1.1研究背景

近年来，随着经济的快速发展，我国疏浚作业工程项目大量增加，沿海疏浚市场每年约有 100 亿元投资，其主要集中在大型枢纽港的深水航道建设和维护、临港工业区建设沿海大型陆域吹填项目、港口航道的改造升级以及内河航道疏浚方面。目前，国际疏浚市场基本被欧洲疏浚公司垄断，国际招标的大型疏浚与填筑工程，被世界五六家大型疏浚公司占有约 60%的份额。目前，我国许多大型疏浚工程项目急需大型挖泥船进行施工，疏浚工程规模的大型化促使了疏浚设备向大型化、高效化和自动化方向发展，虽然国内疏浚能力已取得了长足进步，疏浚设备也得到了更新，一些大型疏浚设备的建成和投入使用，大大提高了我国的疏浚能力，但是鉴于我国巨大的疏浚市场和日益激烈的国际竞争，国内疏浚事业仍有很长的路要走。对于需要在多工况下快速转换的疏浚船舶来说，以柴油机为主动力源，蓄电池为辅助动力源的混合动力改装尤为重要。尽管，我国疏浚设备在大型化和自动化方面取得巨大进展，但是在疏浚高效化方面至今还罕有研究。运用先进的科技手段提出疏浚船舶用复合储能系统能量管理控制策略，使疏浚能量分配最优化，达到提高挖泥船的性能和效率的目的，这也正是国外疏浚行业积极研究的热点与内容。国外已经将一部分研究成果实现初步应用并取得了很好的效果。因此，在现有的疏浚设备的基础上如何提高疏浚性能、提升疏浚效率、使疏浚船舶复合储能系统能量分配达到最优化是我国疏浚事业亟待研究和发展的方向，致力于研究疏浚船舶复合储能系统能量管控的任务极为迫切，我国的疏浚事业仍然任重而道远。

能源是人类生存和发展的重要物质基础，也是推动国民综济发展的强大动力，高效、清洁、低碳己经成为当今世界能源发展的主流方向 ， 尤其是国际金融危机以来主要发达国家竞相加大能源科技研发投入，抢占新一轮全球能源变革和经济科技竞争的制高点。我国能源生产量和消费量均已居世界前列，但能源技术的相对落后和能源创新体系的不健全使得能源利用效率极低、新能源利用比例太少、环保压力巨大。正确的能源发展和环境保护科技战略对我国的可持续发展至关重要。随着新能源的广泛渗透和分布式供能系统的蓬勃发展，储能技术在改善电能质量、提高系统稳定性与可靠性、增强能量管理能力、提升能源综合利用效率等诸多方面日益显示出强大的功效和不可替代的作用，也已成为微网乃至未来智能电网不可或缺的组成部分和至关重要的技术支撑。

1.2研究现状

1.2.1复合储能技术的研究现状

复合储能技术可以结合不同储能方式的优势，改善储能技术的效用。目前复合储能多由能量型储能与具有快速响应特性的功率型储能构成。电池和超级电容由于技术比较成熟且互补性较强，成为目前复合储能研究的热点。1、蓄电池与超级电容组成的混合储能系统，蓄电池和超级电容分别通过双向半桥接到直流母线，蓄电池恒定电压，超级电容提供负载突变功率髙频分量并限制电流的控制方式，提高了超级电容的利用率，减少了超级电容使用量。2、燃料电池、蓄电池和超级电容组成的絕合能量系统，燃料电池、蓄电池和超级电容都通过ＤC／ ＤＣ接入直流母线，系统总共设置了三个控制电压回路；直流总线电 压由超级电容器调节，超级电容器电压由电池调节，燃料电池最后调节电池电压，最后通过试验验证了系统在电机驱动中出色的控制效果。3、一种超导储能蓄电池混合储能系统，系统同样采用直流侧并联方式，超导储能和蓄电池分别平抑风电中高频和低频波动，在满足功率平滑要求的同时，减少了蓄电池充放电次数，延长其寿命。

1.2.2耙吸式挖泥船复合储能系统的研究现状

采用柴油机 蓄电池 电动机的混合动力方式取代原有的配置，主机选取比原系统配置功率等级低的柴油机，动力不足部分由蓄电池组和

电动机提供。其中电机既可作为轴带发电机发电，也可当电动机提供动力。当蓄电池需充电时，主柴油机通过齿轮箱带动轴带发电机发电，经过整流之后将电能存储在蓄电池中。当蓄电池放电时，一方面可以通过逆变器连接到主电网为电气设备供电，另一方面可以通过逆变器驱动电动机，再通过齿轮箱单独或与主柴油机一起驱动螺旋桨，满足峰值功率需求。

采用阈值法将挖泥船混合动力系统工作循环中的运行状况分为如下几种模式。（1）当总需求功率(含机械功率及电功率) 小于主机额定功率，且蓄电池的荷电状态 SOC 值小于 80% 时，主机按额定功率工作。此时主机提供推进功率和挖泥泵功率，同时通过轴带发电机向主电网和蓄电池供电。（2）当总需求功率小于主机额定功率，蓄电池SOC 值不小于 80% 时，主机提供所有需求功率。此时主机提供推进功率和挖泥泵功率，同时通过 轴带发电机向主电网供电。（3）当总需求功率大于或等于主机额定功率， 机械功率小于主机额定功率，SOC 值大于 30% 时，主机按额定功率输出。此时主机提供推进功 率和挖泥泵功率，同时通过轴带发电机向电网供 电，不足的电力需求由蓄电池通过逆变器向主电网供电。（4）当总需求功率大于或等于主机额定功率， 且机械功率大于主机功率，SOC 值大于30% 时，主机功率按额定功率输出。此时主机提供挖泥泵功率和部分推进功率，蓄电池通过逆变器向主电网供电，同时驱动电动机提供部分推进功率。

