破冰船柴电混合动力系统优化设计及敏感性分析

[目的]针对极地破冰船的经济性和环保性要求,提出由柴油发电机组和储能电池组成的破冰船柴电混合动力系统。[方法]首先,基于冰载荷变化等级建立阻力模型,并采用反向建模法建立柴电混合动力系统的能量流模型;然后,以破冰船的年油耗量和生命周期总成本为优化目标,采用快速非支配排序遗传优化算法(NSGA-II)对动力系统设计参数进行优化,并基于优劣解距离法(TOPSIS)得到最优设计方案;最后,开展优化目标对7个设计参数的敏感性分析。[结果]仿真结果表明,柴电混合动力系统的最优设计方案比传统柴电推进系统节约了1.89%油耗,且纯电航行总里程占比为31.22%,但储能电池的引入降低了系统经济性。参数敏感性分析结果表明,2个优化目标对主机容量、电池组数量、电池荷电状态边界的敏感度较高,而对减速器减速比、电机转子体积和螺旋桨尺寸则相对不敏感。[结论]研究成果可为破冰船及柴电混合动力船舶的参数设计提供参考。     

船舶复合储能的混动系统能量管理策略研究

以并联复合储能的船舶柴电混合动力系统为研究对象,基于Matlab/Simulink对柴油机、可逆电机、动力电池、超级电容、电源转换器等建立仿真模型,在此基础上开发了基于逻辑规则的能量管理策略。针对港口拖轮工况波动频率高、幅度大等特点,分别研究在不同的动力电池初始电池荷电状态下,纯柴油机驱动、柴油机-电池混合驱动、柴油机-电池-电容复合储能驱动等动力系统架构的柴油机油耗、储能系统的等效油耗、系统的总油耗以及氮氧化物的排放。结果显示,在拖轮典型工况下,采用柴油机-电池-电容复合储能驱动的系统总油耗相比纯柴油机驱动形式的油耗平均低6.63%,比柴油机-电池混合驱动形式平均多降低11%的油耗,氮氧化物排放量减少8%。     

11000m~3耙吸式挖泥船动力系统模拟改装

为了实现节能减排的目的,对某传统的耙吸式挖泥船动力系统进行混合动力系统模拟改装,使用柴油机和蓄电池作为混合动力源,采用阈值法作为能量管理策略,根据不同的功率需求及蓄电池的荷电状态调整系统的工作模式,并在Matlab/Simulink环境下建立动力系统的燃油消耗及排放模型。仿真结果表明,混合动力系统较原系统在油耗和排放方面均有较大的改善。     

柴电混合动力船舶能量分配优化方法

针对柴电混合动力船舶多种工况能量分配问题,设计一种兼顾油耗成本和气体排放的船舶能量分配优化计算方法。以某海洋工程船动力系统为研究对象,研究其7种标准工况的特点,提取7种标准工况的功率需求范围。在满足船舶安全稳定运行的约束条件下,以船舶油耗成本和环境成本最小化为目标函数,建立优化模型。采用一种自适应差分进化算法进行优化计算,得出最优能量分配。     

混合动力船舶等效油耗最小能量管理策略

为了降低混合动力船舶的燃油消耗，同时解决传统等效油耗最小能量管理策略（ECMS）易导致动力设备处于恶劣工况的缺点，提出一种利用逻辑门限值规则对混合动力系统工作模式进行预识别的改进ECMS，并采用改进的蚁群算法对充放电等效因子进行离线优化。在船舶典型航行工况下，通过MATLAB/Simulink建立的船舶仿真模型进行逻辑门限值能量管理策略、等效因子分别取经验值和优化值的改进ECMS的仿真分析。结果表明：等效因子寻优后的改进ECMS有更好的燃油经济性，同时也利于保证电池荷电状态（SOC）平衡和动力设备的效率。     

基于差分进化算法的船舶能量管理系统优化策略

[目的]提出一种考虑船舶电力系统运行限制以及温室气体排放限制的能量管理优化策略。[方法]该方法以最小消耗为目标,采用差分进化算法,使用实数编码,对船舶航速、发电机组启停状态、发电机组功率分配进行优化调度,在保证船舶运行效率的同时,符合环境限制并减少船舶燃油消耗。[结果]以某客渡船的航行数据为例,初始方案(方案1)的运行成本为36 960.5货币单位(m.u.),方案2和方案3的运行成本分别为36 938.1和35 888.3 m.u.,相对初始方案分别减少了0.06%和2.90%。[结论]优化后的船舶能量管理系统能够在满足船舶发电机和柴油机运行限制、温室气体排放限制、到港距离限制的前提下,使船速和推进力曲线变得稳定,在显著改善船舶电力系统工作效率和船舶燃油经济性的同时,减少温室气体的排放量。     

邮船柴油发电机与电池混合电力推进系统排放研究

以一艘中型邮船为研究对象,结合其实际航行数据,将常规柴油机发电动力系统与动力电池和岸电相结合,基于优化能量管理算法,采用MATLAB/Simulink软件进行仿真,研究邮船在巡航、操纵和停泊等3种工况下在排放控制区内/外航行区域的油耗和排放情况,阐述岸电和电池在中型邮船上的应用潜力。     

