摘 要

当今世界，船舶建造工艺技术不断进步，各国环境保护意识不断提高，国家船级社对推进系统的低排放要求逐步建立，发展低能耗、低排放、高效率的绿色船舶和发展船舶新能源技术已经成为造船业的主要工作方向。在此形势下，基于电力推进的混合动力船舶得到广泛的应用与发展。本文进行了基于游艇的双电混合动力系统的设计，并对其储能系统进行了简单的控制。

首先，介绍了混合动力船舶的定理系统组成，分析了两种混合储能模块，即无源式混合储能系统和有源式混合储能系统的结构，确定了本文所设计的游艇的动力系统结构。

其次，对现今在船舶和汽车行业中常用的几种超级电容和蓄电池进行了对比，比较了它们的优劣，确定了混合储能系统中超级电容和蓄电池的种类和型号，并对其特性进行了分析；根据功率和直流母线电压的要求，设计了超级电容和蓄电池的储能列阵；运用线性规划对储能系统的容量配置进行了优化。

最后，为了能使超级电容和蓄电池模块可以在分配功率时发挥各自优点，设计了基于逻辑门限规则的能量管理策略，并用MATLAB/Simulink建立了控制仿真模型，进行了仿真实验，达到了预期效果，实现了超级电容“削峰”的作用，保证了蓄电池输出功率的稳定，优化了混合储能系统的功率分配。

关键词：混合储能系统 超级电容 蓄电池 选型配置优化 逻辑门限控制

Abstract

With the continuous advancement of shipbuilding technology and the low emission requirements of propulsion systems by national classification societies, the development of low-energy, low-emission, high-efficiency green ships and the development of new energy technologies for ships have become the primary tasks of today's shipbuilding industry. In this context, hybrid propulsion ships based on electric propulsion are widely used and developed. In this paper, the design of the dual electric hybrid system based on yacht is carried out, and the energy storage system is simply controlled.

Firstly, several structures of hybrid ships are analyzed, including series hybrid system, parallel hybrid system and hybrid hybrid system. The structure of two hybrid energy storage systems is further analyzed, namely passive hybrid storage. The energy system and the active hybrid energy storage system; finally, the power system structure of the yacht designed in this paper is determined, and its topology diagram is made.

Secondly, comparing several supercapacitors and accumulators commonly used in the ship and automobile industries, comparing the advantages and disadvantages of various types, determining the types of supercapacitors and accumulators in the hybrid energy storage system; and according to the power and DC bus voltage requirements, An array of energy storage arrays for supercapacitors and batteries is designed.

Finally, in order to enable supercapacitors and battery modules to play their respective advantages when distributing power, an energy management strategy based on logic threshold control is designed to realize the function of “capacitor peak-filling” of supercapacitor, which ensures the stability of battery operating current. Optimize the power distribution of the hybrid energy storage system.

Key Words: Hybrid energy storage system; supercapacitor; battery; logic threshold control.

目录

第1章 绪论 1

1.1 本课题的研究背景和意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 国外研究现状 2

1.2.2 国内研究现状 3

1.3 论文主要研究内容 4

1.4 本章小结 4

第2章 船舶运行工况分析及动力系统设计 5

2.1 运行工况分析 5

2.2 动力系统设计 5

2.2.1 无源式混合储能系统 6

2.2.2 有源式混合储能系统 7

2.3 本文动力系统结构选择 9

2.4 本章小结 9

第3章 混合储能系统选型与容量配置 11

3.1 蓄电池选型与容量配置 11

3.1.1 蓄电池选型及特性分析 11

3.1.2 蓄电池的容量配置 12

3.2 超级电容选型及容量配置 13

3.2.1 超级电容选型与特性分析 13

3.2.2 超级电容的容量配置 14

3.3 基于线性规划的混合储能系统配置优化 16

3.3.1 优化目标函数 16

3.3.2 优化约束条件 17

3.3.3 线性规划 17

3.3.4 线性规划的实现及结果 17

3.4 本章小结 18

第4章 基于逻辑门限值的能量管理策略研究 19

4.1 逻辑门限控制策略 19

4.2 逻辑门限控制算法设计 19

4.3 基于逻辑门限控制策略的实现 20

4.4 仿真结果分析 22

4.5 本章小结 24

第5章 总结与展望 25

5.1 全文总结 25

5.2 未来展望 25

致谢 27

参考文献 28

绪论

本课题的研究背景和意义

伴随着当今世界经济的繁荣发展和我国海洋强国战略的实施，海洋运输行业不断发展壮大，船舶种类和数量不断增多，由此带来空气污染、水污染和噪声污染也日益严重，直接影响人类生活环境，危害较大。近年来，我国出台的能源政策和节能减排政策明确表示，“油转电”是未来交通运输行业的发展方向。因此，开发低能耗、低排放、高效率的绿色船舶，发展船舶新能源动力技术成为当今船舶工业的首要任务^[1-3]。在此背景下，基于电力推进的混合动力船舶得到广泛的应用与发展。混合动力船舶是指配备了两种或两种以上动力源，如柴油机推进装置、纯电力推进装置等，包含两种或更多能量转换装置，或同一种装置使用两种或更多种燃料的船舶。当不同能量源结合在一起时，能源间取长补短，从而克服单独使用某种能量源的局限性。与传统的以内燃机为动力船舶相比，电力推进的混合动力船舶有如下的优点^[4]：

