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具有高辅助功率可用性的短船混合动力拓扑
Antti Ritaria, *, Janne Huotaria, Jukka Halmeb, Kari Tammi
芬兰埃斯波阿尔托大学机械工程系工程学院电气工程学士学位芬兰埃斯波阿尔托大学电气工程与自动化系
文章历史：收到日期：2019年6月30日收到修订表2019年10月4日收到日期：2019年10月13日在线提供日期：2019年10月16日关键词：混合动力船能效储能电池混合整数线性规划优化
ABSTRACT研究了一种柴油机短海机械船蓄电池系统。假设电池的主要优点来自于除去推进器产生的功率峰值，而不是启动额外的发电机组以满足电力需求，另外还包括更换柴油机作为备用电源。为了支持分析，获得了在波罗的海运行的滚/滚客渡轮的辅助发动机功率输出数据集。电池系统的所需容量是通过考虑电源可用性要求和电池性能恶化的安全裕度得出的。提出了一种多周期混合整数线性规划模型，推导出一种全局最优的辅助发动机和蓄电池的功率管理策略，以使电池安装总成本最小化。由于提高了辅助发动机的效率，发现电池系统每年减少燃料消耗257.5吨。此外，在十年投资期内，电池系统总成本优势从-V0.61到V2.82百万不等，这取决于建模中使用的燃料油和电池系统成本。通过算例分析，得出了混合电力拓扑在经济上可行的结论。
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正文
- 介绍
由于人类活动排放的温室气体，地球气候的平均温度不断升高，朝着绿色航运方向发展的压力不断加大。全球海事规则制定机构国际海事组织（IMO）制定了一项减少航运部门排放的战略。这包括到2050年将二氧化碳排放量比2008年减少至少50%的目标[1]。此外，国际海事组织还制定了一个目标，即从2020年起，将全球燃料油中的硫含量限制在0.5%[2]。在波罗的海等排放控制区，硫含量已被限制在0.1%的更低水平。
近年来，电池已成为船舶节能减排的一种可行选择。例如，Bouman等人。[3] 估计混合推进系统的二氧化碳排放减少潜力为2-45%。彭博新能源财经[4]报道称，2010年至2018年，锂离子电池组加权平均价格下降85%。能源密度也有类似的积极趋势，从2008年到2014年，能源密度增长了150%[5]。随着这些趋势预计将继续下去，经济上可行的船用电池应用将加速出现。
有了储能装置，发动机的总输出功率不再需要等于每一时刻所需的功率，瞬时能量的产生就与消耗脱钩。大多数船舶的发电系统由多台额定功率不同的柴油发电机组成。因此，动力需求可以由发动机及其负载以及电池的不同组合提供。因此，要实现系统设定的目标，如燃油消耗、二氧化碳排放或操作成本最小化，应采用哪种充放电循环成为挑战。
更具体地说，电池提高能源效率和减少船舶有害排放的机制包括：
1、将柴油机工作点移近峰值效率
2、在无法接通岸电的情况下为港口提供电力，从而消除柴油机的排放
3、以次优运行的发电机组作为备用电源
4、提供推进器引起的功率需求峰值，否则需要启动另一台发动机
5、新船发动机装机容量下降
列表中的第三个用例可能为频繁访问港口并在沿海地区和群岛上运行的船舶提供最大的好处。这些船舶在低负荷下运行辅助发动机，以确保快速推进电动马达的动力可用性。这种安全特性的成本是低负荷运行的低效率和高燃油消耗。船用柴油机的最高效率一般在85%负荷时，当负荷偏离此点并开始在50%负荷以下呈指数递减时，效率降低。例如，与文献[6]中报道的发电机组的85%相比，25%负荷下的燃油消耗率高出14.4%。图1示出了从一个滚/滚客渡船（滚装客船）的单个运行周期的辅助发动机载荷的直方图。荷载分布为双峰分布，最常见的测量值出现在30%到40%之间的低荷载区域。同样低于50%的辅助发动机负载被发现是巡航渡轮最频繁的7。因此，混合能源系统能够使发动机在更高的效率、更接近设计点的情况下运行，这对提高能源效率和降低燃油消耗的潜力是显而易见的。Pyrh Euronen等人。
[8] 研究了某群岛内燃电动游轮安装蓄电池的可行性。与柴油机相比，电池的好处被认为来自功率平衡、备用功率使用和更快的响应。船舶能源系统以捕捉系统动态为核心，而电力管理策略则是基于规则的。经济上最有吸引力的选择是1.5兆瓦时容量的电池，回收期为6年。Mohammadzadeh等人.
