[发明专利]一种基于切换系统理论的混合动力船舶能量管理方法

说明书

本发明提出一种基于切换系统理论的混合动力船舶能量管理方法,针对混合动力船舶的能量管理问题，将混合动力船舶模式切换归类为混杂系统中的切换控制问题，采用切换系统理论，将不同运行模式视为切换系统的不同子域，对混合动力两种能源进行运行模式的优化管理。该方法计算出发电机组最优输出转矩完成船舶的负载功率分配任务，整个能量管理方法既考虑了整个系统的燃油消耗，又考虑了系统在进行切换时的稳定性，能够完成对混合动力船舶不同能源的管理问题。

技术领域：

本发明涉及混合动力船舶的能量管理领域，具体涉及一种基于切换系统理论的混合动力船舶能量管理方法。

背景技术：

混合动力船舶能量管理方法作为混合动力船舶的关键技术，其好坏很大程度关系到船舶运行的安全性、动力性和经济性。能量管理策略既要满足船舶航行的动力需求，又要优化多种能量分配使得燃油消耗最少。

目前使用较多的混合动力船舶的能量管理方法主要有：基于规则的能量管理策略，其中包括基于确定规则的能量管理策略和模糊逻辑的能量管理策略；基于优化的能量管理策略，包括基于全局优化的能量管理策略和基于实时优化的能量管理策略。

基于规则的能量管理策略，其控制方法较为简单，容易实现，被较早地应用在混合动力船舶中的控制策略。基于确定规则的能量管理策略，往往需要根据理论分析与工程经验来制定规则，且不能适应多种运行状况。基于模糊逻辑规则的能量管理策略对系统模型的精确程度要求不高，能较好的处理较为复杂的混合动力系统。但其仍需按照工程经验来制定相应的规则，也不能确保控制最优。基于全局优化的能量管理策略，需要事先知道船舶航行过程中的所有参数，且计算很大量大，很难应用于现实的混合动力船舶的能量管理中。基于实时优化的能量管理策略是通过计算瞬时代价函数值来确定每个控制步长内的最佳动力分配，包括瞬时等效燃油最小消耗、鲁棒控制、模型预测控制等方法，计算量相对较小，比较容易实现。基于此，本发明提出一种基于切换系统理论的能量管理方法。

发明内容：

本发明针对混合动力船舶的能量管理问题，采用切换系统理论的思路，提出了一种基于切换系统理论的能量管理方法；本发明构建的混合动力系统为一种典型的串联混合动力系统，两组动力源分别为锂电池组和柴油发电机组；

锂电池组通过双向DC/DC装置与直流母线相连，柴油发电机组产生的交流电经过AC/DC装置送到直流母线；直流母线与DC/AC装置相连，给推进电机供电来带动螺旋桨运转；

对于已知循环工况的船舶，为减小控制算法复杂度，将混合动力船舶模式切换归类为混杂系统中的切换控制问题，采用切换系统理论，将不同运行模式视为切换系统的不同子域，对混合动力两种能源进行运行模式的优化管理；

该方法包括以下步骤：

步骤一、系统等效；

将混合动力系统视为切换非线性系统，将其离散化后，用如下分段光滑的差分方程来描述：

x(k+1)＝f(x(k),u(k),m(k)) (1)

其中，x(k)为系统的状态；u(k)为连续控制量；m(k)为每一种运行模式；

步骤二、构建系统的代价函数；

切换系统理论应用于混合动力系统能量管理，即是将混合动力系统能量管理系统的最优控制问题看作切换系统的最优控制问题；对于切换系统，在给定的时间段[t₀,t_f]上，找到合适的连续控制量u_i(t)，切换时刻(t₁,t₂,…,t_k)和切换总次数k，使得式(2)所示的代价函数最小；