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2021-02-10 08:02:22|
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本发明涉及船舶、海洋工程的工程船、拖轮等节能减排与混合动力技术领域，尤其涉及一种混合动力船舶能效控制系统及方法。
背景技术：
目前，燃油仍是船舶的主导能源，省油是船舶的根本任务。柴油机厂家围绕缸内燃烧已研究出完善的节油技术，船用中速机最低耗油率(sfoc)为(191±5％)g/(kw〃h)，此对应的中速机最佳负荷为100％；低速机最低耗油率(sfoc)为(162～165)g/(kw〃h)，此对应的低速机最佳负荷为(75～80)％；但柴油机实际运行中要保持最低耗油率很难，船况及海况变化导致不能满足柴油机要求的运行条件，这是制约柴油机能效最优的难题。因此，再进一步减小柴油机的最低耗油率(sfoc)很难，实际运行中维持柴油机的最佳工况以达到最低耗油率很难。
主机功率与航速的三次方成正比，适当降低航速，则主机功率和耗油率sfoc将以三次方的关系下降，可明显降低燃油消耗量，船舶存在最佳经济航速，这是船舶设计的依据、船-机-桨最佳匹配点。但考虑船舶航线及经营要求，船舶保持最佳经济航速很难，这需要选择正确的计算评估方法、分析针对不同船型、船龄的科学、合理的经济航速，寻求柴油机油耗与航速最佳平衡点。从船舶柴油机实际运行工况考虑，当功率与转速变化时，其燃油消耗率sfoc受到喷油量、换气质量、转速等的影响，不是一个定值，船舶营运航速的影响使柴油机省油难以操作。而风能、太阳能、波浪能等绿色能源在船上应用效果不足、成本太高。
围绕船舶主机废热利用节能，目前的废气锅炉、废气透平、造水机对主机废热的利用很成功，对低速主机废热能的直接利用。将主机废热转化为电能成已为热点，包括轴带电机、废气透平发电、废气锅炉蒸汽发电、主机排烟orc发电、排烟与环境的温差发电等等，成本太高、效益差，只有轴带电机还有应用前景，但船上轴带电机的应用是为了减少柴油发电机做功，忽视了船舶主机和发电柴油机以最低耗油率sfoc运行的问题。
油-气混合动力与油-电-气混合动力是船舶发展的热点方向之一，油-电混合动力船舶已成为研究热点并开始实施，油-电-气混合动力船舶研究尚未进行。但仅仅解决了sox、nox等排放和污染问题，如果混合动力中不增加蓄电池储能技术，那么混合动力船舶最佳能效就难以保证。
目前，油-电混合动力的研究以电推为重点，忽视了船舶省油的根本是柴油机节油，柴油机节油的根本是最低耗油率sfoc运行，所以，电推船舶未必省油。有些船舶利用风能太阳能等的目的是减少发电柴油机做功，但不是使柴油机以最低耗油率sfoc运行来省油的。
提高船舶能效的技术现状如下：
1、船舶采用经济航速航行达到省油目标，但经济航速受航线、货物营运等影响，船舶为了船期、作业需求、装卸货要求、港口潮水、避开恶劣海况等条件，总是变速航行，远远偏离经济航速，这是普遍存在的问题和难题。
2、混合动力中的主机轴带发电机部分取代柴油发电机组为船舶供电，减少发电柴油机的输出功率。
3、混合动力中的风能太阳能发电经蓄电池组储能后逆变并入船舶电网，减少发电柴油机的输出功率。
4、混合动力中的岸电经蓄电池组储能后逆变并入船舶电网，取代发电柴油机供电。
5、混合动力中的蓄电池组储能或超级电容储能经dc/dc(斩波器)并入船舶直流电网或经dc/ac(整流/逆变模块)并入船舶交流电网，对船舶电站起“平峰填谷”作用，防止柴油发电机组负荷变化太大，提高船舶电站稳定性。
因此，混合动力船舶现有方案是减少发电柴油机的输出功率以达到省油目标，船舶营运以柴油机最低耗油率sfoc的最优控制实现节油还是空白。
上述技术现状带来的技术问题如下
1、拖轮、工程船等类型船舶的工况多变、负荷不稳，停泊工况、抛锚工况、巡航工况、拖带或施工工况又有轻负荷和重载之分，但其动力配置是按照满负荷工况设计的，这造成动力储备浪费、不经济。
2、拖轮、工程船等类型船舶的满负荷工况时间很少长期连续，但柴油机热效率是按照额定工况设计与配置的，这使柴油机偏离了最低耗油率sfoc工作范围，造成柴油机的耗油率变差，不省油。
3、现有的混合动力船舶以减少船舶柴油机做功来达到节油的目标，忽视了以船舶柴油机最低耗油率sfoc为最优控制的节油目标。
4、现有的混合动力船舶要么柴油机推进，要么电力推进，两者不互为兼用，这是制约船舶能效提高的技术难点。
