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原文传递内河柴电混合动力船舶能效优化研究

论文题名：	内河柴电混合动力船舶能效优化研究
关键词：	内河柴电混合动力船舶;通航环境;能量管理;航速优化;多目标优化;蚱蜢优化算法
摘要：	船舶能效研究是节能减排和提升船舶企业竞争力的有效途径之一，通过对船舶营运管理方式以及动力系统的统筹优化，才能确保减小航运业对大气碳排放量的同时增加企业的利润。提升在营运的新能源船舶能效水平的方法大体上有两种：一是通过建立特定评价指标以及设定相应约束条件，对各航段的最佳航速寻优；二是直接选择新能源混合动力系统，并设计能量管理策略。目前，统筹上述两种方案的优化方法来解决船舶节能减排问题，是船舶能效优化研究的重点。因此，研究一种同时考虑上述两种方法的能效优化方案对船舶行业的节能减排有重要意义。　　本文以一艘内河500客位柴电混合动力系统的豪华游轮示范船为研究对象，分析了影响船舶能效的因素，设计船舶能效管理系统，采集实船能耗和通航环境数据，并建立能耗机理模型。在此基础上，基于蚱蜢优化算法，提出一种考虑航速和功率分配的能量管理策略，为新能源船舶能效研究扩展新的研究思路。具体工作如下：　　（1）设计了适用于新能源船舶的能效管理系统。针对新能源船舶，分析影响船舶能耗的因素，据此设计能效管理系统的能效数据采集终端、通信协议、通信布线以及安装设计。此外，对采集的原始数据进行数据清理和分析梳理，通过观察实际数据对能耗的影响，来确定能效研究过程对能耗影响最大的几种因素，指导下文的机理建模的着重点；　　（2）搭建了适用于新能源船舶的油耗预测模型。依据实船数据分析，在Simulink环境中，建立考虑船型、电能转换效率和通航环境等因素的功率需求端模型，以及考虑螺旋桨、减速齿轮箱、推进电机以及混合动力系统构成的功率供给端模型，然后建立油耗预测模型，并依据实际数据验证模型的有效性。在此基础上，利用该预测模型依次探究通航环境因素和不同能量管理策略对能耗影响。　　（3）研究了考虑通航环境因素的混合动力能量管理策略。提出了一种以燃油消耗量为评价指标，以船舶航速、柴油发电机和超级电容输出功率为决策变量，以船舶功率供给平衡、安全航速限制、柴油发电机功率输出限制、超级电容SOC、动力系统可靠性等为约束条件的混合动力系统能量管理策略；在MATLAB环境中通过算法设计调运Simulink中的评价模型，运用蚱蜢优化算法实时优化决策混合动力系统的能量分配和最佳航速；并依据实测数据对比分析该能量管理策略的优化效果；　　（4）针对一艘采用传统推进方式的散货船，研究了多属性下基于滚动优化的船舶能效优化模型。考虑到船舶营运期间受到多方面因素的约束，在上述油耗预测模型的基础上，修改对象船舶的船型参数，并建立了总航行成本和船舶能效营运指数（EEOI）的多属性优化模型；基于滚动优化的思想下，采用高精度的多目标蚱蜢优化算法寻得能效模型的帕累托（Pareto）解集，利用基于逼近于理想解的排序法（TOPSIS）的多属性决策方法权衡解集的折中解；依据实测数据对比分析该能效优化方案的优化效果。
作者：	胡东亮
专业：	轮机工程
导师：	尹奇志;袁裕鹏
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2022