包含储能系统的全电动船舶动力系统中具有温室气体排放限制的最优电源管理外文翻译资料

 2022-08-24 11:08

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包含储能系统的全电动船舶动力系统中具有温室气体排放限制的最优电源管理

FD Kanellos，IEEE成员

摘要：船舶动力系统的广泛电气化已成为开发更有效和环保的船舶的一个非常有吸引力的选择。优化的电力管理和储能系统将在这种系统中发挥关键作用，因为它们可以降低燃料消耗，提高船舶的整体效率。但是，应克服这种系统固有的复杂性所引起的技术困难。本文分析了由全电推进和储能系统组成的船舶电力系统的最优运行。提出了一种优化的电力管理方法，使运行成本最小化，温室气体排放受到限制，同时不违反相关的技术和性能约束。

关键词-动态规划，储能系统，温室气体排放，最佳电力管理，船舶能源效率指标，船舶电力系统。

  1. 介绍

世界各地对空气质量和温室气体排放的关注导致了船舶建造业更严格的规章制度[1]。结果，越来越多的研究使船载能源系统更加高效。此外，船上所有子系统的最优运行可以降低燃油消耗，提高船舶的整体效率[2]。因此，实施将减少温室气体排放和燃料消耗的创新技术正成为迫切需要[3]、[4]。

在这种情况下，船舶动力系统的广泛电气化，被广泛称为所有电动船舶(AES)，与传统的船舶动力系统概念相比，已成为一有吸引力的技术。AES结合了最优电力管理、储能系统(ESS)和“绿色”电力技术的前引擎(ESS)等概念，可以导致更有效的船舶[5]-[8]。同样，AES允许船舶动力设备配置具有柴油机，燃气轮机，蒸汽动力设备， 燃料电池，ESS和可能的RES的众多组合。工厂部件种类繁多，使其能够符合船舶能源效率指令，而这些指令单靠每个部件是无法实现的。然而，决定在多大程度上使用不同的发电技术取决于几个参数。这是具体案例，通常是成本效益函数和船舶动力系统安全可靠性优化的结果。

ESS可以很容易地集成到AES中，并有助于最优的能源管理，从而产生几个积极的影响，如减少原动机和进一步的燃料成本重新计算。目前有不同的ESS技术（如液流电池、大功率飞轮和超级电容器），具有不同的操作特性，使它们更容易使用[9]、[10]。

船用电力系统的性能应在船舶电力系统的设计和运行过程中进行评估。因此，根据国际海事组织（IMO）政策， 将通过以下指标[1]，[11]评估船舶效率：

    • 能源效率设计指标（EEDI）；
    • 能源效率运行指标（EEOI）。

EEDI和EEOI都表示每艘船生产的CO2能力和运输工作。应该注意的是，EEDI公式仅限于散货船，油轮，集装箱和滚装船，而AES被排除在外。EEDI的主要缺点在于，它仅考虑一个工作点（假定以额定装机推进功率的75％进行工作），并且其设计目的并不是精确地计算船舶寿命内的温室气体排放量。相反，EEOI指数[11]更适合表示船舶在其生命周期内的温室气体排放量，并且可以轻松地应用于AES。在本文中，首先对能效指标进行了简要介绍，然后针对该分析目的对EEOI进行了适当的重新设计。

为了提高EEDI和EEOI，正在研究几种措施，其中一些是：

    • 能源管理和船舶性能；
    • 航线优化和航行效率；
    • 汽蒸慢（降低船的航行速度）；
    • 智能电能产生和电力管理的方法[12]-[14]。

为此，在不久的将来，传统船舶以及AES必须具有精心设计的船舶能效管理计划（SEEMP）[2]。SEEMP的主要目标可能是运营成本最小化和温室气体排放限制彼此不兼容。在这方面，应最小化导致“绿色”和低成本运营的成本函数。注意这里的船用电负荷管理是一个重要因素，对降低运营成本和船舶环保运营。在这种情况下，根据船上电力负载变化对船速进行最佳调整可以进一步提高AES的效率。这是本文提出的进一步措施用于EEOI控制和降低运营成本。但是，它受到一些限制，例如船速限制和总路线长度限制。