基于人工蜂群算法的船舶航速优化

航速优化是船舶智能能效管理的主要组成部分,对降低船舶营运成本、减少温室气体排放具有重要意义。为减少船舶航行时的主机燃油消耗,根据实船数据首先构建了主机油耗模型,模型的平均误差仅为0.813%,然后对整个航程进行分段,基于人工蜂群算法对整个航程的航速进行优化。经过验证可得结论：优化后的航速对应的整个航程航行时间减少了14.44%,油耗量降低了3.012%。研究结果表明,使用人工蜂群算法对航速进行优化,能够对航速提出建议,达到提高船舶能效水平,提高经济性、环保性的目标。     

基于优化功率分配的光伏混合储能系统能量管理策略

[目的]针对舰船移动平台光伏系统的输出功率不稳定问题和负载突加/突卸所导致的功率波动问题,提出基于优化功率分配的光伏混合储能系统能量管理策略。[方法]针对传统限值管理方法的不足,根据超级电容荷电状态所在的不同分区自适应调整滤波时间常数,从而实现混合储能系统功率的优化分配,同时分析各个变换器的控制策略和工作模式。[结果]Matlab仿真结果和工程测试结果表明:该能量管理方案和变换器控制策略可以有效地改善混合储能系统的过充或过放问题,不仅可以保证直流母线电压的稳定性,还可以提高系统的动态响应性和协调性。[结论]研究成果可为移动平台光伏系统的能量管理提供参考。     

电力推进船舶功率容量的优化配置

文章介绍以实现节能减排为目的,对某耙吸式挖泥船,加入复合储能装置来降低挖泥船的燃油消耗率和气体排放,在Matlab/Simulink环境下建立挖泥船模型以及动力系统的燃油消耗和排放模型。仿真结果表明,加入复合储能装置较原系统在油耗和排放方面均有较大的改善。并通过仿真实验对复合储能装置的容量进行了优化,在满足挖泥船正常工作的情况下使复合储能装置的经济性达到最佳。     

Energy efficiency optimization analysis of fuel cell/lithium battery hybrid ship based on whale optimization algorithm北大核心CSCD

[目的]为提升船舶的能源利用率,对多因素影响下的燃料电池/锂电池混合动力船舶能效优化方法进行分析。[方法]基于Matlab/Simulink仿真建模软件,建立对象船舶的能效仿真模型,研究通航环境要素对船舶能效的影响。考虑动力源特性和船舶功率需求,提出基于模糊逻辑的功率分配策略,以优化系统能量流动。然后在此基础上,以系统总能耗最低为优化目标,建立考虑多因素的船舶航速非线性优化模型,采用鲸鱼优化算法开展优化模型动态寻优,并进行不同航行方法和航行时间约束下的能效优化分析。[结果]结果显示,在总航行时间不变的情况下,采用所提的考虑多因素的船舶能效优化方法可以降低船舶5.04%的总能耗和13.16%的燃料电池氢气总消耗。[结论]所述方法对船舶节能减排具有积极的作用,同时对提高船舶续航力和经济性具有重要意义。     

船舶并联式油电混合动力系统设计

随着绿色环保概理念日益深入人心和世界各国对船舶污染物排放标准提高,船舶设计人员正寻求各种方法减少柴油消耗量和排放,油电混合动力船舶结合柴油机推进船和电推船的特点,其在节能减排和降噪方面具有明显优势。本文将并联式油电混合动力系统应用于嘉陵江水域的公务艇,为了提升系统转矩合成器的性能,设计中将行星齿轮内置于合成器中,同时将逻辑门限制控制策略对整个动力系统进行控制管理,有效的发挥了系统的效能。根据计算结果表明,设计船的运行成本和污染物排放量相对同等船型将低了8.6%和10.48%,节能减排效果明显。     

基于模型预测控制的无人帆船轨迹跟踪方法

[目的]面向无人帆船在水面、水下跨域异构海洋机器人的协同作业场景,提出基于模型预测控制（MPC）的无人帆船轨迹跟踪方法。[方法]针对“海鸥”号无人帆船,建立其动力学模型及运动学模型,通过分析无人帆船动力学特点及执行器约束条件,构建MPC目标函数及系统约束条件,将无人帆船的轨迹跟踪问题转化为优化问题,并利用Matlab软件开展仿真实验验证。[结果]仿真结果表明,与“帆–舵”分离的PID轨迹跟踪控制方法相比,所提出的无人帆船“帆–舵”联合MPC控制方法更便于添加约束条件,其在风向变化的情况下能以更小的轨迹跟踪误差来更快地收敛于指定轨迹,且其可以实现逆风折线航行。[结论]研究成果可为无人帆船的帆、舵控制提供新的思路,提高其轨迹跟踪能力,进一步为无人帆船与AUV的高效协同作业提供技术保障。     

海运温室气体排放MRV规则对我国海运业影响与对策研究

近年来,国际海运业温室气体排量与日俱增,日益严峻的气候问题随之而来。结合全球海运温室气体排放现状,介绍欧盟海运温室气体排放的MRV规则,对比国内温室气体排放的监测手段,探究欧盟海运温室气体排放MRV规则对我国航运业的影响,针对国内温室气体排放监测体系提出意见和建议。     

