复合储能装置在船舶电力推进系统中的应用研究

摘要

船舶电力推进系统凭借其能耗低、排放少、机动性好、经济性好、操作灵活等优点已经成为了航运界关注的重点。但负载的频繁扰动会造成船舶电力推进系统的柴油发电机组偏离其最佳工况，尤其是某些工程船舶，其在航行和作业过程中遇到的工况较为复杂，负载扰动更加剧烈。这将降低船舶电网工作的稳定性和可靠性，同时会导致油耗增加，排放上升。 针对上述问题，采用超级电容和蓄电池组成复合储能装置来平抑负载扰动带来的功率波动。以实测的耙吸式挖泥船负载变化数据为例，重点对复合储能装置的容量优化方法、拓扑结构及控制策略进行理论研究和仿真分析。仿真结果表明，该方案能够很好平抑负载功率波动，稳定负载功率，从而解决船舶电力推进系统因负载频繁扰动带来的可靠性、安全性、经济性等问题，为储能装置在船舶电力推进系统上的应用提供可靠的理论基础和方法。主要工作如下： （1）对船舶电力推进系统及其典型应用做了简单的概述；重点对储能技术的发展以及船舶储能技术的国内外研究现状进行分析。 （2）分析储能装置在船舶电力推进系统中应用所需的技术性能，提出由超级电容和蓄电池组成复合储能装置的解决方案；并对超级电容和蓄电池的工作原理、充放电特性进行阐述。 （3）对复合储能装置中双向DC/DC变换器的拓扑结构进行对比分析，提出采用多端口的接入方式；此外，综合分析PWM控制、移相控制和移相PWM控制的优缺点，提出采用移相PWM控制作为多端口功率控制的方法，给出移相PWM控制多端口功率的基本原理。 （4）建立复合储能装置在船舶电力推进系统应用时容量配置的多目标优化模型以及约束模型，并采用自适应权重粒子群算法对其进行寻优；给出自适应惯性权重粒子优化算法求解的流程；以实际的耙吸式挖泥船为例，利用MATLAB编写寻优程序，得到复合储能装置中超级电容和蓄电池的最优容量配置的仿真结果。 （5）对复合储能装置功率协调分配方法进行研究，提出采用低通滤波算法对复合储能装置进行功率分配，并根据蓄电池的充放电改变次数和荷电状态，自适应调整低通滤波算法的滤波系数，控制复合储能装置的充放电，减少蓄电池在运行过程中的损耗；给出复合储能装置功率协调分配的控制流程。以实际的耙吸式挖泥船为例，利用MATLAB编程功率分配程序，得到超级电容和蓄电池的功率分配的仿真结果。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 选题研究背景和意义

1.2 船舶电力推进系统概述

1.3 储能技术在电力推进船舶中的研究现状及应用前景

1.4 本文主要研究内容

第2章 船舶电力推进系统复合储能装置的设计

2.1 船舶电力推进系统对储能装置的技术性能需求分析

2.2 船舶电力推进系统储能装置的设计

2.3 蓄电池的工作特性

2.4 超级电容的工作特性

2.5 本章小结

第3章 船舶电力推进系统复合储能装置接入方式的研究

3.1 双向DC/DC变换器概述

3.2 多端口复合储能装置接入方式的构建

3.3 多端口DC/DC变换器移相PWM控制技术

3.4 本章小结

第4章 船舶电力推进系统复合储能装置容量的多目标优化配置

4.1 船舶电力推进系统复合储能装置容量配置的优化建模

4.2 船舶电力推进系统复合储能装置多目标优化方法

4.3 自适应惯性权重粒子群优化算法

4.4 计算结果及分析

4.5 本章小结

第5章 船舶电力推进系统复合储能装置波动平抑的实时控制策略

5.1 复合储能系统数学模型

5.2 基于低通滤波算法的复合储能控制策略

5.3 仿真与分析

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

攻读学位期间获得的相关科研成果