AES中的最佳电源管理是一个非常具有挑战性和复杂的问题。本文针对AES，提出了一种考虑电能和功率平衡以及所有相关技术操作约束的最优功率管理和GHG排放限制的方法。如果可以进行船舶载荷预测，则所提出的方法可以优化发电量和船速。由于所检查问题的内在复杂性不断提高，因此可以结合使用动态编程在三个阶段中解决该问题用随机进化优化方法[15]，[16]。最后，给出了仿真结果，证明了效率该方法。

  1. 能源效率指标

EEDI的计算仅基于船舶设计数据，它代表单个设计点的CO2排放量，而不代表整个船舶运营。EEDI以每吨载重量和海里的CO2克数（grCO2 / tn nm）来衡量。EEDI的建立是朝着正确方向迈出的一步。但是，由该船可能与EEDI计算出的船完全不同。这一事实敦促国际海事组织海洋环境保护委员会确定和发展限制国际航运产生的温室气体排放所需的机制，并在此过程中优先发展一种描述船舶在运行过程中温室气体效率的方法。

在这种情况下，EEOI是在一些一般准则的范围内制定的。EEOI定义为每单位运输工作产生的二氧化碳质量的比例[11]，并给出如下公式：

如果将其索引为任意观察时间间隔，则可以对其进行稍微修改以利于优化过程，如下所示[11]：

有关（2）中包含的符号的信息，请参见术语。EEOI的定义符合IMO [1]，[11]发布的指南。船载因子LF取决于被检查船的类型，例如客船，游轮等。在这项研究中，将LF应用于游轮，其计算公式为[4]

这里nrsquo;P是乘客人数，nP是最大的旅客人数，nrsquo;V是运载车辆的数量,nV是最大运载车辆数,GT是船总吨位。

  1. AES系统的说明

图1所检查的AES电源系统的单线图。

A.发电系统

AES概念引入的主要创新是，船舶推进是由电力电子转换器驱动的大型电动机提供的。功率电子器件可在不调节原动机速度的情况下在较宽的速度范围内进行连续轴变速操作。以此方式，实现了大的操作灵活性和燃料经济性。而且，消除了对螺旋桨和原动机之间的大轴的需求。假定被检查的船舶发电系统 热电发电机和连接到同一总线的ESS组成。它们提供船舶服务负载和两个大型电动推进马达。单线图图1中显示了包括全电推进和ESS在内的经过检查的船舶电力系统。在下文中，提供了对理解船舶电力系统运行有用的含义和概念。

B.按时间顺序的负荷曲线

时间负载曲线定义了特定时间范围内的船舶电力需求,该时间分为时间间隔Delta;Tj。在每个时间间隔内，所考虑的船舶电力负荷都是恒定的。并通过以下公式计算

在以下分析中，将船用电负载分为两个部分，分别代表电推进功率和船用电负载。

在AES中，推进功率占船舶电力负载的很大一部分。如果在不违反航行时间和船速限制的情况下进行适当调整，则推进力可以极大地改善船用电力系统的效率。

油耗功能

通常，发电机的特定燃料消耗函数SFC（grFuel/MW）随发电功率的增加而降低，直到达到最经济运行的临界点为止，然后增加直至达到标称功率。发电机燃料消耗函数FC取决于产生的功率，并且可以通过二阶多项式充分近似。获得第t个时间间隔Delta;Tj中的总燃料成本TCFj,作为所有发电机的燃料成本的总和，如下所示:

与

然后，计算整个时间段T内船舶动力系统的总燃料成本TFC

D.排放产生函数

假设温室气体排放与燃料消耗成正比。因此，第i台发电机消耗的燃料以转换系数转换为排放的CO2，可以估计时间间隔如果在时间间隔中的CO2排放量为

E.储能系统

ESS可以极大地促进船舶电力系统的最佳运行，并提高安全性和可靠性。在下面的分析中，使用了适当的ESS，该ESS存储了发电机产生的过多能量或补充了负载。电池是非常适合AES的能量存储选件。液流电池可能会被使用，因为它们目前可用于隔离式电源系统（船舶电源系统），削峰用电和不间断电源的相对较大的固定应用中。

ESS中存储的能量受可靠性和储备充足性原因定义的最小存储能量EESS,min的限制较低，而由ESS技术规范定义的最大存储能量EESS,max的限制较高。而且，由ESS产生或吸收的功率分别受其技术上的最大和最小功率的限制。

