摘 要

如今，随着世界经济的快速发展，航道、港口等疏浚工程正在快速进步。疏浚船舶市场也十分火热。目前世界上的挖泥船发展趋势大致可以分为大型化、高智能化、多功能化和生态化。伴随着我国对海洋资源的不断重视，无论是内陆、沿海、远海、近海对疏浚船舶的要求都在不断提高。挖泥船不仅要提高作业速度和效率，而且在海中的稳定性和抗风浪能力也要提高。挖泥船的资源也要得到有效利用，提高经济性。

在这些要求下，本文提出了对疏浚船舶的复合储能系统进行能量管理控制策略的研究，通过分析耙吸式挖泥船的运行工况、分析蓄电池以及超级电容的充放电特性以及DC/DC变换器的工作原理，建立了蓄电池和超级电容分别各连接一个双向DC/DC变换器再和母线相连的复合储能系统。在这个复合储能系统中，通过提出SOC控制策略，下垂式控制策略，再基于下垂控制策略分别对蓄电池和超级电容所组成的储能系统进行能量控制，满足了疏浚船舶在不同工况下能量的合理分配，提高能量的使用率和船舶的经济性。

在Matlab/Simulink中对复合储能系统进行仿真，分析得到的数据，给出合理的能量控制策略。

关键字： 疏浚船舶；复合储能系统；SOC限制控制；下垂控制

ABSTRACT

Nowadays, with the rapid development of the world economy, dredging projects such as waterway and port are making rapid progress.The market for dredged vessels is also hot.At present, the development trend of dredgers in the world can be roughly divided into large-scale, highly intelligent, multi-functional and ecological.Along with China's increasing attention to Marine resources, both inland, coastal, offshore and offshore dredging vessels are increasingly demanding.Dredgers should not only improve the working speed and efficiency, but also improve the stability and anti-wave ability in the sea.Dredger resources should also be effectively used to improve the economy.Under these requirements, this paper presents a composite energy storage system for energy management of dredging ship control strategy research, through the analysis of the operation condition of trailing suction hopper dredger, analysis, storage battery and super capacitor charge and discharge characteristics and working principle of the DC/DC converter, battery and super capacitor is established respectively each connecting a bi-directional DC/DC converter and composite energy storage system is connected to a bus.In this composite energy storage systems, by putting forward the SOC control strategy, droop control strategy, and then based on the droop control strategy respectively to the battery and super capacitor energy storage system for power control, meet the dredging vessels under different working condition of energy distribution, improve the efficiency of energy utilization and ship.The complex energy storage system is simulated in Matlab/Simulink, the data obtained is analyzed, and the reasonable energy control strategy is given.

Keywords: dredging ships;Composite energy storage system;SOC restricted control;Droop control

目录

第1章 绪论 6

1.1 课题研究背景及意义 6

1.2 复合储能系统研究现状 7

1.3 课题主要研究内容 8

第2章 疏浚船舶工况特性及复合储能特性分析 9

2.1 疏浚船舶运行工况分析 9

2.2 蓄电池特性分析 11

2.3 超级电容特性分析 16

2.4 本章小结 18

第3章 复合储能系统及能量管理控制策略 19

3.1 复合储能系统的结构选择 19

3.2 双向DC/DC变换器工作原理 21

3.3 复合储能系统能量控制策略 22

3.4 本章小结 27

第4章 仿真分析 28

4.1 控制策略仿真分析 28

4.2 本章小结 29

第5章 总结与展望 31

致 谢 32

第1章 绪论

课题研究背景及意义

随着科学技术的高速发展和进步，我国的疏浚船舶已经的到了高速发展，其作业能力在不断提高，疏浚船舶也在不断更新换代。近些年来，疏浚船舶正走在向大型化，自动化发展的道路上，但是对于提高疏浚船舶的能力量使用效率，提高疏浚船舶的经济性，目前还缺少研究成果。以现有的挖泥船配套设备为基础，提高挖泥船的效率，是我国目前疏浚船舶行业的主要研究方向^[1]。因为以上的背景，我们需要开展耙吸式挖泥船的机构原理研究，分析耙吸式挖泥船的疏浚工况，提出对耙吸式挖泥船复合储能系统的能量管理控制策略，对提高疏浚船舶的疏浚效率有着非常重大的意义。

我国的经济正突飞猛进的发展，我国在疏浚工程上的项目随着经济发展正稳步增加，每年对沿海地区的疏浚市场投资就高达100亿元^[2]。这些疏浚工程项目主要集中在：维修和建造大型枢纽型港口的深水航道、港口工业地和大型沿海地区的填海造陆工程、港口航道的改造以及内陆河流航道的疏浚。

