柴電混合動(dòng)力船舶動(dòng)力設(shè)備選型方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及船舶動(dòng)力設(shè)備的選型，尤其涉及一種柴電混合動(dòng)力船舶動(dòng)力設(shè)備選型方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，拖輪、挖泥船、渡輪、游輪等工程船舶具有如下特點(diǎn):
[0003](I)典型工作循環(huán)完整，方便獲取岸電；
[0004](2)機(jī)艙相對(duì)狹小，沒有足夠空間布置減排設(shè)備；
[0005](3)工作于港口或近海，受到更加嚴(yán)格的排放法規(guī)控制；
[0006]然而，傳統(tǒng)的船舶多采用柴油機(jī)作為單一的能量來源，選型時(shí)需要滿足船舶的最大功率需求，針對(duì)拖輪、挖泥船、渡輪、游輪等船舶，容易導(dǎo)致多數(shù)工況下柴油機(jī)顯得功率過分冗余，使得燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能都比較差。
[0007]近年來混合動(dòng)力汽車(柴一電混合)在陸地上廣泛應(yīng)用，因具有傳統(tǒng)汽車與電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)而備受青睞，例如:其運(yùn)行污染較低，噪聲小，特別是充分利用能量反饋顯著提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。
[0008]但是，對(duì)于混合動(dòng)力電力推進(jìn)船舶，因其工況與汽車不同，不存在頻繁的啟動(dòng)與停止，能量反饋的價(jià)值并不明顯，只能從初期選型設(shè)計(jì)是考慮燃油的節(jié)省，故關(guān)鍵設(shè)備選型對(duì)混合動(dòng)力電力推進(jìn)船舶意義重大，而傳統(tǒng)的選型優(yōu)化方法只考慮了單目標(biāo)，使得選擇范圍小，因此有必要研宄一種柴電混合動(dòng)力船舶動(dòng)力設(shè)備選型方法，給選型者提供一個(gè)最優(yōu)解方案(Pareto解)組，以便給選型者更多的考慮范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種柴電混合動(dòng)力船舶動(dòng)力設(shè)備選型方法，該方法利用多目標(biāo)優(yōu)化技術(shù)，離散索引技術(shù)，分級(jí)懲罰技術(shù)對(duì)混合動(dòng)力船舶的主要?jiǎng)恿υO(shè)備進(jìn)行選型，在保證儲(chǔ)能單元具有良好使用狀態(tài)的情況下，給出一組Pareto最優(yōu)解，而這組最優(yōu)解中的各選型方案都能對(duì)應(yīng)到實(shí)際設(shè)備，而不需要使用近似方法處理。
[0010]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的采用的技術(shù)方案是一種柴電混合動(dòng)力船舶動(dòng)力設(shè)備選型方法，該方法包括:
[0011]根據(jù)選型對(duì)象船舶的工作圖譜，得到典型的工作循環(huán)；
[0012]構(gòu)建選型對(duì)象船舶的整船動(dòng)力組成模型；
[0013]根據(jù)所述典型的工作循環(huán)將選型對(duì)象船舶所需要工作數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型中，進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算，得到一組帕累托最優(yōu)解，對(duì)應(yīng)實(shí)際設(shè)備，即得到各選型方案。
[0014]在上述技術(shù)方案中，收集各廠商柴油機(jī)、電池、電機(jī)的規(guī)格參數(shù)，制成索引表；
[0015]從所述索引表中獲得選型對(duì)象船舶的動(dòng)力設(shè)備選型。
[0016]在上述技術(shù)方案中，所述柴油機(jī)參數(shù)包括安裝重量和油耗一負(fù)載曲線；所述電池參數(shù)包括電池容量和電池單體重量；所述電機(jī)參數(shù)包括總安裝重量、效率特性曲線、單體重量和充放電曲線。
[0017]在上述技術(shù)方案中，所述工作圖譜是根據(jù)船舶長時(shí)間工作統(tǒng)計(jì)得出的一組與時(shí)間相關(guān)的數(shù)據(jù)，包括需求功率，或者需求功率和挖泥量。
[0018]在上述技術(shù)方案中，所述整船動(dòng)力組成模型包括主機(jī)油耗模型、電機(jī)模型、電池模型能量管理模型和儲(chǔ)能裝置分級(jí)懲罰模型。
[0019]在上述技術(shù)方案中，所述能量管理模型中上閾值與下閾值實(shí)現(xiàn)過程如下；
[0020](I)當(dāng)功率需求大于上閾值時(shí)，由主機(jī)與電機(jī)一同提供動(dòng)力，電機(jī)運(yùn)行于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，由電池組提供能量；
[0021](2)當(dāng)功率需求低于下閾值且蓄電池荷電狀態(tài)在[40%，90% ]區(qū)間內(nèi)，僅由電機(jī)提供動(dòng)力，電機(jī)運(yùn)行于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，由電池組提供能量；
[0022](3)當(dāng)功率需求在上下閾值之間，蓄電池且電池S0C〈90%，由主機(jī)提供動(dòng)力源，且通過電機(jī)對(duì)蓄電池充電，電機(jī)運(yùn)行于發(fā)電機(jī)狀態(tài)；