船速—推进功率曲线

船速-推进功率曲线取决于特定条件下的船体阻力（例 如，船上的货物装载条件或天气条件），可以通过公式[17]很好地描述

在上式中，V是船速，PProp是发展速度所需的推进力，系数c1用于推进力和船速匹配，并且是常数取决于船体的形式（c2=3用于常规船体形式）。

如果在时间间隔Delta;Tj中船舶速度为Vrsquo;j而计划速度为Vj则直接由（10）得出：所需的推进功率偏离其计划值是

4、优化概念

接下来描述实现最小运行成本和温室气体排放限制的优化问题的约束条件和公式。所提出的方法包括三个阶段， 在第VB节中进行了描述和阐述。

A.问题约束

船舶电力系统运行的优化受到多个约束和限制，为了确保电力系统安全运行并遵守物理规则，应该应用这些约束和限制。这些约束在此处给出。

    • 功率平衡：确保功率产生和消耗之间的平衡以及频率稳定性。
    • 发电机负载：由于热损耗和机械应力会增加，而防止 停电的能力会受到限制，因此发电机的负载不应超过 特定的时间余量，而不会超过特定的功率水平。此外， 不应将发动机的负荷降至发动机制造商指定的特定功 率水平以下，以减少维护成本并避免可能的损坏。
    • 温室气体排放：应该对EEOI进行在线监控，并将其限制在一定的上限以下。
    • 斜率：必须避免产生的功率的高变化率，以消除发电机的机械应力和损坏。
    • 防停电：在系统不停电的情况下，它定义了发电机的最大允许连续负载。
    • 发电机启动：发电机频繁启动/停止会导致维护成本和燃油消耗增加。可以通过在发电机的连续启动/停 止之间设置一个时间窗口来应用此约束。
    • ESS能量水平和功率：出于第IV-E节中提到的原因，ESS能量和功率应处于上限和下限。
    • 船速：船速是上限和下限，分别取决于最大和最小船速。
    • 总行驶距离：最优化时间段的最后一个时间间隔结束时的总行驶距离应几乎等于总路线长度。

B.最佳电源管理公式

优化过程包括以下三个阶段。首先，根据操作，技术和温室气体排放的限制，针对每个时间间隔 Delta;Tj计算ESS产生/吸收的功率。接下来，假设在第一阶段估算了ESS功率，则将估算最佳推进功率，从而满足技术和EEOI约束。由于引入了很大的复杂性，因此这里不包括总行驶距离约束而在此阶段，总推进能量偏差必须等于0。然而，由于问题的非线性，这不能保证总的行进距离约束总是得到满足。在优化的第三阶段将检查此约束。在这一阶段，采用PSO进化优化方法搜索推进力的小偏差，从而满足总行驶距离约束。将问题分解为三个的理由子问题在第五节中给出。

  1. 优化的第一阶段：该阶段要解决的子问题表述如下。

最小化

与

服从

→功率平衡约束

→最小和最大发电机负载限制

→发电机斜率限制

→温室气体排放限制

→ESS能级的初始和最终条件

→最小和最大ESS功率约束

→最小和最大ESS能级约束

→最小发电机运行时间

→发电机停机时间最短

→防停电约束

  1. 优化的第二阶段：在第一阶段计算每个时间间隔中Delta;Tj，PESS，j的ESS功率。在此阶段，船用电负载根据以下公式设置为Lj(2):

此阶段解决的子问题的公式如下：最小化

服从

→功率平衡约束

→最大船速和最小船速约束

→推进能量偏差约束

→由（14）–（16）和（21）–（23）定义的约束。约束（28）在优化时间段（t=T）结束时分别施加了计划的和优化的推进能量EProprsquo;T和Ersquo;Prop,T。在此阶段，使用（11）计算船速Vj(2)如下：

在第二阶段获得最佳船舶推进功率时间序列，如下所示：

注意，在这个阶段没有使用总行进距离约束，因为它严重增加了问题的复杂性。如有必要，可以在方法的第三阶段解决该问题，该方法的第三阶段使用进化优化技术代替动态编程。

图2.动态编程网格

3）优化的第三阶段：在优化的第二阶段计算了推进功率。在第三阶段，获得船舶电力负荷为

在其中搜索新的推进力偏差矢量，以使总行驶距 离近似等于总路线长度。这个阶段的子问题表述如下。

最小化

服从

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