衛(wèi) 衛(wèi)，孫 蕾，金甚達(dá)

(1.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011；2.上海交通大學(xué)，上海 200240)

0 引 言

根據(jù)世界上諸多大國(guó)，如美國(guó)，俄羅斯等對(duì)北極地區(qū)的勘測(cè)調(diào)查，得出了北極地區(qū)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(qū)還蘊(yùn)含著許多其他的礦物以及漁業(yè)稀有資源。物探船是一種調(diào)查船，主要用于海洋地球物理勘探，分為海洋調(diào)查船、科學(xué)考察船、水文測(cè)量船、工程勘查船等。不同類(lèi)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(zhuān)業(yè)的勘測(cè)設(shè)備與儀器，可以獨(dú)立完成復(fù)雜困難的海域開(kāi)發(fā)勘測(cè)與數(shù)據(jù)采集的任務(wù)。

電力系統(tǒng)是船舶的重要組成部分，是船舶實(shí)現(xiàn)安全航行和可靠運(yùn)行功能的必要保證[2]。但是，無(wú)論是極地地區(qū)的地理位置還是其自然生態(tài)環(huán)境，都是十分惡劣的，對(duì)于極地物探船的運(yùn)行以及設(shè)備操作人員，緊急維護(hù)人員等都十分不利。這就要求極地物探船上的電力系統(tǒng)設(shè)備與運(yùn)行能夠承受住極地的惡劣環(huán)境同時(shí)保證其運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性，防止電力系統(tǒng)發(fā)生故障損壞等問(wèn)題導(dǎo)致極地物探船工作出現(xiàn)問(wèn)題。所以，極地物探船必須配備一套可靠性高并且操作性強(qiáng)的電力系統(tǒng)設(shè)備，同時(shí)考慮成本、環(huán)境、可靠性等因素，有利于保證極地物探船連續(xù)不間斷的工作運(yùn)行，同時(shí)節(jié)約造船成本以及對(duì)保護(hù)極地環(huán)境做出一些貢獻(xiàn)。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于極地物探船動(dòng)力系統(tǒng)最優(yōu)配置的研究相對(duì)較少，也沒(méi)有關(guān)于向極地物探船增添新能源可行性的研究。由于極地環(huán)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(fēng)雪、海霧等，這些因素不僅會(huì)影響新能源的發(fā)電效果，更會(huì)影響新能源裝置設(shè)備的安全，導(dǎo)致有些新能源會(huì)無(wú)法在極地環(huán)境中使用。所以，必須對(duì)在極地物探船上加入新能源的可行性進(jìn)行分析，并通過(guò)實(shí)例論證加入新能源后，船舶動(dòng)力系統(tǒng)得到了可靠性與經(jīng)濟(jì)性的雙重優(yōu)化。

國(guó)內(nèi)外船舶的研究者以及電力能源的研究者對(duì)于船舶動(dòng)力系統(tǒng)的新能源應(yīng)用，物探船的發(fā)展以及極地物探船的關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)開(kāi)展了大量的研究工作。有的學(xué)者對(duì)新能源在船舶上的應(yīng)用進(jìn)行研究，文獻(xiàn)[3 - 4]針對(duì)船舶動(dòng)力系統(tǒng)中應(yīng)用清潔能源的關(guān)鍵技術(shù)和優(yōu)化方案進(jìn)行分析研究，結(jié)合了燃料電池、鋰離子電池、超級(jí)電容和柴油發(fā)電機(jī)等新能源，提出了混合動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化配置方法從而提高船舶整體能放水平。文獻(xiàn)[5]針對(duì)應(yīng)用于船舶的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了研究，分析了風(fēng)力發(fā)電原理以及其工作特點(diǎn)，討論其在船舶上應(yīng)用的可能性。有的學(xué)者對(duì)物探船的發(fā)展與特點(diǎn)進(jìn)行研究，文獻(xiàn)[6 - 7]在整體上分析了物探船的關(guān)鍵技術(shù)和主要特點(diǎn)，分析了物探船在總布置、性能指標(biāo)、諧波控制、水下噪聲等方面的技術(shù)難點(diǎn)。文獻(xiàn)[8 - 10]研究了物探船幾種動(dòng)力系統(tǒng)推進(jìn)方式的特點(diǎn)，包括混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)與電力推進(jìn)系統(tǒng)，說(shuō)明了物探船對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的要求以及各種動(dòng)力系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)[11 - 13]給出了物探船的典型實(shí)例“海洋石油”760號(hào)分析，并且提出物探船動(dòng)力系統(tǒng)的配置與優(yōu)化方案，給出了物探船的部分參數(shù)指標(biāo)。有的學(xué)者對(duì)極地環(huán)境的物探船進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[14 - 17]對(duì)極地物探船的發(fā)展和未來(lái)的研究趨勢(shì)進(jìn)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(duì)極地物探船上利用新能源的研究還比較少。

