基于遺傳算法的超級(jí)電容RTG能量管理研究

，，

(上海海事大學(xué) 物流與科學(xué)工程研究院，上海 201306)

基于遺傳算法的超級(jí)電容RTG能量管理研究

劉曼，牛王強(qiáng)，吳杰

(上海海事大學(xué)物流與科學(xué)工程研究院，上海201306)

為提高超級(jí)電容混合動(dòng)力輪胎式集裝箱門(mén)式起重機(jī)(rubber typed gantry, RTG)系統(tǒng)的能量利用率和燃油的經(jīng)濟(jì)性，需要對(duì)混合動(dòng)力能量系統(tǒng)進(jìn)行有效的管理;提出了一種考慮系統(tǒng)能耗和非再生能量因素情況下，能分別確定混合動(dòng)力系統(tǒng)中柴油發(fā)電機(jī)組最優(yōu)輸出功率和超級(jí)電容器組的最優(yōu)輸出功率的優(yōu)化方法;建立了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)組和超級(jí)電容器組的數(shù)學(xué)模型;根據(jù)混合動(dòng)力RTG關(guān)鍵特性參數(shù)和負(fù)載需求值，得出了負(fù)載需求曲線圖;考慮發(fā)電機(jī)組燃油消耗的能量、來(lái)自電容器組的能量貢獻(xiàn)和產(chǎn)生的非再生能量，構(gòu)造了整體能耗的成本函數(shù);并引入遺傳算法(genetic algorithm, GA)進(jìn)行求解，最后進(jìn)行仿真和對(duì)比分析;結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的基于規(guī)則的控制策略相比，遺傳算法優(yōu)化后的能量管理系統(tǒng)，其能量消耗減少了35.9%。

輪胎式集裝箱門(mén)式起重機(jī)；混合動(dòng)力系統(tǒng)；能量管理；遺傳算法

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球船舶所排放的二氧化碳已經(jīng)達(dá)到11.2億噸，約占全球主要溫室氣體排放量的4.5%。有預(yù)測(cè)認(rèn)為，到2020年，全球航運(yùn)業(yè)將消耗4億噸燃油。溫室氣體的排放量將在目前基礎(chǔ)上增加75%。為海運(yùn)提供服務(wù)的港口亦是城市耗能大戶(hù)和排放溫室氣體大戶(hù)。港口已成為城市的污染源之一[1-2]。在我國(guó)加快轉(zhuǎn)變港口發(fā)展方式、構(gòu)建低碳交通運(yùn)輸體系過(guò)程中，建設(shè)綠色低碳港口，節(jié)能減排是必經(jīng)之途。

目前，我國(guó)港口裝卸設(shè)備主要是以柴油發(fā)電機(jī)組為主要的能量來(lái)源，為了降低傳統(tǒng)的大型柴油發(fā)電機(jī)組造成的燃料消耗和排放，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了超級(jí)電容器、飛輪和鋰電池作為功率緩沖器來(lái)減少柴油發(fā)電機(jī)組的規(guī)模大小[3]。其中，鋰電池的能量密度高，但是在大電流充放電時(shí)效率低，其電池壽命不長(zhǎng)，價(jià)格較貴。超級(jí)電容器的能量密度低，但功率密度高，并且在充放電過(guò)程中沒(méi)有任何電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，即能快速吸收和釋放能量，效率高，壽命長(zhǎng)。在電機(jī)加速運(yùn)行、峰值功率需求時(shí)間相對(duì)短時(shí)，超級(jí)電容器能提供短時(shí)間的峰值功率。而飛輪與超級(jí)電容器特性相似，但是其自放電率高[4-5]。不同于傳統(tǒng)的基于規(guī)則的控制策略[5-7]， 本文采用基于優(yōu)化的控制策略[4,8]，研究帶超級(jí)電容器的混合動(dòng)力RTG，考慮系統(tǒng)消耗和非再生能量因素，對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行建模及優(yōu)化，從而確定能量?jī)?yōu)化管理策略以提高系統(tǒng)能量利用率。

