摘 要

近年来，随着经济的发展，国内的疏浚作业工程数量快速增加，疏浚船也急需更新。国内的疏浚船舶正朝着大型化和自动化发展，但是对于节能减排方面还缺少研究，在现有的疏浚船舶基础上提高燃油效率、减少废气排放是我国疏浚事业急需研究和发展的方向。对于工况复杂多样的疏浚船舶来说，传统的疏浚船舶一般采用柴油机作为唯一的动力来源，无法在大部分工况范围都能获得比较好的燃油效率，因此混合动力船舶则是一种非常有发展前途的“绿色船舶”。对于现有的这些问题，发展带复合储能系统的疏浚船舶是一个有效的解决途径，储能系统则是这些船舶的关键组件。本文选用的是蓄电池组和超级电容组成的复合储能装置，将其与传统的疏浚船舶动力系统相结合，形成以柴油机和电池/超级电容为动力源的混合动力船舶。

对于疏浚船舶的电力推进系统来说，复合储能装置容量的优化配置对船舶的经济性、稳定性有着重大的影响。复合储能装置的容量不论是过大或者过小都会影响船舶的性能、寿命等。本文分析了传统疏浚船舶与混合动力疏浚船舶动力系统的结构，建立了储能装置容量优化配置的数学模型，并进行了仿真分析，得出了最优的容量配置。本文的主要研究内容概括如下：

1.疏浚船舶推进系统的特性分析。通过查阅资料，熟悉传统疏浚船舶与混合动力疏浚船舶的系统结构，分析疏浚船舶的工作特性与运行工况。

2.对疏浚船舶复合储能装置容量配置进行优化建模。首先确定了疏浚船舶复合储能装置容量配置的优化目标，然后确定了疏浚船舶复合储能装置目标优化的约束条件，最后建立了根据优化目标和约束条件建立了数学模型。

3.通过仿真实验算出最优的容量配置。采用适应度值离差排序法与自适应惯性权重粒子算法相结合的方法对疏浚船舶的复合储能装置的容量进行多目标的优化配置，并利用MATLAB/Simulink进行复合储能装置容量的优化计算。

关键词：混合动力；节能减排；复合储能；多目标优化

Abstract

In recent years, with the development of the economy, the number of domestic dredging operations has increased rapidly, and dredging vessels are in urgent need of renewal. Domestic dredging vessels are developing towards large-scale and automation, but there is still a lack of research on energy-saving and emission reduction. Improving fuel efficiency and reducing exhaust emissions on the basis of existing dredging vessels is the direction that China's dredging business urgently needs research and development. For dredging vessels with complex and diverse working conditions, traditional dredging vessels generally use diesel engines as the sole source of power, and they are unable to obtain better fuel efficiency in most working conditions. Therefore, hybrid ships are very The development of a "green ship". For these existing problems, the development of dredging vessels with energy storage systems is an effective solution, and energy storage systems are a key component of these vessels. In this paper, a composite energy storage device composed of a battery pack and a super capacitor is used, which is combined with a conventional dredging ship power system to form a hybrid ship with a diesel engine and a battery/super capacitor as a power source.

For the electric propulsion system of dredging vessels, the optimal configuration of the capacity of the composite energy storage device has a significant impact on the economy and stability of the ship. Whether the capacity of the composite energy storage device is too large or too small will affect the performance and life of the ship. This paper analyzes the structure of the traditional dredging ship and hybrid dredging ship power system, establishes the mathematical model of the energy storage device capacity optimization configuration, and carries out simulation analysis, and obtains the optimal capacity configuration. The main research contents of this paper are summarized as follows:

1. Characteristic analysis of propulsion system of dredging ship. By consulting the data, familiar with the system structure of traditional dredging vessels and hybrid dredging vessels, and analyzing the working characteristics and operating conditions of dredging vessels.

2. Optimize the modeling of the capacity allocation of the composite energy storage device for dredging vessels. Firstly, the optimization goal of the capacity allocation of the composite energy storage device for dredging ships is determined. Then the constraints of the target optimization of the composite energy storage device for dredging ships are determined. Finally, the mathematical model is established based on the optimization objectives and constraints.

3. Calculate the optimal capacity configuration through simulation experiments.The fitness value deviation sorting method and the adaptive inertia weight particle algorithm are combined to optimize the multi-objective allocation of the capacity of the composite energy storage device, In addition, the optimization calculation of the capacity of the composite energy storage device is carried out by using MATLAB/Simulink

Key Words：Hybrid；energy saving and emission reduction；composite energy storage；multi-objective optimization