5、船舶工况及环境多变且不确定性，当功率与转速变化时，其燃油消耗率sfoc受到喷油量、换气质量、转速等的影响，船舶柴油机实际工作中的最佳耗油率sfoc精确点难以确定，属于灰色系统，这是通过控制柴油机最佳耗油率sfoc实现船舶节油的难点。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种混合动力船舶能效控制系统及方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种混合动力船舶能效控制系统，船舶包括左螺旋桨和右螺旋桨；控制系统包括第一柴油发电机组、第二柴油发电机组、岸电电源、交流母线、储能单元、直流母线、左电机、左离合器、左主机、右电机、右离合器和右主机；所述第一柴油发电机组和所述第二柴油发电机组分别通过第一交流断路器和第二交流断路器连接交流母线；所述岸电电源依次经真空断路器、变压器组和第三交流断路器连接交流母线；所述交流母线分别经第四交流断路器、第五交流断路器、第六交流断路器和第七交流断路器分别连接第一整流/逆变模块、第二整流/逆变模块、第三整流/逆变模块和第四整流/逆变模块，再分别通过相应的第一直流断路器、第二直流断路器、第三直流断路器和第四直流断路器连接在直流母线上；所述储能单元依次经过所述第五直流断路器、斩波器和第六直流断路器连接直流母线；第四交流断路器和第五交流断路器之间的交流母线上设置有第八交流断路器；第六交流断路器和第七交流断路器之间的交流母线上设置有第九交流断路器；直流母线分别经第五整流/逆变模块和第六整流/逆变模块分别连接第十交流断路器和第十一交流断路器，之后分别连接左电机和右电机；左电机连接左螺旋桨和左主机；右电机连接右螺旋桨和右主机。
优选的，所述第一柴油发电机组和所述第二柴油发电机组型号相同，容量不同，所述第二柴油发电机的功率是所述第一柴油发电机组的一半。
优选的，所述储能单元包括蓄电池组和超级电容；蓄电池组包括第一锂电池组、第二锂电池组、第三锂电池组和第四锂电池组，第一锂电池组和第二锂电池组的容量相等且为第二柴油发电机组的容量；第三锂电池组和第四锂电池组的容量相等且为第二柴油发电机组容量的一半。
优选的，当左螺旋桨和右螺旋桨采用可变螺距的螺旋桨，则左电机和右电机分别连接左主机和右主机；当左螺旋桨和右螺旋桨采用定距的螺旋桨；则左电机通过左离合器连接左主机；右电机通过右离合器连接右主机。
本发明的目的还在于提供一种混合动力船舶能效控制方法，所述控制方法使用上述任一所述的控制系统实现；所述控制方法具体为，根据船舶所处的工况，采用不同的供电方式，以保证混合动力船舶能效最优；船舶所处的工况包括
靠泊工况；岸电电源供电，并为储能单元充满电；
锚泊工况；储能单元供电，当锚泊时间过长，导致储能单元放电到其额定容量的30％，则优先启用第二柴油发电机组供电，并为储能单元充满电；当出现全船停电，则第二柴油发电机组自行启动，让船舶供电恢复正常，第二柴油发电机组具备应急发电功能；
停机工况；第一柴油发电机组、第二柴油发电机组、左主机、右主机、左电机和右电机停机；
等待工况；船舶处于备车状态，接到开船命令可立即出发；备车状态包括靠泊备车、锚泊备车和漂泊备车；靠泊备车和锚泊备车需要先启动第二柴油发电机组，为储能单元充电，船舶的操纵系统无异常时，全船进入随时起动准备，若等待工况时间过长，则第二柴油发电机组停机，转为储能单元供电；漂泊备车时，左或右螺旋桨慢速运转，当储能单元供电时间过长导致储能单元放电到其额定容量的30％，则启动第二柴油发电机组供电；漂泊备车时，至少需要一个螺旋桨运转，则与该螺旋桨相应的电机为pti电动模式；
进出港工况；优选储能单元供电，两个电机为pti电动模式分别驱动相应的螺旋桨运转，且主机和电机都处于随时启动状态；当储能单元供电时间过长导致储能单元放电到其额定容量的30％，则第二柴油发电机组投入工作且维持在满负荷最低sfoc工作，两个电机均处于pti电动模式，船舶为电力推进模式；
船舶低速或中速工况；优选储能单元供电，两个电机为pti电动工作模式分别驱动相应的螺旋桨运转，当储能单元供电时间过长导致储能单元放电到其额定容量的30％，一个主机投入工作驱动对应的螺旋桨运转，且该主机投入工作且维持在满负荷最低sfoc工作，与该主机相连的电机为pto发电模式；另一个主机不运转，与其相连的电机为pti电动模式，此时船舶进入双轴混合推进模式；
储能单元供电，两个电机分别驱动相应的螺旋桨运转，一个主机投入工作且维持在满负荷最低sfoc工作；且另一个主机和两个柴油发电机组都处于随时启动状态；
船舶高速工况；两个主机投入工作且维持在满负荷最低sfoc工作，两个电机为pto发电模式，并为储能单元充满电；
