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关于船用光伏/蓄电池/柴油发电机/岸电混合能源系统优化运行的研究

摘要：由于对于船舶排放的规范，当船舶锚泊在港时会被限制甚至禁止使用柴油发电机，由岸电来进行电力供应。对于用于光伏发电系统的绿色船舶，对于船用光伏/蓄电池/柴油发电机/岸电混合能源系统的能源分配管理可以显著降低船舶电力成本。本文将船舶混合动力系统的优化运行问题建模为一个包括港口排放规则等多个约束条件的最优化问题。采用最优控制和模型预测控制方法对船舶在港期间的能量进行调度。最后，最有效的方法通过对不同的岸电价格和排放规则进行模拟仿真实验得出。实验结果表明，船舶混合能源系统可以有效而稳定地降低船舶电力成本。

关键词：船用光伏系统，混合能源系统，太阳能，模型预测控制。

1. 概况

风能、波浪能和太阳能等可再生资源可应用于海上来促进清洁绿色交通技术的发展，对于混合能源系统的优化运行需要高效的能源管理。太阳能光伏板的安装对于大型船舶的节能减排来说是其中一种最可行，最节能的方式。当船上安装大规模光伏板，太阳能发电可作为机器的后备电源，明显地减少了燃料的使用和温室气体的排放。

岸电是指从岸上传输来的电以替代柴油机来满足船舶的负荷要求。没有岸电的传统方式则是当船舶进港时主机降速。当船靠港时，主发电柴油机关机，副机启动来满足负荷。然而，全年的大量化石燃料的燃烧排放是造成当地空气变差的重要原因之一。因此，在2012年，由于在港船舶负荷需求的排放，有72%二氧化硫、11%PM2.5和柴油PM排放在洛杉矶和长滩港口内排放。为了保护环境，近年港口安装了岸电装置，从而来限制在港船舶的柴油发电机的使用。例如，从2014年开始，加州空气资源委员会（CARB）要求，50%访问加州主要港口的船舶，要么使用岸电，要么减少使用船载柴油机，与基线相比至少降低50%。根据CARB的规定，岸电的需求计划在2017年涨至70%，到2020达80%，在不久的将来将全覆盖。

虽然岸电的使用显著降低了排放，但高昂的收费使船公司的成本升高，这给岸电的使用带来了负面的影响。如果服务费用可以通过政府的补贴来降低，则可以促进船舶自发使用岸电。船舶在港停留通常长达几十个小时来装卸货物，所以船离港时将为岸电支付大量费用。为了节省费用安装上光伏/电池系统，船舶电网可视为微电网。船用光伏/蓄电池/柴油发电机/岸电混合能源系统优化运行的研究可以用来对清洁而又免费的太阳能进行研究，从而最大限度地降低成本。

本文提出了基于不同的岸电价格和排放规则，船用光伏/蓄电池/柴油发电机/岸电的混合能源系统的最优控制方法。本方法首先研究了船舶混合能源系统模型的分系统模型，包括光伏系统模型、蓄电池模型、船载柴油发电机模型和岸电装置模型。其次，将船舶混合能源系统优化运行问题建模为一个优化问题，其中功率平衡、光伏的输出、电池容量的限制和排放规则为约束条件。然后，采用最优控制和模型预测控制方法对船舶在港期间的能量进行调度。最后，通过仿真实验对所提出的方法进行验证。

本文其余部分组织如下：第2部分，对混合动力船舶和混合能源系统的最优管理进行文献综述；第3部分，研究了船舶光伏/蓄电池/柴油发电机/岸电的混合能源系统的各个分模型；第4部分，提出了船舶混合能源系统的优化模型；第5部分，根据最优控制和模型预测控制方法来阐述能量的调度；第6部分，进行仿真实验和详细的分析；最后，本文在第7部分进行了总结。