目 录

第1章 绪论 1

1.1论文研究背景及意义 1

1.2复合储能技术发展现状 2

1.3本文主要研究内容 6

第2章 疏浚船舶电力推进系统简介 7

2.1引言 7

2.2普通疏浚船舶运行工况及其功率变化特性 7

2.3耙吸式电力推进挖泥船的系统结构 8

第3章 疏浚船舶复合储能装置容量配置的优化建模 10

3.1引言 10

3.2疏浚船舶复合储能装置容量配置的优化目标 10

3.2.1成本目标 10

3.2.2负载功率波动平抑目标 11

3.2.3船舶电力推进系统供求平衡目标 11

3.3疏浚船舶复合储能装置目标优化的约束条件 12

3.3.1能量约束 12

3.3.2瞬时功率平衡约束 12

3.3.3复合储能装置中储能单元荷电状态SOC的约束 12

3.3.4最大瞬时功率的约束 13

3.4疏浚船舶复合储能装置的多目标优化数学模型 13

第4章 疏浚船舶复合储能装置多目标优化方法及仿真实验 15

4.1引言 15

4.2疏浚船舶复合储能多目标函数预处理 15

4.2.1目标函数适应度离差排序法 15

4.2.2线性加权和法聚合多目标函数 16

4.3自适应惯性权重粒子群优化算法 17

4.3.1粒子群优化(PSO)算法 17

4.3.2自适应惯性权重粒子群优化(AWPSO)算法 17

4.4仿真实验及结果分析 20

第5章 总结与展望 23

5.1结论 23

5.2展望 23

参考文献 24

致谢 25

第1章 绪论

1.1论文研究背景及意义

近年来，随着经济的高速发展，我国的海洋事业也急需进步，其中，对于港口、航道等地的疏浚作业工程的提升是必不可少的。沿海疏浚市场每年都有巨额的投资，特别是在航道建设和维护、新港口航道的建造与老港口航道的改造与升级以及内河航道疏浚方面，每年都有着超过百亿元的投资。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，尤其是最近几年，“新海龙”、“新海虎”、“新海凤”等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^[8]。

尽管我国的疏浚船舶在大型化和自动化方面获得巨大成就，但是在疏浚船舶节能减排方面还少有研究。我国疏浚行业的发展离不开能源消耗，也少不了环境污染。环境污染和资源短缺问题使得新能源船舶成为船舶行业的发展趋势。对于疏浚行业来说，一方面，随着经济的发展，疏浚船舶只使用化石能源不但会使自然环境进一步恶化，而且还面临着化石能源日益枯竭的窘境；另一方面，单纯的发展内燃机疏浚船舶已经不能顺应时代的要求，因此开发混合动力疏浚船舶逐渐成为了人们的焦点。

然而，频繁的负载扰动对船舶推进系统的性能有着重大影响，这不仅仅是普通船舶推进系统所面临的问题，还是船舶电力推进系统面临着的一个技术难题，现阶段这一问题还无法完美解决。因为疏浚船舶的工作环境复杂多变，风、浪、流对负载的影响难以预测，造成对船舶电网的扰动复杂多变且难以预测；除此以外，疏浚船舶在作业时其负载功率需求还随工况要求等因素的变化而变化，不稳定的负载扰动就由此诞生。由此可知，这些不稳定且难以预测的负载扰动会给船舶电力推进系统带来巨大冲击，进而影响船舶推进电力系统的性能。

解决该问题的一种方法是将复合储能技术使用到疏浚船舶上。近些年来，随着技术的快速发展，储能技术也在飞速的突破与进步，不少公司已经将其应用在实际产品当中。特别是在电动汽车行业储能技术已被广泛的应用，大容量复合储能装置应用在船舶领域也成为了可能。由蓄电池组和超级电容组成的复合储能装置可以提高船舶电力推进系统的稳定性。因为在电力系统因负载或环境变化遇到扰动时，储能单元可以在极短的时间内吸收或释放多余能量，以此来减少扰动给电力推进系统带来的不良影响，增强整个系统的稳定性^[3]。具有自航能力的耙吸式挖泥船优点是机动灵活，效率高，抗风浪能力强，能在多种工况之间快速转换，这需要强有力的动力作为支持^[1]。对于传统的耙吸式挖泥船来说，如果只是单纯的将其改装成为柴油机和电力推进形式的混合动力船舶，就不能在所有工况范围内都获得比较好的稳定性。所以对耙吸式挖泥船进行带复合储能系统的混合动力改装，不但能在降低主机功率要求的同时满足各工况下的功率需求，提高能源利用效率，达到节能减排的效果，还能在负载发生扰动时，增加整个系统的稳定性。

1.2复合储能技术发展现状

利用设备或介质将一种形式的能量通过物理或化学的方法存储为同一种或另一种形式的能量，并且根据实际需要以特定的能量形式释放所形成的能量循环过程即为储能^[11]。储能装备技术和储能应用技术是储能技术的两大主要分类。储能装备根据所用不同的能量形式主要可以分为以下五种不同的类型：传统物理型储能、化学型储能、传统及新型电化学储能、热型储能以及电磁型储能^[10]。

利用可逆电化学反应进行电能与化学能相互转化来储存能量的技术称为电化学储能，主要包括铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂电池等。下面详细比较一下几种常见的电池。

铅酸电池：多孔的铅结构用作电池的负极材料，铅的氧化物用作电池的正极材料，电解液由稀释的硫酸组成，放电过程中，正负极材料同时变成硫酸盐^[13]。铅酸电池有着可以大规模生产，成本较低，技术较成熟等优点，但是有着不能在20%以下的SOC范围内放电，寿命较短，功率和能量密度还不是很高等缺点。

镍氢电池；镍氢电池采用碱性电解液，采用镍的氢氧化物作为正极材料，负极采用钒钛镍等金属的合金材料^[12]。镍氢电池的能量密度是铅酸电池的两倍以上，并且使用后还可以回收利用，对环境无污染，绿色环保。镍氢电池的循环寿命较长，工作温度宽，内部阻抗可以防止电池过充、过放^[18]。

表1.1 铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池性能比较

锂离子电池：锂离子电池被公认为是性能最好的电池，在目前被使用的电池当中占据了相当大的比例，具有能量密度大、高温特性好、可回收等优点^[12]。近几年锂离子电池的

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