摘 要

利用新能源、储能系统以及化石能源混合供电的船舶能源系统。具有能量效率高、污染排放低等优点，是现代绿色船舶的重要发展方向。由于供能单元的增加使系统的结构发生了复杂变化，为此，需要针对船舶的种类、运行环境做出优化，使其符合船舶经济性和环保要求。因此需要对船舶进行多目标协同优化研究。

本文的研究内容主要是：第一步对船舶能源的发展现状，以及船舶能量管理系统国内外研究现状做了分析。第二步构建了柴油机模型、蓄电池模型、风力发电机模型以及经济、环保目标函数和相关约束。第三步针对本文所研究目标选择了M2M优化算法作为本次研究的优化算法。第四步根据测量的环境参数以及船舶设备参数绘制成相关表格图像。第五步将之前构建的各个数学模型基于MATLAB平台下编写相关程序，通过模型结合具体的参数得到最终的仿真结果。经过综合分析可知，本文所采取的算法对模型优化以后能够得到比较完整的Pareto最优解。通过对比分析可知在增加了供能模块以后环保性有较大提高，经济性略有提高，具有一定的实际参考意义。

关键词：船舶综合能源；多目标；经济/环保；优化算法；MATLAB

ABSTRACT

Ship energy system using new energy, energy storage system and fossil energy mixed power supply. With the advantages of high energy efficiency and low pollution emissions, it is an important development direction of modern green ships. Due to the increase in energy supply units, the structure of the system has undergone complex changes. Therefore, it is necessary to optimize the type and operating environment of the ship to meet the economic and environmental requirements of the ship. Therefore, multi-objective collaborative optimization research is needed for ships.

The research content of this article is mainly as follows: The first step analyzes the development status of ship energy and the research status of ship energy management system at home and abroad. In the second step, the diesel engine model, battery model, wind turbine model, economic and environmental protection objective function and related constraints are constructed. The third step selects the M2M optimization algorithm as the optimization algorithm for this study in accordance with the research objective of this article. The fourth step is to draw a related table image according to the measured environmental parameters and ship equipment parameters. The fifth step is to write the relevant programs under the MATLAB platform based on the mathematical models constructed before, and get the final simulation results through the model combined with specific parameters. After comprehensive analysis, it can be seen that the algorithm adopted in this paper can obtain a relatively complete Pareto optimal solution after optimizing the model. Through comparative analysis, it can be seen that after the addition of the energy supply module, the environmental protection is greatly improved, and the economy is slightly improved, which has certain practical reference significance.

Keywords: Integrated ship energy; Multi-objective; Economy / environmental protection; Optimization algorithm;

