综合电力系统船舶能量管理技术

中 国航海

NAVIGATIONOF CHINA

V140N〇.4Dec. 2017

文章编号：1000 -4653(2017)04 -0056 -05

综合电力系统船舶能量管理技术

唐道贵a，b，c,

严新平a，b，c, 袁裕鹏a，b，c

(武汉理工大学a.国家水运安全工程技术研究中心；E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)

摘要:与采用单一能源动力结构的船舶相比，采用太阳能、风能等清洁能源的混合动力船舶的电力系统的复杂性

增强，能量管理技术是保证其稳定、可靠、高效工作的关键技术之一。在研究综合电力系统的基础上，介绍当前国

内外船舶能量管理系统及能量管理策略的研究现状，系统总结基于规则、优化和智能控制算法的能量管理策略。 在此基础上，对船舶能量管理系统的发展趋势进行展望。关键词:综合电力系统；混合动力；能量管理系统；能量管理策略

中图分类号:U665.1

文献标志码:A

Power Management Technology in Ship5 s Integrated Power System

TANG Daoguia,b，c & YANXinping@b’c，

YUAN Yupenga,b,c

(a. National Engineering Research Center for Water Transport Safety; b. Reliability Engineering

Institute, School of Energy and Power Engineering； c. Key Laboratory of Marine PowerEngineering and Technology, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063 ’ China)

Abstract： The clean energies, such as solar energy and wind energy, are becoming popular in ship industry since the envi­ronment problems are dra^ving much atention. The integrated power system enables this development by providing a com­mon electrical platform

for

tlie

propulsion

and

ship service

loads.

For

exploiting t

characteristics of the diverse sources，effective power management is essential. The state-of-art research on power manage­ment strategies and load management methods is summarized and the rule-based， optimization-based and intelligence-basedpower management strategies are introduced respectively. The development trends of the ship power management system in th5futur5ar5for5cast5d.Key words: integrated

power system；

hybrid

power;

power management system; power

management

s

为满足船舶越来越高的电力需求、提高船舶营 运的经济性及实现船舶机舱更加灵活的布置，全电 力船舶得到越来越多的关注。综合电力系统将传统 的船舶机械推进系统与电力系统整合在一起，合理 地分配全船各分系统的能量，成为船舶动力系统的 发展趋势。[1]在船舶上应用新型能源被认为是绿色 船舶最具有革新性和代表性的技术[2]，将风能、太 阳能和燃料电池等清洁能源构成的分布式发电模块 通过综合电力系统应用到船舶上，构成混合动力系 统。然而，风能、太阳能等能源受环境影响较大，若

收稿日期:2017-6-09

不能对其进行有效控制，会导致电网不稳定，甚至是 失电。燃料电池的动态性能较差，且不具备储能的 能力，须采用动态性能相对较好的储能装置。混合 动力的各组成单元不仅具有复杂性和非线性等特 点，各单元之间更是具有较强的关联性。因此，为均 衡各能源与储能单元不同的特性，必须采用有效的

能量管理系统（Power Management System，PMS)。

PMS的应用十分广泛，可在手机、电脑等便携

设备上通过切换工作模式和睡眠模式保护电池，以 延长其使用寿命。[3]在陆地微电网、混合动力汽车

基金项目：国家科技支撑计划课题(2014BAG04B01);高校基本科研业务费专项资金(2016IVA01S);船舶动力工程技术交通行业重点

实验室开放基金（KLMPET2015-2);高校基本科研业务费专项资金(2015)07)

作者简介:唐道贵（1991 一），男，山东济宁人，硕士，研究方向为船舶动力系统可靠性和绿色技术。E-mail:dgtang@

whut. edu. cn

严新平（1959—），男，江西莲花人，教授，博士，研究方向为船舶动力系统可靠性和绿色技术。E-maixpyanHwhut.edu.c

唐道贵，等:综合电力系统船舶能量管理技术

57

和电气化飞机的混合动力系统中，PMS对 的优

控制均起着非 要的 。[47] 当对

电气 车PMS的研究一 ，但因船舶的

大、大

于

，船舶（特 中受通航 此，制 尤为重要。

本 多，电气

车PMS仍属

的高阶次、非线性、耦合的大惯性系统。此

业的工程船舶）在运行

航道的影响，其工况

复杂。因

略对混合动力船舶来说

查阅近6 a船舶

方面的文

的自动化、系统的 报警、输电分系统的监控保

及主要用电 的监控 等 。[13]船舶PMS

，最大限 防止失电，保证电力系统稳定、可靠运行； 对 ：行 分配，提高船舶的 ，减少燃 耗，降低船舶运 本;先的船舶PMS可节能5%，并减的目

对

分

行

少

。[14]