基于模糊规则的鲁棒预测舵减摇控制北大核心CSCD

[目的]针对模型预测控制(MPC)中因权重值固定所导致的欠驱动船舶在舵减摇时对转向的响应较慢的问题,提出一种基于有限时间扩张状态观测器(FTESO)、模糊控制规则和鲁棒预测控制的舵减摇控制器设计方法。[方法]首先,建立固定航速欠驱动船舶线性模型用于控制器设计,FTESO用于观测船舶运动状态和外部扰动;然后,通过对船舶在航向保持和变航向的情况进行分析,设计这2种情况下的目标函数权重,并建立状态观测值与目标函数权重之间的模糊规则,随后采用鲁棒预测控制解决带约束的多目标协同控制问题;最后,以一艘多用途舰艇为例进行数值仿真分析。[结果]结果显示,在航向改变情况下,对比扰动补偿模型预测控制和扰动观测器强化模型预测控制,发现减摇效果分别提升了5.74%和0.8983%,对于30°的转向的响应时间分别减少了1.8和7.3 s,证明了所设计控制方法的闭环稳定性。[结论]研究表明,所提方法在欠驱动船舶减摇方面是有效的。     

考虑作动器输出约束的分散中间质量混合隔振系统建模分析

[目的]研究舰船主动隔振系统的能量波动特性。[方法]首先,建立一种浮筏混合隔振系统广义数理模型,包含有多向复合扰动振源、分布参数主/被动一体式隔振器、分散中间质量及弹性安装基础,并从声振能传递与控制角度揭示系统的耦合振动机理。然后,结合工程中隔振系统的应用,设置等中间质量的浮筏隔振系统作为参照组,研究隔振器内共振、中间结构波动效应、中间质量与机器质量比以及不同作动器布置方案对系统能量传递的影响。[结果]分析结果表明:相比于传统的浮筏隔振系统,尤其是在中、高频共振区,分散中间质量隔振系统对于振动能量的隔离效果有明显的提高;对作动器施加约束降低了未施加约束时的理论预测误差。[结论]此类混合隔振系统在整个频段内具有良好的隔振效果,隔离性能超过传统隔振系统15 dB以上,且考虑作动器输出约束后更符合工程实际。     

游艇燃料电池混合动力系统的模糊逻辑控制策略研究

文章针对内河及湖泊小型游艇,采用燃料电池和蓄电池组并联结构作为游艇混合动力系统,设计相应的模糊逻辑控制策略对能量进行管理,运用MATLAB/Simulink软件搭建燃料电池游艇混合动力系统及模糊逻辑控制器的仿真模型。仿真结果表明,混合动力系统及其模糊逻辑控制策略能够实现游艇航行中的能量控制,并且满足节能减排的要求。     

船用大缸径柴油机燃烧系统的仿真研究与工程化应用

伴随着排放法规的不断升级,大缸径船用柴油机面临经济性和排放性升级的双重考验,因而对其油气混合过程和燃烧系统匹配优化的需求更加紧迫。文章采用仿真研究的方式,建立某200缸径船用柴油机的燃烧系统三维模型,研究其喷油规律、喷油器流量、夹角及燃烧室形状等参数对燃烧性能的影响,并以此为基础提出改进方案。实验结果表明,仿真优化方案实现了油耗原机基础上降低4.6%、烟度降低53%,极大地改善了产品性能。     

绿色35000吨散货船主机选型优化研究

从节能和减排的角度重点研究主机的选型.通过优化选型,将具有最低燃油消耗量,最低温室气体排放以及最高纯现值的主机选为绿色35000吨散货船的主机.为进一步降低燃油消耗量,通过主机与螺旋桨优化匹配以完成主机的优化选择.优化选择体现在以下四方面:(1)在相同服务航速条件下,采用低转速大直径螺旋桨进一步降低对主机功率的需求; (2)采用低燃油消耗率的主机;(3)采用低的减功率输出方法选择主机,使燃油消耗进一步降低; (4)备选主机的排放要满足IMO及MARPOL 73/78的有关要求.对六种机型进行了对比选择,6S46ME-BSTⅡ型主机因具有最低燃油耗量,最低温室气体排放以及最高纯现值,可作为绿色35000吨散货船的首选主机.该型主机与原来安装的6S42MC7主机相比燃油消耗量的节省可达19.5%.     

船用大缸径柴油机燃烧系统的仿真研究与工程化应用

伴随着排放法规的不断升级,大缸径船用柴油机面临经济性和排放性升级的双重考验,因而对其油气混合过程和燃烧系统匹配优化的需求更加紧迫。文章采用仿真研究的方式,建立某200缸径船用柴油机的燃烧系统三维模型,研究其喷油规律、喷油器流量、夹角及燃烧室形状等参数对燃烧性能的影响,并以此为基础提出改进方案。实验结果表明,仿真优化方案实现了油耗原机基础上降低4.6%、烟度降低53%,极大地改善了产品性能。