1. 文献综述

在全球能源和环境危机的背景下，发展可再生能源体系成为探索清洁能源替代化石燃料的迫切需要。在海上运输中，每年的燃料消耗和温室气体排放都是非常大的，为了节约能源和保护环境，航运中清洁能源的使用是受到管制的。近年来，混合能源船舶的概念受到了世界各国学者的关注，各种清洁能源技术在绿色船舶上得到了应用[14-17]。其中最有效的方法之一是安装可再生能源系统。例如，2000年在澳大利亚设计并建造了第一艘搭载太阳能/风能混合能源系统的商业船Solar Sailor。2008年，在日本的Auriga Leader ship上安装了一个包含328个电池板的光伏阵列。2012年，在日本的Emerald Ace ship上安装了一个太阳能系统，有768块电池板(约160千瓦)。然而，由于特殊的工作环境，船用光伏系统和陆地上的光伏系统具有显著的不同。因此，在海上光伏发电系统的运行安全性和效率方面出现了一些有待解决的问题。Lan等人对一艘大型油轮上PV板的倾斜角进行了优化，改善了局部遮光条件下的性能，并对储能系统的尺寸进行了研究[4]。Lee等人提出了一种光伏/柴油混合动力船，其中分布式电力系统可以连接到智能电网和微电网[8]。Visa等人通过考虑航行时纬度的变化，设计了一种船舶太阳能转换系统[18]。Gorter等人对15种聚合物进行了评估，以寻找合适的材料来替代PV动力船上的光伏组件中的玻璃[19]。

当光伏系统安装在船上时，还需要蓄电池组来存储电力和稳定电压。为了实现船舶混合能源系统的最优运行，研究了光伏发电机组、蓄电池组、柴油发电机以及岸电的能量调度问题。现有的研究主要包括各个层次的HES建模、控制和优化问题。在参考文献[20]中，对HES设计和实施的各个部门进行了全面的回顾，包括配置、标准选择、分级方法和控制与能源管理。对于单机和并网的HES，不同的优化管理方法分为以下三类:，集中式[21,22]，分布式[23]，混合控制范式[24]。

对于单机应用，Wang等人提出了一种以风能和光伏为主要动力源，以FC电解槽组合为备用的交联式混合风/光伏/燃料电池(FC)能源系统。此外，他们的研究还设计了一种基于规则的功率管理策略来管理不同能源和存储单元之间的功率流[25]。Morais等人研究了可再生微电网的最优调度问题，包括风力发电机组、光伏发电机组、燃料电池和蓄电池等，采用混合整数线性规划方法求解调度问题[26]。Faxas-Guzman等人开发了优先级局部控制算法，以获得系统负载和电池存储的最优能量管理，从而保证临界负载的能效和能量供应[27]。Zahboune等人提出了一种由光伏板、风力涡轮机和储能单元组成的混合电力系统的设计方法，并以乌吉达为例对所提出的方法进行了评估[28]。

对于并网应用，Wu等人提出了一种基于MPC的闭环控制方法，用于需求侧处的光伏电池的HES管理[29]。Majidi等人建立了电池/光伏/燃料电池/输电网HES的多目标优化运行模型，采用模糊控制方法求解 [30]。Chen等人考虑了分布式发电的存储管理、经济负荷分配和运行优化，建立了一个简化的单目标优化问题，然后用矩阵实数编码的遗传算法求解单目标优化问题[31]。Kim等人提出了一种动态监控方法来调节并网光伏发电系统[32]。在他们的研究中，来自不同环境条件的可用能量被最大化，同时保证能源在一个符合要求的水平。此外，分布式能源微电网的控制策略也是一个热点问题[33-35]。

如前所述，现有的研究主要是基于陆地的HES。然而，由于特殊的工作环境和约束条件，船用HES的调度和控制具有相当的特殊性。因此，海洋生态系统的配置、能量管理、定径方法、控制和调度方法仍然是一个值得研究的问题。

1. 船用光伏/蓄电池/柴油发电机/岸电混合能源系统

当光伏/蓄电池船舶在港时，船上柴油的使用会被限制不超过一定的比例，甚至完全禁止使用。本文评估了HES包括光伏阵列、蓄电池、柴油和岸电装置。在船用HES中，光伏发电量优先满足负荷，剩余的光伏电能可用于电池充电。如果光伏输出不能满足负荷，不足的电量将由蓄电池组或岸电来弥补。蓄电池组可由剩余的光伏电源或岸电电源进行充电，电供负荷使用。如果柴油发电满足港口排放规定，则柴油发电机发电可以考虑在上述调度过程中。船用光伏/蓄电池/柴油发电机/岸电混合能源系统原理图如图1所示，其中箭头的方向指的是电流功率的流向。在图1中，P₁和P₂分别表示光伏板供负荷使用的输出和给蓄电池充电的输出，P₃,P₄和P₅分别表示电池供负荷使用的输出，岸电对电池的充电输入和柴油发电机的充电输入，P₆和P₇分别表示柴油发电机供负荷使用的输出和岸电供负荷使用的输出。

