一种考虑船舶横摇的新能源船舶电力系统容量优化方法技术方案

本发明专利技术公开了一种考虑船舶横摇的新能源船舶电力系统容量优化方法，步骤是：1)建立光伏系统输出模型、柴油机发电成本模型、储能系统充放电模型以及船舶负载模型；2)根据船舶横摇对光伏系统输出的影响，对步骤1)中所述光伏系统输出模型进行修正；3)建立船舶电力系统多目标多约束的优化目标模型；4)对传统粒子群算法进行优化，加入遗传算法中粒子两两杂交过程；5)用步骤4)优化后的算法将步骤1)、2)、3)建立及修正的模型融合，使用数学仿真软件运行后输出最优粒子，最优粒子的优化结果即为最佳容量优化配置。本发明专利技术方法在船舶航行时横摇状态下进行优化，在保证船舶航行安全的情况下又能降低成本和损耗，达到安全节能的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑船舶横摇的新能源船舶电力系统容量优化方法
本专利技术属于新能源船舶
，涉及一种新能源船舶混合电力系统容量优化策略，尤其涉及船舶航行时横摇情况下的优化策略。
技术介绍
随海洋环境问题的日益严重，传统船舶电站的消耗随着船舶作业要求的升高也在不断增加，基于新能源的船舶电力系统优化研究会成为未来船舶发展的主要趋势之一。目前，已有不少国内外学者对微网容量优化进行了诸多研究，为船舶微电网的发展提供了大量理论基础。但大多考虑单目标单约束的优化，在获得目标最大化的同时牺牲了相关的优化条件，且单一算法较易陷入局部最优，也未曾考虑船舶在航行中面对的船舶摇摆等客观原因。因此本专利技术提出了一种新能源船舶混合电力系统容量优化策略。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服现有微电网容量优化策略存在优化不准确、算法优化效果不明显的缺点，提供一种考虑船舶横摇的新能源船舶电力系统容量优化方法。本专利技术通过以光/柴/储基本模型为基础，将船舶横摇情况下对阳能电池板受光面积Apv的影响转换为对光照强度Eav的影响，对光伏输出模型进行优化。在算法方面，采用遗传算法中的交叉因子对粒子群算法进行优化，将一个横摇周期设为算法的一个优化周期，求得船舶最佳储能容量配置。该方法在船舶航行时横摇状态下进行优化，不仅保证了船舶航行的安全，还有效降低了船舶电力系统运行成本，在优化更加准确的同时达到了安全节能的目的。本专利技术相较于不考虑横摇状态的优化方法，船舶电力系统运行成本下降8.77％；相较于差分算法以及传统粒子群算法，运行成本下降10.52％和1.99％。为达到上述目的，本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种考虑船舶横摇的新能源船舶电力系统容量优化方法，包括以下步骤：(1)根据太阳能电池板受光面积APV、转换效率ηPVmax，以及太阳辐射度G(t)建立光伏系统输出模型；根据柴油发电机的输出功率Pd以及油耗系数建立柴油机发电成本模型；根据蓄电池充放电的功率ΔP以及效率ηc建立储能系统充放电模型；根据船舶航行数据建立船舶不同工况下的负载模型；(2)根据船舶航行时船舶横摇对光伏系统输出的影响，对步骤(1)中光伏系统输出模型进行修正；(3)将船舶电力系统总成本费用以及系统可靠性作为优化条件，建立船舶电力系统多目标多约束的优化配置模型；(4)对传统粒子群算法进行优化，在传统粒子群算法中加入遗传算法中粒子两两交叉过程；(5)将步骤(1)建立的柴油机发电成本模型、储能系统充放电模型、负载模型，步骤(2)修正的光伏系统输出模型以及步骤(3)建立的优化配置模型在步骤(4)优化后的算法中融合，使用数学仿真软件进行仿真，输出最优粒子，该粒子输出的太阳能电池板数量、柴油发电机容量和蓄电池数量即为船舶电力系统的最佳容量配置。