传统的 船舶电站的 只分析网的电流、等参数的状况，只 限 的电 及其控制，且船舶 手动进行能量 ，初步统计得到615篇方面的文章，按年份统计

的 见图1。这 的基础上对国

船舶

技术的研究现状进行论述，并对其发

势进行展望。

2010 2011 2012 2013 2014 2015

年份

图1按年份的文章数量分布

1综合电力系统及其能量管理

综合电力系统（Integrated Power System，IPS # 由 合电 置

来，早期的综合电：进置

电、 船

助电源等3部分

。[7]船舶电气

自动化的

，船舶对电力

的需 来越大，原有的综合电

无 未来船舶的

需要，IPS的概 此被 。为现相

，*S 电、配电、变电、负载、储系统控制等模块。[8] 的

性、实施的简易性 准

现船舶电力系统的高性能及低

本。与传统的

相比，IPS

低、使、原动机数量少、油耗低及便于综合

等

点。[9]

船舶PMS是根 IPS船舶的 需求产生的

针对船舶电

给、

耗的新型控制：理系统。[1#]系统

电

子系统、

子

系统、网络安全分析子系统、运行 子系统、

子系统和专家子系统等5个子系统。[11]船 舶PMS由陆大电网的PMS[12] 来，结合船舶IPS动态

多、脉

载影响大的特点，实现对

船舶电力系统的

分

、发电分系统

。早期的PMS 载的 需求，与

相

，根 的 ，按预先 的启动/停 来自动启动、停车。目建立的综合电力推进船舶PMS在传统电站的基础 加许多高级，仅对船舶的 行 ，还对电能的产生、转、传递及分配等 行控制，根以往功的消耗情况及未来需求对 行 控制；， 系统、IPS和动 系统等形成一个合元素。 的 多，当的PMS被称为 EMS( Energy Management System)或 PEMS( Power and Energy Management System)〇[15]

船舶PMS作为未来船舶的核心系统之一，受到 国

相关学者的

，船舶PMS构建方 之越

来越多。目国 的PMS大多针对单一

源综合电

船舶。国方面，主要

工大学、海军工程大学、上海海事大学及相关科研院 所对船舶PMS进行研究。 等[16]对PMS的功

行

，认为负载快速减少算法、预耗的方法及燃 耗最少的目 的确定等还待深入研究。龚喜文等[17]从船舶 控制器的角 行研究，提出3种 略，并对不

略的 行 。国外PMS技术的 为成熟， 出多

算机网络分布式系统产品，且性能稳定、可靠，被大 应 舰船中， 民船舶及海洋平台等

也

应用。

兰、

子 ABB等国际

企业推出的船舶PMS占国际市场主要份额。

国外针对IPS的研究较多， SHEN等[18]将PMS

为IPS的一

部分，其 及 ，同时

PMS

运行，以证其可靠性。从研究方法看，国主要

建

学

电气 行

，

MATLAB/Simulink 对船舶 PMS 进

行验证。[197#]研究内容方面，侧重于

的生产、

调度和分

略研究。

！ SEENUMANI等[21]和

FENG等[22]提出船舶

控制及分配的方法；

58

中国航海

2017年第4期

SEENUMANI等[23 *提出船舶能量的三级控制策略

在某一状态下，当有相关的触发事件发生时，状态机 根据当前状态和触发事件，决策系统状态转移的方 向。然而，状态机控制策略在各状态间的转换采用

滞环控制，这会影响PMS对负载变化的响应速度， 无法保证实时性。

限控制算

的 ， 基于 糊

(6P !第一级忽略动力源的动态特性，将主动力源与 蓄电池之间的功率分配转化为静态优化问题;第二 级考虑动力源的动态特性，将动力源的功率跟随转 化为动态优化问题;第三级完成模型预测控制）。

2能量管理策略

能量管理策略的目标是保证混合动力系统实现

的控制算法不是基于固定单一的数值，而是采用一

系 生的 糊控制 采专家知识库，将“专家”的知识以规则的形式输入到 模糊控制器中。例如，ZHU等[31]采用基于模糊逻 船舶的期望响应，同时优化控制能量的转换与传输

过程，是PMS的核心内容。对于含有多种能量源的 船舶IPS，需解决的是大规模、非线性及约束条件优 化的问题，要综合考虑蓄电池的荷电状态（SOC)、各 发电单元的最优化功率及船舶运行条件，从而进行 能量流的分配。[24]不同的能量管理策略对燃油经济 性、电源的动态性能及其服务期限有很大影响。[25] 针对混合动力船舶推进系统的结构和运动特性，其 能量管理策略大致分为基于规则的能量管理策略、 基于优化控制的能量管理策略和基于智能控制算法 的能量管理策略等3类。

2.1基于规则的能量管理策略

基于规则的控制算法是指采用直观或依赖经验 调试的控制策略，可分为静态逻辑门限控制算法、基 于模糊规则的控制算法等。静态逻辑门限控制算法 或判断规则算法主要来自于工程经验，其早期主要

