小比例混合动力船舶能量管理半实物仿真测试方法与平台技术

本发明专利技术公开了一种小比例混合动力船舶能量管理半实物仿真测试方法，包括：将能量管理策略模型、柴油发电机组特性折算模型和蓄电池特性折算模型编译成实时仿真器可调用执行的目标码，并下载到实时仿真器中；通过上位机控制监测与控制软件，控制配电系统上电，对电机、轴带电机和磁粉制动器进行自动控制，实现等效模拟航行工况；对实时仿真器进行指令控制，指令包括是否运行能量管理策略模型以及策略模型参数调整；通过上位机查看能量管理半实物仿真测试平台的实时参数曲线并记录试验数据，通过对数据处理分析对控制策略进行评价。本发明专利技术可以广泛用于具有相同、相似或者局部相似结构船舶的模式切换、能量管理、功率分配、功率控制及并网技术研究。及并网技术研究。及并网技术研究。

【技术实现步骤摘要】
小比例混合动力船舶能量管理半实物仿真测试方法与平台


[0001]本专利技术属于船舶能量管理领域，具体涉及一种小比例混合动力船舶能量管理半实物仿真测试方法与平台。

技术介绍

[0002]随着世界经济的持续发展，海洋污染已成为当今威胁人类生存环境的问题之一，其中船舶污染在海洋环境污染中占有相当大的比例。混合动力船舶电力推进系统与传统的柴电电力推进系统有很大的区别，其核心的内容是多能源混合能量管理与控制策略。船舶的混合动力系统的开发过程中，实验室测试与仿真研究是重要的开发手段。半实物仿真是混合动力船舶能量管理系统“V”型开发模式的关键步骤，半实物仿真可以最大限度的模拟实船测试环境，不仅可以验证能量管理系统控制策略的有效性，而且能够在线匹配并优化系统的关键参数，提高能量管理系统的设计成功率、研发效率和减小研制风险，因此半实物仿真成为能量管理系统开发过程不可或缺的环节。
[0003]专利文献“CN109977468A”公开了一种应用于电动汽车领域的能量管理策略的验证系统、方法、设备及控制系统，其使用负载模拟设备模拟负载运行工况，解决现有技术所存在的、验证精度不高、操作复杂、效率低下且成本较高的问题。专利文献“CN109979292A”公开了一种船用混合能源电力推进系统半实物试验平台，其包括开发电机、实时控制装置、数据采集装置、储能装置、主要能源装置和混合动力系统，可以进行复合储能装置能量分配算法、所有模型的验证和电力推进系统控制算法的研究与开发。专利文献“CN104569699A”公开了一种电力推进船舶综合电力系统半实物半虚拟试验平台，通过虚拟仿真机模拟系统各设备的输出电信号，对输出电信号进行外围的基本保护、电能采集和处理，可进行电力系统新方案、新技术、新设备的验证。专利文献“CN105416086A”公开了一种插电式混合动力汽车能量管理策略硬件在环仿真平台，基于VT system实时仿真系统集成电机模型、发动机模型、动力学模型等，能够有效的模拟实车环境，通过建立驾驶员
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控制器硬件
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CAN总线在环的控制系统硬件在环仿真，实现对所开发的插电式混合动力汽车能量管理策略的综合性能评价。
[0004]上述现有技术均从不同角度模拟能量输出负载，包括电阻柜模拟、计算机仿真模拟、能量消耗装置模拟等，通过这些负载模拟方式可以有效模拟电网阻性或感性能量消耗与波动情况，但是所产生模拟负载与真实负载有较大差异，无法验证关于船舶整个航次标准循环工况的负载特性，所产生的负载模拟结果真实性与准确性不足，且负载模拟装置较为简单，无法研究关于柴油机和电机的多源动力输出问题，不能验证多源输出的模式切换问题，也无法验证模式切换过程对船用电网的负荷波动情况。
[0005]油发电机组的工作特性与一般储能装置不同，现有专利储能系统多采用简单的蓄电池组，锂电池组及燃料电池等储能装置所组成，无法研究具备包含柴油发电机组在内的电网能量分配问题。
[0006]现有部分专利采用全虚拟设备，虽然实验参数调整便利，但无法反映真实设备的