最大拖力工况；优选两个主机都投入工作且维持在满负荷最低sfoc工作，左右电机为pti电动模式，储能单元给电机供电与主机共同驱动螺旋桨运转；当储能单元放电到其额定容量的30％时，两个柴油机组投入工作且维持在满负荷最低sfoc工作；当船舶顶推或拖带负荷变动时，两个电机自行切换pti电动模式或pto发电模式以平衡负荷的突增或猛减，储能单元配合两个电机进行充电或放电以平衡电负荷的突增或猛减。
优选的，两个电机自行切换pti电动模式或pto发电模式包括三种情况，分别为，电机为pti电动模式，主机停机；电机pti电动模式，主机工作；电机为pto发电模式，主机工作；当推进负荷增加导致主机功率增加时，电机为pti电动模式产生推进作用，补偿推进负荷的增加；当推进负荷下降导致主机功率降低时，电机为pto发电模式产生阻力作用，补偿推进负荷的下降，使主机功率不随推进负荷变动而波动，使其始终处于满负荷最低sfoc工作。
优选的，储能单元配合两个电机进行充电或放电包括三种情况，分别为，储能单元供电，柴油发电机组停机；储能单元充电或放电，单台柴油发电机组工作；储能单元供电，两台柴油发电机组工作；当电站负荷增加导致柴油发电机组功率增加时，储能单元放电；当电站负荷下降导致柴油发电机组功率降低时，储能单元充电，以使柴油发电机组功率不随电站负荷变动而波动，使其始终处于满负荷最低sfoc工作。
优选的，通过交直流混合母线和储能单元，实现柴油机组的满负荷最低sfoc工作和主机的满负荷最低sfoc工作共同组成柴油机耗油率sfoc最低控制，柴油机耗油率sfoc受喷油量、换气质量、转速、负荷的影响而不是一个定值，则柴油机耗油率sfoc计算如下，
其中，λ为修正系数；mfo为实时检测柴油发电机组和主机的燃油消耗质量；ts为系统的持续采样间隔时间；pshaft为柴油发电机组和主机的轴功率；pa为工作环境大气压力；tte为工作环境大气温度；tcx为工作环境下主机扫气空冷器进口温度；
eeoi能效燃油指数公式如下：
其中，cf为燃油消耗量与co2量转换系数；d对应于所做的功的距离；td为船舶航程d所需时间；
由于柴油机组在实际工作中的最佳耗油率精确点难以确定，属于灰色系统，因此，采用灰色模型进行定量预测，柴油机台架试验的最佳耗油率范围为预测边界；则根据采样时间ts依次得到的eeoi原始数据，累加生成eeoi数列如下
eeoi(r)(k)＝eeoi(r)(k-1)+eeoi(r-1)(k)
柴油发电机组运行期间按时间顺序采集的eeoi原始数据，第一个eeoi数据不变，第二个eeoi数据是原始的第一个eeoi数据加原始的第二个eeoi数据，第三个eeoi数据是原始的第一个、第二个和第三个eeoi数据相加，依次算法进行下去，累加生成eeoi新数列，具有较强规律，接近某一函数为eeoi生成函数，可用于进行能效变化趋势分析；
则累减生成sfoc数列如下
即
其中，i，k和r均为自然数，对应柴油机组运行依次采样的时间序列，累减生成sfoc数列是将依时间序列采集的sfoc原始数据前后两个sfoc数据相减所得；这在sfoc建模过程中获得增量信息，用于混合动力系统进行能效对比分析，捕捉到sfoc最小值区间。
优选的，船舶能效由10种非线性不确定模式组成的复合非线性不确定能效系统，近似为
γ(x,t)＝v1x1+v2x2+…+vnxn+γ(t)
则将式
其中，x＝eeio或sfoc，x∈rn，u∈r，g为n×n维矩阵，ω为n维矩阵；γ(x,k)∈r，ωγ(x,t)为参数不确定和外不干扰等能效系统不确定部分，vi及γ(t)为时间变量；u为柴油机喷油量控制；t＝kts，ts为采样时间；
则eeoi灰色预测为
首先建立eeoi(0)(k)原始离散数列，计算eeoi(1)(k)累加离散数列，计算e矩阵如下
其中，ete必须可逆，若不可逆，则适当增加n，直到ete可逆；
计算eeoi(0)(k)的离散数列
计算eeoi不确定参数估计值为
其中，
eeoi灰色模型为
其中，下标e表示eeoi；
sfoc灰色预测为
首先建立sfoc(0)(k)原始离散数列，计算sfoc(1)(k)累减离散数列，计算s矩阵如下
其中，sts必须可逆，若不可逆，则适当增加n，直到sts可逆；
计算sfoc(0)(k)的离散数列
计算sfoc不确定参数估计值为
其中，
sfoc灰色模型为
其中，下标s表示sfoc。
优选的，eeoi灰色预测以船舶为整体进行能效优化，通过调节螺旋桨转速控制船舶航速，从而控制到达航程d所需时间；eeoi灰色预测结果用于航线规划和航程设计，需要综合优化分析船舶从出发点到目的地的航程d、所需时间td、耗油量mfo和储能单元的容量，确定合理的船舶航速令eeoi最小；所述eeoi灰色预测控制算法为，
