考慮新能源的極地物探船動力系統優化分析

衛 衛，孫 蕾，金甚達

(1.中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011；2.上海交通大學，上海 200240)

0 引 言

根據世界上諸多大國，如美國，俄羅斯等對北極地區的勘測調查，得出了北極地區的石油與天然氣資源十分豐富，約有世界上尚未探明資源的四分之一[1]。除此之外，極地地區還蘊含著許多其他的礦物以及漁業稀有資源。物探船是一種調查船，主要用于海洋地球物理勘探，分為海洋調查船、科學考察船、水文測量船、工程勘查船等。不同類型的物探船采用不同的物探方法。極地物探船上裝備了許多精密專業的勘測設備與儀器，可以獨立完成復雜困難的海域開發勘測與數據采集的任務。

電力系統是船舶的重要組成部分，是船舶實現安全航行和可靠運行功能的必要保證[2]。但是，無論是極地地區的地理位置還是其自然生態環境，都是十分惡劣的，對于極地物探船的運行以及設備操作人員，緊急維護人員等都十分不利。這就要求極地物探船上的電力系統設備與運行能夠承受住極地的惡劣環境同時保證其運行的穩定性與可靠性，防止電力系統發生故障損壞等問題導致極地物探船工作出現問題。所以，極地物探船必須配備一套可靠性高并且操作性強的電力系統設備，同時考慮成本、環境、可靠性等因素，有利于保證極地物探船連續不間斷的工作運行，同時節約造船成本以及對保護極地環境做出一些貢獻。

目前，國內外關于極地物探船動力系統最優配置的研究相對較少，也沒有關于向極地物探船增添新能源可行性的研究。由于極地環境十分惡劣，極地航行氣象條件和海況極為惡劣，涉及海冰、低溫、風雪、海霧等，這些因素不僅會影響新能源的發電效果，更會影響新能源裝置設備的安全，導致有些新能源會無法在極地環境中使用。所以，必須對在極地物探船上加入新能源的可行性進行分析，并通過實例論證加入新能源后，船舶動力系統得到了可靠性與經濟性的雙重優化。

國內外船舶的研究者以及電力能源的研究者對于船舶動力系統的新能源應用，物探船的發展以及極地物探船的關鍵技術已經開展了大量的研究工作。有的學者對新能源在船舶上的應用進行研究，文獻[3 - 4]針對船舶動力系統中應用清潔能源的關鍵技術和優化方案進行分析研究，結合了燃料電池、鋰離子電池、超級電容和柴油發電機等新能源，提出了混合動力系統優化配置方法從而提高船舶整體能放水平。文獻[5]針對應用于船舶的風力發電系統進行了研究，分析了風力發電原理以及其工作特點，討論其在船舶上應用的可能性。有的學者對物探船的發展與特點進行研究，文獻[6 - 7]在整體上分析了物探船的關鍵技術和主要特點，分析了物探船在總布置、性能指標、諧波控制、水下噪聲等方面的技術難點。文獻[8 - 10]研究了物探船幾種動力系統推進方式的特點，包括混合動力推進系統與電力推進系統，說明了物探船對動力系統的要求以及各種動力系統的技術優點。文獻[11 - 13]給出了物探船的典型實例“海洋石油”760號分析，并且提出物探船動力系統的配置與優化方案，給出了物探船的部分參數指標。有的學者對極地環境的物探船進行了研究，文獻[14 - 17]對極地物探船的發展和未來的研究趨勢進行了研究分析，為以后的極地物探船的科研工作指明了方向。但是，針對極地物探船上利用新能源的研究還比較少。

本文首先對極地物探船上新能源利用進行研究，分析了極地中惡劣的氣象環境對新能源使用的影響，討論新能源在極地環境中應用的可行性。最后利用NSGA-II遺傳算法，分析在船舶動力系統的電力推進模式中加入光伏發電的優勢。在船舶動力系統中加入新能源，有利于減少船舶動力系統推進成本，減少碳的排放量并且提高了船舶運行的可靠性，使得這一套電力系統更加符合極地物探船對電力系統的要求，大大提高對極地地區資源的開發與利用。

1 極地環境對新能源的影響

1.1 極地環境對風力發電的影響

1）極地的低溫環境會對風機的機葉裝置產生嚴重影響。在極地的超低溫環境下，風機的風扇葉片 會結晶，導致粗糙度增大，葉片翼型的氣動性能隨之降低。同時，由于低溫環境的影響，原本風扇驅動系統中的一些部件可以承受的沖擊載荷變得無法承受，可能會發生脆性斷裂的情況。因此，在風速過高、溫度過低時，風機設備難以進行高載荷的工作運行。

