摘 要

电力推进船舶是一种新能源船舶，其发展已有较长的历史，与传统推进系统相比，其效率、灵活度更高。然而，太阳能、风能等新能源，虽然绿色环保，但也有不足：它们的获取一般是不可控的，也很难保证均匀性，因此以新能源为动力的船舶，其输出功率将不可避免的具有间歇性。为了充分利用能源，保证船舶系统安全稳定的运行，以电力推进为主的清洁能源动力船舶必须配备一定的储能系统来改善船舶电网的电能质量，从而提高系统经济性与稳定性。新能源技术的推广和电力技术的进步，使得储能技术的作用日益凸显。储能技术的种类繁多，在许多的应用场合都有广阔的前景。因此，说大规模的高效储能技术是清洁动力船舶发展的关键技术毫不为过。

虽然船舶电力推进系统有其优势，但船舶电网的容量毕竟有限，在电能质量方面也急需提高。因此，需要利用储能技术来提高供电质量与稳定性。目前常用的储能方式是电池和超级电容器，它们在性能上是互补的，在混合使用下所组成的储能系统在储能容量上将有质的飞跃。

本文分析了国内外储能设备的研究现状，设计了一种基于DC/DC变换器的蓄电池超级电容器复合储能系统，并提出了储能系统容量优化配置的计算方法。，使用改进的自适应惯性权重粒子群算法进行求解，结果表明电力推进清洁能源动力船舶作为储能单元参与船舶电网的运作中，能够提高船舶电网运行的经济性。

关键词：清洁能源船舶；复合储能；蓄电池；超级电容；容量优化

Abstract

Electric propulsion ship is a new energy ship, which has a long history and is more efficient and more flexible than the traditional propulsion system.New energy such as solar energy, wind energy, however, although they are green environmental protections, but there are also weaknesses: their acquirement is not controlled, it is hard to guarantee the uniformity, so the ship powered by new energy, the output power will inevitably have intermittent.In order to make full use of energy, guarantee safe and stable operation of ship system, which is mainly composed of electric propulsion clean energy power ship must be equipped with a certain amount of energy storage system to improve the ship power grid power quality, so as to improve system efficiency and stability.The promotion of new energy technology and the progress of power technology make energy storage technology more and more important.There are many kinds of energy storage technology, which have broad prospects in many applications.Therefore, it is not excessive to say that large-scale efficient energy storage technology is the key technology for the development of clean power ships.

Although the ship electric propulsion system has its advantages, the capacity of ship grid is limited, and the power quality needs to be improved.Therefore, energy storage technology is needed to improve power supply quality and stability.Currently, the commonly used energy storage methods include accumulator and supercapacitor energy storage, which are complementary in performance, and the energy storage system made up of mixed use will have a qualitative leap in energy storage capacity.

This paper analyzes the domestic and foreign research on energy storage device, we design a battery based on DC/DC converter - super capacitor energy storage systems, and puts forward the optimized configuration of an energy storage system capacity calculation method, using the improved adaptive inertia weight particle swarm algorithm for solving, results show that the power to promote clean energy power as the energy storage unit to participate in ship power grid operation, can improve the operation economy of the power grid of the ship.

Key Words:

Clean energy ship;hybrid energy storage;battery;super-capacitor;Capacity optimization