具体工作特性和实验过程中的变化情况，所产生的实验结果准确性有限。现有部分专利采用半实物仿真选择大功率输出设备，虽然实验结果真实性较高，但是实验方案设计和参数调整难度大，安装和试验成本高，开发效率低。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于，提供一种小比例混合动力船舶能量管理半实物仿真测试方法与平台，既具备实物测试平台所能实现的实时性和准确性，能够观测整个测试过程各设备的变化情况，反映混合动力系统的工作特性，也同时具备虚拟仿真测试平台所具备的灵活性、成本低、开发效率高等特点。专利技术的平台针对多能源系统、混合动力系统和测控系统进行模块化设计，适用于研究多能源型、串联、并联式混合动力系统。专利技术的平台从实船和试验台的推进系统动力平衡方程出发，提出一种等效缩放方法。依据等效缩放系数，结合构建的标准循环工况可以等效缩放模拟船舶动态负载工况。同时，平台的蓄电池、超级电容、2台电机的工作功率依据等效缩放系数也能等效缩放模拟真实船舶对应设备的功率。平台配置的dSAPCE实时仿真器可接收信号数据并传输到能量管理策略模型中计算，将计算结果传输并控制整流器和变换器实现对船舶能量管理策略的半实物仿真测试。本专利技术结合等效缩放方法可以广泛用于具有相同、相似或者局部相似结构船舶的模式切换、能量管理、功率分配、功率控制及并网技术研究。
[0008]为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案为：小比例混合动力船舶能量管理半实物仿真测试方法，应用于小比例混合动力船舶能量管理半实物仿真测试平台，该平台包括相互连接的混合动力系统、多能源系统和测控系统；其中，混合动力系统包括模拟船舶柴油机的电机、模拟电动机动力输出的轴带电机、减速箱、模拟船舶实际负载工况的磁粉制动器、若干台变频器、若干台转速转矩传感器、若干个离合器和若干联轴器；电机和轴带电机均由多能源系统的直流母线供电，电机和轴带电机均通过变频器对直流母线输送电压进行调试得到符合预设要求的电压和频率，使电机和轴带电机在不同工况下工作；轴带电机为可逆的永磁电机，具备发电机和电动机两种工况，轴带电机作为电动机运行时驱动轴系，轴带电机作为发电机时将所发的交流电传输给储能装置进行储存蓄电；多能源系统包括直流母线、AC/DC转换器、DC/DC转换器和储能装置；储能装置包括蓄电池组和超级电容器，蓄电池和超级电容器均通过DC/DC转换器连接到直流母线；AC/DC整流器包括至少2个等效替代不同的柴油发电机组，以及至少1个用于轴带电机发电回馈到蓄电池或者并网到直流母线；包括至少2个DC/DC变换器，分别用于蓄电池和超级电容升压后连接到直流母线；测控系统包括上位机和dSPACE实时仿真器，上位机用于建立能量管理策略模型，将能量管理策略模型编译成嵌入式目标码并下载到dSPACE实时仿真器内；
[0009]dSPACE实时仿真器接收多能源系统和混合动力系统的信号数据，通过能量管理策略模型计算得到能量管理控制策略的控制信号并通过以太网传输，控制AC/DC整流器和DC/DC变换器的输出；该方法包括以下步骤：
[0010]步骤一：将能量管理策略模型、柴油发电机组特性折算模型和蓄电池特性折算模型编译成实时仿真器可调用执行的目标码，并下载到实时仿真器中；
[0011]步骤二：通过上位机控制监测与控制软件，控制配电系统上电，待电流稳定后给电机和轴带电机上电，通过上位机对电机、轴带电机和磁粉制动器进行自动控制，实现等效模
拟航行工况；
[0012]步骤三：通过上位机对实时仿真器进行指令控制，指令包括是否运行能量管理策略模型以及策略模型参数调整；当运行能量管理策略模型时，实时仿真器通过数据采集板卡接收到能量管理半实物仿真测试平台的数字量信号与模拟量信号，其中，数字量信号为电机转速信号；模拟量信号包括AC/DC整流器输出电压/电流信号、DC/DC变换器电压/电流信号、蓄电池SOC、直流母线电压/电流、变频控制器输入电压/电流、电机输出电压/电流、电机转矩；实时仿真器实时接收到的信号本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.小比例混合动力船舶能量管理半实物仿真测试方法，其特征在于，应用于小比例混合动力船舶能量管理半实物仿真测试平台，该平台包括相互连接的混合动力系统、多能源系统和测控系统；其中，混合动力系统包括模拟船舶柴油机的电机、模拟电动机动力输出的轴带电机、减速箱、模拟船舶实际负载工况的磁粉制动器、若干台变频器、若干台转速转矩传感器、若干个离合器和若干联轴器；电机和轴带电机均由多能源系统的直流母线供电，电机和轴带电机均通过变频器对直流母线输送电压进行调试得到符合预设要求的电压和频率，使电机和轴带电机在不同工况下工作；轴带电机为可逆的永磁电机，具备发电机和电动机两种工况，轴带电机作为电动机运行时驱动轴系，轴带电机作为发电机时将所发的交流电传输给储能装置进行储存蓄电；多能源系统包括直流母线、AC/DC转换器、DC/DC转换器和储能装置；储能装置包括蓄电池组和超级电容器，蓄电池和超级电容器均通过DC/DC转换器连接到直流母线；AC/DC整流器包括至少2个等效替代不同的柴油发电机组，以及至少1个用于轴带电机发电回馈到蓄电池或者并网到直流母线；包括至少2个DC/DC变换器，分别