在混合动力船舶的最优功率管理背景下。[9] 比较了两种机器学习算法对带电池的柴油机-电力船运行剖面的预测。然后，利用混合整数线性规划法计算出一个最优的功率管理策略。结果表明，使用电池和优化的电源管理可以显著降低20%的燃油消耗。Vu等人。[10] 研究了电动拖轮柴油发电机与蓄电池的最佳功率分配。目标函数是最小化包含的燃油消耗量，以及电池SoC（充电状态）变化和供电功率与所需功率之间偏差的附加惩罚项。最近，Jaurola等人。[11] 提出了一种用于船舶混合动力系统设计的优化工具，用于船舶设计过程的早期阶段。然而，与传统的柴油机机械推进相比，采用混合动力系统的渔船的燃油消耗优势很小。
Dedes[12]对远洋船舶混合系统的可行性进行了广泛的分析，重点是散货船。预期的燃油节约效益来自于瞬时负载的最小化和负载均衡。这项工作需要开发一个船舶航行模拟器，包括详细的组件模型。燃油节省率在0.30%到7.23%之间。
上述文献没有涉及将电池包括在柴油机机械推进系统的辅助系统中，在连续的高功率可用性安全要求下运行的可行性。本研究提供下列问题的答案，对文献有所贡献：？如何选择电池系统的化学成分、容量和额定功率？如何管理蓄电池与辅机之间的功率分配？电池系统的经济可行性如何？这项工作利用了从波罗的海一艘货船的自动化系统中获得的测量数据。该数据集包含每一辅助发动机的功率输出和燃料消耗率，以1分钟采样率。这为计算船舶能源系统模型发动机的实际燃油消耗率（SFOC）曲线提供了机会。
图1、典型运行周期中RoPAX船辅助发动机载荷的直方图
2、方法
前面提出的问题公式需要一个优化模型来解决复杂的电池和辅助发动机网络功率管理问题。在三级能源系统优化框架[13]中，该问题可分为运行级问题。另一方面，设计级别涵盖组件大小。虽然辅助发动机的尺寸是固定的，电池容量是设计水平的决定，并且可以由优化模型中的决策变量来表示。在这项工作中，合成水平超出了范围，这大大降低了模型的复杂度。
可用于操作和设计优化的模型类型从快速可靠的线性模型到需要高级求解算法的复杂非凸非线性模型。一般来说，与非线性模型相比，包括线性模型在内的凸模型具有快速求解时间和收敛到全局最优的优点。另一方面，非线性关系必须近似于线性模型，这可能降低结果的有用性〔14〕。
混合动力系统的负荷分配优化问题需要多周期建模。在这种方法中，系统被分成一系列静态模型，每个静态模型代表电力需求输入数据中单个点的系统功率平衡。各静态图1的时间步持续时间。在典型运行周期中RoPAX船的辅助发动机载荷的直方图。A、 Ritari等人。/能量190（2020）1 16359 2模型是通过将时间范围除以建立静态模型的时间步数来确定的。随后的静态模型通过动态约束连接起来，动态约束是由蓄电池充电状态变化和发动机开/关状态变化引起的。因此，变量和约束的数量增长得非常大。
船用柴油机或燃气机SFOC与负荷之间是非线性关系。这种关系取决于发动机类型、磨损、调谐和其他因素。船用柴油机的最高效率通常是在85%的负荷下实现的。在50%以上的负荷下，效率曲线几乎是平坦的，但在较低的负荷下，效率曲线开始呈指数衰减。
目标函数中的非线性发动机效率可以表示为一个具有连续变量的凸二次模型，这可以用最新的凸规划算法直接求解[15]。
然而，在船舶能量系统中，需要用二元变量来控制发动机的开/关状态，这就产生了非凸混合整数二次规划（MIQP）。MIQP最新解算器的性能仍然缺乏mixedinger线性规划（MILP）解算器的性能，以至于二次公式在这里被确定为不可行[15]。该问题需要一个具有二进制决策变量的多周期模型来实现单个发动机的开关。这表明MILP是本研究中混合系统优化最可行的模型类型[15]，它可以相对快速且稳健地求解成千上万个决策变量。最先进的MILP解算器（如GUROBI和CPLEX）的最新发展使得用比几年前更多的决策变量来解决更复杂的问题成为可能。
2.1辅助发动机网络模式
船舶辅机是柴油发电机驱动发电机，向交流系统电网产生交流电能。交流电网频率保持恒定在50或60赫兹，要求发动机转速也保持恒定[16]。连接到同一电网的两个或多个辅助发动机同步。在并联运行中，发动机负载均衡，因为这样可以确保所有连接的发动机无论其额定功率如何，负载瞬态中的发动机转速变化都是相等的。
在优化模型中，负载可以用一个从0到1的值来表示。负载，作为最大百分比，对于所有连接的发动机是相同的。因此，发动机的功率输出是负载x乘以该发动机的额定功率。发动机燃油消耗量随负荷变化的线性表示为：