[0023](4)出上述三種情況外，默認(rèn)狀態(tài)為由主機(jī)單獨(dú)提供動(dòng)力。
[0024]在上述技術(shù)方案中，所述儲(chǔ)能裝置分級(jí)懲罰模型包括無懲罰，輕度懲罰，中度懲罰，重度懲罰四類；當(dāng)SOC位于[40%，100% ]區(qū)間內(nèi)時(shí)無懲罰；SOC位于(20%，40% )區(qū)間內(nèi)輕度懲罰；SOC位于(10%，20% ]區(qū)間內(nèi)中度懲罰；SOC位于[0%，10% ]區(qū)間內(nèi)重度懲 ill ο
[0025]在上述技術(shù)方案中，通過NSGA-1I算法進(jìn)行數(shù)值仿真，得到帕累托最優(yōu)解，具體步驟如下:
[0026](I)根據(jù)所需要優(yōu)化的參數(shù)，設(shè)計(jì)染色體組，產(chǎn)生初始種群；
[0027](2)計(jì)算初始種群中各個(gè)體的目標(biāo)函數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行非支配排序；
[0028](3)通過遺傳算法的選擇、交叉、變異等操作得到第一代種群；
[0029](4)從第二代開始，合并父代與子代種群，進(jìn)行非支配排序；
[0030](5)對(duì)每個(gè)非支配層的個(gè)體進(jìn)行擁擠度計(jì)算，根據(jù)非支配關(guān)系與擁擠度選取新的父代種群；
[0031](6)通過遺傳算的的選擇、交叉、變異產(chǎn)生新的種群，判斷是否滿足條件，若不滿足回到步驟(5)，若滿足條件，跳出循環(huán)。
[0032]進(jìn)一步地，將得到的帕累托最優(yōu)解按分級(jí)懲罰模塊中記錄信息劃分為無懲罰區(qū)與有懲罰區(qū)。
[0033]本發(fā)明具有以下的優(yōu)點(diǎn):
[0034]1、采用離散索引技術(shù)，使得最后最優(yōu)解集中個(gè)選型方案均能對(duì)應(yīng)到實(shí)際設(shè)備，不需要人為的近似處理。
[0035]2、采用分級(jí)懲罰技術(shù)，將儲(chǔ)能裝置使用狀況考慮在內(nèi)，使得最后的選型方案中，儲(chǔ)能裝置工作狀態(tài)較好(因?yàn)镾OC太小(過度放電)會(huì)影響儲(chǔ)能裝置壽命)。
[0036]3、使用NSGA-1I算法，優(yōu)化時(shí)計(jì)算復(fù)雜度低，不需要認(rèn)為設(shè)定優(yōu)化參數(shù)，(如NSGA中需要人為設(shè)定共享半徑)，而且NSGA-1I是一種多目標(biāo)算法，使得最后給出的不是一個(gè)解，而是充分考慮多個(gè)優(yōu)化目標(biāo)而得到的一組最優(yōu)解集。
【附圖說明】
[0037]圖1為本發(fā)明柴電混合動(dòng)力船舶動(dòng)力設(shè)備選型方法的流程圖。
[0038]圖2為本實(shí)施例主要設(shè)備離散索引表示意圖。
[0039]圖3為本實(shí)施例懲罰函數(shù)示意圖。
[0040]圖4為本實(shí)施例所用NSGA-1I算法中種群個(gè)體染色體示意圖。
[0041]圖5為本實(shí)施例所用NSGA-1I算法流程圖。
[0042]圖6為本實(shí)施例所得到分區(qū)的帕累托最優(yōu)解集及按懲罰函數(shù)劃分區(qū)域示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0043]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0044]本實(shí)施例柴電混合動(dòng)力船舶特點(diǎn)是具有如蓄電池作為儲(chǔ)能單元。
[0045]如圖1所示，本發(fā)明柴電混合動(dòng)力船舶動(dòng)力設(shè)備選型方法具體包括以下步驟:
[0046]S100、調(diào)查所需設(shè)備的設(shè)備提供商數(shù)據(jù)，收集各廠商柴油機(jī)，電池，電機(jī)的規(guī)格參數(shù)，制成離散索引表，如圖2所示，包括編號(hào)21、主機(jī)型號(hào)22、電機(jī)型號(hào)23和蓄電池型號(hào)24。其中，柴油機(jī)參數(shù)包括安裝重量和油耗一負(fù)載曲線(可根據(jù)負(fù)載比率計(jì)算出耗油量)；電池為里聚合物電池，電機(jī)參數(shù)包括單體重量，充放電曲線；電機(jī)為船用永磁同步電機(jī)，電機(jī)特點(diǎn)為既能在做功(電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能)又能發(fā)電(機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能)，電機(jī)參數(shù)包括總安裝重量和效率特性曲線(功率一效率曲線)。
[0047]S200、根據(jù)船舶長時(shí)間工作統(tǒng)計(jì)得出的選型對(duì)象船舶的工作圖譜11，分析其特點(diǎn)，得到典型的工作循環(huán)，包括主機(jī)工作圖譜和其他工作數(shù)據(jù)圖譜14。工作圖譜是一組與時(shí)間相關(guān)的數(shù)據(jù)，包括需求功率與其他數(shù)據(jù)，其他數(shù)據(jù)根據(jù)對(duì)象船舶而定，以拖輪為例，僅需所需功率數(shù)據(jù)即可；又以耙吸式挖泥船為例，其他數(shù)據(jù)為挖泥量。
[0048]S300、調(diào)查各設(shè)備生產(chǎn)廠商商品規(guī)格書12，構(gòu)建整船動(dòng)力組成模型，其中包括主機(jī)油耗模型、電機(jī)模型、電池模型、構(gòu)建能量管理模型