基于差分进化算法的船舶直流电网多目标优化.pdf
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1、第 11 卷 第 3 期Vol.11,No.3CBZYJY2023 年 5 月收稿日期:2022-05-18作者简介:张晓冬(1984),男,辽宁葫芦岛人,实验师,学士,研究方向:轮机工程技术。Multi-objective Optimization of a Shipboard DC GridBased on Differential Evolution Algorithm基于差分进化算法的船舶直流电网多目标优化摘要:在人们对减少排放和提高燃油效率需求日益增长的背景下,研究蓄电池组和柴油发电机互补运行的船舶直流电网优化调度问题具有重要意义。运用差分进化算法来解决船舶直流电网的多目标调度问题,
2、以期实现燃油费用最低、温室气体排放最少及蓄电池寿命损失最小三个目标。该方法设计了一种基于集体智能的变异算子,混合当前种群中一些具有较好适应度值的目标向量。此外,为了避免引入额外的控制参数,还设计了一种自适应调整机制。关键词:船舶直流电网;全局优化;集体智能;差分进化算法中图分类号:U665文献标识码:A文章编号:2095-5928(2023)03-60-04渤海船舶职业学院,辽宁 兴城 125105张晓冬ZHANG XiaodongBohai Shipbuliding Vocational College,Xingcheng 125105,ChinaAbstract:Under the bac
3、kground of growing demand for emission reductions and fuel efficiency improvements,itis significant to study economic scheduling for shipboard DC grid with combining diesel generators and batteries.Based on differential evolution algorithm,the multi-objective optimization of shipboard DC grid is sol
4、ved,so as toachieve the goals of minimizing fuel cost,least greenhouse gas emissions and minimum battery life loss.In thisalgorithm,a mutation operator based on collective intelligence is proposed by mixing some promising donor vectorsin the current population.Besides,a self-adaptive mechanism which
5、 is developed to avoid introducing extra controlparameters.Key words:shipboard DC grid;global optimization;collective intelligence;differential evolution algorithmDOI:10.16850/ki.21-1590/g4.2023.03.019在世界范围内,各国政府都在努力增加可再生能源在总发电容量中的比例,以期保障能源安全、降低碳基能源价格上涨带来的成本和尽量减少温室气体排放1。比较不同行业间温室气体排放情况,航运业的温室气体排放约占全
6、球温室气体排放量的 3%,国际海事组织也正在着手制定温室气体排放相关法规。另外,船舶常由独立的柴油发电机供电,因此燃料价格对全球航运乃至全球经济增长影响很大。由此可见,在船舶电力系统中降低柴油机的发电比例将提高整个航运业的运营效益和竞争力,具有重要意义。在某些类型船舶中,直流电网的供电模式显示出了一定的优势。此类船舶电网的主电网为直流电,由柴油发电机和蓄电池共同供电,须满足相关调度目标,即同时满足经济(降低燃油费用和蓄电池寿命损失)和环境(减少温室气体排放)的发电要求,这也使得船舶电网的运行复杂化。以往的文献在智能优化算法的改进、参数自适应、多目标问题应用等方面存在一些不足之处,本文提出一种适
7、用于船舶直流电网多目标优化调度问题的自适应差分进化算法进行求解。差分进化算法作为进化算法家族中一种简单船 舶 职 业 教 育SHIPBUILDING VOCATIONAL EDUCATION技术研究与应用Technology Research and Application60第 11 卷 第 3 期Vol.11,No.3CBZYJY2023 年 5 月而有效的方法,已被广泛接受2。同时,集体智能3被定义为一种群体智能,它来源于许多成员的集体努力、协作和竞争,并出现在共识决策中。这种新的智能可以在人类、计算机网络、动物和细菌中形成,并以多种形式出现共识决策模式,且已广泛应用于各种工程问题中。针
8、对船舶直流电网多目标优化问题,可将新型 CI 理论与差分进化算法融合。本文提出一种基于自适应集体智能的差分进化算法,其主要贡献在于结合 CI相关理论设计了一种自适应变异算子,以期提高差分进化算法在本问题中的求解能力。1船舶直流电网结构及运行特点本文研究对象为某型特种船舶直流电网,主要包括柴油发电机、AC/DC 整流器、DC/AC 变换器、DC/DC 变换器、能量存储系统(EnergyStorage System,ESS)、交/直流负载、功率管理系统(Power Management System,PMS),其结构如图 1 所示。图 1 某型船舶直流电网结构示意图不同于一般船舶交流电网,本文研究
9、对象以直流电网作为主电网。其能量主要来自柴油发电机组和蓄电池组,柴油发电机组产生交流电经AC/DC 整流器为主电网供电;蓄电池组经双向DC/DC 变换器为主电网供电。直流主电网经过DC/DC 变换器与 DC/AC 变换器分别为直流负载和交流负载供电。ESS 作为控制系统可以控制蓄电池组充放电功率,即为保证柴油发电机工作在高效区,当电网负荷减小时可对蓄电池进行充电,或当电网负荷增大时可令蓄电池放电进行供电。PMS 作为电网级别控制系统,主要起到优化调度的功能,通过图中所示的控制线(用虚线标示)对各个变换器单元进行单向或双向能量流动控制。本文借鉴船舶微电网及陆地新能源混合微电网的调度方式,采用提前
10、 24 小时的日前调度方式。首先基于不同工况下船舶电网负荷的历史数据预测未来 24 小时的负荷数据,然后综合考虑优化目标(燃油费用最低、温室气体排放最少、蓄电池充放电寿命最长),基于优化算法给出未来每小时每组柴油发电机和 ESS 输出功率,作为可行解供船舶管理人员参考。最终由船舶管理人员来决定在某种工况下采用何种功率配比模式为最优。输出多组可行解的方式有利于船舶管理人员针对不同船舶工况做灵活选择,比如:在进出港机动工况下对温室气体的排放具有较高要求,而在长时间航行工况下对燃油费用更为看重等。2 SaCIDE 算法本小节将给出一种优化相关问题特点的自适应 集 体 智 能 差 分 进 化 算 法(
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