sfoc灰色预测以柴油机组能效为优化目标，通过调节柴油机组喷油量实现最低耗油率sfoc控制；所述sfoc灰色预测控制算法为，
本发明的有益效果是：1、本发明具有灵活的船舶推进模式，螺旋桨可由主机单独驱动、电机单独驱动或主机和电机联合的柴-电驱动；左右电机具有灵活的工况，可工作在推进状态，也可工作在发电状态，可靠性高。2、本发明针对拖轮、工程船等船舶营运不确定性、船况、工况与海况多变、负荷不稳定且冲击大的问题，提出了混合动力船舶能效最优灰色预测控制方法，从根本上解决柴油机以最低耗油率sfoc运行的难题。3、本发明适应于油-电混合动力、油-电-气混合能力及风能太阳能等绿色能源利用的混合动力船舶，填补拖轮、工程船等船舶中速机最低耗油率sfoc最优控制技术和方法上的空白，推进船舶环保、节能减排具有战略意义。
附图说明
图1是本发明实施例中控制系统的结构示意图；
图2是本发明实施例中控制方法的原理框图；
图3是本发明实施例中各工况的控制逻辑图；
图4是本发明实施例中储能单元与电机协同控制的流程图；
图5是本发明实施例中控制方法中灰色控制的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一
如图1所示，本实施例中，提供了一种混合动力船舶能效控制系统，船舶包括左螺旋桨和右螺旋桨；控制系统包括第一柴油发电机组、第二柴油发电机组、岸电电源、交流母线、储能单元、直流母线、左电机、左离合器、左主机、右电机、右离合器和右主机；所述第一柴油发电机组和所述第二柴油发电机组分别通过第一交流断路器(acb1)和第二交流断路器(acb2)连接交流母线；所述岸电电源依次经真空断路器(vcb)、变压器组和第三交流断路器连接交流母线；所述交流母线分别经第四交流断路器(acb4)、第五交流断路器(acb5)、第六交流断路器(acb6)、第七交流断路器(acb7)分别连接第一整流/逆变模块
第一柴油发电机组和第二柴油发电机组分别经第一交流断路器和第二交流断路器连接交流母线而并入交流电网，两者同型号不同容量，第二柴油发电机组的功率是第一柴油发电机组的一半。船舶靠泊期间接岸电，岸电电源经真空断路器和变压器组调压成船舶电压等级后通过第三交流断路器连接交流母线而并入交流电网。交流电网为全船交流负载供电，交流电网经第四交流断路器、第五交流断路器、第六交流断路器、第七交流断路器分别与相应的四个整流模块(第一整流/逆变模块、第二整流/逆变模块、第三整流/逆变模块和第四整流/逆变模块)后，通过相应的第一直流断路器、第二直流断路器、第三直流断路器和第四直流断路器连接直流母线而并入直流电网。直流电网为全船的通讯、导航等设备的不间断电源和蓄电池组等直流负载供电。第一柴油发电机组和第二柴油发电机组之间有联络开关第八交流断路器和第九交流断路器，既可单独供电，又可联合供电，具有灵活性的拓扑结构。
本实施例中，所述储能单元包括蓄电池组和超级电容；蓄电池组包括第一锂电池组、第二锂电池组、第三锂电池组和第四锂电池组，第一锂电池组和第二锂电池组的容量相等且为第二柴油发电机组的容量；第三锂电池组和第四锂电池组的容量相等且为第二柴油发电机组容量的一半。储能单元既可储能、又能放电，起到“平峰填谷”和“优化能效”作用。超级电容补偿冲击负荷对电网造成的瞬态干扰。
本实施例中，当左螺旋桨和右螺旋桨采用可变螺距的螺旋桨，则左电机和右电机分别连接左主机和右主机；当左螺旋桨和右螺旋桨采用定距的螺旋桨；则左电机通过左离合器连接左主机；右电机通过右离合器连接右主机。
左右主机均为中速机，主机动力输出轴经无级可调速离合器与轴带永磁变频同步电机的转子轴连接，电机m/g转子轴为船舶轴系的中间轴，电机转子轴经两端法兰分别与离合器输出端和尾轴刚性连接，尾轴直接驱动定距螺旋桨。如果不选用离合器，那就需要配备可变螺距的螺旋桨。
离合器接排后，主机带动轴带电机和螺旋桨旋转，一方面推动船舶，另一方面驱动电机发电供给船舶电网；或者电机为电动状态，电机与主机联合驱动螺旋桨旋转。离合器脱开后，主机停转，轴带电机为推进电机，驱动螺旋桨旋转具有灵活的船舶推进模式，螺旋桨可由主机单独驱动、电机单独驱动或主机和电机联合的柴-电驱动；左右电机具有灵活的工况，可工作在推进状态，也可工作在发电状态，可靠性高。
本实施例中，控制系统包括上位机，上位机能够控制控制系统中各个断路器的断开和闭合，以及控制第一柴油发电机组、第二柴油发电机组、岸电电源、储能单元、左电机、左离合器、左主机、右电机、右离合器和右主机的启停，进而使船舶采用不同的供电方式，保证混合动力船舶能效最优。
实施例二
