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新型船舶全电推进系统的航路规划及能量管理策略研究

新型船舶全电推进系统的航路规划及能量管理策略研究

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作者：朱星州哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

近年来,我国海洋方向的科学研究在国家支持之下,进入了高速发展阶段,在当前经济发展背景下,船舶成为海上运输的最常见交通工具,但是伴随着船只的大批量发展和使用,船舶运输行业的能耗和温室气体排放量有着明显的增长,而海洋生态污染成... 详细信息

近年来,我国海洋方向的科学研究在国家支持之下,进入了高速发展阶段,在当前经济发展背景下,船舶成为海上运输的最常见交通工具,但是伴随着船只的大批量发展和使用,船舶运输行业的能耗和温室气体排放量有着明显的增长,而海洋生态污染成为了亟待解决的问题和限制世界海上运输发展的重要因素,因此伴随着节能减排逐步变成制造业的主要研究方向,船舶的节能因涉及节省燃料资源和费用、环境保护和经济效益等方面也成为了世界各国造船业和航运界研究的重要课题,全电轮船也因其高效率和低污染逐渐获得更多关注和研究。为了应对世界造船业对船舶节能减排以及经济性和安全性的要求,本文设计了新颖的全电轮船电力配置系统,将传统的柴油发电机,与新型的氢燃料电池,电池储能系统,光伏发电系统,以及岸电技术相结合,以满足轮船推进载荷和服务载荷的需求,用于船舶电力系统的协调运行管理,从而为更加环保节能的最优能量管理策略打下物质基础。基于该轮船的电力系统配置,本文以运行成本和温室气体排放量最小化为目标,以航行路径、各电力器件与船舶载荷的技术和电力运行条件为限制,建立该优化问题的数学模型,其中轮船的航行与发电策略通过推进载荷和航行速度的指数关系而联系起来,该方法可简称为发电与航行联合规划。针对所提出的数学模型和优化问题,本文提出了一个双层多目标优化方法,其中上层优化通过多目标差分进化算法,经过差分变异、交叉和非支配选择等操作运算,以优化航向路径、双目标方程间的权重和燃料电池与电池储能系统的容量;下层优化利用上层优化得到的变量,通过商业优化工具来求解其最优的发电调度策略,两层模型进行循环迭代,直到得到最优化的变量解集和其相对应的能量管理策略,并采用从大连至新加坡的实际航行路径和各器件的应用参数,对提出的数学模型和优化算法进行仿真测试,通过六种不同情况的算例以证明模型和解决方法的准确性、最优性和有效性,并通过敏感度分析,以凸显双层优化算法的优越性。

关键词：双层多目标差分进化算法温室气体排放量全电轮船航行路径规划问题能量管理策略

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