1 混合動(dòng)力RTG系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模

1.1 問(wèn)題描述

文中混合動(dòng)力RTG實(shí)物圖如圖1。RTG主要由大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)、小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和吊具機(jī)構(gòu)組成。主要功能是提升和下放集裝箱到指定位置[9]。

帶超級(jí)電容器混合動(dòng)力RTG的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2。RTG的起升機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為170 kW的負(fù)載電機(jī)。柴油發(fā)電機(jī)組與整流器連接通過(guò)給640 V的DC(直流)母排給負(fù)載電機(jī)供能。超級(jí)電容器組與雙向DC/DC變換器連接再并聯(lián)到DC母排，當(dāng)起升機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)負(fù)載上升時(shí)，250 kW的超級(jí)電容器組用來(lái)提供峰值功率，當(dāng)起升機(jī)構(gòu)下降時(shí)，超級(jí)電容器組吸收再生功率儲(chǔ)能。

圖1 輪胎吊起重機(jī)實(shí)物圖

圖2 混合動(dòng)力RTG系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 混合動(dòng)力的數(shù)學(xué)模型

1.2.1 混合動(dòng)力系統(tǒng)分析

首先考慮理想狀態(tài)下的混合動(dòng)力系統(tǒng)，此時(shí)系統(tǒng)功率的組成表示如由圖3所示。三者的關(guān)系滿(mǎn)足下式：

PC(t)=PE(t)-PL(t)

(1)

其中:PE(t)為柴油發(fā)電機(jī)組在t時(shí)刻提供的功率，PC(t)為超級(jí)電容器組在t提供的功率，PL(t)為在t時(shí)刻負(fù)載的需求功率。討論中負(fù)載功率分布PL(t)是已知的，PC(t)是系統(tǒng)返回到超級(jí)電容器組的功率或是超級(jí)電容器組給負(fù)載提供的功率，可正可負(fù)。

圖3 混合動(dòng)力系統(tǒng)功率組成分布

1.2.2 柴油發(fā)電機(jī)組

柴油發(fā)電機(jī)組作為混合動(dòng)力系統(tǒng)穩(wěn)定的能量來(lái)源，在給負(fù)載供能的同時(shí)有時(shí)也需要在超級(jí)電容器組存儲(chǔ)能量不足時(shí)給電容器組充電。在整體功率系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)組在配合電容器組供能的情況下使柴油發(fā)電機(jī)保持一個(gè)較低的燃料消耗率，就需要為其設(shè)定一個(gè)最優(yōu)的功率運(yùn)行范圍，而這取決于其最小功率和最大功率。發(fā)動(dòng)機(jī)組采用的是化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的供能方式，需要化學(xué)燃料來(lái)供應(yīng)。燃料消耗函數(shù)由發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的功率PE(t)等因素來(lái)決定。定義柴油發(fā)動(dòng)機(jī)組的燃料消耗函數(shù)為F(PE)，那么發(fā)電機(jī)組的效率為：

(2)

其中:F(PE(t))為發(fā)電機(jī)組的燃料消耗函數(shù)，F(xiàn)(t)為發(fā)電機(jī)組在t時(shí)刻燃料消耗值。η(PE(t))為發(fā)動(dòng)機(jī)組燃料消耗利用率，并由(2)式?jīng)Q定。

發(fā)電機(jī)組的耗能能量和整體燃料消耗為下式：

(3)

(4)

1.2.3 超級(jí)電容器組

文中采用超級(jí)電容器組作為儲(chǔ)能設(shè)備以提高系統(tǒng)的能量利用率和穩(wěn)定性。

當(dāng)起升集裝箱時(shí)，混合動(dòng)力系統(tǒng)處于饋電狀態(tài)，如圖4。此時(shí)發(fā)電機(jī)組和電容器組的總輸出功率大于負(fù)載功率，兩者共同驅(qū)動(dòng)負(fù)載電機(jī)。