目 录

摘 要 I

目 录 III

第1章 绪论 1

1.1课题背景与意义 1

1.2船舶新能源的发展现状分析 1

1.3能量管理系统的国内外研究现状分析 2

1.4论文研究的主要内容、目标和拟采用的技术方案 5

1.4.1论文的主要研究内容 5

1.4.2拟采用的技术方案 5

1.4.3拟采用的技术方案 6

1.5本章小结 6

第2章船舶能量管理系统的数学模型构建 8

2.1柴油机数学模型构建 8

2.1.1船舶微网结构介绍 8

2.1.2船用柴油发电机模型以及约束构建 8

2.2风力发电及模型 10

2.3蓄电池数学模型 11

2.4经济环保性目标函数 12

2.4.1经济目标 12

2.4.2环境目标 12

2.5本章小结 13

第3章 优化算法 14

3.1多目标问题求解以及方法 14

3.2算法研究现状 14

3.2 MOEA/D-M2M算法 15

3.3本章小结 17

第4章 基于MATLAB模型优化实例仿真实验 19

4.1环境参数 19

4.1船舶设备参数 19

4.3优化仿真策略 22

4.3.1优化过程 22

4.3.2约束处理 22

4.4仿真结果分析 22

4.4.3 Pareto最优分析 24

4.5 本章小结 26

第5章 总结与展望 27

致谢 30

第1章 绪论

1.1课题背景与意义

全球正在面临着化石燃料这种不可再生资源，日益短缺、环境状况日益恶劣两大挑战，气候变化已经成为全球十大环境问题中的头等大事，并且日益成为国际社会关注的热点，尤其是随着航运业的不断发展，关于船舶的温室气体排放问题，已经成为各国持续关注的焦点问题。根据现有调查可以明确，全世界航海运输业CO2的排放数据大概是1046万吨每年，这些碳排放在全世界碳排放量中占比为3.3%， 进一步CO2年排放总量将会增加1.5到2.5倍之多在航运业当中，如果对其不加限制在2050年之前，而且能够占到全世界总CO2排放量12％到18％。因此国际海事组织（IMO）陆续颁布了相关公约法规，目的是为了使节能减排标准得到提高。因此多能源船舶目前的首要问题是解决航运业船舶管理的能耗和排放要求，这是船舶能量管理系统研究的目的和意义所在，从而实现资源节约，环境友好的目标。

因此在船舶运行或靠港的时候，船舶通过现有的能量管理系统，在满足船舶的正常营运工作以及船员个人的生活需求的同时还能够满足一定的经济、环保、可靠性目标正是我们研究的目的。

1.2船舶新能源的发展现状分析

船舶是在水中运行的各种人类自行建造船只的总称，它可以作为运输工具也可以作为交通工具，能够满足不同场景下的使用需求。既然它作为一种可以在水中行进的工具使用，那么必须被相应的动力源来驱动才能行进。众所周知，在船舶上我们最常见的作为动力源的机械设备就是船舶柴油机。不可再生的由所死去的植物以及有机物在它们死后所分解而成的矿石燃料形成的石油资源，是柴油机所消耗的主要资源，进一步来讲目前整个航运市场所使用的主要还不光是柴油还有分子量更大、粘稠度更高的重油，它会排放产生更多的硫化物和氮化物以及可吸入颗粒物，对全球的空气环境造成严重污染。

文献[1]指出，由于全球面临的气候挑战越来越严峻，全球各个国家开始关注气候变化所带来的挑战，为了实现《巴黎协定》中对于未来气候目标的规划，增加气候变化的应对能力，各个国家都在积极探索低碳道路，并且这对于船舶行业的压力也越来越大，尤其是在IMO颁布了限硫令之后，各个国家都在积极主动地寻找替代能源去替代传统能源排放CO2以及SO2、NOx的弊端，我国在航运方面也是积极探索，主动制定更加严格、更加规范、更加具有特色的方案计划，党的十九大也明确提出要构建清洁低碳的能源体系，故此我们看可以看到从国内到国外发展新能源船舶是构建环保低碳的体系必需，发展绿色环保的新能源船舶才能实现节能减排的目标。在目前一系列的已知的研究当中比较有前景的有LPG、LNG、氢能、燃料电池、蓄电池、光伏发电、风力发电、生物燃料等。这些已经研究过的新能源燃料都不会排放出硫化物。