本文首先對(duì)極地物探船上新能源利用進(jìn)行研究，分析了極地中惡劣的氣象環(huán)境對(duì)新能源使用的影響，討論新能源在極地環(huán)境中應(yīng)用的可行性。最后利用NSGA-II遺傳算法，分析在船舶動(dòng)力系統(tǒng)的電力推進(jìn)模式中加入光伏發(fā)電的優(yōu)勢(shì)。在船舶動(dòng)力系統(tǒng)中加入新能源，有利于減少船舶動(dòng)力系統(tǒng)推進(jìn)成本，減少碳的排放量并且提高了船舶運(yùn)行的可靠性，使得這一套電力系統(tǒng)更加符合極地物探船對(duì)電力系統(tǒng)的要求，大大提高對(duì)極地地區(qū)資源的開(kāi)發(fā)與利用。

1 極地環(huán)境對(duì)新能源的影響

1.1 極地環(huán)境對(duì)風(fēng)力發(fā)電的影響

1）極地的低溫環(huán)境會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)的機(jī)葉裝置產(chǎn)生嚴(yán)重影響。在極地的超低溫環(huán)境下，風(fēng)機(jī)的風(fēng)扇葉片 會(huì)結(jié)晶，導(dǎo)致粗糙度增大，葉片翼型的氣動(dòng)性能隨之降低。同時(shí)，由于低溫環(huán)境的影響，原本風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的一些部件可以承受的沖擊載荷變得無(wú)法承受，可能會(huì)發(fā)生脆性斷裂的情況。因此，在風(fēng)速過(guò)高、溫度過(guò)低時(shí)，風(fēng)機(jī)設(shè)備難以進(jìn)行高載荷的工作運(yùn)行。

2）極地的低溫對(duì)風(fēng)機(jī)上不同種類(lèi)的零部件具有較大影響，許多風(fēng)機(jī)當(dāng)中的金屬零件會(huì)由于負(fù)荷形式不同產(chǎn)生不同的問(wèn)題。例如，傳動(dòng)系統(tǒng)中的齒輪箱和主軸承受沖擊載荷后發(fā)生低溫脆性斷裂的問(wèn)題。因此，需要提高材料和構(gòu)件的多重抗沖擊性能，這會(huì)大大增加風(fēng)機(jī)的制造成本與難度。

3）風(fēng)機(jī)材料的化學(xué)成分，晶粒尺寸等重要因素都要考慮極地環(huán)境下低溫的影響，可能會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的沖擊韌性降低以及影響風(fēng)機(jī)的冷脆轉(zhuǎn)變溫度等。

通過(guò)上述影響的分析可得結(jié)論，由于風(fēng)機(jī)設(shè)備不適應(yīng)極地的各種惡劣環(huán)境，所以暫時(shí)不考慮將風(fēng)力發(fā)電設(shè)備作為主要新型能源加入極地船舶的動(dòng)力系統(tǒng)中來(lái)提供發(fā)電動(dòng)力。