圖4 系統(tǒng)饋電狀態(tài)

當(dāng)卸載集裝箱時(shí)，混合動(dòng)力系統(tǒng)處于再生制動(dòng)狀態(tài)，如圖5。此時(shí)集裝箱下降產(chǎn)生的勢(shì)能通過(guò)負(fù)載電機(jī)返回到電容器組，即電容器組回收再生功率儲(chǔ)能。

圖5 系統(tǒng)再生制動(dòng)狀態(tài)

當(dāng)電容器組的能量低于其設(shè)定的最小值時(shí)，混合動(dòng)力系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)，如圖6。發(fā)電機(jī)組需要給電容器組充電，使電容器組恢復(fù)到正常的供能水平。

圖6 系統(tǒng)待機(jī)狀態(tài)

當(dāng)系統(tǒng)處于饋電狀態(tài)時(shí)，即電容器組給系統(tǒng)供能，此時(shí)PC(t)lt;0；當(dāng)系統(tǒng)處于再生制動(dòng)狀態(tài)或待機(jī)狀態(tài)時(shí)，即系統(tǒng)給電容器組充電，此時(shí)PC(t)gt;0。不考慮電容器的損耗，電容器組提供的總能量為下式：

(5)

1.2.4 負(fù)載需求

混合動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)起升機(jī)構(gòu)的負(fù)載電機(jī)，裝卸的重物采用的是標(biāo)準(zhǔn)的40噸集裝箱。RTG的基本的裝卸流程如圖7。吊具抓好集裝箱起升重物，然后小車(chē)右移再卸載集裝箱到指定位置，卸載完成后吊具起升，然后小車(chē)左移再下降吊具到初始位置，等待再一次裝卸集裝箱。其中①→③過(guò)程中裝載有40 T負(fù)載的集裝箱，是滿(mǎn)載狀態(tài)，④→⑥過(guò)程中無(wú)集裝箱，是空載狀態(tài)[10]。在起升和卸載集裝箱的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，實(shí)際上集裝箱經(jīng)過(guò)勻加速、勻速和勻減速運(yùn)動(dòng)，在勻加速過(guò)程中，系統(tǒng)需要大功率來(lái)驅(qū)動(dòng)起升機(jī)構(gòu)，在勻減速工程中，產(chǎn)生大量的制動(dòng)功率需要存儲(chǔ)在電容器組中，起到功率的有效利用。RTG起重機(jī)的關(guān)鍵特性參數(shù)以及其負(fù)載需求分別見(jiàn)表1和表2[10]。只考慮穩(wěn)態(tài)過(guò)程，忽略加減速過(guò)程的情況下， RTG一個(gè)完整裝卸流程的負(fù)載需求曲線圖如圖8所示。

圖7 RTG典型的裝卸周期
(①起升 ②右移 ③下降 ④起升 ⑤左移 ⑥下降)

表1 RTG起重機(jī)的關(guān)鍵特性參數(shù)

表2 RTG負(fù)載需求

圖8 RTG負(fù)載需求曲線圖

2 問(wèn)題公式化

2.1 建立目標(biāo)函數(shù)

本文的研究目標(biāo)是在滿(mǎn)足混合動(dòng)力系統(tǒng)RTG運(yùn)行功率的前提下，考慮系統(tǒng)能耗和非再生能量因素，提高柴油發(fā)動(dòng)機(jī)組的燃油消耗利用率，同時(shí)減小非再生能量浪費(fèi)，使混合動(dòng)力RTG系統(tǒng)的燃料成本最優(yōu)化。因此，這是一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，其成本函數(shù)包含這幾項(xiàng)：發(fā)電機(jī)組燃油消耗的能量、來(lái)自電容器組的能量貢獻(xiàn)和產(chǎn)生的非再生能量(發(fā)電機(jī)組與電容器組的能量供應(yīng)總和與實(shí)際負(fù)載能量需求產(chǎn)生的差值)。故可以列出該多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)：

