舰船混合动力系统优化配置与控制策略仿真研究

摘要

破冰船是一种用来破碎海面冰层，开辟航道的极地船舶，其负载功率需求会随着海面冰况的改变而出现急剧变化。传统柴油发动机无法及时跟随负载变化，会造成制动能量的损失，同时带来严重的环境污染。
　　本文主要研究了一种能量优化配置策略，以回收年限最短为优化目标，对混合动力破冰船的能量进行配置。目标破冰船使用液化天然气—柴油双燃料发动机做主动力系统，蓄电池—超级电容器混合储能作辅助动力。发动机部分燃料加入了热能更高、价格更便宜的液化天然气，通过改变发动机工作模式，改变负载功率在主动力系统内的分配情况，并最终达到减少柴油花费目的。
　　储能部分由蓄电池和超级电容器组成，主要承担负载和主动力系统的功率差值，能快速提供负载所需的瞬时大功率，同时，在破冰船制动时储存多余的能量，实现能量的二次利用。
　　本文的主要研究内容包含三个部分:首先，将主动力系统分为五种工作模式，分析两种燃料在不同功率水平下的加载/卸载速度，设置发动机相关参数，计算主动力系统在一个周期内的输出功率;其次，研究了采用蓄电池单独储能、蓄电池-超级电容器混合储能两种方式下，储能的设备特性及储能设备选型分析，并通过储能优化配置策略分析能量在储能系统内部的最优化配置方式;之后，对混合动力破冰船进行经济性分析，计算在不同的动力系统组成方式下，破冰船总投资回收年限，回收年限最短的混合动力系统能量配置策略即为整舰最优化配置策略;最后，在MATLAB/Simulink内分别对破冰船电力微网进行建模与仿真，通过观察仿真结果，确定加入储能后能提高系统稳定性。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 课题研究背景与意义

1．1．1 课题研究背景

1．1．2 课题研究意义

1．2 课题研究现状

1．2．1 混合动力系统研究现状

1．2．2 储能系统优化策略分析

1．3 课题研究内容及研究方法

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究路线

2 破冰船主动力系统工况研究

2．1 破冰船电力系统组成与典型负荷曲线

2．1．1 破冰船电力系统组成

2．1．2 破冰船典型负荷曲线

2．2 主动力系统

2．2．1 发动机简介

2．2．2 燃料加载卸载特性分析

2．2．3 主动力系统工况分析

2．2．4 主动力系统出力分析

2．3 本章小结

3 储能系统工况研究

3．1 储能系统工况分析

3．1．1 蓄电池特性分析

3．1．2 超级电容器特性分析

3．2 储能拓扑结构分析

3．2．1 单一储能的拓扑结构

3．2．2 混合储能的拓扑结构

3．3 储能需求分析

3．3．1 储能系统约束条件分析

3．3．2 蓄电池需求分析及选型

3．3．3 超级电容器需求分析及选型

3．4 本章小结

4 混合动力系统优化配置策略

4．1 主动力系统经济性分析

4．1．1 燃料花费计算

4．1．2 节油效果分析

4．2 储能系统优化配置

4．2．1 单一储能参数计算

4．2．2 混合储能优化配置策略分析

4．2．3 混合储能系统优化配置计算

4．3 混合动力破冰船成本回收年限及最优化配置

4．3．1 成本回收年限计算

4．3．2 混合动力系统最优化配置分析

4．4 本章小结

5 破冰船电力微网建模与仿真

5．1 破冰船电力微网建模

5．1．1 主动力系统电力微网建模

5．1．2 储能系统电力微网建模

5．1．3 电力负载建模

5．1．4 转换器建模

5．2 仿真结果

5．2．1 主动力系统模块仿真结果

5．2．2 电力负载模块仿真结果

5．3 本章小结

6 总结与展望

参考文献

作者简历

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