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电力驱动船舶电网能量管理系统研究

摘要

近年来，航运业的快速发展导致了大量能源消耗，这对环境造成了严重的影响，因

此迫切需要采取措施来提高效率、实现节能减排。在这一背景下，推广先进技术对于增

进船舶运营效能和达成能源节约、减少排放的目标至关重要。其中，建设电网驱动新能

源造船是航运业实现节能减排和改善造船作业效能的重要路径。电力推进舰船可以大幅

减少对化石燃料的依赖，降低碳排放和其他污染物的排放，有助于保护海洋环境和减缓

气候变化。其次，电力推进舰船的动力系统更加灵活，可实现快速启动和停止，提高船

舶的操纵性和响应速度。本文以船舶电网能量管理为主要研究内容，针对实现能量管理

的关键技术，即供需功率的平衡控制、船舶电网稳定性控制等展开深入研究。

首先，对电力驱动船舶电网的结构组成和功能原理进行论述分析。根据船舶电网功

能的不同，将系统分为五个组成部分，分别为发电机组、电动推进装置、PWM变换装

置、等效负载和储能装置。根据各个子模块的功能特性，依次建立相应部分的数学模型。

对船舶能源利用效率的提升、船舶系统性能优化和有效管理船舶电网中能量流动的问题

进行研究。分析了船舶电网的各项系统性能指标，并兼顾优化配置的需求，构建了能量

管理控制架构。

然后，深入研究了船舶电网功率平衡控制方法，建立了能量管理体系并设计了功率

平衡控制方案，改进了优化算法。即建立了功率平衡控制的目标函数，并将模型预测控

制与智能优化算法相结合。针对此，本文提出了基于改进的小规模微型粒子群优化算法，

并引入了粒子重新生成的判断条件，用判断粒子进入族群条件形成的比较过程，模拟负

载连续变化过程，从而进一步改进算法性能。仿真分析结果验证了功率平衡控制方法的

可行性和适用性。

最后，对船舶电网阻抗稳定性判据进行研究，针对负载需求功率降低时，电网内部

能量流动的方向不定性问题，提出了针对阻抗特性的端口分类方法。同时结合奈氏判据，

作为后续稳定性控制研究的理论基础。对相应子系统进行特性阻抗提取，利用推导方法

求解传统下垂控制下的阻抗特性。针对传统下垂控制作用下，系统动态响应慢，母线电

V-I

压恢复能力有限的问题，提出一种改进的下垂电压控制方法。通过对阻抗特性曲线

仿真分析，对控制器进行了参数优化设定，仿真实验分析验证了所提方法的适用性。

关键词：船舶电网；中压直流；能量管理；功率平衡；稳定性控制

电力驱动船舶电网能量管理系统研究

ABSTRACT

Inrecentyears,therapiddevelopmentoftheshippingindustryhasledtoalargeamount

ofenergyconsumption,whichhashadaseriousimpactontheenvironment,sothereisan

urgentneedtotakemeasurestoimproveefficiency,energyconservationandemission

reduction.Inthiscontext,thepromotionofadvancedtechnologiesisessentialtoimprovethe

operationalefficiencyofshipsandachievethegoalsofenergyconservationandemission

reduction.Amongthem,theconstructionofpowergrid-drivennewenergyshipbuildingisan

importantpathfortheshippingindustrytoachieveenergyconservationandemission

reductionandimprovetheefficiencyofshipbuildingoperations.Elec