如图2至图5所示，本实施例中，提供了一种混合动力船舶能效控制方法，所述控制方法使用控制系统实现；所述控制方法具体为，根据船舶所处的工况，采用不同的供电方式，以保证混合动力船舶能效最优；船舶所处的工况包括
靠泊工况；岸电电源供电，并为储能单元充满电；(此时，第一交流断路器和第二交流断路器断开，第十交流断路器和第十一交流断路器断开，剩余断路器全部闭合)；
锚泊工况；储能单元供电，当锚泊时间过长，导致储能单元放电到其额定容量的30％，则优先启用第二柴油发电机组供电，并为储能单元充满电；当出现全船停电，则第二柴油发电机组自行启动，让船舶供电恢复正常，第二柴油发电机组具备应急发电功能；(此时，首先第一交流断路器、第二交流断路器和第三交流断路器断开、第十交流断路器和第十一交流断路器断开，剩余断路器闭合；当锚泊时间过长，第一交流断路器和第三交流断路器断开、第十交流断路器和第十一交流断路器断开，其余断路器全部闭合)；
停机工况；第一柴油发电机组、第二柴油发电机组、左主机、右主机、左电机和右电机停机；(此时，所有的断路器全部断开)；
等待工况；船舶处于备车状态，接到开船命令可立即出发；备车状态包括靠泊备车、锚泊备车和漂泊备车；靠泊备车和锚泊备车需要先启动第二柴油发电机组，为储能单元充电，船舶的操纵系统无异常时，全船进入随时起动准备，若等待工况时间过长，则第二柴油发电机组停机，转为储能单元供电；漂泊备车时，左或右螺旋桨慢速运转，当储能单元供电时间过长导致储能单元放电到其额定容量的30％，则启动第二柴油发电机组供电；漂泊备车时，至少需要一个螺旋桨运转，则与该螺旋桨相应的电机为pti电动模式；(靠泊备车和锚泊备车状态时，首先第一交流断路器、第二交流断路器、第三交流断路器断开、第十交流断路器和第十一交流断路器断开，其余断路器全部闭合；当等待工况时间过长，则闭合第二交流断路器，剩余断路器状态不变)(漂泊备车时，首先第十交流断路器和第十一交流断路器中的一个闭合，第一交流断路器、第二交流断路器和第三交流断路器断开，其余断路器闭合；当储能单元供电时间过长导致储能单元放电到其额定容量的30％，则闭合第二交流断路器，启动第二柴油发电机组供电，其余断路器状态不变)；
进出港工况(机动慢速航行，柴油发电机组与储能单元协同运行)；优选储能单元供电，两个电机为pti电动模式分别驱动相应的螺旋桨运转，且主机和电机都处于随时启动状态；当储能单元供电时间过长导致储能单元放电到其额定容量的30％，则第二柴油发电机组投入工作且维持在满负荷最低sfoc工作，两个电机均处于pti电动模式，船舶为电力推进模式；(此过程中，首先第一交流断路器、第二交流断路器和第三交流断路器断开，剩余断路器全部闭合；当储能单元供电时间过长导致储能单元放电到其额定容量的30％，闭合第二交流断路器，启动第二柴油发电机组，其余断路器状态不变)
船舶低速或中速工况(柴电机组不工作)；优选储能单元供电，两个电机为pti电动工作模式分别驱动相应的螺旋桨运转，当储能单元供电时间过长导致储能单元放电到其额定容量的30％，一个主机投入工作驱动对应的螺旋桨运转，且该主机投入工作且维持在满负荷最低sfoc工作，与该主机相连的电机为pto发电模式；另一个主机不运转，与其相连的电机为pti电动模式，此时船舶进入双轴混合推进模式；(此过程中，首先第一交流断路器、第二交流断路器和第三交流断路器断开，其与断路器全部闭合；当储能单元供电时间过长导致储能单元放电到其额定容量的30％，主机投入工作)
船舶高速工况；两个主机投入工作且维持在满负荷最低sfoc工作，两个电机为pto发电模式，并为储能单元充满电；(此过程中，第一交流断路器、第二交流断路器和第三交流断路器断开，其余断路器全部闭合)
最大拖力工况；优选两个主机都投入工作且维持在满负荷最低sfoc工作，左右电机为pti电动模式，储能单元给电机供电与主机共同驱动螺旋桨运转；当储能单元放电到其额定容量的30％时，两个柴油机组投入工作且维持在满负荷最低sfoc工作；当船舶顶推或拖带负荷变动时，两个电机自行切换pti电动模式或pto发电模式以平衡负荷的突增或猛减，储能单元配合两个电机进行充电或放电以平衡电负荷的突增或猛减，实现“平峰填谷”效应。拖轮、工程船的最大拖力工况仅占到整个拖轮、工程船使用周期的5％左右，因此，本发明的主机功率可以选小，防止造成大量燃油浪费和环境污染。(此过程中，第一交流断路器、第二交流断路器和第三交流断路器断开，剩余断路器全部闭合；当储能单元放电到其额定容量的30％时，第一交流断路器和第二交流断路器闭合，剩余断路器状态不变)。
