详情

原文传递基于群智能算法的柴电混合动力船舶能量管理控制策略优化研究

论文题名：	基于群智能算法的柴电混合动力船舶能量管理控制策略优化研究
关键词：	柴电混合动力船;能量管理策略;模式切换;蚁群优化算法;粒子群优化算法
摘要：	能源危机和环境污染是当前船舶工业面临的两个重大问题，而新能源船舶被认为是解决这两个问题的有效途径。柴电混合动力船舶结合了传统内燃机船舶航行里程长和纯电动船舶节能环保的优点，成为新能源船舶领域研究的热点。本文以某并联式柴电混合动力船为研究对象，在满足船舶需求功率的前提下，如何有效实时分配柴油机和电机两大动力源输出功率，以获得最优燃油经济性。针对柴电混合动力船舶能量管理策略现有问题，结合典型的群智能优化算法即蚁群优化算法，粒子群优化算法，对能量管理控制策略展开深入研究。主要内容及结论如下：　　（1）建立并联式柴电混合动力系统模型。首先分析并联式柴电混合动力系统结构；其次采用模块化建模思想来建立各部件模型；最后根据柴油机数学模型、电机数学模型、电池数学模型、传动系统数学模型和螺旋桨数学模型等主要数学模型，建立并联式柴电混合动力系统仿真模型。在Matlab/Simulink仿真平台下，并借助船舶实测数据对所建立的模型正确性和精度进行验证。然后建立了基于规则的（ChargeDepleting/ChargeSustaining，CD-CS）策略进行仿真验证，为后文的研究奠定基础。　　（2）针对等效燃油消耗最小策略（EquivalentConsumptionMinimumStrategy，ECMS）实时性差和电池电量利用率低问题，提出了一种离散化自适应等效燃油消耗最小策略（DiscreteAdaptiveEquivalentConsumptionMinimumStrategy，DA-ECMS）。对于柴电混合驱动模式，通过对等效油耗的近似解析方程进行推导，获得了最优扭矩的约束条件，从而实现了整个可行域的数值计算，只需要计算5个离散点，提出了离散化等效燃油消耗最小策略（DiscreteEquivalentConsumptionMinimumStrategy，D-ECMS）。针对电池电量利用率低问题，对于已知航行里程，提出了一种随航程的线性下降荷电状态（StateofCharge，SOC）轨迹规划方法；对于未知航行里程，提出基于历史航行里程最大分布概率的区间平均值作为SOC规划的参考里程。采用改进割线法求最优初始等效因子。仿真结果表明，所提出的策略能够合理分配柴油机和电机的功率，提高柴油机和电机工作效率，降低油耗。　　（3）针对离合器在模式切换过程中结合或者分离，容易对传动系统造成冲击，产生大量的滑磨功，影响传动系统平顺性及离合器使用寿命的问题，提出了一种基于串级预测控制的模式切换协调控制策略。此策略包含模型预测控制（ModelPredictiveControl，MPC）与PID控制，通过对模式切换过程进行分析，确定了模式切换各阶段的控制目标，限制转矩变化率和每个阶段的冲击度。在MPC中，设计限制冲击度的状态约束条件和使离合器滑磨功最小的目标函数，得到柴油机、电机及离合器的最优需求转矩。为了精准对柴油机转矩控制命令进行响应，通过设计高采样频率的PID控制器来补偿柴油机输出转矩。仿真结果表明，所提出的协调控制策略能有效地减小了滑磨功，确保了模式切换平顺性，提高了模式切换品质。　　（4）为了达到提高整船燃油经济性和控制电池电量的双重目的，提出基于蚁群优化算法（AntColonyOptimization，ACO）同时考虑模式切换的ECMS策略。该策略采用内层和外层两层结构：在内层采用了考虑模式切换的柴油机控制模块，优化了工作模式和工作点，达到了提高燃油经济性目的；在外层针对传统蚁群算法的不足，引入了启发式因子和自适应挥发因子，提出了一种改进的蚁群算法对等效因子进行优化，以达到减小SOC最终值与目标值偏差的目的。仿真结果表明，所提出的策略能达到降低整船的燃油消耗和控制电池电量双重目标。　　（5）针对随着电池的老化，电池的SOC估计精度越来越低，缩短动力电池使用寿命，整船燃油经济性变差问题，提出了考虑电池退化特性的多目标能量管理策略。该策略分上层和下层两层结构：在上层采用基于自适应粒子群优化（ParticleSwarmOptimization，PSO）算法的考虑模式切换的D-ECMS策略来降低油耗；在下层采用强跟踪自适应无迹卡尔曼滤波算法（StrongTrackingAdaptiveUnscentedKalmanFilterAlgorithm，ST-A-UKF）对电池SOC进行在线实时估计。通过将电池老化模型应用到整船能量管理控制策略中，同时实现整船燃油经济性最优和延长电池使用寿命的目标。仿真结果表明，所提出的策略能够实现电池全寿命范围内SOC的精确估计和燃油经济性最优，缓解动力电池组容量衰减速率、达到延长电池使用寿命的目的。
作者：	项勇兵
专业：	轮机工程
导师：	陈辉
授予学位：	博士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2021