2）極地的低溫對風機上不同種類的零部件具有較大影響，許多風機當中的金屬零件會由于負荷形式不同產生不同的問題。例如，傳動系統中的齒輪箱和主軸承受沖擊載荷后發生低溫脆性斷裂的問題。因此，需要提高材料和構件的多重抗沖擊性能，這會大大增加風機的制造成本與難度。

3）風機材料的化學成分，晶粒尺寸等重要因素都要考慮極地環境下低溫的影響，可能會導致風機的沖擊韌性降低以及影響風機的冷脆轉變溫度等。

通過上述影響的分析可得結論，由于風機設備不適應極地的各種惡劣環境，所以暫時不考慮將風力發電設備作為主要新型能源加入極地船舶的動力系統中來提供發電動力。

1.2 極地環境對光伏能源的影響

光伏電池的輸出功率大小主要受到光照強度和溫度的影響，當光照強度一定時，光伏電池組件的開路電壓，短路電流與環境溫度都有一定的關系。

相比于風機，光伏發電系統則更加適用于極地的低溫環境，因為低溫環境不僅不會對光伏電池產生負面影響，隨著溫度的降低，光伏電池的最大輸出功率會略有增加，更適合在極地環境中應用。同時發現，在光強和溫度不變的情況下，光伏電池總是有一個最大輸出功率點，這就要求光伏發電系統具有跟蹤最大功率點的能力，以提高發電效率。在這種低溫情況下的光伏發電系統甚至比正常地區溫度下的發電效率要高，同時由于光伏能源為新能源，光伏系統的安裝對于極地物探船的可靠性、環保性以及發電成本等都是有利的。

但是，極地環境對光伏發電系統也有一定的硬性要求，比如選擇的光伏板需要體積小、重量輕、安裝方便等特點來克服極地環境中設備安裝遇到的問題；選用的光伏板要求交聯度高，粘接強度高，表面鋼化玻璃透光率高，強度高，才可用于極地科研應對極地的惡劣環境。考慮到供電系統對負載的需求，需要一定的額定功率才可以有效提高負載的續航能力，需要可以采用MPPT的最大功率追蹤技術達到這一功率。

因為光伏發電與極地的低溫環境較為適合，所以可以嘗試將光伏發電系統加入極地物探船的動力系統中，作為電力推進系統中的二級或者備用供電的發電設備。

2 基于遺傳算法的船舶動力系統優化

2.1 遺傳控制算法原理

遺傳算法（Genetic Algorithm，GA）最早由美國的John holland于20世紀70年代提出，該算法是根據大自然中生物體進化規律而設計提出，是模擬達爾文生物進化論的自然選擇和遺傳學機理的生物進化過程的計算模型，是一種通過模擬自然進化過程搜索最優解的方法。

目前，在解決多目標優化這樣的實際問題中，多考慮Pareto最優解集，而非支配排序遺傳算法（Nondominated Sorting Genetic Algorithm, NSGA-II）是最常用的算法之一, 它比一代的NSGA算法的改進之處在于，采用了快速的非支配排序方法，將算法的時間復雜度降為O（MN2），且在NSGA-II中使用了排擠算法和精英策略來代替共享函數算法，保留了種群中個體多樣性。

2.2 船舶電力推進動力系統的優化模型

將光伏系統作為主要的新能源加入極地物探船的動力系統中，并對加入新能源的極地物探船動力系統進行遺傳算法的優化計算，觀察新能源加入后對極地物探船動力系統各方面的影響。

2.2.1 優化模型目標函數[18]

首先考慮極地環境中的惡劣氣候條件對船舶電力系統的穩定性與可靠性的影響，針對電網受擾動恢復到平衡的過程，本文提出了彈性系數這個概念[18]。在借鑒國內外學者對彈性指標的量化方法后，可得彈性系數就是指電網或者電力系統受到擾動后從故障狀態恢復到平衡狀態的一種能力。圖1為電網受到擾動故障后恢復到平衡的一個過程圖。t0時刻為系統初始狀態，ti時刻為系統開始受到擾動，td時刻擾動結束，系統進入故障狀態，tr時刻系統開始逐步恢復，tf時刻系統恢復到穩定狀態。

彈性系數為實際恢復功率不平衡程度與總損失功率不平衡程度之比。將彈性系數的表達式作為極地物探船電力系統的可靠性目標函數，如下式：

同時，需要考慮極地物探船電力系統的經濟性。為此可以以最小成本為目標建立一個目標函數來反映電力系統優化的經濟效益。它由傳統發電機組的發電成本和光伏電源組成，本文為光伏電源的發電成本等組成，如下式：