目前欧洲的疏浚公司对国际市场上的疏浚项目垄断十分严重，大约有六成的大型国际招标的疏浚工程项目份额被国外的五六家大型疏浚公司拥有。我国有非常多的大型疏浚工业项目急迫需要大型疏浚船舶现场进行施工建设。疏浚工业项目规模的不断大型化，也迫使着疏浚船舶向大型、高效以及自动化方向发展。与过去相比我国的疏浚船舶作业能力虽然已经得到了长足的进步，疏浚船舶也在不断更新换代，比如近些年的“新海龙”号和“新海风”号，这两艘大型疏浚船舶的建成并且投入使用，使我国的疏浚实力得到了巨大的提升^[3]。但由于国际疏浚行业激烈的市场竞争，并且我国坐拥着巨大的疏浚市场等待开发，我们国际的疏浚行业想要进入竞争舞台，还有很长的路要走。

虽然国内疏浚船舶设备在实现大规模自动化方向上面取得了很大的进展，但是，在高效化方向上我国疏浚行业还罕有研究。以先进的科学技术能力来提高疏浚船舶的疏浚能力，使疏浚船舶的能量分配达到最优化，进而提高疏浚船舶的性能，使疏浚船舶的能量使用效率得到很好的提升，这也是国外疏浚行业研究的重点、热点内容。荷兰的IHC公司隶属于IHC CALAND集团，致力于疏浚工程项目、采矿工程项目、为陆上及近海打桩公司、航运公司、造船厂、砂砾挖掘机构以及土木工程承包商提供设计、建造和资本货物及技术服务，目前IHC公司在提高疏浚船舶能量使用率上的部分研究成果已经实现初步应用，并且取得了很满意的效果。可是我国在这方面的材料和成绩十分的少。因而，在目前已有的疏浚船舶基础上，国内疏浚船舶行业急需着手研究如何提高疏浚船舶的能量使用率，从而提高疏浚船舶的作业效率。研究疏浚船舶高效化，提高经济性的工作迫在眉睫，我国疏浚行业任重道远。

近些年来，疏浚工业的规模和数量正迅速的增加，疏浚工程正在向着大规模化发展。自上个世纪九十年代以来，大大小小的疏浚工程项目陆续涌现。比如：东南亚地区和新加坡裕廊岛地区的大型填吹项目，国内香港新机场的填吹项目，厦门港十万吨级别的航道项目。因为市场需求旺盛，耙吸式挖泥船在市场的带动下，在向着大规模高效化发展。而我国的疏浚船舶行业发展才刚刚处于起步阶段，我国的疏浚市场又有如此巨大的发展潜力。通过对国外疏浚船舶发展经验的认真分析，加速吸收国内外先进技术，对加快我国疏浚船舶的开发进程具有重要的现实意义。

在这样的发展背景下，本文提出了对疏浚船舶的复合储能系统进行能量管理控制策略。通过对耙吸式挖泥船的运行工况进行分析，蓄电池以及超级电容的工作特性进行分析，提出采用双向DC/DC变换器与蓄电池和超级电容分别连接，之后在并联到直流母线上，这样方便控制蓄电池和超级电容的能量^[4]。提出对SOC值的控制策略，再基于下垂控制理论，提出了分别对蓄电池和超级电容所组成的复合储能系统进行能量管理控制，可以提高复合储能系统的经济性，使其能量分配更加合理。

复合储能系统研究现状

我们依据构成储能系统中的储能设备的种类量将储能系统分成两类，分别是单一储能系统和复合储能系统^[5]。在电力储能形式中有物理形式的储能和电化学形式的储能。抽水储能、飞轮储能和压缩空气储能构成了物理形式的储能。蓄电池、锂电池和钠硫电池等构成了电化学储能。超级电容储能和超导储能构成了电磁储能。以上储能方式中抽水储能和压缩空气储能主要应用于大电网上，可以有效提高经济性，但由于疏浚船舶的特殊性，不适合应用在疏浚船舶当中。超导储能和钠硫电池储能需要非常高的成本，也很不方便进行控制，目前的技术还不是很成熟，也不适合应用于疏浚船舶当中。目前，可以在直流微电网进行配置的有铅酸蓄电池、锂离子电池、超级电容、飞轮储能等。后文会对疏浚船舶复合储能系统蓄电池的选型进行分析。

对于具备分布式特点的直流微电网而言，直流微电网扩散于空间中，需要充足的考虑实际运行条件和环境等因素^[6]。因此，储能系统的主要要求就是：技术要成熟，功率密度和能量密度要大，储能效率高，受环境因素影响小，运行起来的成本要低^[7]。

蓄电池储能和超级电容是接入电网中最常用的储能设备，在船舶电网也常用这两种储能设备。蓄电池储能度高，运行时间长，但其功率密度低，超级电容密度高、响应速度快、循环寿命长，但只能短时间放电^[8]。由于一种储能设备无法应对电网功率出现异常的所有情况，所以复合储能被提出。它将蓄电池和超级电容通过中间设备组合成复合储能单元，运用合适的充放电控制策略控制两种储能单元运行，充分发挥两中储能设备的优点，达到优势互补，以满足船舶电力推进系统的应用需求^[9]。对于功率型的储能元件进行选择，相比于飞轮储能，超级电容在工作中没有需要移动的部件，维护修理工作比较少，可靠性很高。具体的复合储能系统选型，后文将逐一分析^[10]。

