为有效，但它在发电机，电力转换器，变压器和电动机等电气部件中增加了推进功率的5-15％的额外转换损失。
效率和适应不同运营概况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：
bull;机械推进，电力推进或两者的混合组合;
bull;用内燃机，燃料电池，储能或混合动力组合发电;
bull;交流或直流配电。
由于系统架构的复杂性增加，控制的自由度增加。然而，大多数先进的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，先进的海事应用控制策略尚未开发出来。但是，有关电池部署优化和直流架构智能使用的有限研究表明，智能控制策略可以减少10-35％的燃料消耗和排放[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的先进架构的优势。为了指导这项研究，必须针对每种架构审查适用的控制策略，并根据上述标准对其进行性能评估。
尽管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]混合动力电动汽车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，燃料电池和储能装置系统。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）和混合动力推进（第4节）以及燃烧电源，电化学电源，储能电源和混合动力电源（第5节）中的电力系统拓扑结构。此外，本文回顾了混合动力推进与混合动力电源（第6节）和混合动力推进与直流混合动力电源（第7节）。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，因此每个部分还要审查陆地微电网和混合动力电动汽车技术的相关文献。最后，本文总结了动力和推进系统架构的发展，优点，缺点和应用趋势，并在第8节回顾了可用控制策略及其优点，回顾了第9节的研究机会，并在第10节中做出结论。
2、机械推进
在19世纪之前，船利用桨和帆前进。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，以及用于某些应用的燃气轮机。在Curley里[23]，这些发展有详细的历史回顾。
具有机械推进的现代船舶的典型结构通常为柴油机或燃气轮机的原动机直接或通过齿轮箱驱动推进器，通常是螺旋桨。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的电力，例如变速驱动器，暖通风和空调（HVAC）以及其他任务关键型和辅助系统，需要单独的电气交流电网。柴油机，蒸汽轮机或燃气轮机发电机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，因为它们是由中速或高速柴油发动机驱动的。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）可以为停止和倒车提供负推力。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，本篇回顾仅限于螺旋桨，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
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