多能源船舶发电系统电源优化配置研究开题报告

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1. 研究目的与意义（文献综述）

目前，全世界正面临着巨大的能源需求，以中国为例，虽然人均消耗只有1.4吨煤，但我们拥有巨大的人口数量，总量每年有近20亿吨的煤耗量，同时还面临液体燃料短缺，以及化石燃料燃烧造成的空气污染、二氧化碳排放量增大、极端天气频发等环境问题。在航运业，2008年 3月联合国气候变化谈判最终决定将海运、航空和运输业纳入温室气体减排目标,在联合国的统一部署下,对船舶co₂ 排放提出标准和立法限制将不可避免。2009年国际海事组织（imo）也对新船能效设计指数（eedi）。eedi是衡量船舶能效水平的一个指标，eedi公式是根据co₂ 排放量和货运能力的比值来表示船舶的能效。由此可鉴，在全球化石能源减少，燃油在航运成本中越来越大的情况下，做好船舶节能减排工作已势在必行。然而新能源具有分散性、能量密度低、间歇大等缺点。采用多能互补发电方式能够在一定程度弥补新能源发电的不足。因此，多能互补发电方式已成为全球发电的研究热点。

多能互补发电系统的提出,旨在满足用户不同能源需求的前提下,促进能源间的优势互补,减少环境污染。能源存储单元作为多能互补系统的关键组成部分,在增加系统经济性和提高能源利用率等方面也有积极的作用[1-3]。近些年来针对多能源发电有许多研究方向，如:文献[4]采用光柴储混合能源管理系统，针对可再生能源对船舶微电网针对可再生能源对船舶微电网带来的波动性，提出了一种基于标幺曲线的预测方法。在解决风电场发电间歇性问题上，提出风气互补发电系统，利用燃气轮机的快速启停特性来弥补风电场的出力波动。通过建立通过建立风电与燃气轮机互补发电系统内部机组组合问题的优化模型,利用遗传算法，来得到最佳燃气机组配置以补偿风电出力的间歇性[5]。在当前可利用的可再生能源中，风能、太阳能已成为该领域开发利用水平最高、技术最成熟、应用最广泛、具有商业化发展条件的新型能源[6-7]。尤其对于小容量的船舶发电系统采用风光柴蓄互补发电的方式，则可以获得较为稳定的电源输出。例如，文献[8-9]通过建立风力发电机和太阳能板的数学模型，采用改进遗传算法对船舶风光互补辅助发电系统各个部件在数量和参数上进行优化配置，为船舶风光互补发电的设计提供了一种有效的解决方案。文献[10]提出运用机器学习的方法对包含蓄能系统的全电动船舶动力系统中具有温室气体排放限制的最优电源管理，提出一种最佳电源管理办法。文献[11]针对船舶动力系统中混合光伏/柴油/电池的最佳尺寸的研究，作者提出了考虑各种环境条件的混合光伏/风能系统的最佳设计。运用粒子群优化的方法来对包括太阳能电池板、风力涡轮机、柴油发电机、电池、燃料电池的数量及参数进行优化。

目前对于电源的优化配置是实现经济性的关键，然而多能源发电系统是一种离散、非线性、高维数的问题，很难找到理论上的最优解。各国研究者也提出各种优化算法来解决该问题（如优先顺序法、启发式方法、拉格朗日松弛法、分支界定法、人工神经网络法、模拟退火法、遗传算法等）。比较这些优化算法，遗传算法的优势越发凸显[12-15]。文献[12]采用矩阵实数编码方式对整体发电计划进行编码，可直接运用遗传算法求解机组组合问题，但从整个调度时间段来考虑问题所处理的数据非常大，使得算法收敛慢甚至出现发散的情况，对于风电的瞬息变化实时性不强。文献［13］中采用结合启发式方法的自适应遗传算法，显著减少了求解问题的规模提高了算法效率。文献［14］将最小开停机时间约束加入到编码过程中以减少不可行解。

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究的基本内容、目标

海洋环境中，风光资源较为充足，在船上采用多能源发电系统将有效降低燃油使用，提高经济效益。在保证安全和降低成本的前提下，从海洋气象条件、成本优势和环保特性、可靠性等方面对其进行可行性分析，并针对多能源船舶提出具体的应用对象，即应用于小型船舶的风光柴蓄混合发电系统资源优化配置问题。建立各部分数学模型构建优化问题的边界约束，并选择多种优化算法开展仿真实验，实现柴-电混合动力船舶复合储能装置的最优容量配置。2.2拟采用的技术方案2.2.1建立数学模型

从海洋气象条件、成本优势和环保特性、可靠性等方面对风光互补发电应用于船舶的可行性做简单分析,并针对船舶实际情况指出实际应用过程中出现的优化配置问题进行数学建模。包括：1、风光资源建模，模拟常见的特性曲线；2、风力机和光伏电池建立仿真模型；3、建立发电柴油数学模型。以容量配置的经济性最优为目标函数，约束条件为系统负载和蓄电池组。

3. 研究计划与安排

4. 参考文献（12篇以上）

[1]倪维斗,陈贞,麻林巍,关于广义节能的思考[j].中外能源,014(2):1-8.

[2]严新平. 新能源在船舶上的应用进展及展望[j]. 船海工程(6):111-115,120.

[3] 门向阳, 曹军, 王泽森, et al. the能源互联微网型多能互补系统的构建与储能模式分析[j]. 中国电机工程学报, 2018, 038(019):5727-5737.