进一步优选，所述步骤(1)中建立四种模型的具体内容和方法是：1)建立光伏系统输出模型的具体过程为：根据光伏发电系统输出功率PPV(t)受t时刻接收的太阳辐射度G(t)、光伏阵列面积APV、太阳能电池板最大转换效率ηPVmax、太阳电池板最大功率跟踪控制的转换效率ηMPPT、太阳能电池板正常运作时的温度以及实时温度TC-normal和TC因素影响，搭建船载光伏发电系统模型；2)建立柴油机发电成本模型的具体过程为：将柴油发电机的成本模型近似为其输出功率Pd的二次函数，表示为其中a、b、c均为燃料系数；3)建立储能系统充放电模型的具体过程为：将储能系统在t+1时刻的蓄电量表示为，t时刻储能系统蓄电量以及t时刻的蓄电变化量，变化量主要受t时刻柴油机以及光伏发电系统发电量和系统所需总负载影响；4)建立船舶负载模型的具体过程为：根据船舶的航行数据，判断船舶航行时所处的不同工况，建立船舶航行时在不同工况下的负载变化模型。进一步优选，所述步骤(2)中所述修正的方法，具体内容和过程为：首先将船舶航行时的极端条件作为分析基础，设置极端条件下的横摇周期和频率；其次将太阳能电池板受光面积Apv大小的变化等效为光照强度Eav大小的变化；然后将光照强度最大值Eavmax设置为太阳能电池板与水平面夹角为0°时的光照强度，从而得到光照强度最小值为Eavmax(1-cosθ)；最后推出实际光照强度与横摇角的余弦值cosθ、横摇周期f的数学关系式，即为修正后的光照强度数学模型，经过换算后可以得到精确的太阳辐射度数学模型；进一步优选，步骤(3)中所述建立船舶电力系统多目标多约束的优化配置模型的具体过程为：1)首先计算系统的等值年投资费用CACS，该费用为各电源的设备装机成本费、维护成本费、替换成本费、燃料成本费、环保折算费的总和；再计算系统的系统可靠性费用Crel，为系统负荷缺电率LPSP以及系统容量过剩倍率EXC的惩罚函数，公式为Crel＝γ[max(0,LPSP-LPSPmax)]+δ[max(0,EXC-EXCmax)],γ和δ为惩罚因子；最后计算系统的等值年投资费用CACS和系统的系统可靠性费用Crel的总和，为优化配置模型的目标函数。2)根据船舶面积大小以及航行参数，分别对新能源船舶的微电源输出功率Pi、蓄电池容量SOCt、微电源装机数量Ni设置约束条件。进一步优选，步骤(4)中所述在传统粒子群算法中加入遗传算法中粒子两两交叉过程的具体过程为：首先，在传统粒子群算法找到个体适应度最优值和全局适应度最优值后，将全局粒子分为两部分；然后将前一部分粒子代替后一部分粒子的速度和位置，后一部分的粒子两两交叉，产生了新的子代粒子；最后将前后两部分粒子的适应度值进行对比，保留适应度值高的粒子，即为产生的新的子代粒子。进一步优化，步骤(5)中所述将建立及修正的五个模型在优化后的算法中进行融合的具体过程为：1)根据步骤(1)建立的柴油机发电成本模型、储能系统充放电模型、负载模型，步骤(2)修正的光伏系统输出模型，对粒子速度和位置初始化；2)根据步骤(3)建立的优化配置模型中的目标函数，计算每个粒子的个体适应度值；3)寻找粒子的个体适应度最优值以及全局适应度最优值；4)判断各粒子的个体适应度最优值是否会大于全局适应度最优值，若大于则将全局适应度最优值更新为当前的粒子的个体适应度最优值，否则返回步骤3)，继续寻找粒子个体以及全局适应度最优值；5)根据步骤(4)所述，对传统粒子群算法进行优化，产生新的子代粒子；6)判断新的子代粒子是否满足步骤(3)中建立的优化配置模型中的约束条件的要求，若满足则输出优化结果，否则返回步骤2)，继续计算每个粒子的适应度值。