同時，考慮極地物探船電力系統的環保性，可以以污染排放物為目標建立一個目標函數來反映電力系統優化的環保性。由于光伏能源屬于清潔能源，本文忽略其污染排放量。當船舶電力系統在系統發生一定故障時，電力系統中的主要污染排放物為燃料消耗。所以本文以CO2和NO2的排放量為例，來表示本文中污染物的排放程度。根據以上分析，CO2和NO2的排放量可以用式（3）來進行計算：

其中： ωCO2和 ωNO2分別表示傳統機組排放單位功率CO2和NO2的排放系數。

該優化運行模型的最終目標可以表示為式（4），其中kR,kC,kP表示各個目標的優先級。

2.2.2 優化模型約束條件

船舶電力系統優化的約束條件主要包括等式約束和不等式約束，等式約束主要是潮流方程的約束。

1）潮流約束

其中：PGi和QGi為節點i傳統機組有功和無功出力；PNi和QNi為節點i光伏電源有功和無功出力；PDi和QDi為節點i的有功、無功負荷；Ui和Uj表示節點電壓；Gij和Bij表示線路電導和電納； δij為 功角； SB表示節點集合；i，j表示電力系統中的節點編號。

而不等式約束包含了節點電壓約束、線路支路容量約束、傳統機組與新能源發電機組的出力限制約束。

2）節點電壓約束

其中：Ui_max和Ui_min 表示節點i電壓上下限約束。

3）支路容量功率約束

其中：Pij表示通過支路的功率；Pij_max為支路功率最大容量。

4）傳統發電機組出力約束

式(8)表示傳統機組出力大小約束，而式(9)則表示在一定時間尺度下的傳統發電機的爬坡約束。

5）光伏電源出力約束

與傳統發電設備不同的是，光伏發電出力具有很大的波動性，一般使用光伏發電出力標準值的最大波動量來約束新能源出力情況，如下式：

3 算例論證與分析

為了驗證所提出的在極地物探船上應用光伏新能源的優化模型的可行性和優越性，本文根據某物探船電力系統結構與數據為典型算例進行仿真論證分析。

傳統物探船的電力系統中共有5個直流電源，3個交流電源以及應急發電機和停泊發電機。

各個可控單元即發電機具體數據參數參考表1。

表1 可控單元的約束參數Tab.1 Parameters of the controllable sources

對于光伏出力及負荷情況，采用其在典型日24 h內的出力及負荷曲線作為輸入，如圖2所示（數據采用IEEE算例中新能源的出力情況）。

圖2 典型日不確定變量曲線Fig.2 Curve of uncertain variables in a typical day

由于本文所提出優化模型的總目標由3個具有不同優先級參數的目標函數組成，因此最終計算得到的含新能源的極地物探船動力系統優化方案在一定程度上由權重參數kR，kC和kP決定。所以必須選取合適的權重參數使得3個目標函數的數量級一致，才可以進行優化運算。經過多次運算與測試后，本文選取kR=2 500,kC= 0.3,kP= 1.5，既符合數量級要求，又使得優化方案最優。

分別對含有新能源光伏發電機的物探船動力系統以及不含新能源光伏發電機的物探船動力系統進行計算，將2種情況下優化算法后的結果進行比較，最后從運行成本、船舶電力系統的可靠性、污染物的排放這3點進行對比分析。考慮極地物探船在惡劣環境下遇到干擾的情況下24 h運行周期，以優化經濟和環保指標作為目標。同時，以35 min為周期，以彈性系數即可靠性指標作為目標。包含新能源與不含新能源的物探船動力系統優化計算結果如圖3～圖5所示。

圖3 總運行成本優化結果Fig.3 The optimal results of total cost

圖4 總污染物排放優化結果Fig.4 The optimal results of total pollutant emissions

圖5 可靠性優化結果Fig.5 The optimal results of reliability

優化計算結果表明，在權重參數選取kR= 2 500,kC= 0.3,kP= 1.5的情況下，通過對比包含新能源的船舶動力系統優化結果與不包含新能源的船舶動力系統優化結果，可以發現本文所提出的對極地物探船電力推進動力系統加入新能源的優化方案是可行的，并且船舶動力系統總體水平得以改進，加入了新能源后總運行成本和污染物總排放量都會降低，而可靠性指數則會提高。在應用含新能源和不含新能源2種不同的極地物探船動力系統能源配置方案后，通過計算可知含新能源動力系統的總成本、污染物排放量、系統的可靠性都優于不含新能源的動力系統。

4 結 語

本文將含有新能源的極地物探船動力系統與不含新能源的極地物探船動力系統分別進行遺傳算法的優化計算，通過對比計算結果，可以發現本文所提出的對極地物探船電力推進動力系統加入新能源的優化方案是可行的，并且船舶動力系統總體水平得以改進，加入了新能源后總運行成本和污染物總排放量都會降低，而系統的可靠性指數則會提高。