用于蓄电池和超级电容升压后连接到直流母线；测控系统包括上位机和dSPACE实时仿真器，上位机用于建立能量管理策略模型，将能量管理策略模型编译成嵌入式目标码并下载到dSPACE实时仿真器内；dSPACE实时仿真器接收多能源系统和混合动力系统的信号数据，通过能量管理策略模型计算得到能量管理控制策略的控制信号并通过以太网传输，控制AC/DC整流器和DC/DC变换器的输出；该方法包括以下步骤：步骤一：将能量管理策略模型、柴油发电机组特性折算模型和蓄电池特性折算模型编译成实时仿真器可调用执行的目标码，并下载到实时仿真器中；步骤二：通过上位机控制监测与控制软件，控制配电系统上电，待电流稳定后给电机和轴带电机上电，通过上位机对电机、轴带电机和磁粉制动器进行自动控制，实现等效模拟航行工况；步骤三：通过上位机对实时仿真器进行指令控制，指令包括是否运行能量管理策略模型以及策略模型参数调整；当运行能量管理策略模型时，实时仿真器通过数据采集板卡接收到能量管理半实物仿真测试平台的数字量信号与模拟量信号，其中，数字量信号为电机转速信号；模拟量信号包括AC/DC整流器输出电压/电流信号、DC/DC变换器电压/电流信号、蓄电池SOC、直流母线电压/电流、变频控制器输入电压/电流、电机输出电压/电流、电机转矩；实时仿真器实时接收到的信号数据经信号调理和计算得到能量管理策略模型需求参数，同时能量管理策略模型计算得到PWM驱动控制信号，对测试平台的AC/DC整流器、DC/DC变换器进行动态控制，实现能量管理的闭环控制；步骤四：通过上位机查看能量管理半实物仿真测试平台的实时参数曲线并记录试验数据，通过对数据处理分析对控制策略进行评价，并重复步骤一至步骤三，直到测试验证能量管理策略完毕。2.根据权利要求1所述的小比例混合动力船舶能量管理半实物仿真测试方法，其特征在于，通过等效缩放的方法计算得到能量管理控制策略的控制信号，其具体为：建立实船推进系统和以能量管理半实物仿真测试平台作为试验平台的试验平台推进系统平衡方程，其中，实船推进系统为实际的船舶推进系统，其分别为：实船推进系统平衡方程：
试验平台推进系统平衡方程：其中，Te为实船推进轴转矩，其单位为N
·
m；J
e
为实船推进轴的总转动惯量，其单位为kg
·
m2；T
g
为试验平台推进轴转矩，其单位为N
·
m；T
L
为试验平台磁粉制动器的制动转矩，其单位为N
·
m；J
m
为试验平台推进轴动惯量，其单位为kg
·
m2；J
L
为试验平台磁粉制动器的转动惯量，其单位为kg
·
m2；J
a
为联轴器与减速箱的转动惯量，其单位为kg
·
m2；试验平台推进系统平衡方程推导为：则推导得到：则有能量管理半实物仿真测试平台的等效缩放系数3.根据权利要求1所述的小比例混合动力船舶能量管理半实物仿真测试方法，其特征在于，试验平台模拟船舶实际负载工况的方法为：通过上位机根据预设转速对电机和轴带电机进行控制，再根据等效缩放系数以及对所构建的船舶标准循环工况的时间序列数据对磁粉制动器进行转矩控制，对电机和轴带电机均进行转速控制，实现试验平台对船舶实际负载工况的模拟。4.根据权利要求1所述的小比例混合动力船舶能量管理半实物仿真测试方法，其特征在于，船舶标准循环工况的构建方法为：S1、数据采集及预处理：在船舶正常航行过程中，获取船舶的电机功率和转速的时间序列数据，并将参数传输至岸基数据库；对采集的数据进行分析，按照工况片段划分及筛选、特征参数提取的顺序对采集的数据进行预处理；预处理具体为对原始数据进行划分，即从一个功率/转速段开始到下一个功率/转速段开始的区间定义为一个工况片段；S2、船舶标准循环工况构建：采用K
‑
means算法对所有工况片段开展聚类分析，聚类分析对象为工况片段的特征参数，提取不同类别下的典型工况并拼接形成船舶标准循环工况；S3、对船舶标准循环工况进行验证，检验试验工况和典型工况的吻合度。5.根据权利要求4所述的小比例混合动力船舶能量管理半实物仿真测试方法，其特征在于，用于描述工况片段的19种特征参数包括平均功率(kw)、最大功率(kw)、功率标准差(kw)、平均转速(r/min)、最大转速(r/min)、转速标准差(r/min)、运动学片段时长(s)、功率增长时间(s)、功率减少时间(s)、功率平稳时间(s)、转速增长时间(s)、转速减小时间(s)、转速平稳时间、功率增长时间比(％)、功率减少时间比(％)、功率平稳时间比(％)、转速增长时间比(％)、转速减小时间比(％)、转速平稳时间比(％)。
6.根据权利要求5所述的小...

【专利技术属性】
技术研发人员：范爱龙，熊宇祺，刘汉有，杨健，田智齐，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：