J=EICE+λ×ESC+γ×ENon-re

(6)

這是發(fā)電機(jī)組和電容器組的運(yùn)行規(guī)則函數(shù)。其中，EICE為發(fā)電機(jī)組燃油消耗的能量，ESC為電容器組產(chǎn)生的能量，ENon-re為非再生能量。λ和γ是常數(shù)權(quán)重，表示總體能量消耗在電容器組和非再生能量的比例分配。

2.1.1 柴油發(fā)電機(jī)組燃油消耗成本

典型的柴油發(fā)電機(jī)燃料消耗通常近似為與發(fā)電機(jī)功率相關(guān)的二次函數(shù)[11]。

(7)

(8)

2.1.2 超級(jí)電容器組能量消耗成本

根據(jù)系統(tǒng)處于饋電、再生制動(dòng)和待機(jī)這3種狀態(tài)時(shí)，相應(yīng)的超級(jí)電容器組在混合動(dòng)力RTG操作過(guò)程中分別需要給負(fù)載提供能量、吸收再生能量存儲(chǔ)和發(fā)動(dòng)機(jī)組給電容器組充電供能。因此結(jié)合公式(5)得

(9)

當(dāng)從柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料效率曲線來(lái)考慮損失時(shí)，超級(jí)電容器組的損失通常是可以忽略的。

2.1.3 非再生能量成本

公式(1)是理想狀態(tài)下，即在卸載集裝箱時(shí)產(chǎn)生的再生能量完全被超級(jí)電容器組吸收，無(wú)非再生能量。但是在實(shí)際操作過(guò)程中，電容器組吸收的能量是有限的，因?yàn)檎w系統(tǒng)能耗，非再生能量依舊會(huì)產(chǎn)生。為了減少非再生能量的產(chǎn)生，考慮發(fā)電機(jī)組與電容器組整體的能量供應(yīng)和負(fù)載需求間的差值，得出的非再生能量成本函數(shù)如下：

(10)

2.2 目標(biāo)函數(shù)的約束條件

2) 電容器組的約束：根據(jù)工廠提供的超級(jí)電容器操作手冊(cè)，為了維持超級(jí)電容器的壽命，因此可允許的充放電率范圍為-PChmax≤PC(k)≤PDChmax，其中PChmax和PDChmax分別是允許的最大充電和放電功率。

3) 負(fù)載功率需求約束：要確保混合動(dòng)力RTG系統(tǒng)能滿(mǎn)足負(fù)載的功率需求，因此PE(k)+PC(k)≥Pd(k)。

3 優(yōu)化求解算法

在混合動(dòng)力RTG中，電容器組的最初參數(shù)未知，這樣混合動(dòng)力系統(tǒng)的初始狀態(tài)并不是確定的，因此本文采用的是遺傳算法(GA)來(lái)解決具有多約束條件的非線性?xún)?yōu)化問(wèn)題。利用MATLAB自帶的遺傳算法工具箱，能夠比較容易得出優(yōu)化結(jié)果。

遺傳算法是由美國(guó)Michigan大學(xué)的Holland教授于1969年提出，后來(lái)又經(jīng)De Jong 、Goldberg等人歸納總結(jié)所形成的一類(lèi)模擬進(jìn)化算法，其本質(zhì)是一種高效、并行、全局搜索的方法，它能在搜索過(guò)程中自動(dòng)獲取和積累有關(guān)搜索空間的知識(shí)，并自適應(yīng)地控制搜索過(guò)程以求得最優(yōu)解[12]。