1.2 極地環(huán)境對(duì)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(qiáng)度和溫度的影響，當(dāng)光照強(qiáng)度一定時(shí)，光伏電池組件的開(kāi)路電壓，短路電流與環(huán)境溫度都有一定的關(guān)系。

相比于風(fēng)機(jī)，光伏發(fā)電系統(tǒng)則更加適用于極地的低溫環(huán)境，因?yàn)榈蜏丨h(huán)境不僅不會(huì)對(duì)光伏電池產(chǎn)生負(fù)面影響，隨著溫度的降低，光伏電池的最大輸出功率會(huì)略有增加，更適合在極地環(huán)境中應(yīng)用。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在光強(qiáng)和溫度不變的情況下，光伏電池總是有一個(gè)最大輸出功率點(diǎn)，這就要求光伏發(fā)電系統(tǒng)具有跟蹤最大功率點(diǎn)的能力，以提高發(fā)電效率。在這種低溫情況下的光伏發(fā)電系統(tǒng)甚至比正常地區(qū)溫度下的發(fā)電效率要高，同時(shí)由于光伏能源為新能源，光伏系統(tǒng)的安裝對(duì)于極地物探船的可靠性、環(huán)保性以及發(fā)電成本等都是有利的。

但是，極地環(huán)境對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)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(diǎn)來(lái)克服極地環(huán)境中設(shè)備安裝遇到的問(wèn)題；選用的光伏板要求交聯(lián)度高，粘接強(qiáng)度高，表面鋼化玻璃透光率高，強(qiáng)度高，才可用于極地科研應(yīng)對(duì)極地的惡劣環(huán)境。考慮到供電系統(tǒng)對(duì)負(fù)載的需求，需要一定的額定功率才可以有效提高負(fù)載的續(xù)航能力，需要可以采用MPPT的最大功率追蹤技術(shù)達(dá)到這一功率。

因?yàn)楣夥l(fā)電與極地的低溫環(huán)境較為適合，所以可以嘗試將光伏發(fā)電系統(tǒng)加入極地物探船的動(dòng)力系統(tǒng)中，作為電力推進(jìn)系統(tǒng)中的二級(jí)或者備用供電的發(fā)電設(shè)備。

2 基于遺傳算法的船舶動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化

2.1 遺傳控制算法原理

遺傳算法（Genetic Algorithm，GA）最早由美國(guó)的John holland于20世紀(jì)70年代提出，該算法是根據(jù)大自然中生物體進(jìn)化規(guī)律而設(shè)計(jì)提出，是模擬達(dá)爾文生物進(jìn)化論的自然選擇和遺傳學(xué)機(jī)理的生物進(jìn)化過(guò)程的計(jì)算模型，是一種通過(guò)模擬自然進(jìn)化過(guò)程搜索最優(yōu)解的方法。

目前，在解決多目標(biāo)優(yōu)化這樣的實(shí)際問(wèn)題中，多考慮Pareto最優(yōu)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(jìn)之處在于，采用了快速的非支配排序方法，將算法的時(shí)間復(fù)雜度降為O（MN2），且在NSGA-II中使用了排擠算法和精英策略來(lái)代替共享函數(shù)算法，保留了種群中個(gè)體多樣性。

2.2 船舶電力推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)化模型

將光伏系統(tǒng)作為主要的新能源加入極地物探船的動(dòng)力系統(tǒng)中，并對(duì)加入新能源的極地物探船動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行遺傳算法的優(yōu)化計(jì)算，觀察新能源加入后對(duì)極地物探船動(dòng)力系統(tǒng)各方面的影響。

2.2.1 優(yōu)化模型目標(biāo)函數(shù)[18]

