0 引言

船舶海洋应用中，功率需求复杂，有低功率巡航、大功率顶推等多种工况；传统的动力系统采用单一主机进行动力，造成了低负载油耗增加、机器寿命降低、污染严重等现象。

柴电混合动力系统可满足船舶多工况下经济运行的需求，具有以下优点：1）大幅改善船舶动力系统低负荷工况时的经济性，提高全工况范围能量综合利用率、减小装机功率，工况越复杂越有利；2）可以实现多种复杂工况的优化匹配，在不同工况下发挥不同动力型式的优势，操纵性好；3）实现动力系统冗余设计，安全性高；4）不同运行工况，柴油机可始终在较高负荷区间工作，燃油燃烧质量好、减少废气排放，节能环保^[1-3]。

关于船舶柴电动力混合推进技术，国外公司如瓦锡兰、MAN、西门子、Rolls-Royce、ABB和SAM等有较为成熟的船舶柴电混合动力解决方案，目前国内电轴推进技术发展成熟，成功用于粤海铁轮渡船及一些公务船上，但主机与轴带电机共同驱动螺旋桨的Booster模式下的并车控制技术，由于系统复杂，涉及发动机、电气、传动和控制等多个方面，在国内尚属于空白，亟需突破^[1]。

本文在对典型柴电混合动力系统Booster模式工作原理和并车方式进行介绍的基础上，着重对并车控制系统和“柴-电”方式的并车控制策略进行说明，通过仿真分析，确认柴电并车控制策略的可行性，最后通过平台试验进行验证。

1 典型柴电混合动力系统Booster模式及并车特性 1.1 Booster模式工作原理

典型柴电混合动力系统主要由主机、传动装置、变频电机系统、螺旋桨等组成。图 1为典型柴电混合动力系统图。

传动装置由齿轮箱、主机离合器Z₁和电机离合器Z₂组成。

变频电机系统由变频器和轴带电机组成，其可工作在发电模式，也可工作在电动模式。发电模式时，轴带电机通过齿轮箱从主机吸收能量，为其他用电负载供电；电动模式下，轴带电机从电网吸收能量，单独驱动螺旋桨或与主机共同驱动螺旋桨运行。

通过离合器的切换可构建柴电混合动力系统不同的工作模式：PTO模式、PTH模式、Booster模式^[4]。

在Booster模式下，主离合器Z₁和电机离合器Z₂均闭合，轴带电机工作在电机模式下，和主机共同驱动螺旋桨工作^[5]。

1.2 Booster模式下并车方式

在柴电混合动力系统中主机与轴带电机并车方式有“柴-电”方式和“电-柴”方式2种。

“柴-电”方式指在主离合器接排、电机离合器脱排情况下，主机带螺旋桨运行，通过并车控制系统进行控制使电机离合器接排，实现轴带电机与主机并车。

“电-柴”方式指在在电机离合器接排、主离合器脱排情况下，轴带电机单独驱动螺旋桨运行，通过并车控制系统使主机离合器接排，实现主机与轴带电机的并车。

上述2种方式的并车过程都包括预接排控制阶段和接排阶段。预接排控制阶段是指接收到并车指令到满足接排条件的过程，这个过程是并车的关键过程，需对主机或轴带电机的转速、功率、模式等运行状态进行调节，以满足离合器接排需求。接排阶段指主机离合器或轴带电机离合器的接排过程。

本文主要对典型柴电混合动力系统的“柴-电”方式的并车控制技术进行分析。

2 柴电并车控制系统设计 2.1 控制系统架构

柴电并车控制系统的核心部件是并车控制单元，是实现主机与轴带电机并车的核心设备，它与遥控系统、PMS、变频轴带控制系统、主机控制系统以及传动控制单元进行逻辑控制，实现并车。系统框图如图 2所示。在并车过程中，各控制部分功能如下：

遥控系统具有发出并车指令、逻辑判断并发出主机和离合器控制指令、并车状态指示等功能。当向并车控制单元发出“并车”控制指令后，根据并车控制逻辑要求，对主机和齿轮箱进行控制。

主机控制系统执行遥控系统指令，实现对主机转速和功率的控制。根据遥控系统传送的转速、功率给定值，对主机进行实时控制，并将转速和主机齿条位置反馈给遥控系统。

变频轴带控制系统，根据并车控制单元的指令，实现轴带电机工作模式、轴带电机转速、轴带电机功率的控制。同时也有电机运行状态进行监测和保护。

传动控制单元，实现对主机离合器、电机离合器的接/脱排控制，其中主机离合器连接主机与齿轮箱，轴带离合器用于连接轴带电机与齿轮箱；遥控系统可远程控制上述离合器的接排与脱排，并实时监测其接/脱排状态。