为了实现主机和发电柴油机组基于最小sfoc的能效最优控制，与主机同轴的电机以pti(发电)或pto(电动)来平衡推进负荷的突增或突减，储能单元放电或充电以平衡电站负荷的突增或突减。负荷变化不影响主机和发电柴油机的最小sfoc下工作。
本实施例中，混合动力船舶储能单元与电机协同控制原理如图4所示；具体如下：
储能单元的四个锂电池组充电和放电分组进行，提高可靠性和效率。超级电容用于补偿大负载投入时提供瞬间能量，防止锂电池组瞬间充放电太快而影响寿命，同时防止柴油机组油门大幅度摆动。储能单元通过船舶电站来优化发电柴油机能效，储能单元协调电站负荷效应，起“平峰填谷”作用，确保发电柴油机稳定运行在最低sfoc的额定负荷状态。
电机通过离合器与主机同轴联节，增加了电机与主机协同工作的灵活性。通过电机pti(电动模式)和pto(发电模式)协调推进负荷效应，电机对机械负荷起“平峰填谷”作用的，补偿螺旋桨负荷变化，从而维持主机稳定运行在最低sfoc的额定负荷状态。
混合动力船舶能效优化控制系统包括电站负荷优化调节效应功能和机械负荷优化调节效应功能，控制系统实时分析与计算船舶负荷和储能单元容量，根据船舶工况进行逻辑控制，协同控制储能单元充电/放电状态和电机的发电/电动模式，发电柴油机或推进主机一旦起动投入工作，就工作在耗油率最低sfoc的额定负荷状态且要稳定，这通过储能单元和电机联合作用实现的。
两个电机自行切换pti电动模式或pto发电模式包括三种情况，分别为，电机为pti电动模式，主机停机；电机pti电动模式，主机工作；电机为pto发电模式，主机工作；当推进负荷增加导致主机功率增加时，电机为pti电动模式产生推进作用，补偿推进负荷的增加；当推进负荷下降导致主机功率降低时，电机为pto发电模式产生阻力作用，补偿推进负荷的下降，使主机功率不随推进负荷变动而波动，使其始终处于满负荷最低sfoc工作。
储能单元配合两个电机进行充电或放电包括三种情况，分别为，储能单元供电，柴油发电机组停机；储能单元充电或放电，单台柴油发电机组工作；储能单元供电，两台柴油发电机组工作；当电站负荷增加导致柴油发电机组功率增加时，储能单元放电；当电站负荷下降导致柴油发电机组功率降低时，储能单元充电，以使柴油发电机组功率不随电站负荷变动而波动，使其始终处于满负荷最低sfoc工作。
储能单元调节效应和电机的pti/pto作用通过船舶电站联系起来，本发明的船舶电站管理系统pms不同于目前船上使用的pms，本发明的pms以尽量减少发电柴油机和主机的工作时间、维持柴油机和主机的额定负荷稳定且最低sfoc值。
混合动力船舶能效系统优化了发电柴油机和主机的配置，柴油发电机组+主机两者功率满足重载最大负载工况，解决了发电柴油机不能用于推进的难题，解决了推进主机功率选型大、浪费的难题。
本实施例中，控制系统为了实现最优控制，首先应该对系统的参数进行初始化和赋值；不同类型船的系统参数初始值不一样，系统参数初始值是设计值及额定值，作为基准值，主要包括电网的电压、电流、功率、功率因数；发电柴油机和主机的输出转速、转矩功率、温度、耗油率sfoc；船舶航速，螺旋桨的转速、转矩与功率等。
柴油机台架功率-耗油率sfoc曲线，确定最低耗油率区间。柴油机台架试验的最佳耗油率在额定转速和额定功率范围内，实际工况总是偏离台架试验环境。通过交直流混合母线和储能单元，实现柴油机组的满负荷最低sfoc工作和主机的满负荷最低sfoc工作共同组成柴油机耗油率sfoc最低控制，柴油机耗油率sfoc受喷油量、换气质量、转速、负荷的影响而不是一个定值，则柴油机耗油率sfoc计算如下，
其中，λ为修正系数；mfo为实时检测柴油发电机组和主机的燃油消耗质量(kg)，质量流量计检测；ts为系统的持续采样间隔时间，通过软件设置；pshaft为柴油发电机组和主机的轴功率(kw)，功率检测仪采集功率信号；pa为工作环境大气压力，由船舶机舱压力计检测；tte为工作环境大气温度，由船舶机舱温度计检测；tcx为工作环境下主机扫气空冷器进口温度，由空冷器上的温度计直接检测；
eeoi能效燃油指数公式如下：
其中，cf为燃油消耗量与co2量转换系数，见表1；d对应于所做的功的距离；td为船舶航程d所需时间。
表1燃油消耗量(单位:g)与基于碳含量co2排放量(单位:g)之间无量纲转换系数cf
由于柴油机组在实际工作中的最佳耗油率精确点难以确定，属于灰色系统，因此，采用灰色模型进行定量预测，柴油机台架试验的最佳耗油率范围为预测边界；则根据采样时间ts依次得到的eeoi原始数据，累加生成eeoi数列如下
eeoi(r)(k)＝eeoi(r)(k-1)+eeoi(r-1)(k)