目前，对于复合储能系统的充放电控制来说，基于功率波动性质的分配进行充放电的方法研究较多，它也更加符合不同储能单元的技术特点，也更加适合不同储能单元的联合使用^[11]。现在进行研究的对混合储能系统能量分配的主要方法有，滑动平均、专家规则、小波分析、模糊控制、低通/高通滤波等^[12]。其中，高（低）通滤波的方法研究最多，也是实际使用最多的分配方法^[13]。这种基于高（低）通滤波的方法，大多利用超级电容响应较快的特点，让其优先动作抑制电网中循环高频的功率波动，其余稳定低频部分由蓄电池响应，改善蓄电池充放电过程，减少充放电次数^[14]。

储能设备一般由储能元件和接口转换器两部分构成。若要提出复合储能系统的能量控制策略，则需对接口转换器做出研究分析^[15]。本文的接口转换器选择的是双向DC/DC变换器，后面将对双向DC/DC变换器的工作原理进行分析。

课题主要研究内容

本文的主要工作内容包括：

1. 分析疏浚船舶的工况特性，所选船舶为耙吸式挖泥船。分析蓄电池及超级电容的工况特性，为提出能量管理控制策略奠定基础。
2. 分析双向DC/DC变换器的工作原理，对复合储能系统的结构进行选择。限定储能系统的SOC，研究下垂控制理论，在下垂控制理论的基础上，对两种储能设备进行能量管理，使其响应不同频段的功率。
3. 对提出的控制策略进行仿真分析，验证其正确性。

第2章 疏浚船舶工况特性及复合储能特性分析

2.1 疏浚船舶运行工况分析

挖泥船的工作循环可以分为三个工作状态：挖泥船空载运行快速行驶到疏浚工作地点；开始挖泥作业；挖泥船泥舱装满后从作业地点行驶到抛泥地点。第一阶段需要比较高的推进功率，第二阶段对推进功率需求低，但是要求泥泵有较高的功率输出以及冲水泵有较高的电力负荷功率输出，第三阶段对功率的需求也比较高，如图2.1就是耙吸式挖泥船的动力系统结构。

图2.1 耙吸式挖泥船动力系统结构

图2.2为挖泥船在六个工作循环中柴油机功率需求负荷的柱状图。柴油机务必满足最大的功率要求，在大部分时间里，挖泥船都处于较低功率需求状态，这就使得在大部分工作状况下柴油机的功率配置过分剩余。从另一角度看，柴油机在设计上就决定了随着柴油机负荷功率的上升，燃油消耗量会随之下降，在百分之八十到百分之九十的额定功率是处于最低点，说明在多数运行情况下，挖泥船配置的柴油机燃油消耗率比较低。

在一个完整的工作循环中，耙吸式挖泥船从抛泥地点行驶到装舱作业地点挖泥装舱作业至满仓后，挖泥船又行驶到抛泥地点进行清仓，实船所采集的数据时间间隔为两秒，我们取六个完整的工作循环进行数据分析，挖泥船的动力系统燃油的消耗与排放结果如表所示。

表2.1 原船动力系统燃油消耗和排放结果

图2.2 功率需求负荷柱状图

2.2 蓄电池特性分析

2.2.1 蓄电池工作原理

一次电池，也就是我们常说的原电池，一次电池在放电过程结束后，无法使原电池内部的活性物质进行再生。和一次电池相反的，二次电池也就是本节介绍的蓄电池，蓄电池可以通过充电的过程令蓄电池本身内部的活性物质重生，在这个过程中蓄电池将电能转换为化学能；在放电过程中，蓄电池可以把化学能向电能转换。由此我们可以看出蓄电池和原电池相比较，蓄电池最大的特点就是能在充放电的过程中，实现化学能与电能之间的相互转化，蓄电池可以在一定的能量效率下以可逆反应的形式进行次过程，因为这个可逆反应不会引起明显的物理变化，所以在此过程中，蓄电池的循环使用寿命不会被降低。

蓄电池的基本结构图如图2.1中所示，在放电过程中，蓄电池的内部会发生自我反应：正极发生还原反应得到电子，负极发生氧化反应失去电子；在充电过程中，蓄电池外部向其内部输送电能。电解质可以为蓄电池本身内部的离子供应一个导电用的环境，隔膜能预防正负极之间直接产生接触，它是由隔片型的绝缘材料制成的，阻断了正负极就可以避免电池内部发生短路现象。

图2.1 蓄电池基本结构图

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