4 仿真實(shí)驗(yàn)與比較

4.1 系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置

4.2 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

混合動(dòng)力RTG負(fù)載需求曲線圖如圖8，整個(gè)裝卸操作周期為160 s，本文根據(jù)各操作時(shí)間分布，均勻選取40個(gè)采樣點(diǎn)，代表RTG的發(fā)電機(jī)組和電容器組分別在運(yùn)行過(guò)程中這40個(gè)時(shí)刻的輸出功率，因此總共有80個(gè)變量，采用遺傳算法利用優(yōu)化工具箱進(jìn)行計(jì)算，最終的出在最優(yōu)情況下每個(gè)時(shí)刻點(diǎn)發(fā)電機(jī)組和電容器組各自的輸出功率情況分別如圖9和圖10。

圖9 采樣點(diǎn)優(yōu)化后發(fā)電機(jī)組輸出功率圖

圖10 采樣點(diǎn)優(yōu)化后電容器組的輸出功率圖

分別提取圖中發(fā)電機(jī)組和電容器組的數(shù)據(jù)重新進(jìn)行處理。因?yàn)槭遣蓸訒r(shí)間間隔為4 s的均勻采樣，所以很方便進(jìn)行擬合得出相對(duì)平滑的曲線。因此可以得出系統(tǒng)最優(yōu)情況下每個(gè)時(shí)段發(fā)動(dòng)機(jī)組和電容器組的功率輸出曲線分布，并與RTG的負(fù)載需求進(jìn)行比較，如圖11所示。

圖11 混合動(dòng)力系統(tǒng)最優(yōu)功率曲線圖

從圖11比較負(fù)載需求可以得出以下結(jié)論。在0～40 s運(yùn)行階段，RTG起升機(jī)構(gòu)提箱過(guò)程中，起升的瞬間是由電容器組提供瞬時(shí)功率，發(fā)電機(jī)組則不斷提高輸出功率，電容器組存儲(chǔ)的能量不斷下降輸出功率也逐漸減小。在41～60 s運(yùn)行階段，集裝箱開(kāi)始右移，需要的負(fù)載功率只有25 kW，因此發(fā)電機(jī)組和電容器組提供很小的輸出功率。在61～100 s運(yùn)行階段，RTG開(kāi)始卸載集裝箱，在下降過(guò)程中，電容器組開(kāi)始不斷回收再生能量，因此輸出功率值為負(fù)值。因?yàn)檎w系統(tǒng)有損耗，勢(shì)能并不能完全轉(zhuǎn)化成能量存儲(chǔ)在電容器組中，電容器組最高只能存儲(chǔ)100 kW的功率，而發(fā)電機(jī)組以最低的輸出功率持續(xù)運(yùn)行。在101～120 s運(yùn)行階段，起升機(jī)構(gòu)空載上升，電容器組在這一階段前期提供較大的輸出功率然后不斷下降，而發(fā)電機(jī)組不斷提高輸出功率。在121～140 s運(yùn)行階段，吊具開(kāi)始左移，所需的負(fù)載功率僅有10 kW，因此發(fā)電機(jī)組提供其最小的輸出功率，而電容器組的輸出功率很低幾乎為零。在最后141～160 s運(yùn)行階段，吊具下降，發(fā)電機(jī)組的輸出功率不斷上升，而電容器組的輸出功率有一定的上升但整體功率依然很小。

4.3 與傳統(tǒng)控制方法實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

傳統(tǒng)的RTG控制規(guī)則一般采用的是PID控制策略，在文章[12]中很好的體現(xiàn)了采用規(guī)則控制的混合動(dòng)力RTG的運(yùn)行情況。

文章[5]中采用的是與超級(jí)電容特性相似的飛輪機(jī)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12。這表明在混合動(dòng)力RTG在起升階段，起初飛輪需提供較大的瞬時(shí)功率，釋放存儲(chǔ)的能量后功率不斷下降，下降到一定值時(shí)趨于穩(wěn)定并平穩(wěn)運(yùn)行，最后又迅速下降為零。