首先考慮極地環(huán)境中的惡劣氣候條件對(duì)船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性的影響，針對(duì)電網(wǎng)受擾動(dòng)恢復(fù)到平衡的過(guò)程，本文提出了彈性系數(shù)這個(gè)概念[18]。在借鑒國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)彈性指標(biāo)的量化方法后，可得彈性系數(shù)就是指電網(wǎng)或者電力系統(tǒng)受到擾動(dòng)后從故障狀態(tài)恢復(fù)到平衡狀態(tài)的一種能力。圖1為電網(wǎng)受到擾動(dòng)故障后恢復(fù)到平衡的一個(gè)過(guò)程圖。t0時(shí)刻為系統(tǒng)初始狀態(tài)，ti時(shí)刻為系統(tǒng)開(kāi)始受到擾動(dòng)，td時(shí)刻擾動(dòng)結(jié)束，系統(tǒng)進(jìn)入故障狀態(tài)，tr時(shí)刻系統(tǒng)開(kāi)始逐步恢復(fù)，tf時(shí)刻系統(tǒng)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。

彈性系數(shù)為實(shí)際恢復(fù)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(shù)的表達(dá)式作為極地物探船電力系統(tǒng)的可靠性目標(biāo)函數(shù)，如下式：

同時(shí)，需要考慮極地物探船電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。為此可以以最小成本為目標(biāo)建立一個(gè)目標(biāo)函數(shù)來(lái)反映電力系統(tǒng)優(yōu)化的經(jīng)濟(jì)效益。它由傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組的發(fā)電成本和光伏電源組成，本文為光伏電源的發(fā)電成本等組成，如下式：

同時(shí)，考慮極地物探船電力系統(tǒng)的環(huán)保性，可以以污染排放物為目標(biāo)建立一個(gè)目標(biāo)函數(shù)來(lái)反映電力系統(tǒng)優(yōu)化的環(huán)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(dāng)船舶電力系統(tǒng)在系統(tǒng)發(fā)生一定故障時(shí)，電力系統(tǒng)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(lái)表示本文中污染物的排放程度。根據(jù)以上分析，CO2和NO2的排放量可以用式（3）來(lái)進(jìn)行計(jì)算：

其中： ωCO2和 ωNO2分別表示傳統(tǒng)機(jī)組排放單位功率CO2和NO2的排放系數(shù)。

該優(yōu)化運(yùn)行模型的最終目標(biāo)可以表示為式（4），其中kR,kC,kP表示各個(gè)目標(biāo)的優(yōu)先級(jí)。

2.2.2 優(yōu)化模型約束條件

船舶電力系統(tǒng)優(yōu)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(jié)點(diǎn)i傳統(tǒng)機(jī)組有功和無(wú)功出力；PNi和QNi為節(jié)點(diǎn)i光伏電源有功和無(wú)功出力；PDi和QDi為節(jié)點(diǎn)i的有功、無(wú)功負(fù)荷；Ui和Uj表示節(jié)點(diǎn)電壓；Gij和Bij表示線路電導(dǎo)和電納； δij為 功角； SB表示節(jié)點(diǎn)集合；i，j表示電力系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)編號(hào)。

而不等式約束包含了節(jié)點(diǎn)電壓約束、線路支路容量約束、傳統(tǒng)機(jī)組與新能源發(fā)電機(jī)組的出力限制約束。

2）節(jié)點(diǎn)電壓約束

其中：Ui_max和Ui_min 表示節(jié)點(diǎn)i電壓上下限約束。

3）支路容量功率約束

其中：Pij表示通過(guò)支路的功率；Pij_max為支路功率最大容量。

4）傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組出力約束

式(8)表示傳統(tǒng)機(jī)組出力大小約束，而式(9)則表示在一定時(shí)間尺度下的傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的爬坡約束。

5）光伏電源出力約束

與傳統(tǒng)發(fā)電設(shè)備不同的是，光伏發(fā)電出力具有很大的波動(dòng)性，一般使用光伏發(fā)電出力標(biāo)準(zhǔn)值的最大波動(dòng)量來(lái)約束新能源出力情況，如下式：

3 算例論證與分析

為了驗(yàn)證所提出的在極地物探船上應(yīng)用光伏新能源的優(yōu)化模型的可行性和優(yōu)越性，本文根據(jù)某物探船電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)為典型算例進(jìn)行仿真論證分析。

