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原文传递内河船舶混合动力系统故障模拟及诊断方法研究

论文题名：	内河船舶混合动力系统故障模拟及诊断方法研究
关键词：	内河船舶;混合动力系统;故障模拟;故障诊断
摘要：	采用混合动力是提高能源利用率降低碳排放的有效方法，近几年混合动力系统在内河船舶行业中得到大力推广。装配柴-电混合动力系统的内河船舶具有PTI、PTO、PTH和主机4种推进模式，可使内河船舶在内河航道复杂多变的场景下满足不同的功率需求，但是相较传统推进方式而言，混合动力系统的组成复杂，运行维护也相对困难。为实现混合动力系统的稳定运行保障内河船舶安全，文中对内河船舶混合动力系统的仿真进行了系统研究，建立了混合动力系统各设备模型及系统集成模型，进行了不同故障下的性能变化规律研究，在此基础上进行了混合动力系统故障诊断研究。主要研究内容如下：　　(1)为准确的对内河船舶柴电混合动力系统进行故障模拟，选定330kW柴油机作为主机，180kW三相异步电机作为推进电机，依据7500t示范船的混合动力系统匹配模式，进行混合动力系统仿真模型的功率匹配，设定速比并根据系统输出转速进行模式划分。建立柴油机零维模型，根据齿轮箱“两进一出”及其离合、变速功能构建齿轮箱模型，建立基于直接转矩控制方法的推进电机模型，并最终集成为柴电混合动力系统模型，在4种运行模式下验证了混合动力系统模型的功能。　　(2)为保证柴油机模型在多种稳态工况的计算准确性，研究了基于强化学习的参数整定方法，使用近端策略优化算法构建智能体，实现了柴油机模型多种稳态工况下参数整定，克服了最小二乘法随整定参数增多误差增大的问题，遗传算法随整定参数增多、耗时增多的问题。完成了参数拟合，将柴油机非预测模型转化为半预测模型。　　(3)基于建立的混合动力系统模型，进行了设备故障模拟研究。使用柴油机模型分别进行了燃油量减少、定时故障模拟，选定缸压、功率、瞬时转速等作为评价指标，分别对故障下的单缸性能和整机性能进行了分析。使用推进电机模型进行了单相断路故障模拟，研究了故障下转速、转矩、定子三相电流的变化规律。　　(4)鉴于内河航道多样且交通密集，对混合动力系统动力性能稳定性要求高，且在逆流或高航速工况下对功率需求大。基于建立的混合动力系统模型，在混合动力系统PTI、PTO、PTH和主机4种运行模式下进行了柴油机和电机故障对系统性能的影响研究。混合动力系统转速、转矩以及波动率作为评价指标，对柴油机燃油量减少、定时异常、单缸断油、双缸断油和电机单相断路等，对功率影响极大的故障进行了故障影响研究，并分析了不同故障对运行模式的影响。　　(5)对混合系统中的柴油机进行了故障诊断方法研究。选择瞬时转速作为主要分析信号，分析了各种故障对瞬时转速时域和频域信号的影响规律，并与4120SG柴油机的实验数据进行了对比验证，提取了瞬时转速25个周期内的峰峰值、最大峰值、0.5和1谐次对应的瞬时转速差作为故障特征。研究了基于决策树、随机森林、Xgboost的故障诊断方法，对柴油机单缸断油、双缸断油和定时异常故障进行诊断，并与多层感知机和支持向量机方法的准确率进行了对比。
作者：	杜文超
专业：	轮机工程
导师：	向阳
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2022