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原文传递多能互补全电力船舶发电与航程协同优化研究

论文题名：	多能互补全电力船舶发电与航程协同优化研究
关键词：	全电力船舶;电力系统;虚拟储能;航程规划;能源利用率
摘要：	为了减少化石燃料的消耗，缓解日益严重的环境污染问题，引入新能源发电技术、综合电力推进技术与热储能技术，构造多能互补的全电力船舶电力系统，不仅可以改变传统船舶运行成本高、污染重的问题，还可以显著提高船舶能源利用率。然而，受船舶航行和自然条件的影响，船载新能源发电系统出力与船舶负荷需求存在较强的波动性和不确定性，如何计及多种因素的不确定性，实现多种能源协调配合，是实现船舶优化运行的关键。本文以全电力船舶为研究对象，综合考虑复杂环境的不确定性，利用智能优化算法，针对多能互补全电力船舶发电与航程概率性协同优化展开研究。　　多能互补全电力船舶的运行不确定性主要来自于随机变化的海上光资源与风资源、船舶摇摆程度及船舶航行状态，由于这些不规则变化且波动剧烈的不确定因素严重影响着全电力船舶的发电与航行，本文率先对全电力船舶进行不确定性建模。根据船舶接收到的光照强度、船舶航行阻力、船舶摇摆角度与航行状态等情况，通过对全电力船舶多能源系统和航程进行分析，分别建立了各能源系统的概率性模型，为多能互补的全电力船舶发电与航程协同优化研究提供理论参考。　　针对全电力船舶发电优化需求，本文结合动力定位工况下的电力推进负荷波动特点，利用无参数估计的核密度函数，建立处于动力定位工况下的电力推进系统的不确定性模型，并将质量工程中的田口法与智能优化算法融合，提出一种新型概率性优化算法，在充分考虑船舶负荷不确定的基础上，优化计算全电力船舶运行过程中柴油机发电系统和储能系统的出力，以提高全电力船舶的运行经济性，减少碳排放。　　针对船舶运行中油耗过高和污染排放严重等缺点，对全电力船舶多能源网络互补运行、发电与航程协同优化运行展开研究。在计及负荷不确定性的全电力船舶概率性发电优化问题基础上，将热能系统与航程规划引入全电力船舶中，构成多能源网络的全电力船舶发电与航程协同运行机制;将热负荷与热储能相结合形成一种虚拟储能系统，探究电热耦合的全电力船舶发电与航程协同优化理论框架。结合智能优化方法，通过合理的调节船舶热负荷和船速，对全电力船舶发电计划和航程规划进行优化研究，在确保全电力船舶准时抵达港口的同时，降低燃油成本与温室气体排放量。　　在考虑电热耦合的全电力船舶发电与航程协同优化基础上，将新能源发电技术引入全电力船舶中，形成由新能源发电系统、柴油机发电系统、储能系统、热能系统构成的全电力船舶多能源系统。由于全电力船舶航行在海洋中受众多不确定性因素影响，在综合考虑太阳能辐射度、船舶航行阻力及船舶摇摆角度等不确定变量的基础上，利用所提出概率性优化算法，将连续的不确定变量离散化，对全电力船舶发电计划和航程安排进行优化，以提高全电力船舶的能源利用率，并保证全电力船舶提前抵达港口。　　通过对比分析不同案例，论证多能互补的全电力船舶发电与航程协同优化理论可以改变传统船舶单一的供能方式，从而破解船舶电力系统多变量耦合、时空多维度、随机性强的运行难题;验证质量工程中田口法与智能优化算法相融合的概率性优化方法可实现全电力船舶中多能流综合能源的协调运行，提升全电力船舶航行效率和能源利用率，使全电力船舶安全、环保、经济地航行。本文所提出的方法将有助于丰富全电力船舶综合能源优化理论与技术体系。
作者：	黄宇晴
专业：	控制科学与工程
导师：	兰海
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2021