图1 船用光伏/蓄电池/柴油发电机/岸电混合能源系统原理图

3.1 船上光伏系统

光伏组件作为不稳定电源，其输出容易受到环境条件的影响。在公式中给出了工程应用中广泛使用的光伏组件分析模型。

其中I和V表示光伏组件的电流和电压。and 为参考辐照面积和参考温度。是当前辐照面积和参考辐照面积之差。是当前温度和参考温度之差。，，和是光伏组件参数，可从生产厂商处获得。修正系数a，b和c分别为0.0025(/°C)、0.0005(W/m²)、0.00288/(/°C)。e表示自然对数的底数，等于2.71828。

在本研究中，船用光伏阵列由840个单晶硅光伏组件组成（PV模块npv=840，品牌为Guangheguineng，型号为GHGN-250WK)。根据生产商提供的参数，。，，和分别为15.27A,21.24V,13.88A和18.00V。因此整个光伏阵列的大小为840times;13.88Atimes;18.00，V=210kWp。整个光伏阵列分为10组，每一组有84个模块12times;7全交叉连接。根据式（1）整个光伏阵列的P-I函数推导为式（2）。

其中和表示光伏阵列的输出功率和电流。，，和表示每个系列支路中第i个光伏组件对应的参数(式1中C₁、C₂、V_OC、I_SC)。为了实现所评估的HES的最优功率调度，需要预测最大PV的输出，即P_pv（t），t/1，2，hellip;，N，其中N表示周期的总小时数。通过以下步骤可获得P_pv（t）的顺序：首先，预测辐照S(t)和温度T(t)。其次，对于S(t)和T(t)的每个点用式（1）和式（2）计算，表示为P-I(t)。最后，用进化算法计算P-I(t)的最大功率点（MPP）并将所有的MPP结合起来得到P_pv(t)。

3.2蓄电池组

如图1所示，蓄电池组可以由光伏电池或发电柴油机充电，也可以由岸电装置直接充电。电池的输出可以用来给负荷供电。蓄电池组的容量（SOC）在充放电过程中是动态变化的，可以用下面的方程来描述

其中S_b(t)和S_b(t 1)分别表示蓄电池组在第t小时和第t 1小时时候的容量。和分别表示在区间[0，1]内的充放电效率系数。P₂(t)，P₄(t)和P₅(t) 表示第t小时的充电功率流。P₃(t)表示相应的放电功率流。S_b(t)可以在S_b(0)表示初始电池容量时表示为

由于容量有限，SOC应限制在区间[S_l，S_h]，其中S_l，S_h分别表示容量的最低限和最高限。在本研究中，电池组由180个电池组成（电池数量n_ba=180，品牌为Guangheguineng，型号为GHGN-12V200AH）。蓄电池组由6个并联支路组成，每个支路串联30节蓄电池。根据厂家提供的参数，每节电池（V_ba/C_ba）的电压和容量为12V/200Ah，最大充放电比为3.0。因此，整个电池的尺寸S_bb为180times;12Vtimes;200Ah=432kWh。蓄电池组的最大充放电功率（P_pc/P_pd）等于180times;3.0times;200Vtimes;12V=432kW。此外，SOC被限制在50%S_bb到100%S_bb之间，即，S_l和S_h分别等于216kWh和432kWh。

3.3船载柴油发电机

船在港口时，船上柴油发电机的优先级是最低的，因为：1）由于温室气体排放，受到港口法规的限制；2）在某些情况下，柴油比岸电贵（在非高峰期实行分级电价，或者政府补贴电价）；3）柴油机不可避免的振动和噪音不太友好。然而，如果岸电服务的价格比船上使用柴油贵得多，船长则更愿意打开柴油发电机发电。

柴油发电机的燃料消耗量Fd（L/h）是1小时内发电所消耗的燃料量，这取决于额定功率（或容量）和柴油发电机的输出。本文将船载柴油发电机的小时油耗定义为

其中S_d表示柴油发电机的状态（开或关）；P_r（kW）和P_d（kW）表示柴油发电机的额定功率和输出功率；n_a（L/kWh）和n_b（L/kWh）表示燃料截距系数和燃料斜率系数，分别设置为0.01609 L/kWh和0.2486 L/kWh。

柴油发电机的指示效率可以表示为

式中，r_d（%）、W_i和Q分别表示柴油指示效率、指示功（MJ）和燃油消耗功（MJ）。表示柴油的密度，HV_f（MJ/kg）表示燃料热值。本文将设为820kg/m³，HV_f设为43.2 MJ/kg。根据式（5） 和（6），r_d和负荷系数L_{f 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料}

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