柴油机组运行期间按时间顺序采集的eeoi原始数据，第一个eeoi数据不变，第二个eeoi数据是原始的第一个eeoi加原始的第二个eeoi数据，第三个eeoi数据是原始的第一个、第二个和第三个eeoi相加，依次算法进行下去，累加生成eeoi新数列，具有较强规律，接近某一函数为eeoi生成函数，可用于进行能效变化趋势分析；则累减生成sfoc数列如下
即
其中，i，k和r均为自然数，对应柴油机组运行依次采样的时间序列，累减生成sfoc数列是将依时间序列采集的sfoc原始数据前后两个sfoc数据相减所得。这在sfoc建模过程中获得增量信息，用于混合动力系统进行能效对比分析，捕捉到sfoc最小值区间。
灰色sfoc模型采用残差大小(或平均值，或最近一个sfoc数据残差值)安点检验、能效之间关联度检验、后验差的残差分布统计特性检验。灰色sfoc模型与一般的多元线性回归模型有本质区别，一般多元线性回归模型以原始sfoc数据序列为基础，而灰色sfoc模型基础是原始sfoc数据的累加或累减序列，这是本发明的特色之处。
本实施例中，混合动力船舶能效最优灰色预测控制原理如图5所示，具体内容如下，
因混合动力船舶的负荷不确定、海况影响随机性、柴油机sfoc变化不确定，为了减弱混合动力能效系统不确定部分影响，改善能效优化控制性能，提高鲁棒性，能效优化控制过程中，首先采用灰色预测将不确定部分参数估计出来，对优化控制进行补偿。由于灰色预测不需要连续实时进行，没有在实时辨识中存在的数据发散问题。不确定部分无法直接测量，须由测量数据间接计算预测出来。
本发明需要采集的信号有质量流量计实时检测柴油发电机组和主机的燃油消耗质量mfo、功率检测仪实时检测柴油发电机组和主机的轴功率pshaft、船舶机舱压力计实时检测的环境大气压力pa、船舶机舱温度计实时检测的环境大气温度tte、空冷器温度计直接实时检测的主机扫气进口温度tcx、驾驶台计程仪测算的船舶航行距离d。
本实施例中，船舶能效由10种非线性不确定模式组成的复合非线性不确定能效系统，近似为
γ(x,t)＝v1x1+v2x2+…+vnxn+γ(t)
则将式
其中，x＝eeio或sfoc，x∈rn，u∈r，g为n×n维矩阵，ω为n维矩阵；γ(x,k)∈r，ωγ(x,t)为参数不确定和外不干扰等能效系统不确定部分，vi及γ(t)为时间变量；u为柴油机喷油量控制；t＝kts，ts为采样时间；
1、eeoi灰色预测为
首先建立eeoi(0)(k)原始离散数列，计算eeoi(1)(k)累加离散数列，计算e矩阵如下
其中，ete必须可逆，若不可逆，则适当增加n，直到ete可逆；
计算eeoi(0)(k)的离散数列
计算eeoi不确定参数估计值为
其中，
eeoi灰色模型为
其中，下标e表示eeoi；eeoi灰色模型以船舶为整体的能效模型，反映船舶航行效率，船舶停泊时，包括靠泊、锚泊和漂泊，发电柴油机和推进主机都停机，储能单元全船供电，航程d＝0且eeoi＝0；船舶航行中，发电柴油机和推进主机都停机，储能单元全船供电，此时船舶能效最优，d≠0且eeoi＝0；只要发电柴油机或推进主机运转，eeoi≠0，此种情况下的船舶停泊的能效最差。更多情况为船舶航行中发电柴油机或推进主机运转，d≠0且eeoi≠0，本发明的船舶能效控制目标为d→+∞且eeoi→0，该目标通过图1混合动力船舶灵活的拓扑结构系统设计、eeoi灰色预测、eeoi特征分析、储能单元与轴带电机的协同运行实现的。
2、sfoc灰色预测为
首先建立sfoc(0)(k)原始离散数列，计算sfoc(1)(k)累减离散数列，计算s矩阵如下
其中，sts必须可逆，若不可逆，则适当增加n，直到sts可逆；
计算sfoc(0)(k)的离散数列
计算sfoc不确定参数估计值为
其中，
sfoc灰色模型为
其中，下标s表示sfoc；sfoc灰色模型是柴油机组能效模型，反映柴油机组(发电柴油机和推进主机)燃油利用率，中速柴油机组最低耗油率sfoc设计在额定转速和额定负荷的额定工况，sfoc受喷油量、换气质量、转速、负荷等影响而不是一个定值。实际运行中sfoc所受不确定性影响因素较多，实际工况导致sfoc总偏离最低工作点，导致耗油率大。本发明的特色就是无论实际工况如何变化都将柴油机组控制在最低sfoc工作点上运行，所以本发明的柴油机组控制目标是要么停机sfoc＝0，要么柴油机一旦起动就进入最低sfoc的最佳工况(额定转速、额定功率)稳定运行，不受实际负荷影响。该目标通过图1混合动力船舶灵活的拓扑结构系统设计、sfoc灰色预测、sfoc特征分析、储能单元与轴带电机的协同运行实现的。