文献[2]指出作为新能源船舶，不管LNG船还是纯电动船、氢燃料船，现阶段在法规和技术上仍存在这样或那样的不足，大规模推广还面临很多困难，但其发展之势不可阻挡且不可逆转。其中LNG船建造历史以达70多年，其技术研发以及应用已经比较成熟，虽然其发展受到建造成本高，加注站设施缺乏等因素的限制，但其未来发展仍然值得期待。纯电动船舶具有零排放、无噪音、高效节能等特点，如今关于锂离子电池存储技术的研究已经取得了重大的成果，主要包括：船舶能源组网技术、电力推进技术同时还有大功率设备并网技术。但在我国发展仍然很慢，主要是被技术标准不够完善、充电桩数量不够、电网的供能不足等问题困扰。这时候就有研究人员将目光放到了氢能上边，它又是一种可再生的能源，同时氢在自然界取之不尽用之不竭，很容易获取。如果用它作为电池燃料那么它的供电能力要比锂电池更加强大，续航将会更加诱人。不过令人遗憾的是，迄今为止国际上关于氢燃料电池的研究还十分的有限，可以提供的案例或者是经验都很少。转眼国内关于这方面的研究就更加的缺少，我国在这方面还处于起步阶段，国家也在加大这方面的投入，企业也在积极响应国家号召，总之我们还有很多的工作要做，文献[3]介绍到光伏发电技术目前已实现产业化发展，光伏发电系统应用于小型观光游览船舶存在巨大商机，其可行性已获得专家的认可。文章还对一种用锂电池作为动力源的纯电动新能源船舶作了介绍，它的主要弊端是用锂电池前期投入较大并且还要受到我国相关配套的设施数量不足的限制。但是作者通过敏感性分析手段，然后分析了不同供电模式下的船舶经济性，最后发现在如今的条件下，如果使用光伏电池为船舶供能是能够获得比较好的经济性。文献[4]从新能源在船舶中的应用价值、新能源在船舶中的应用要点、新能源在船舶中的应用现况、新能源在船舶中的应用方略，四个方面探析新能源在船舶中的应用方略。由于目前的多能源电力推进船舶在实际运行中存在着能量调度问题，为了更好达到船舶的经济性和环保性目标，引入了船舶能量管理系统的概念。

1.3能量管理系统的国内外研究现状分析

我们主要研究的是有多种供能单元的混合动力船舶，这类船舶的能量管理主要是通过制定合理的控制方案对他们的工作情况进行规划或者是在已经规划好的基础上进行协同优化使其符合一定的目标函数，比如经济目标或者是环境目标函数。同时还要结合具体的工作环境，还有船舶自身的结构特点来进行我们所想要达到的目标。

目前电力推进技术代表着船舶的未来，与传统的机械推进系统相比，电力推进具有更好的经济性、操纵性、安全性以及噪音低、有利于船舶控制环境污染的优点^[5][6]。然而由于受到船舶重量和空间的要求以及最新能源存储技术的影响，与传统的柴油机推进系统相比，现阶段大多数的纯电动船舶电力推进系统不能达到高性能的速度、加速度和自控性^[7]。研究混合供能的多能源船舶可以为以后绿色环保的纯电动船舶技术发展提供必要的经验。“混合动力电动船舶”可以定义为以两种或两种以上储能器、能量源或能量转换器作为动力源，其中至少有一种可以提供电能的船舶^[8]。混合动力船舶技术目前尚处在不断探索和研究的阶段^[9]。现阶段的研究表明我们已经有能力使风能、太阳能、核能应用在我们所设计的船舶上，而且已经有了不少的成功实例。不过这些研究或是实例中大多数都是利用单一清洁能源，这并不是我们研究的最终目的。我们的方向是研究多种清洁能源在船上的综合利用。根据船型的结构、航行区域和营运特点的不同，多种能源的综合利用的混合动力船舶己成为21世纪船舶发展的主要研究方向^[10]。绿色能源、储能装置结合传统能源的综合供能系统具有单一能源无法媲美的经济性、环保性等优点，已成为绿色船舶动力技术发展的重要方向。但是多能源结构增加了系统的复杂性，为了使船舶在经济/环保/安全的条件运行，就需要制定能量管理策略。能量管理系统的功能是:分析混合动力船舶实际航行工况，综合考虑混合动力船舶动力分配性、排放经济性、运行稳定性和系统可靠性，实现多种能量的优化分配与协调，在满足稳定性和可靠性的基础上达到混合动力系统最优的经济性能和排放性能^[11]。因此，船舶综合能源系统能量协同调度问题实际上是一个多目标优化问题，所以对船舶综合能源系统经济/环保/安全多目标协同优化进行研究，将是我们的研究方向。

因为多目标优化配置方案更为合理，其效率也更高，所以已经有了不少研究，同时关于船舶微网控制也有了不少思路。