船舶柴电混合动力节能推进控制系统研究
摘要
随着能源短缺问题逐年上升，世界各国愈发重视对绿色船舶技术的探索和发展。以
柴油机单独推进的传统船舶已经得到充分发展，其可优化空间十分有限。针对这一问题，
本文对船舶柴电混合动力推进系统进行研究，通过柴油机和可逆电机的多模式联合推进，
实现能源高效率利用和回收，进而实现船舶节能的目标，主要研究内容如下：
首先，设计了船舶柴电混合动力推进系统体系结构。考虑船舶工况的时变性，设计
了柴油机-电机的并联式推进结构。考虑柴油机在不同工作区的效率差异，通过可逆电
机进行电动机与发电机的模式切换，实现能量流向的合理分配，优化系统节能效果。同
时，设计了储能系统以满足电机不同模式对应的充电与放电需求。同时，根据目标船型
的相关参数，进行了系统元件的参数匹配设计。
其次，考虑不同工况的能量流向变化，建立了可用于不同工作模式的系统数学模型。
针对可逆电机的充放电切换需求，搭建了可逆电机及其储能系统的能量传递模型。考虑
系统联合推进以及功率协调的需求，建立了柴油机、电机、传动系统、离合器的能量传
递模型。考虑船舶航速及推进功率需求，建立了螺旋桨水动力和船舶运动数学模型。
再次，针对柴油机与电机的协调工作目标，分别设计了基于决策和执行的双层控制
策略。针对最低油耗和最低污染物排放最优目标，设计了基于庞特里亚金（PMP）极小
值原理的柴油机-电机动力协调控制策略，通过利用打靶法解算全局范围内的协态变量
的最优值，求解出最优的电池输出功率。同时，考虑PMP算法的协态变量是基于已知航
行工况进行解算的，设计了基于电池SOC反馈的离散自适应律来动态优化分配策略中的
协态变量（DA-PMP），提升了分配策略对时变功率需求的适应性。考虑所决策功率与转
速的关系，设计通过转速跟踪以实现功率跟踪的控制策略。考虑系统转速目标与外部扰
动，设计了柴油机-电机的有限时间同步滑模控制策略，通过引入固定时间收敛定理，
解决了柴油机与电机转速不同步的问题，实现了系统的扰动抑制与转速跟踪。
最后，进行了数字/物理混合仿真试验验证。搭建了船舶柴电混合动力系统原理样
机。以柴油机、可逆电机、储能系统等作为物理模型，以船舶与海洋环境作为数字模型。
搭建了船舶混合动力系统数字/物理混合仿真平台，以验证所设计混合动力系统较传统
动力系统的节能减排效果。为船舶混合动力推进技术的发展提供了理论以及实验验证，
尤其为柴电混合动力船舶控制系统设计研究提供了研究思路及技术支持。
关键词：船舶柴电混合动力、动力协调控制、DA-PMP、功率跟踪控制、混合仿真
哈尔滨工程大学硕士学位论文
ABSTRACT
Withtheincreasingproblemofenergyshortageyearbyyear,countriesaroundtheworld
areincreasinglypayingattentiontotheexplorationanddevelopmentofgreenshiptechnology.
Traditionalshipspropelledsolelybydieselengineshavebeenfullydeveloped,andtheir
spaceforoptimizationisverylimited.Inresponsetothisissue,thisarticleconductsresearch
onthemarinedieselelectrichybridpropulsionsystem.Throughthemulti-modejoint
propulsionofdieselenginesandreversiblemotors,energyefficiencyutilizationandrecovery
areachieved,therebyachievingthegoalofshipenergyconservation.Themainresearch
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