本实施例中，本发明的eeoi灰色预测和sfoc灰色预测方法不同，eeoi采用累加生成方法，使eeoi非负时间序列、摆动的数据转化为递增数据，弱化随机性，具有较强规律，接近飞升函数；sfoc采用累减生成方法，获得sfoc负的增量信息，当出现sfoc增量由负值转为正值时刻，捕捉到sfoc最低值点，并维持最低sfoc上的增量为0。船舶能效最优为船舶非全船跳电或瘫船状态的发电柴油机和主机均停机的情况，此时储能单元为全船供电，轴带电机停机或pti电动状态，船舶耗油率sfoc为0，燃油消耗量为0。
本发明的创新点之一是推进主机喷油量控制和发电柴油机喷油量u控制最简单，要么是停机状态下的喷油量为0控制，要么一旦起动投入工作就进入额定负荷、额定转速的最低sfoc下喷油量定值控制且维持不变，推进主机和发电柴油机喷油量u为0和油门刻度定值控制，省去了复杂的喷油量控制策略。
本发明的能效eeoi和sfoc的特征提取方法有时域特征、频域特征和时频域特征三种。分析能效eeoi和sfoc的时域特征包括时间信号统计特征，分析信号的标准差变化、平均值变化、信号偏度和峰度、阈值、突变值等。分析能效eeoi和sfoc的频域特征包括峰值和峰值频率、fft分析、频谱分析、希尔伯特黄(hht)分析等。分析能效eeoi和sfoc的时频域特征包括谱峰度、谱商分析等。本发明提取的能效特征用于分析船舶能效水平、预测变化趋势，寻找最优能效工作空间，捕捉sfoc最低工作点邻域。
本实施例中，船舶能效优化中eeoi灰色预测与sfoc灰色预测的控制作用为：
1、eeoi灰色预测以船舶为整体进行能效优化，通过调节螺旋桨转速控制船舶航速，从而控制到达航程d所需时间；eeoi灰色预测结果用于航线规划和航程设计，需要综合优化分析船舶从出发点到目的地的航程d、所需时间td、耗油量mfo和储能单元的容量，确定合理的船舶航速令eeoi最小；所述eeoi灰色预测控制算法为，
2、sfoc灰色预测以柴油机组能效为优化目标，通过调节柴油机组喷油量实现最低耗油率sfoc控制；所述sfoc灰色预测控制算法为，
sfoc灰色预测控制柴油机油门开度(喷油量)，在寻找最低耗油率sfoc时起作用，一旦确定了sfoc最小值工作点及其领域，就自动切换为油门刻度(喷油量)定值控制。
实施例三
本实施例中，结合实施例一和实施例二的内容，通过采用控制系统及控制方法，能够实现如下控制：
1、混合动力系统逻辑控制程序：包括柴电机组起停、并车和解列控制，主机起停控制，轴带电机切换控制，岸电切换控制和储能单元切换控制；断路器vcb、acb和dcb的合闸与分闸控制。
2、混合动力交直流电站自动化控制程序：柴油机耗油率sfoc最低控制包括发电柴油机最佳sfoc控制和主机最佳sfoc控制，sfoc最低控制对应10种混合动力工作模式，岸电供电、储能单元供电、主机推进、轴带电机发电和电动状态的联合与协同工作，实现船舶最佳省油模式。
3、能效最优控制程序：本发明能效最优控制的目标是发电柴油机的最低耗油率sfoc控制和船舶主机最低耗油率sfoc控制，船舶靠泊、抛锚、停机、待命停航、进出港、低速与高速、最大拖力8种工况，对应主机、柴电机组、岸电、储能单元、轴带电机的工作组合，只要发电柴油机和主机一旦起动就进入额定负荷的最低耗油率sfoc点运行，船舶负载变化由储能单元进行补偿，从而实现船舶节油的目的。
4、混合动力系统船舶能效eeoi综合分析：包括船舶能效变化趋势分析；船舶不同工况、混合动力不同工作模式的能效对比分析；船舶不用营运状态下的能效之间关联性分析。分析结果评估船舶能效水平及调整船舶混合动力的不同工作模式，为船舶能效最优控制提供决策。
通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：
本发明提供了一种混合动力船舶能效控制方法及系统，本发明具有灵活的船舶推进模式，螺旋桨可由主机单独驱动、电机单独驱动或主机和电机联合的柴-电驱动；左右电机具有灵活的工况，可工作在推进状态，也可工作在发电状态，可靠性高。本发明针对拖轮、工程船等船舶营运不确定性、船况、工况与海况多变、负荷不稳定且冲击大的问题，提出了混合动力船舶能效最优灰色预测控制方法，从根本上解决柴油机以最低耗油率sfoc运行的难题。本发明适应于油-电混合动力、油-电-气混合能力及风能太阳能等绿色能源利用的混合动力船舶，填补拖轮、工程船等船舶中速机最低耗油率sfoc最优控制技术和方法上的空白，推进船舶环保、节能减排具有战略意义。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。
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