1. 良好的经济性

电力推进系统中，柴油机-发电机组可以根据不同工况下的电力负荷，自主选择发电机的运行台数，使其可以在最佳的效率和负载因数下工作，实现经济最优化。有研究表明，在功率相同的电力推进船舶和传统船舶中，电力推进系统船可降低油耗约10%、减阻约5%，同时运输效率和速度分别提高15%和0.5%。其次，电力推进系统没有中间传动设备，相对而言，电机没有磨损部件，维修要求较低，从而降低了维修成本。

1. 振动噪声小

电力推进系统中，发动机和螺旋桨之间没有直接的机械结构连接，减少了传动设备、加减速装置或离合器，减少了振动源，因此降低了船舶的振动和噪声，进一步提高了船舶的舒适性。

1. 节省空间

由于电力推进系统减少了传动轴系和变速箱等中间传动装置，因此，与轴系占船长近40%的传统动力船舶相比，大大节省了船舱内部空间，使船舶机舱布局更为合理。

1. 安全可靠性

在传统船舶中，动力系统是一个有机整体，传动轴系或主机主要部件发生故障都会导致船舶无法继续航行。而在电力推进的船舶中，由于其有备用机组，个别机组发生故障时不会导致整条船舶停运，因此船舶的可靠性更高。

在所有储能装置中，蓄电池储能技术相对成熟，它单位体积具有的能量多、安全可靠、原材料简单容易得到，因而价格也比较便宜；超级电容具有功率密度大、能在各种温度下工作、充放电速度快、可循环使用寿命长且环境友好等优点，是最适合作为船舶高能脉冲负载的供电设备^[5]。采用蓄电池和超级电容的复合储能系统组成混合动力，可综合两种储能元件各自的优点，实现混合动力系统能量源的结构优化。

能量管理系统是伴随着电力推进系统船舶的出现而兴起的，主要负责能量的控制与管理，是混合动力船舶的关键系统之一。其具体作用是根据船舶在不同工况下的负荷需求，对船舶电力系统的发电、配电进行控制，提高所有工况下全船的燃油经济性，平衡船舶电力系统的能量分配，并降低功率波动产生的脉冲对电网的冲击，减少能耗。

本文以游艇为研究对象，设计蓄电池-超级电容为动力的船舶推进系统，并进行设备选型匹配优化研究；在此基础上对混合储能系统进行能量管理，具有一定的理论意义和工程应用价值。

国内外研究现状

1838年，俄国首先在动力试验小船上采用蓄电池作为主动力。从那以来，世界各国对混合动力船舶的研究逐步深入，推动了船舶行业不断向前发展。

国外研究现状

自2009年起，美国、欧洲等多国大学和研究机构开展了对带有电池的储能式混合动力系统研究，其中荷兰的Delfa理工大学、加利福利亚研究中心专门针对混合动力系统的动力型式拓扑结构、能量控制策略、储能技术、排放评估等进行了深入研究。国外的知名船厂Damen、Foss等，联合瓦锡兰、康明斯、卡特等主机厂，ABB、Siemens等推进设备公司以及Corvus Energy等电池公司，开展了系统集成技术和工程应用技术研究，目前已有数十艘柴电混合动力船舶在运营。

2009年11月，世界上第一艘混合动力拖轮交付使用，如图1.1所示。船长23.77m、船宽10.36m，服务于美国长滩和洛杉矶港。该船主动力为2台CumminsQSK50柴油机，每台额定功率1342kW，和2台CumminsQSM11型柴油发电机组，每台额定功率300kW；配备了两组0.5MWh（总计1MWh）的铅酸电池；该船拥有5000hp（1hp=0.735kW）的强劲动力，具有绿色环保，低噪声航行等优越性能。