2. 研究的基本内容与方案

采用阈值法通过对已知的疏浚船舶复合储能系统模型进行仿真，研究下列情况下：

1. 当总需求功率小于主机额定功率，主机按额定功率工作。

2. 当总需求功率小于主机额定功率，主机提供所有需求功率。

3. 当总需求功率大于或等于主机额定功率且机械功率小于主机额定功率，主机按额定功率工作。

4. 当总需求功率大于或等于主机额定功率，机械功率大于主机额定功率，主机按额定功率工作。

   做出不同情况下复合储能系统能量分配方案，找到经济性最好的方案。

[1]刘乐,高海波,缪光辉,孙震.11000m~3耙吸式挖泥船动力系统模拟改装[J].船海工程,2017,46(02):166-169.

[2]王湘. 基于模型预测控制的自航耙吸挖泥船疏浚优化控制研究[D].江苏科技大学,2012.

[3]赵靖纹. 纯电动汽车复合储能系统及其能量控制策略的研究[D].哈尔滨理工大学,2018.

1.1研究背景

近年来，随着经济的快速发展，我国疏浚作业工程项目大量增加，沿海疏浚市场每年约有 100 亿元投资，其主要集中在大型枢纽港的深水航道建设和维护、临港工业区建设沿海大型陆域吹填项目、港口航道的改造升级以及内河航道疏浚方面。目前，国际疏浚市场基本被欧洲疏浚公司垄断，国际招标的大型疏浚与填筑工程，被世界五六家大型疏浚公司占有约 60%的份额。目前，我国许多大型疏浚工程项目急需大型挖泥船进行施工，疏浚工程规模的大型化促使了疏浚设备向大型化、高效化和自动化方向发展，虽然国内疏浚能力已取得了长足进步，疏浚设备也得到了更新，一些大型疏浚设备的建成和投入使用，大大提高了我国的疏浚能力，但是鉴于我国巨大的疏浚市场和日益激烈的国际竞争，国内疏浚事业仍有很长的路要走。对于需要在多工况下快速转换的疏浚船舶来说，以柴油机为主动力源，蓄电池为辅助动力源的混合动力改装尤为重要。尽管，我国疏浚设备在大型化和自动化方面取得巨大进展，但是在疏浚高效化方面至今还罕有研究。运用先进的科技手段提出疏浚船舶用复合储能系统能量管理控制策略，使疏浚能量分配最优化，达到提高挖泥船的性能和效率的目的，这也正是国外疏浚行业积极研究的热点与内容。国外已经将一部分研究成果实现初步应用并取得了很好的效果。因此，在现有的疏浚设备的基础上如何提高疏浚性能、提升疏浚效率、使疏浚船舶复合储能系统能量分配达到最优化是我国疏浚事业亟待研究和发展的方向，致力于研究疏浚船舶复合储能系统能量管控的任务极为迫切，我国的疏浚事业仍然任重而道远。

能源是人类生存和发展的重要物质基础，也是推动国民综济发展的强大动力，高效、清洁、低碳己经成为当今世界能源发展的主流方向 ， 尤其是国际金融危机以来主要发达国家竞相加大能源科技研发投入，抢占新一轮全球能源变革和经济科技竞争的制高点。我国能源生产量和消费量均已居世界前列，但能源技术的相对落后和能源创新体系的不健全使得能源利用效率极低、新能源利用比例太少、环保压力巨大。正确的能源发展和环境保护科技战略对我国的可持续发展至关重要。随着新能源的广泛渗透和分布式供能系统的蓬勃发展，储能技术在改善电能质量、提高系统稳定性与可靠性、增强能量管理能力、提升能源综合利用效率等诸多方面日益显示出强大的功效和不可替代的作用，也已成为微网乃至未来智能电网不可或缺的组成部分和至关重要的技术支撑。

1.2研究现状

1.2.1复合储能技术的研究现状

复合储能技术可以结合不同储能方式的优势，改善储能技术的效用。目前复合储能多由能量型储能与具有快速响应特性的功率型储能构成。电池和超级电容由于技术比较成熟且互补性较强，成为目前复合储能研究的热点。1、蓄电池与超级电容组成的混合储能系统，蓄电池和超级电容分别通过双向半桥接到直流母线，蓄电池恒定电压，超级电容提供负载突变功率髙频分量并限制电流的控制方式，提高了超级电容的利用率，减少了超级电容使用量。2、燃料电池、蓄电池和超级电容组成的絕合能量系统，燃料电池、蓄电池和超级电容都通过ＤC／ ＤＣ接入直流母线，系统总共设置了三个控制电压回路；直流总线电 压由超级电容器调节，超级电容器电压由电池调节，燃料电池最后调节电池电压，最后通过试验验证了系统在电机驱动中出色的控制效果。3、一种超导储能蓄电池混合储能系统，系统同样采用直流侧并联方式，超导储能和蓄电池分别平抑风电中高频和低频波动，在满足功率平滑要求的同时，减少了蓄电池充放电次数，延长其寿命。

1.2.2耙吸式挖泥船复合储能系统的研究现状

采用柴油机 蓄电池 电动机的混合动力方式取代原有的配置，主机选取比原系统配置功率等级低的柴油机，动力不足部分由蓄电池组和