监控系统，对主机控制系统、变频轴带电机系统、遥控系统、传动系统的主要运行参数、运行状态进行监测，并对故障进行报警，确保并车过程安全、可靠。

PMS能源管理系统，管理全船电站功率。并车过程中，当轴带电机投入运行之前，需向PMS进行功率需求的问询，以满足柴电并车的用电需求。

2.2 “柴-电”并车方式控制策略

在“柴-电”并车方式下并车控制单元的控制框图如图 3所示，主要包括时间速度阈值模块、状态机管理模块、电机控制模块等。

时间速度阈值模块，在不同的主机工作模式下，查询MAP图，对∆t时间内主机转速和轴带电机转速差∆n进行不同的设定。“油-电”并车模式下，当∆t内主机与轴带电机的转速差大于∆n时，系统将会通过“变频轴带控制系统”对轴带电机运行模式进行设置，并对轴带转速进行调节，直到转速差小于∆n。

状态机管理模块，通过对轴带电机功率及转速、主机功率及转速、离合器合排状态、指令状态等的判断，结合监测报警系统的状态，划分出并车过程系统典型的状态机，进行逻辑设计，准确定位当前状态所处的状态，实现对电机和主机准确、安全地控制。

电机控制单元，主要由模式切换模块、转速控制模块和功率控制模块组成。模式切换模块，用于设置轴带电机的运行模式；转速控制模块用于实现轴带电机转速控制；功率控制模块用于实现轴带电机的输出功率控制。当并车控制系统满足时间转速阈值要求时，根据状态机所处的不同状态，对电机的模式、转速、功率三者进行设置。

3 “柴-电”并车方式仿真研究及试验验证

本仿真以一典型柴电混合动力系统为研究对象，结合并车控制策略，建立动力系统模型。根据该系统的特性，对时间转速阈初始值进行预设，通过仿真手段对采用初始阈值的并车控制策略进行性能分析。最后在柴电混合动力系统开展试验，验证并车控制策略的可行性^[6-7]。

3.1 系统参数

典型柴电混合动力系统的主要设备参数见表 1。

本仿真主要针对“柴-电”并车方式的并车过程开展研究，并车前主机、轴带电机、齿轮箱运行初始状态如下：

1）主机运行在接排转速770 r/min（转速已折算至电机侧），负载为FPP桨（采用螺旋桨模拟装置进行模拟），该转速下对应的螺旋桨负载功率为32 kW；

2）轴带电机空载运行，其功率值由变频器采样所得；空载时功率值包括变频器器件损耗和轴系摩擦力所消耗的功率，约为5 kW；

3）主机离合器处于接排状态，轴带离合器处于脱排状态。

3.2 时间转速阈值初始值设置

在并车控制策略中，时间转速阈值的设定是关键技术之一。不同的柴电并车系统，∆t和∆n均不相同，需要进行匹配。根据本系统控制时间要求，将∆t设置为10 s；

系统各主要设备转速特性如下：

1）柴油机转速波动率：0.5%，即7.5 r/min；

2）电机转速波动率：0.5%，即7.5 r/min。

同时，考虑到变频器调速期间的柴油机、电机调节过程的转速超调、外部扰动导致的转速变化以及控制效率等因素的影响，将∆n=30 r/min，∆t=10 s设置为本系统的时间转速阈值的初始值，结合并车控制策略，通过系统仿真验证该阈值的有效性。

3.3 仿真模型建立及仿真结果

根据本柴电混合系统，在AMESim仿真平台上搭建模型如图 4所示。

按照2.2的“柴-电”并车控制策略，采用∆n=30 r/min，∆t=10 s的时间转速阈值，对柴电并车过程进行仿真，仿真结果如图 5所示，主机转速和轴带电机转速几乎无波动，接排瞬间，对柴油机和轴带电机有接排过程平稳。仿真结果说明，该时间转速阈值初始值有效，“柴-电”并车控制策略可行。

3.4 试验验证

柴电混合动力系统工作在3.1所述的初始状态，采用∆n=30 r/min，∆t=10 s的时间转速阈值，按照2.2并车控制策略进行“柴-电”并车试验，试验结果如图 6所示。

接排阶段主机转速超调量0.26%，电机转速超调量0.6%，主机及电机功率平稳，整个并车过程平稳，并车控制策略有效。同时接排时间为9.8 s，这个由离合器特性决定。

4 结语

本文针对一典型柴电混合动力系统的并车过程进行了控制策略研究：

1）结合并车控制策略，应用AMESim软件搭建了系统模型，并根据本系统特性，进行了时间速度阈值初始值设定；通过仿真分析，并车过程平稳，说明时间速度阈值初始值设置满足并车要求，并车控制策略可行；

2）在该柴电混合动力系统上进行了试验验证，成功实现了“柴-电”方式的并车，动态特性好，并车控制策略满足该系统并车要求。

3）在此基础上，还可进一步开展“电-柴”方式并车控制技术、负载分配策略等技术研究。