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原文传递全电推进气电混合动力船舶能量管理策略实时仿真研究

论文题名：	全电推进气电混合动力船舶能量管理策略实时仿真研究
关键词：	混合动力船舶;能量管理;模型预测控制
摘要：	船舶的绿色发展已成为航运业发展的必然趋势，应用混合动力、电气化技术和使用清洁能源是实现船舶节能减排的有效途径。液化天然气作为船舶燃料具有储存效率高、环保性能好等优点，具有广阔的发展前景。内河船舶航行工况多变、机动性要求高，应用于内河船舶的天然气发动机因船舶负荷的剧烈变化，会出现气耗高、动态响应差等问题。随着电池储能技术的不断发展，船用天然气发动机结合动力电池构成气电混合动力船舶，以动力电池强大的能量时序调节能力提高系统运行能效，成为实现绿色航运的重要途径。与单一能源结构相比，混合动力系统复杂性更高，如何兼顾系统稳定性、经济性与环保性等多个目标，成为了绿色船舶领域的研究热点，本文以全电推进气电混合动力内河船舶为对象，针对混合动力系统的能量管理策略，展开以下研究：　　首先，针对全电推进船舶气电混合动力系统，遵循从元件到系统的建模过程，采用理论分析、仿真建模、数值计算等方法，分别对天然气发电系统、动力电池系统以及负载等进行建模；针对天然气发动机，在GT-Power软件中搭建仿真模型，获取天然气发动机的燃气消耗率曲线和万有特性曲线；基于能量宏观描述法反演控制规则，构建出全电推进船舶气电混合动力系统能量管理策略仿真验证平台架构，为后续能量管理策略的研究奠定基础。　　然后，采用基于动态规划的能量分配策略，对典型功率需求的气电混合动力系统进行能量分配，得到全局优化下的最优能量分配结果，供基于确定规则和模型预测控制的能量分配策略作对比参考；以天然气发动机工作在燃气消耗率高效区间、动力电池承担功率波动高频部分、天然气发动机承担低频部分为原则，设计基于确定规则的能量分配策略；以天然气发动机气耗最小为目标函数，设计基于模型预测控制的能量管理策略，将目标函数求解问题转化为二次规划问题，分析目标函数求解的方法。　　最后，分别选取能量宏观描述方法和MATLAB/Simulink-SimscapePowerSystems建模方法进行离线仿真，验证能量宏观描述法建模的有效性，并对比两种仿真方法的效率；针对两种能量管理策略，基于Speedgoat搭建实时仿真平台，验证两种能量管理策略下，全船在相同工况下的气耗。　　本文以全电推进气电混合动力船舶为对象，提出采用能量宏观描述法对系统进行建模，结合能量宏观描述法的反演控制规则，设计混合动力系统能量管理策略，并基于Speedgoat搭建了实时仿真验证平台，对所提方法的有效性进行验证。在实现设计目标的基础上，在相同的仿真步长下，能量宏观描述建模方法仿真时间较SimscapePowerSystems建模方法缩短了94.78%；在基于模型预测控制的能量管理策略下，全船燃气消耗较确定规则的能量管理策略减少5.83%。
作者：	何学民
专业：	电力电子与电力传动
导师：	罗冰洋
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2022