摘 要

世界经济快速发展的同时，能源危机问题日益突出，作为世界贸易的主要交通运输工具的船舶所消耗大量的化石能源并产生环境污染问题是一个巨大难题。目前船舶所排放的排放物(CO₂，SO_x和NO_x)是造成温室效应、酸雨和空气污染等环境问题的主要原因。

本文针对这个问题设计了以质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为主能源多电混合系统，并针对燃料电池的输出不能满足船舶多变的航行工况这一问题，设计了磷酸铁锂蓄电池（LiFePO4）和超级电容为核心的复合储能,且装置采用简单的被动式构型连接，以方便建模。除此之外，为了提高多电混合动力系统的功率还有能量密度，优化各个部分功率分配，使其达到燃油经济性最高功率分配最优的目标，制定了多种能量管理策略互相配合来优化能量源的输出，本文采用支持向量机（SVM）对船舶的工况进行识别，将船舶工况分为两种类型（定速航行、机动航行），之后利用低通滤波器将其功率曲线的高低频分开，分别得出复合储能装置中蓄电池与超级电容所需要承担的功率，最后采用三种能量管理策略（经典PI控制能量管理策略、基于模糊逻辑的能量管理策略、阈值控制能量管理策略）来对复合储能装置的输出进行优化。并利用Matlab/Simulink建立仿真模型，进行仿真实验得出结果，对结果进行分析。

关键词：能源危机；复合储能；燃料电池；模式识别；能量管理策略

Abstract

As the rapid development of world economic，the energy crisis has been becoming a serious problem. The ship that is the main ways of transportation for world trade cosumed a lot of fossil fuels and cause the environmental pollution.The emissions related to ship propulsion (CO₂ , SO_x and NO_x ) have a significant responsibility for environmental problems such as the greenhouse effect, acid rain and air pollution.

The paper design the multi.electric hybrid system which the main energy is the PEMFC,and devise the composite energy storage device that with battery and super. capacitor as the core to solve the problem that fuel cell can’t satisfy the changeable vessel sailing conditions,and it is convenient to model that the device adopts the simple passive configuration to connect.what’s more,to develop battery energy density of hybrid energy system ,optimum each section’s power distribution and achieve the aim that is the ghest fuel economy.we design a kind of energy management strategies to optimum the output of the main energy. This paper adopts the SVM to recognize the vessel conditions classifying two types（speed navigation and maneuvering）,then using low.pass filter to separate the high and low frequency of the power curve to obtain the power required by the battery and the super capacitor in the composite energy storage device.Finally,adopting three energy management strategy(Classical PI Control Strategy,Rule.Based Fuzzy Logic Strategy and EMS) to optimize the output of composite energy storage devices.we use the Matlab/Simulink to set up the simulation model and get the simulational experimental results,then analyze experimenta l results.

Key words:Energy crisis;Composite energy storage;Fuel cell;Pattern recognition;Energy management strategy

目录

摘要 I

Abstract I

第1章 绪论 1

1.1选题背景和意义 1

1.2.1国内多能源船舶现状 2

1.2.2国外多能源船舶研究现状 3

1.3能量管理策略的研究 4

1.3.1能量管理策略的介绍 4

1.4本文主要研究内容 5

第2章 多电混合系统设计 6

2.1燃料电池的设计 6

2.1.1燃料电池的工作原理 6

2.1.2燃料电池的输出特性 7

2.1.3燃料电池的选择 8

2.2复合储能装置的设计 9

2.2.1蓄电池的工作原理 9

2.2.2蓄电池的充放电特性 10

2.2.3蓄电池的选择与容量计算 11

2.2.4超级电容的工作原理 12

2.2.5超级电容的充放电特性 12

2.2.6复合储能装置的构型 13

2.3本章小节 14

第3章 船舶工况识别及低通滤波器设计 15

3.1支持向量机与模式识别 15

3.1.1支持向量机分类 15

3.1.2船舶工况识别 18

3.2低通滤波器的设计 19

3.2.1滤波器时间常数的性能函数建立 19

3.2.2滤波器时间常数优化 20

3.3本章小节 22

第4章 能量管理策略仿真研究 23

4.1 PI控制能量管理策略 23

4.2阈值控制能量管理策略 24

4.3基于模糊逻辑的能量管理策略 26

4.4仿真结果分析 30

4.4.1PI调节结果分析 30

4.4.2模糊逻辑控制能量管理策略结果分析 32

4.4.3阈值控制策略结果分析 33

4.4仿真结果对比 35

4.5本章小节 35

第5章 总结与展望 36

5.1全文总结 36

5.2研究展望 36

致谢 37

参考文献 38

第1章 绪论

1.1选题背景和意义

世界经济快速发展的同时，能源危机问题日益突出，利用新能源替代传统化石能源是公认解决能源和环境问题的有效途径之一。面对作为世界贸易的主要交通运输工具的船舶所消耗大量的化石能源并产生环境污染问题。目前船舶所排放的排放物(CO₂，SO_x和NO_x)是造成温室效应、酸雨和空气污染等环境问题的主要原因。有关部门研究得到船舶所排放的二氧化碳占全球总排放量的3%~5%，并在2010年达到10亿吨。据有关部门估计，在不采取任何措施的情况下，船舶的二氧化碳排放量将会增加到2050年达到25亿吨，预计将比现在增加50.250％。此外，船舶的SO₂排放量也是一个问题。据报道SO₂排放量在2012年猛增，相比往年增加了10%.20%左右，相当于世界上硫化物总负担的5.2%。尽管《京都议定书》没有包含船舶排放的规定，但很多世界很多国家组织已经颁布了更严格的监管规定^[1]。例如，为了执行这些进展，国际海事组织（IMO）加强了MARPOL公约对船舶排放限制。首先是国际海事组织（IMO）在MARPOL VI规则中对输出功率超过130kW的柴油发动机的氮氧化物（NO_x）排放量提出了限制。在2011年1月以后制造的船舶柴油发动机，其排放限制称为等级2，在高速运作时其排放限制在7.7g/kWh以内，和非常低速运作时则限制在14.4g/kWh以内。在排放中从2016年1月开始，其限制改为等级3，降低到2.0g/kWh和3.4g/kWh ^[2]。欧盟(EU)则实施了更严格的规定来控制船舶在特殊海域的SO₂排放量，其中的限制海域包括西欧水域和波罗的海水域等。在这些地区船舶燃料中的硫含量不得超过0.1%。然而，大多数船用燃料的硫含量都超过0.1%^[1]。这就是必须开发绿色能源作为船舶动力装置的主能源的关键原因。

开发绿色能源也是当今时代发展的总体趋势，我国也出台了一些节能减排的白皮书，2005年国务院发布的《国家中长期科学和发展规划纲要（2006.2020 年）》交通运输业发展思路中提到促进交通运输向节能、环保和更加安全的方向发展；2008 年初交通部修订了《交通行业实施节约能源法细则》要求深入研究运输行业对气候变化的影响，并提出相应的解决对策；9 月交通部发布了《公路水路交通节能中长期规划纲要》鼓励加强交通运输工具节能减排技术的研究^[3]。