与现有技术相比，本专利技术包括以下优点和有益效果：(1)本专利技术在考虑船舶横摇的实际情况下，对太阳能电池板受光面积Apv的影响转换为对光照强度Eav的影响，对光伏输出模型进行优化。用某远洋船作为算例，相较于不考虑横摇状态的优化方法，船舶电力系统运行成本下降8.77％。优化结果更加精确，更大程度利用光能。(2)本专利技术建立多目标多约束的优化配置模型，同时考虑船本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑船舶横摇的新能源船舶电力系统容量优化方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)根据太阳能电池板受光面积A

【技术特征摘要】
1.一种考虑船舶横摇的新能源船舶电力系统容量优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据太阳能电池板受光面积APV、转换效率ηPVmax，以及太阳辐射度G(t)建立光伏系统输出模型；根据柴油发电机的输出功率Pd以及油耗系数建立柴油机发电成本模型；根据蓄电池充放电的功率ΔP以及效率ηc建立储能系统充放电模型；根据船舶航行数据建立船舶不同工况下的负载模型；
(2)根据船舶航行时船舶横摇对光伏系统输出的影响，对步骤(1)中光伏系统输出模型进行修正；
(3)将船舶电力系统总成本费用以及系统可靠性作为优化条件，建立船舶电力系统多目标多约束的优化配置模型；
(4)对传统粒子群算法进行优化，在传统粒子群算法中加入遗传算法中粒子两两交叉过程；
(5)将步骤(1)建立的柴油机发电成本模型、储能系统充放电模型、负载模型，步骤(2)修正的光伏系统输出模型以及步骤(3)建立的优化配置模型在步骤(4)优化后的算法中融合，使用数学仿真软件进行仿真，输出最优粒子，该粒子输出的太阳能电池板数量、柴油发电机容量和蓄电池数量即为船舶电力系统的最佳容量配置。


2.根据权利要求1所述的一种考虑船舶横摇的新能源船舶电力系统容量优化方法，其特征在于，步骤(1)中所述建立四种模型的具体内容和方法是：
1)建立光伏系统输出模型的具体过程为：根据光伏发电系统输出功率PPV(t)受t时刻接收的太阳辐射度G(t)、光伏阵列面积APV、太阳能电池板最大转换效率ηPVmax、太阳电池板最大功率跟踪控制的转换效率ηMPPT、太阳能电池板正常运作时的温度以及实时温度TC-normal和TC因素影响，搭建船载光伏发电系统模型；
2)建立柴油机发电成本模型的具体过程为：将柴油发电机的成本模型近似为其输出功率Pd的二次函数，表示为其中a、b、c均为燃料系数；
3)建立储能系统充放电模型的具体过程为：将储能系统在t+1时刻的蓄电量表示为，t时刻储能系统蓄电量以及t时刻的蓄电变化量，变化量主要受t时刻柴油机以及光伏发电系统发电量和系统所需总负载影响；
4)建立船舶负载模型的具体过程为：根据船舶的航行数据，判断船舶航行时所处的不同工况，建立船舶航行时在不同工况下的负载变化模型。


3.根据权利要求1所述的一种考虑船舶横摇的新能源船舶电力系统容量优化方法，其特征在于，步骤(2)中所述修正的方法，具体内容和过程为：
首先将船舶航行时的极端条件作为分析基础，设置极端条件下的横摇周期和频率；其次将太阳能电池板受光面积Apv大小的变化等效为光照强度Eav大小的变化；然后将光照强度最大值Eavmax设置为太阳能电池板与水平面夹角为0°时的光照强度，从而...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜文刚，张子烨，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32