在能量管理方面，Shen将能量管理系统作为IPS的一个组成部分，并介绍了能量管理系统的作用及其具有的功能，同时还介绍了能量管理系统如何运行以保证系统的可靠性^[6]；Kisacikoglu等学者建立了以燃料电池和超级电容为能量源的混合动力系统的模型，采用模糊逻辑控制燃料电池的输出功率及超级电容的充、放电情况。结果表明，模糊控制策略可降低燃料的消耗、提高整个系统的使用寿命^[7-8]；Mahshid Amirabadi和Shahrokh Farhangi两位学者同样对燃料电池-蓄电池混合动力系统使用模糊控制进行能量管理，优化了二者的

图1.1 “Carolyn Dorothy”号混合动力拖轮

工作性能，还回收了船舶制动时产生的大量能量，提高了燃料经济性^[9]。

国内研究现状

国内对混合动力船舶的研究开始的较晚，因而落后于国外。中国第一艘混合动力船-“尚德国盛”号游船于2010年在上海世博会上展出，实船如图1.2。该船采用太阳能和柴油机作为混合动力，不仅更加环保，节省电力和减排均达到30%以上，速度还比其他游船快，且噪声大为减小。该船匹配有柴油发电机组、动力锂离子电池、太阳能电池三种动力源，有柴油机单独推进、电池组单独推进、柴电混合推进三种工作模式^[10]。

在具体的船舶动力系统匹配和控制方面，哈尔滨工程大学的李强对综合电力推进系统中的发电、变电、配电和推进模块进行了研究分析，并搭建了仿真模型；以配置费用为优化目标函数，发电机工作条件和储能容量作为约束条件，运用粒子群算法对混合储能系统进行了容量配置优化；并进一步分析了其他文献中各储能系统结构的优缺点，针对其文章中的储能系统，采用了基于超级电容器电压的混合储能控制策略，用双闭环的电压电流控制超级电容，用恒流控制铅酸电池，很好地控制了能量在超级电容、铅酸电池以及外部系统之间的流动，同时合理地利用了储能系统容量^[11]；太原理工大学的宋宏伟认为，并联储能结构能最大限度发挥不同储能元件的优点，他在分析了国内外关于储能系统的建立与控制算法应用的基础上，将蓄电池和超级电容通过功率变换器进行并联并对其设计中所用到的相关器件和对应原理做了详细说明，计算并确定了超级电容器组的匹配方案，提出了一种基于模糊算法的储能系统控制策略^[12]。

图1.2 “尚德国盛”号游船

论文主要研究内容

本文以游艇为研究对象，设计蓄电池-超级电容为动力的船舶推进系统，并进行设备的选型优化研究。最后建立基于逻辑门限的能量管理策略，并进行仿真与分析。主要研究内容如下：

1. 设计蓄电池-超级电容为动力的船舶推进系统；
2. 对超级电容和蓄电池进行选型匹配与配置优化；
3. 确定基于规则的逻辑门限控制规则，建立控制模型，进行仿真与分析。

本章小结

本章介绍了论文的研究背景：电力推进船舶蓬勃发展，混合储能技术的应用变得尤为重要。介绍了混合动力船舶的国内外研究现状，具体包括混合储能系统的容量配置与能量管理。最终，确定了本文将要进行的工作。

船舶运行工况分析及动力系统设计

运行工况分析

本文根据一艘拖轮的电力负荷说明书，以其不同工况下的电力负荷来设计游艇的混合动力系统。其电力负荷说明书如表2.1所示。由表知，该拖轮的运行工况主要分为进出港工况、航行工况、停泊工况和对外消防工况四种。当船舶处于正常航行工况时，蓄电池模块应能提供其所需能量。当船舶由对外消防工况转为航行工况时，在考虑网络损失的情况下，船舶所需功率由86.17KW突增为192.37KW，功率波动较大，直流母线电压大幅下降，而蓄电池不能瞬间释放功率满足系统需求，因此，超级电容模块应投入工作，迅速放电以提升直流母线上的电压及功率，直至蓄电池开始稳定供能。

表2.1 拖轮电力负荷说明书

动力系统设计

限于时间关系，本文主要设计混合动力系统中的发电模块，对于变电模块、配电模块及推进模块不做过多介绍。对于发电模块，即储能系统，合理的结构设计能使混合储能系统中不同储能部件的优势得到充分利用，提高效率。根据储能元件与直流母线的连接方式不同，可将储能系统分为无源储能系统和有源储能系统，区别在于电路连接中有无有源元器件^[13]。

无源式混合储能系统

无源式混合储能系统的电路中没有有源元件，即没有控制能量的原件，因此结构简单，也无需控制电路。无源式混合储能系统又分为直接并联，如图2.1（a）和间接并联，如图2.1（b）两种。直接并联式结构简单，无需控制电路，费用较低，但输出功率不可控；在间接并联式系统中，电感可以降低蓄电池的电流波动，提高工作效率，同时使电流变化不至于过快，有利于蓄电池的工作，但也不能控制超级电容和与蓄电池的输出功率。

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