应用在汽车上，研究最多的是开关式（〇n-〇ff)和功率 跟随等算法。袁裕鹏等[28]和HAN等[27]对静态逻 辑门限值控制策略在船舶上的应用进行介绍。通过 设置船舶的航速、发动机的工作范围、动力电池荷电 状态的上下限及限定动力系统各部件的工作区域， 优化发动机的性能，节约能源，降低排放。我国第一 艘新能源混合动力船“尚德国盛”号就采用这种控 制策略。静态逻辑门控制策略的优点是执行效率 高、实时性强、简单直观，但因其通常不依赖特定的 运行工况，静态参数不能适应工况的动态变化，无法 使整船系统的工作效率达到最大，从而无法满足整 船燃油经济性最大化的需求。因此，在混合动力汽 车领域，张军等[28]提出一种可变逻辑门限控制策 略，控制过程中以发动机和电机的输出特性、电池的 S0C为主要依据计算工作模式切换的可变逻辑门 限值，根据功率需求进行模式切换。

FER0LDI等[2；]针对陆地风能、太阳能和燃料 电池的混合动力系统设计基于状态机的控制策略。 对于以事件驱动的控制方式，状态机是非常有效的 设计模型[30]，其将混合动力系统的运行状况分成若 干种不同的状态，每种状态对应一种能量分配决策，

辑的实时能量管理策略，将蓄电池和超级电容的 S0C 及 需 为输 ， 糊 、 运算和去模糊化得到所需的控制输出量。仿真结果表 明，系统整体效率可达到51.4%，高于内燃机20% ~ 45%的能量转换效率。

2.2基于优化控制的能量管理策略

基于 的控制算 无 现多 源 的

功率分配[32]，且往往依赖于工程经验，有很大的局 限性。为得到更好的优化效果，可采用基于优化控 制的能量管理策略。基于优化控制的能量管理策略 主要应用在混合动力汽车中，包括静态（瞬时）优化 策略和动态优化策略。[33]

瞬时优化策略包含以降低油耗为目标的单一优 化及考虑油耗和排放等因素的多目标优化。前者将 名义油耗作为控制目标，获得反映混合动力系统性 能的成本，通过求其最小值得到使油耗最低的各项 参数。后者将排放因素考虑在内，采用加权的方式

耗。

瞬时优化常用的方法是等效燃油消耗最少法、 蚁群优化算法、模型预测控制和庞特里雅金最小值 原理。例如，ST0NE等[34]和PARK等[35]构建基于 模型预测控制算法的优化策略。首先确定船舶各任 务目标的优先顺序，并考虑系统的条件，继而采

非线性 预 控制算 本 。为满足实时控制的目标，引入扰动分析和序列二次

规划算法。PARAN等[38]等进行基于模型预测控制 的类似研究。SEENUMANI等[37]采用多时间尺度的 两级优化控制，在第一级仅考虑反应较慢的功率源 (如燃料电池），在第二级处理较快时间尺度下的动 态性能，这样虽然会降低优化精度，但可提高计算效 率，达到对功率进行实时管理的目的。

然而，瞬时最小值之和与和的最小值并不是等 价的，因此这种方式无法进行全局优化。全局优化 算法可获得系统的动态特性，包括混合动力系统的

单元的特性及船舶航行 的动态特 ，

唐道贵，等:综合电力系统船舶能量管理技术

59

实现整条航线上的优化。全局优化常见的算法是线 性规划、动态规划和随机动态规划等。例如，

KANELLOS™针对整个航线，采用动态规划的方法 对油耗和排放进行优化，仿真结果表明:在仅对油耗 进行优化时，运行成本可降低2. 86% $在考虑温室 气体的排放（多目标优化）时，成本可降低2.66%。

2.3

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基于智能控制的能量管理策略主要包括小波分 析、神经网络、遗传算法及基于机器学习的控制算法 等，目前被更多地应用到电动汽车中。例如! pan­

day

等[39] 采用遗传算法确定柴电混合动力 系统中

柴油机的启动/停止临界值，在解空间中寻求成本函 数的最优解;erdinc等[\"#]通过小波变化将负载功 率需求分解为高频、中频和低频，根据能量单元的动 态特性对负载的功率分配进行优化；murphey 等[41]采用基于机器学习的控制算法，不仅可通过识 别当前的运行工况对控制策略进行相应的调整，还 可预测未来交通和道路的拥堵状况，通过分析可知 其燃油经济性与采用动态规划算法情况下的燃油经 济性相当。但是，受控制器计算能力的，智能控 制算法的应用还需进一步简化，且需保证其控制性

受。

3结束语

针对*S，总结了其p

ms

的发展现状及多种控

制策略。简单的基于规则的策略不能对整个系统进 行优化，只能对功率进行简单的分配。基于优化的 能量管理策略可在整个航行过程中进行全局优化， 并将负载管理纳入到PMS中。基于智能优化的控 制策略能有针对性地解决船舶大规模复杂非线性优 化问题，将成为未来的研究重点。在船舶能量管理 的实时性方面，除了要在管理策略上进行优化，还需 构建实时数据数据处理平台，完善数据库建设，不断 推进接口与组件的规范化、标准化研究。

随着船舶的不断智能化，包括船舶电力系统、推 进系统等在内的各子系统之间的联系将更加紧密， 依托于船舶的数据处理和通信技术，PMS将在全船 的安全性、经济性和能效控制方面发挥更大的作用， 推进智能化船舶的实现。

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