船舶混合动力系统的数学建模与仿真研究简

关键词：混合动力；燃料电池；Matlab Simulink
中图分类号：U662.3 文献标识码：A
文章编号： 1672 – 7649(2018)3A – 0046 – 03
doi：10.3404/j.issn.1672 – 7649.2018.3A.016
Research on mathematical modeling and Simulation of marine hybrid power system
图 1 某型号混合动力船舶的模型图 Fig. 1 Model diagram of a certain type of hybrid power ship
通常，混合动力船舶采用的能源类型包括以下几种： 1）太阳能 船舶上的太阳能技术分为光伏发电与光热发电 2 种类型，其中，光热发电的效率较低，无法满足船 舶的动力需求。采用光伏发电的混合动力船舶首先将 太阳能板产生的电力存储于蓄电池中，等动力系统需 要电力补充时再释放电力。 2）风能 海上蕴藏丰富的风能资源，合理利用风能可以提 高船舶的航行效率。目前，船舶对风能的利用方式分 为风力驱动和风力发电 2 种，其中，风力驱动船舶的 方式在汽轮机发明以前就早已存在，而风力发电方式 主要起到辅助动力的作用。 3）燃料电池 燃料电池是近年来的研究热点，燃料电池可以直 接将化学能转换为电能[3]，能量利用率高，整个过程 中不产生废气和废料，具有巨大的市场潜力。
QIU Ze-wei (Guangdong Machinery Technician College, Guangzhou 510450, China)
Abstract: On the one hand, the shipbuilding industry has promoted the world's economic exchanges and development. On the other hand, it has also led to environmental pollution and energy endangering. With the adjustment of the power energy of the ship, the hybrid power ships gradually appear, and gradually become a trend of development. The hybrid power ship is the power that the diesel engine is connected with the fuel cell in parallel to produce the ship's navigation. This paper systematically studies the parameters and principles of marine hybrid power system, establishes the mathematical model of hybrid power system, and carries out the simulation of hybrid power system in Matlab Simulink. The simulation results show that the hybrid power system can meet the requirements of the ship's navigation.
目前，较为成熟的船舶驱动系统包括汽轮机动力 系统、核动力推进系统、混合动力推进系统和柴油推 进系统等。其中，混合动力推进系统不仅可以满足船 舶的动力需求，还可以大幅度降低噪声污染和废水、 废气污染，成为业内的研究热点。
图 1 为某型号混合动力船舶的模型图。 图中船舶的甲板采用了光伏发电板，充分利用了 太阳能资源，甲板两侧的机翼可以借助海风推进船舶 运动。
1）噪声污染 大型集装箱运输船在海上航行时会产生非常大的 噪音，不仅会影响船舶工作人员的身心健康，还会对 海洋生物造成严重的影响。船舶噪声的来源包括柴油 主机、螺旋桨等动力设备，其中，柴油主机是产生噪 声最严重的部件[1]。
2）空气污染 目前，航运船舶均采用化石燃料作为船舶的动力 来源，化石燃料在燃烧时会产生大量的 CO2、PM(有害 颗粒物)、NOx(氮氧化物) 和硫氧化物等，造成气候变 暖和严重的控制污染。 3）水污染 柴油主机在运行时不可避免的产生油污水，这些 油污水排入海洋和河流后会对水质造成污染，严重威 胁水中的生物。 因此，对船舶柴油机动力系统进行技术升级，采 用新能源或者混合动力船舶成为一种发展趋势和研究 热点。本文的研究对象是混合动力船舶，研究内容包 括混合动力建模、螺旋桨建模、以及混合动力控制系 统的设计与仿真。
收稿日期: 2018 – 01 – 28 作者简介: 邱泽伟 (1978 – )，男，硕士，高级讲师，主要研究方向为计算机网络、计算机仿真及软件设计开发等。
第 40 卷
邱泽伟：船舶混合动力系统的数学建模与仿真研究
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1 船舶混合动力系统的发展
近年来，为了促进海上环境的保护，船舶工业对 动力系统进行了大量的技术探索，研发出了多种类型 的船舶驱动形式[2]。
Key words: hybrid power；fuel cell；Matlab Simulink
0 引 言
海上航运业促进了我国与世界上其他国家的商品 贸易与流通，为我国的经济发展提供了充足的动力。 与此同时，海上航运业也给我国的海洋环境带来一定 的负面影响。目前，航运船舶均采用柴油主机作为船 舶的动力，该类型主机的推进功率高，技术成熟，但 也存在着下述问题：
第 40 卷 第 3A 期 2018 年 3 月
舰船科学技术 SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGY
Vol. 40, No. 3A Mar. , 2018
船舶混合动力系统的数学建模与仿真研究
邱泽伟 (广东省机械技师学院，广பைடு நூலகம் 广州 510450)
摘 要: 船舶工业一方面促进了世界经济交流与发展，另一方面也导致了环境污染、能源危机等问题，近年 来得到了外界的一致重视。随着船舶动力能源的调整，混合动力船舶逐渐出现，并逐渐成为一种发展趋势。混合动 力船舶是将柴油发电主机与燃料电池并联，共同产生船舶航行所需要的动力。本文系统研究了船舶混合动力系统的 参数与原理，建立了混合动力系统的数学模型，并在 Matlab Simulink 中进行了混合电力系统的仿真。仿真结果证 明，混合动力系统可以较好的满足船舶的航行需求。