摘 要

随着海洋环保意识的提高和海洋保护战略的推进，排放法规的实施越来越严格，而这时新型柴电混合动力系统船舶因为符合节能减排的趋势而受到广泛关注。混合动力系统船舶的发展是与储能技术的不断进步及电力电子技术的飞速发展紧密相关的。本文将讨论储能技术在混合动力船舶的应用，进一步研究混合动力船舶复合储能装置的协调优化配置，主要的工作内容如下：

1. 对船舶柴电混合动力系统的发展现状做简要的论述，并对国内外复合储能装置的研究及应用现状做重点的分析。
2. 分析超级电容和蓄电池组成的复合储能装置的特性及设计复合储能的接入方式。在满足船舶在不同运行模式及各类工况下的需求的前提下，建立数学模型。
3. 对于单目标多约束的数学模型，由于计算量大且复杂，不能逐个计算得出答案，采用遗传算法来对目标函数进行寻优。
4. 采用Matlab平台编写程序来实现船舶柴电混合动力系统的仿真实验，最后得到复合储能装置的最优容量配置。

关键词：混合动力；复合储能；优化配置；遗传算法；Ragone曲线

ABSTRACT

With the increasing awareness of marine environmental protection and the advancement of marine protection strategies, the implementation of emission regulations has become stricter. At this time, the new diesel-electric hybrid system ship has been widely concerned because it conforms to the trend of energy saving and emission reduction. The development of hybrid power system ships is closely related to the continuous progress of energy storage technology and the rapid development of power electronic technology. This article will discuss the application of energy storage technology in hybrid ships, and further study the coordination and optimization of hybrid energy storage devices for hybrid ships. The main tasks are as follows:

1. It briefly discusses the development status of marine diesel-electric hybrid systems, and focuses on the research and application status of domestic and foreign composite energy storage devices.
2. Analyze the characteristics of the composite energy storage device composed of super capacitors and batteries and design the access method of the composite energy storage. on the premise of meeting the needs of the ship in different operating modes and various working conditions, establish a mathematical model.
3. For the single objective multi-constrained mathematical model, due to the large amount of calculation and complexity, the answer cannot be calculated one by one, and the genetic algorithm is used to optimize the objective function.
4. The Matlab platform was used to write the program to realize the simulation experiment of the marine diesel-electric hybrid system, and finally the optimal capacity configuration of the composite energy storage device was obtained.

Key words: Hybrid power； Compound energy storage； Optimal allocation； Genetic algorithm； Ragone plot

目录

摘 要 I

ABSTRACT II

目录 III

第1章 绪论 1

1.1 船舶柴电混合动力系统的发展现状 1

1.2 复合储能装置的研究及应用现状 2

1.3 研究目的及意义 3

1.4 研究的基本内容和技术方案 3

1.4.1 论文的基本内容 3

1.4.2 采用的技术方案 4

第2章 船舶混合动力系统复合储能装置的优化建模 5

2.1 复合储能装置特性分析和接入方式研究 5

2.1.1 蓄电池和超级电容特性分析 5

2.1.2 复合储能装置接入方式 6

2.2 复合储能装置优化的目标函数 7

2.3 复合储能装置优化的约束条件 7

2.3.1 储能元件的Ragone曲线 7

2.3.2 复合储能系统的最小能量需求约束 8

2.3.3 复合储能系统最大功率约束 9

2.3.4 复合储能系统功率平衡约束 9

2.4 复合储能优化配置策略分析 9

2.5 决策变量 10

2.6 本章小结 12

第3章 遗传算法寻优 13

3.1 遗传算法概述 13

3.1.1 遗传算法概念 13

3.1.2 遗传算法的特点和优势 13

3.1.3 遗传算法的基本流程 14

3.2 遗传算法寻优 14

3.3 本章小结 16

第4章 基于MATLAB的优化配置仿真 17

4.1性能参数设置 17

4.2 负载数据 18

4.3 仿真策略 19

4.4 仿真结果 20

4.5 本章小结 21

第5章 总结与展望 22

参考文献 23

致谢 25

第1章 绪论

在对船用柴电混合动力系统复合储能装置进行数学建模前，我们需要对柴电混合动力系统和复合储能装置这两者国内外的研究现况和应用做一个介绍，了解国内外的学者们是如何研究本课题的，并对研究意义和目的做一个论述。

1.1 船舶柴电混合动力系统的发展现状

目前船舶柴电混合动力系统主要是在传统的柴油机机械推进方式上增加电机或者是结合有其它的电力来源(如柴油机发电、气体机发电、燃料电池、太阳能、风电、锂电池、超级电容等)的电动机。因此柴电混合动力系统具有柴油机机械推进系统和电力推进系统的综合优势以及运行工况灵活、减少废气排放、经济性好等特点，所以近年来越来越受到人们的青睐, 柴电混合动力系统已经作为一种新型的动力系统广泛使用^[1]。

国内外的柴电混合动力系统在多种型号船舶上得到了应用，国内的如浙江海洋大学渔业资源调查船、5000t级公务船、上港集团复兴船务公司“海港711”拖轮、粤海铁火车渡轮、12500载重吨MPV船等，国外的如典型的有世界上第一艘混合动力拖轮“Carolyn Dorothy”号混合动力拖轮、挪威采用电池混合动力的近海平台补给船“Viking Princess”号、豪华游艇“Savannah”(萨凡纳)号等^[2]。