傳統(tǒng)物探船的電力系統(tǒng)中共有5個(gè)直流電源，3個(gè)交流電源以及應(yīng)急發(fā)電機(jī)和停泊發(fā)電機(jī)。

各個(gè)可控單元即發(fā)電機(jī)具體數(shù)據(jù)參數(shù)參考表1。

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

對(duì)于光伏出力及負(fù)荷情況，采用其在典型日24 h內(nèi)的出力及負(fù)荷曲線作為輸入，如圖2所示（數(shù)據(jù)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(yōu)化模型的總目標(biāo)由3個(gè)具有不同優(yōu)先級(jí)參數(shù)的目標(biāo)函數(shù)組成，因此最終計(jì)算得到的含新能源的極地物探船動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化方案在一定程度上由權(quán)重參數(shù)kR，kC和kP決定。所以必須選取合適的權(quán)重參數(shù)使得3個(gè)目標(biāo)函數(shù)的數(shù)量級(jí)一致，才可以進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)算。經(jīng)過(guò)多次運(yùn)算與測(cè)試后，本文選取kR=2 500,kC= 0.3,kP= 1.5，既符合數(shù)量級(jí)要求，又使得優(yōu)化方案最優(yōu)。

分別對(duì)含有新能源光伏發(fā)電機(jī)的物探船動(dòng)力系統(tǒng)以及不含新能源光伏發(fā)電機(jī)的物探船動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，將2種情況下優(yōu)化算法后的結(jié)果進(jìn)行比較，最后從運(yùn)行成本、船舶電力系統(tǒng)的可靠性、污染物的排放這3點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析。考慮極地物探船在惡劣環(huán)境下遇到干擾的情況下24 h運(yùn)行周期，以優(yōu)化經(jīng)濟(jì)和環(huán)保指標(biāo)作為目標(biāo)。同時(shí)，以35 min為周期，以彈性系數(shù)即可靠性指標(biāo)作為目標(biāo)。包含新能源與不含新能源的物探船動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算結(jié)果如圖3～圖5所示。

圖3 總運(yùn)行成本優(yōu)化結(jié)果Fig.3 The optimal results of total cost

圖4 總污染物排放優(yōu)化結(jié)果Fig.4 The optimal results of total pollutant emissions

圖5 可靠性優(yōu)化結(jié)果Fig.5 The optimal results of reliability

優(yōu)化計(jì)算結(jié)果表明，在權(quán)重參數(shù)選取kR= 2 500,kC= 0.3,kP= 1.5的情況下，通過(guò)對(duì)比包含新能源的船舶動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果與不包含新能源的船舶動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)本文所提出的對(duì)極地物探船電力推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)加入新能源的優(yōu)化方案是可行的，并且船舶動(dòng)力系統(tǒng)總體水平得以改進(jìn)，加入了新能源后總運(yùn)行成本和污染物總排放量都會(huì)降低，而可靠性指數(shù)則會(huì)提高。在應(yīng)用含新能源和不含新能源2種不同的極地物探船動(dòng)力系統(tǒng)能源配置方案后，通過(guò)計(jì)算可知含新能源動(dòng)力系統(tǒng)的總成本、污染物排放量、系統(tǒng)的可靠性都優(yōu)于不含新能源的動(dòng)力系統(tǒng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文將含有新能源的極地物探船動(dòng)力系統(tǒng)與不含新能源的極地物探船動(dòng)力系統(tǒng)分別進(jìn)行遺傳算法的優(yōu)化計(jì)算，通過(guò)對(duì)比計(jì)算結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)本文所提出的對(duì)極地物探船電力推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)加入新能源的優(yōu)化方案是可行的，并且船舶動(dòng)力系統(tǒng)總體水平得以改進(jìn)，加入了新能源后總運(yùn)行成本和污染物總排放量都會(huì)降低，而系統(tǒng)的可靠性指數(shù)則會(huì)提高。