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景、目的和意义 1

1.2 应用的国内外现状 1

1.2.1 传统储能方式现状 1

1.2.2 蓄电池-超级电容复合储能现状 3

1.2.3 船舶复合储能电能质量现状 4

1.3 复合储能系统的主要问题 4

1.3.1 复合储能的能量管理 5

1.3.2 复合储能的平抑波动 5

1.4 论文的主要内容 5

第2章 复合储能系统基本组成 7

2.1 蓄电池 7

2.1.1 蓄电池种类 7

2.1.2 蓄电池的工作原理 8

2.1.3 蓄电池的储能特性 9

2.2 超级电容器 10

2.2.1 超级电容器的基本原理 10

2.2.2 超级电容器的储能特性 11

2.3 DC/DC变换器 12

第3章 复合储能系统结构分析 15

3.1 无源复合储能 15

3.1.1 直接并联式 15

3.1.2 电感连接式 16

3.1.3 二极管连接式 16

3.2 有源复合储能 17

3.2.1 有源复合储能概述 17

3.2.2 Buck-Boost型有源复合储能系统 18

第4章 复合储能系统容量优化及仿真分析 21

4.1 船舶推进系统复合储能装置容量优化配置模型 21

4.1.1 优化目标 22

4.1.2 约束条件 23

4.2 算法选择 25

4.2.1 线性加权和法 25

4.2.2 多目标差量排序法 26

4.2.3 自适应惯性权重粒子群法 27

4.3 仿真计算与分析 30

4.4 结论 33

第5章 总结与展望 34

5.1 总结 34

5.2 展望 34

参考文献 35

致谢 37

第1章 绪论

1.1 研究背景、目的和意义

当今世界正面临化石能源的急剧消耗，在潜在的能源危机之外，还伴随着越来越大的追求环保的呼声。绿色船舶正在成为船舶发展的热点,也将逐渐成为未来船舶的主流。而在此其中，清洁能源动力船舶辅助系统的研究与设计则最具革新性和代表性^[11]。

船舶电力推进是一种重要的清洁能源船舶推进方式。电力推进船舶的研究与推广已有较长的历史。传统的推进系统不够灵活，效率也较低，空间布置不够容易，电力推进船舶在这些方面有明显优越性^[2]。然而，可用于电推船舶的可再生能源，诸如太阳能、风能等，其能量本身往往是不均匀和不可控的，因此其输出功率也往往具有随机性和间歇性。为了充分利用绿色新能源，确保系统安全和稳定运行，清洁能源动力船舶中必须配备储能系统来改善船舶电网运行过程中的电能质量，从而优化系统的经济性与可靠性。在清洁能源动力船舶的发展和普及中，大规模高效率的储能系统是至关重要的，是一项战略性关键技术，具有重大意义。

当前世界上主要的的储能方式十分多样，其中应用较多的主要有电池储能、超级电容器储能、飞轮储能、超导储能等^[14]。在动力性上，清洁能源动力船舶要求储能系统有较高的功率密度与能量密度；在启动性上，要求能够实现瞬时大电流充放电；在稳定性上，要求拥有较长的循环使用寿命；在经济性上，要求储能系统有高性价比。而受到技术能力的约束，目前单一的储能元件无法同时满足这些技术要求：传统的能量型储能系统（如蓄电池），往往循环寿命较低，难以保证好的稳定性；传统的功率型储能系统（如超级电容器），往往能量密度较低，在电压的峰谷调整中难以高效工作。因此，考虑到这些问题，我们需要采用复合储能技术。复合储能系统将减少电池充放电的数量和深度，提高其寿命，优化储能系统容量，且会缩小储能装置的体积。与单一的储能方式相比，复合储能系统的经济性和功率特性更出色，在提高系统稳定性方面更有潜力和优势。

1.2 应用的国内外现状

1.2.1 传统储能方式现状

储能介质种类繁多，由于技术路线和原理的不同，各储能技术在各个方面都有很大的差异。，如储能密度、效率、安全可靠性等。当前应用较多的的储能方式有电池储能、飞轮储能、超级电容器储能、抽水储能等。各类储能技术的成本如表1.1所示^[1]。

抽水储能和铅酸电池储能技术的技术较为成熟，其他的储能方式则尚处于发展初期。

在储能密度方面，电池的能量密度较高。抽水储能、超导储能、超级电容器和飞轮储能的能量密度普遍较低。但作为弥补，他们的功率密度高、响应速度快，可以提高电能质量和供电系统稳定性。

就循环寿命而言，电磁储能(如超级电容器或超导储能)的循环次数极高，甚至几万倍。抽水储能和飞轮储能等机械储能则受机械工艺等影响，寿命稍短一些。各种储能方式的对比如表1.2所示^[10]。

表1.1 各类储能技术的成本

表1.2 不同储能方式的对比

即使是应用最广泛的电池储能，也还处于发展阶段，国内的电池制造能力与水平、材料、工艺等核心技术都尚未成熟，与国际先进水平存在差距，仍需进一步研究。

1.2.2 蓄电池-超级电容复合储能现状

蓄电池是一种传统的储能元件，它的优点是高能量密度与低成本，但在对最大功率要求较高的场合，电池的低功率密度会导致电池频繁的过充和放电，大大缩短电池的寿命。超级电容器是一种新型的高功率密度储能元件，循环寿命长，能够胜任需求大功率的应用场合，只是在能量密度方面不如蓄电池。蓄电池和超级电容器两者的储能特性各具优势，，相互补偿，若将二者混合起来使用，组成一种复合储能系统，该系统的储能效果将远超目前单一的储能模式。

