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原文传递全电力船舶能量管理智能决策系统研究

论文题名：	全电力船舶能量管理智能决策系统研究
关键词：	全电力船舶;能量管理;模块化建模;配电网络重构;资源分配;布谷鸟搜索算法
摘要：	近年来，以综合电力推进系统为标志性技术特征的全电力船舶能够实现全船能源的综合利用，具有大幅降低油耗、节约维修保养费用、提高船舶生存能力等优点而成为未来船舶的发展方向。能量管理系统是全电力船舶的控制核心之一，与船舶其他控制系统的良好配合可以使船舶最大程度发挥其性能，满足未来先进船舶“减员增效”、提高生存能力的需求，但目前世界范围内仅有美、英等少数几个国家和大型跨国公司掌握了适用于全电力船舶的能量管理相关技术且不公开，缺乏成功的案例可以借鉴，这对我们研究适用于全电力船舶的能量管理系统提出了挑战。　　本文对全电力船舶能量管理智能决策系统存在一些问题进行了研究：　　首先，针对目前全电力船舶能量管理智能决策系统缺乏统一设计标准的情况，在分析总结全电力船舶能量管理功能需求的基础上，提出全电力船舶能量管理智能决策系统设计方案。以船舶 MVDC综合电力推进系统为对象，提出基于多时间尺度的分层控制结构，以满足不同级别控制实时性以及各层控制自治性的需求；提出针对能量管理决策系统设计的模块化建模方法和仿真方案，实现复杂系统模型之间的解耦，满足提高建模和仿真的效率的需求。　　第二，针对船舶 MVDC综合电力推进系统具有刚性特征导致仿真成本高的问题，分析能量管理智能决策系统的控制策略时间尺度后，合理忽略系统中高频的开关特性和快速变化的电磁特性，建立了面向能量管理系统设计的船舶 MVDC综合电力推进系统的降阶模型。给出了螺旋桨负载四象限模型和船舶运动模型；整合各设备模型形成适用于能量管理系统设计的全系统仿真模型；在同等条件下，与详细机理模型构成的系统仿真模型的结果进行比较，验证提出的仿真模型的正确性和高效性。　　第三，针对综合电力推进系统运行中需要维持直流母线电压在允许范围内以保证系统稳定运行的需求，提出基于直流母线电压阈值的能量协调控制策略，通过仿真表明提出策略能够实现系统内部和系统之间的能量协调并满足系统对于直流母线电压稳定性的要求。提出了一种基于种群特征反馈的布谷鸟搜索算法，将该算法与仿真模型结合用于优化能量协调控制策略中的参数，以优化发电子系统策略中下垂系数和 PI控制器系数为例进行了仿真，仿真结果表明采用提出的算法搜索到的最优参数能够最小化目标函数，证明了提出算法在优化参数问题中的有效性。　　第四，针对船舶 MVDC综合电力推进系统采用直流区域配电的特点，提出配电网络两阶段重构策略：第一阶段采用基于宽度优先搜索策略的最短路径搜索算法为失电区域寻找一条提供足够电力供应的线路，并在这个过程中给出线路上的有功潮流分布；第二阶段在第一阶段重构结果基础上，解决线路恢复后系统中发电容量不足的问题，尽量为系统运行的关键负载供电，以实现负载供电最大化，并提出一种新型的二进制格雷码布谷鸟搜索算法求解该优化问题。通过多个故障实例分析验证提出的配电网络两阶段重构策略的效果，仿真结果说明提出的策略在解决船舶综合电力推进系统 MVDC配电网络重构问题的高效性。　　最后，针对全电力船舶资源分配决策过程具有马尔可夫性质的特点，提出分配资源的最优决策问题可以通过求解一个有约束Multi-Agent马尔可夫决策过程的最优解得到，考虑到各功能系统独立运行的特点，将 Multi-Agent马尔可夫决策过程分解成若干个独立马尔可夫决策过程，通过线性规划方法求出最优策略；对全电力船舶中两种典型任务——巡航与作战以及任务切换过程中的资源分配进行仿真，仿真结果说明在这三种情况下，按照最优策略进行资源分配能够使对完成任务有关键作用的功能系统绝大部分时间能够保持期望状态，从而提高全电力船舶的任务效能。　　本文的研究成果具有重要的理论研究意义和工程应用价值，可以为全电力船舶能量管理系统的设计研发提供仿真与分析工具。
作者：	贾云璐
专业：	控制理论与控制工程
导师：	刘胜
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文