基于智能控制算法的混合动力船舶能量管理策略研究

摘要

随着能源与环境问题受到社会越来越多的关注，清洁能源混合动力船舶成为船舶行业实现节能减排的重要途径。其中，氢燃料电池混合发电系统具有效率高、无污染等特点，更具应用前景。相比单一能源动力结构，混合动力增加了系统的复杂性，如何协调不同动力源之间的特性，使其在不同工况下能够快速响应负载需求、最大化运行效率并且确保船舶安全，成为目前混合动力系统研究的关键技术之一。 针对一艘蓄电池推进的原型船，设计其燃料电池、蓄电池和超级电容混合动力系统，并采用一种基于小波变换和模糊控制的智能控制策略对各个动力源的输出进行优化。其中小波变换可以根据各个动力系统的特性进行功率分配，模糊控制能够保证动力系统满足船舶的功率需求。该策略能够延长燃料电池和锂电池的使用期限，并满足船舶经济安全运行的需求。论文主要进行以下几方面的工作： 首先，设计氢燃料电池混合动力系统。针对一艘内河客船，在分析不同动力源特性的基础上，设计氢燃料电池、蓄电池和超级电容混合动力系统；对比现有的混合动力系统结构，选择合适的动力系统拓扑；探讨影响氢燃料电池和蓄电池安全的因素，并从安全性角度对系统进行初步设计；设计船舶推进系统，对能量管理系统的信号采集系统以及交互界面进行初步设计；。 其次，在MATLAB/Simulink平台中对系统进行建模。在总结各个动力源建模方法以及分析DC/DC变换器的原理和控制方法的基础上，建立系统仿真模型。设计基于智能控制算法的混合动力船舶能量管理策略，利用小波变换对功率信号进行分解，并对细节信号和近似信号分别重构，根据各个动力源的不同特性进行功率的分配；确定模糊控制的输入输出量，制定其隶属度函数，根据专家经验设计模糊规则，完成模糊控制器的总体设计，并在MATLAB/Simulink平台对能量管理策略进行编程与建模。 最后，根据现有氢燃料电池船舶的实测工况，设计混合动力系统经典工况下的功率需求；针对蓄电池和超级电容不同的荷电状态初始值，对系统进行仿真分析。结果表明，在不同的荷电状态初始值下，所设计的能量管理策略能够合理分配各个动力源的功率，并且将储能系统的荷电状态保持在正常范围。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景、意义以及目的

1.2 燃料电池船舶发展应用现状

1.3混合动力船舶能量管理系统

1.4 混合动力船舶能量管理策略综述

1.5主要研究内容与研究路线

第2章 混合动力系统设计

2.1 系统动力源性能分析

2.2 推进系统设计

2.3 能量管理系统设计

2.4本章小结

第3章 混合动力系统建模

3.1 MATLAB/Simulink介绍

3.2 燃料电池

3.3锂电池

3.4超级电容

3.5 DC/DC变换器

3.6本章小结

第4章 能量管理策略仿真分析

4.1 能量管理策略构建

4.2 仿真分析

4.3 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 本论文主要内容总结

5.2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的成果和参加的科研项目