而發(fā)電機(jī)的輸出功率則是不斷提高，達(dá)到一定值后趨于穩(wěn)定并平穩(wěn)運(yùn)行，最后又快速提升至起升所需的負(fù)載功率。本文系統(tǒng)的起升階段與這種變化情況很相似，只是本文中發(fā)電機(jī)組和電容器組沒(méi)有較長(zhǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，其他變化趨勢(shì)是一樣的。這說(shuō)明RTG起升階段中，優(yōu)化算法下各部分功率曲線與傳統(tǒng)的控制算法下的趨勢(shì)相近。

圖12 帶飛輪的混合動(dòng)力RTG負(fù)載起升階段功率曲線圖[12]

由仿真得出的最優(yōu)功率曲線圖結(jié)合公式(6)～(10)，再將系統(tǒng)的參數(shù)帶入可計(jì)算得出系統(tǒng)在一個(gè)典型的操作周期中能量消耗為4616800J 。根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用中上海某港口采用傳統(tǒng)規(guī)則控制算法的超級(jí)電容器混合動(dòng)力RTG操作所得的數(shù)據(jù)，發(fā)電機(jī)組在一個(gè)40 T重箱的裝卸周期的能量消耗為2 kwh(7200000J)，故采用優(yōu)化后系統(tǒng)能量相比傳統(tǒng)規(guī)則控制的混合動(dòng)力RTG系統(tǒng)，能耗減少35.9%。

5 結(jié)論

為了使柴油發(fā)動(dòng)機(jī)組的燃油消耗利用率有所提高，最大限度地減少功率浪費(fèi)，本文根據(jù)帶超級(jí)電容器的混合動(dòng)力RTG的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立數(shù)學(xué)模型從而得到以燃料成本為最優(yōu)的目標(biāo)函數(shù)，并采用遺傳算法對(duì)該目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，最終得到混合動(dòng)力RTG的每個(gè)不同的負(fù)載階段中的最優(yōu)值，從而分別得出在最優(yōu)值的情況下采樣時(shí)刻的發(fā)電機(jī)組和電容器組的最優(yōu)輸出功率。同時(shí)與傳統(tǒng)的混合動(dòng)力RTG系統(tǒng)進(jìn)行比較，RTG起升階段中優(yōu)化算法下的各部分功率曲線與其趨勢(shì)相近，但是相比傳統(tǒng)規(guī)則控制下的實(shí)際工程應(yīng)用能耗減小了35.9%。

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OptimalEnergyManagementofRTGwithSuper-capacitorsBasedonGeneticAlgorithm

Liu Man, Niu Wangqiang, Wu Jie

(Ministerial Key Laboratory of Marine Technology and Control Engineering, Shanghai Maritime Univ,Shanghai 201306, China)

In order to improve the energy utilization and fuel economy of the hybrid RTG(Rubber Typed Gantry) system with super-capacitor, it is necessary to manage the hybrid energy system effectively. An optimization method is proposed for the optimal output power of the diesel generator sets and the super-capacitor banks in the hybrid system, considering the energy consumption and non-regenerative energy factor of the system. The mathematical models of diesel engine sets and super capacitor banks are established. The load demand curve is obtained by calculating the key characteristic parameters and load demand value of hybrid RTG. Considering the energy consumed by the generator sets, the energy contribution from the super-capacitor banks and the non-regenerative energy generated, the cost function of the whole energy consumption is constructed. And the genetic algorithm (GA) is introduced to solve the problem. Finally, the simulation and comparative analysis are carried out. The results show that the energy consumption of the optimized energy management system is reduced by 35.9%, comparing with the traditional rule-based control strategy.

RTG; hybrid power system; energy management; genetic algorithm

2017-03-14；

2017-03-31。

上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃(13dz1202800)。

劉 曼(1994-)，女，湖北漢川人，碩士研究生，主要從事檢測(cè)技術(shù)及自動(dòng)化裝置方向的研究。

牛王強(qiáng)(1977-)，男，陜西大荔人，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事混合動(dòng)力船舶和港機(jī)電控技術(shù)、無(wú)線電能傳輸技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2017)09-0182-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.09.047

TP391.9

B