其中x是间隔[0,1]内的连续变量，表示0%到100%之间的负载，y是指示发动机是否打开或关闭的二进制变量。当发动机负载为零时，燃油流量也应为零。约束（2）处理这个功能，当x为0时，让y等于0，当x大于0时，强制y等于1。参数A和A0是方程式（1）中直线的截距和斜率，M是额定功率。
发动机负荷间隔可以划分为任意数量的区域，每个区域都有自己的燃料流量线性方程。这种方法使燃料消耗和负荷之间的非线性关系近似。给定L个区域，燃油消耗量由
其中，变量和参数（M除外）现在在集合{1,2，hellip;，L}上建立索引。这种分段线性公式要求约束（4）防止两个或多个区域同时变为活动区域。K个发动机的组合燃油流量可以直接公式化，因为所有在线发动机的负荷xl相同，如前所述：
通过扩展等式（5）中I个时间步长和J个工作模式的总和项，一次旅程的燃油总成本变成
其中c是燃油成本和Tiis步长。工作模式只是在线发动机的组合，j代表索引，j代表工作模式的总数。发动机负载变量xi,j,l也被索引在j之上。特定能量系统的工作模式集合定义在参数Mj,k.中
2.2 电池型号
目前市场上可用于移动机器的锂基化学物质有linicoal02（NCA）、LiNiMnCoO2（NMC）、LiMn2O4（LMO）、Li2TiO3（LTO）和LiFePO4（LFP）[17]。这些化学物质在成本、寿命、比能量、比功率、安全性和热性能之间提供不同的权衡。NCA具有高的多维性能，但容易发生热失控。同样，从安全角度来看，LMO也是一个挑战。另一方面，LTO和LFP化学制品具有较低的热失控风险，但成本高，比能量弱。对于混合动力船舶，NMC可以在六个维度之间实现合理的平衡。具体来说，NMC提供了高比能量和能量密度，这在空间有限的船舶上是很重要的，而功率输出足以满足推进器诱导的峰值。在优化模型中，假定C-速率为4的NMC化学。
表征锂离子电池性能的关键因素是开路电压（OCV）、速率相关容量、温度效应和老化效应[18]。接下来，讨论所有这四个因素。OCV是在没有充放电的情况下，阳极和阴极之间形成的电压。OCV随SoC的变化显著。根据简化的等效电路模型（图2），电池功率输出为
其中R为内阻，VOC（SoC）为开路电压。对于单个NMC单元，VOC范围是从3.44 V到4.20 V〔19〕，这对应于在100%和0% SOC之间的最大功率输出的18%减小，假设最大电流保持常量[20 ]。为了解释这种下降，在优化模型中包括线性约束，限制基于SOC的最大充电和放电速率。
速率相关容量意味着增加放电电流会降低总容量。即使从简化的电路等效模型来看，这一点也很明显，其中内阻引起的功率损耗随放电电流的平方而增大。然而，在这项工作中，由于锂离子电池的容量与放电曲线之间的关系被观察到非常小，因此在建模中，速率相关容量被认为超出了范围[19]。温度影响最大充电和放电速率以及容量（18）。
一般来说，内阻随着温度的升高而减小。当温度降至以下时，电池性能开始呈指数级下降？10个？C[19]。建议的船舶蓄电池系统安装不受船舶外部气候条件的影响，这里假设由足够的热管理系统控制。
电池老化作为负荷曲线的一个函数，可以通过在目标函数中包含一个惩罚项来建模，以说明老化过程[20]。在本研究中，通过对单位装机容量的电池成本应用1.25的比例因子，将老化考虑在内，该比例因子在电池的整个寿命期内使电池容量减少20%，同时保持模型公式中隐含的性能[21]。
2.3 海岸连接基础设施
港口的电力来自中压配电网，在芬兰，中压配电网的电压为10千伏，频率为50赫兹[22]。高压岸电连接（HVSC）能将电力通过一根电缆从岸电传输到船电，而低压岸电连接（LVSC）需要复杂的电缆管理系统，最多可连接14根电缆。2.5e6.5兆瓦的额定功率是为RoPax船舶提供HVSC的港口的标准功率[23]。在本工作中，假设在可使用岸线连接的情况下，采用标准IEC/IEEE 80005中描述的2.5mw、11kv/50hz的HVSC系统。
利用岸边供电需要接口设备、控制和监控系统以及船上的变压器，用于将1 kV海岸电压降到辅助网络的660 V。船舶采用50和60hz两种频率网络，当岸电频率与船舶不同时，需要一台变频器。然而，由于船岸连接部件的一次性特性，与电池系统的固定投资期限相比，其投资不包括在优化模型中。
2.4模型制定
一般优化问题现在可以表述如下：
要最小化的目标函数（8）是电
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