国外企业与学者在复合储能方面做了大量的研究，也取得了许多成绩。诸多文献都对上述两种元件共同组成的复合储能系统进行了研究讨论，得出的结论也都较为一致，即复合储能系统具有更加优越的的性能。一些文献研究了两者组成的复合电源在混合动力汽车中的应用，实际效果也十分明显。事实上，由电池和超级电容器组成的复合电源已成为近几十年来国内外研究的一个重要课题^[10]。

其中，美国、俄罗斯、日本在超级电容器的研究领域始终处于领先。这些年以来，随着超级电容器的发展研究不断深入，欧盟的一些国家也认识到了它对储能系统的促进作用，并进行了大量的研究。现在生产的超级电容器产品，具有体积小、内阻低、一致性好的优点，规格较为齐全，适用范围较广，串并联也相对容易。其中由美国Evans公司研发的采用活性炭粉酚醛树脂混合电极材料的混合型超级电容器已经投入军用，可用于武器的自动追踪系统^[12]。

国内对于超级电容器复合储能研究的起步较晚，在电动汽车和复合电源的方面，国内学者利用超级电容器取得了一定的成就，然而距离投入实用或者实现产业化还有很长的路要走，目前仍主要留存于理论层面，复合储能系统在清洁能源船舶上的运用还有很大的研究空间。

1.2.3 船舶复合储能电能质量现状

清洁能源船舶电力推进系统的优势明显，但其局限性同样不可忽视：一般来说，船舶电网是独立于小容量电网，如果负荷变化复杂，电网的工作将面临严峻考验，船舶电网所收集的电能质量往往难以差强人意。

在电力推进船舶中，船舶推进装置所消耗的电功率一般很高，甚至占据船舶电站总功率的一半以上。其中普通船舶一般为50%到60%，而特种船舶则达到了惊人的80%到90%^[3]。在电力推进装置中，有大量的电子器件被使用，变流器是其中主要的电子设备之一，变流器的功率必须很大，才可以满足船舶推进装置的电功率需求。使用最多的变流器分为两种：第一种是AC-AC变频器，也即交流-交流变频器，AC-AC变频器的体积较大，控制要求高，往往在低速高转矩的场合使用，可以用于船舶的主推进系；二是AC-DC-AC变换器，也称为交流-直流-交流变换器，它可以用来改变电机驱动时的电流。。电力系统的谐波现象十分严重，大功率的变流器是造成谐波的重要原因。

除此之外，还有一些其他的因素，它们共同降低了电力推进系统的电能质量。例如当船舶电网负载很大时，多台发电机往往会并联运行，此时发电机的谐波畸变将会随次瞬态电抗的不同引起剧烈变化。研究表明，谐波畸变大小随增大而显著增大，当为15%时，总的谐波畸变甚至会达到15%^[3]，这在电能使用的影响上是十分严重的。由此可见，清洁能源动力船舶复合储能所得电能质量仍需提高。

1.3 复合储能系统的主要问题

清洁能源动力船舶需要实现两个目的，第一个目的是提供一种复合储能装置，这种复合储能装置安全性能高，且可有效降低对环境的污染；第二个目的就在于提供一种设置有该装置的船舶，使船舶在该装置的帮助下提高能源的使用效率，以及减少对传统能源的消耗^[17]。针对所要达成的两个目的，有如下几种需要解决的关键技术问题：复合储能容量的优化配置、能量管理、能量接入与波动平抑控制等。下面主要从能量管理与波动平抑控制方面论述。

1.3.1 复合储能的能量管理

复合储能系统能量管理控制策略的优劣决定了复合储能系统能否充分发挥其性能优势。目前的复合储能系统大多采用多个DC/DC变流器并联的拓扑结构,受结构工艺等的影响，各单元储能特性不完全相同,这会导致电压调整率低的单元承担高电流，有超过额定值引发危险的可能；而电压调整率高的单元可能长期低负载甚至空载运行,这将严重影响系统的使用寿命与耐久可靠性。所以, 在复合储能系统能量管理的控制策略方面,还有许多关键技术问题有待深入研究解决。

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