船舶电力系统的可持续电力管理解决方案：结合CHP、氢燃料电池、Discover蓄电池和太阳能

近年来，海运对全球气候产生了重大影响[1]。一项最新研究表明，全球航运每年消耗约3亿吨燃料，主要是重质燃料和轻质燃料的组合[2]。此外，约有3%至5%的温室气体排放来自海运运输[3]。如果不采取措施减少海上运输的温室气体排放，到2050年这些排放量可能增加到全球温室气体排放的8%[4]。因此，国际海事组织（IMO）已要求所有造船公司到2025年将温室气体排放量较2005年水平减少30%[5]。因此，配备电和混合动力的船舶在造船业中的重要性进一步提升。与传统机械推进相比，电力和混合动力具有更高的效率和更低的温室气体排放[6]。在传统混合动力舰船中，柴油发电机和柴油发动机通常用于提供主推进动力。然而，柴油发电机和发动机是温室气体排放的主要来源[7]。为了进一步减少温室气体排放，燃料等绿色能源在航运中变得越来越重要。在[8]中，针对大型船舶中燃料电池、电池和太阳能电池板的混合系统，研究了一种智能能源管理策略。[9]提出了一种稳健的优化方法，用于研究利用氢燃料和燃料电池技术的电力推进系统供电。在[10]中，基于强化学习的框架被研究用于对配备混合燃料电池和电池的客船进行最优能源管理。参考文献[11]提出了基于模糊逻辑控制器的能源管理方法，用于协调光伏（PV）系统、微型风力涡轮机、燃料电池和柴油发电机在混合船载电力系统（SBPS）中的运行。本研究中，使用模糊逻辑控制器的能量管理系统根据太阳辐射和风速的变化选择最佳管理策略。在研究[12]中，提出了混合整数线性规划，用于在地中海运营的邮轮发电机的最佳生产调度，同时考虑了燃料电池和电池协调的影响。

用柴油发动机替代电池储能系统，是实现2050年前减少温室气体排放全球目标的另一个有前景的选择。近年来，关于电池在SBPS中集成的研究得到了广泛关注。在全电动船舶中，通过确定电池储能系统的最佳尺寸以减少环境污染，进行了研究[13]。[14]中讨论了一种基于稳健优化的方法，用于在电力储能系统存在下，用于混合交流/直流船舶的能源管理，旨在减少环境污染。提出了一个混合整数非线性优化问题[15]，用于在电池储能系统存在下混合推进船体的最优管理。[16]中提出了中压SBPS的最优功率流问题，旨在在电池储能系统和超级电容器存在的情况下，最大限度地降低发电机的运行成本，同时尊重安全约束。近年来，邮轮中光伏等新能源的存在有所增加。在[17]中，提出了电池储能系统与电推进系统的多目标协调调度，旨在最小化SBPS的波动。关于混合储能系统（锂电池、超级电容器和飞轮）应用于脉冲负载管理的研究[18]。在[19]中，提出了关于光伏和储能系统在船舶电力系统上的开发与应用的经济与环境分析。本研究成果表明，储能系统与光伏的协调可以显著减少航运中的环境污染。

光伏系统由于免费燃料和太阳能发电，可以成为降低航行成本和温室气体排放的非常有利的选择。[20]研究了一项多目标优化模型，用于配备光伏和柴油发电机的混合货船，目标是降低燃料消耗成本并提高柴油发电机效率。在[21]中，针对配备光伏、电锅炉和热泵的客船能源管理，研究了一种基于风险的策略。本研究采用信息差距决策理论（IGDT）方法来模拟PVs的不确定行为。[22]中分析了一种基于数据的数据的方法，用于使用光伏的全电动船舶的生产与消费协调。在[23]中，开发了一种新的能源管理算法，适用于拥有光伏、电力储能系统以及可接入岸电系统的船舶。

上述研究均未提出在SBPS中考虑航行和船舶网络在新能源存在下限制的稳健优化调度方法。上述研究的主要空白如下。

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  在[8]、[10]、[11]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[23]等研究中，游轮的关键操作方面，包括船速、巡航距离和电力驱动的功耗，被忽视了。忽视这些关键因素会导致SBPS中最优功率管理的准确性。
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  与有功和无功功率流动相关的约束，以及SBPS节点电压变化的限制，在[8]、[10]、[11]、[12]、[13]、[15]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[21]、[22]、[23]等研究中被忽视。对这些参数的适当监控和控制对于配备电推进和混合动力系统的船舶至关重要。
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  诸如[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]等研究使用柴油发电机和发动机为推进系统提供能量。然而，柴油能源效率低且排放较高。本研究中，CHP发电机用于SBPS的同时供电和供暖。CHP发电机的效率超过70%，排放量低于其他柴油源[24]。
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  上述一些研究，如[9]、[10]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]，尚未涉及SBPS内现代能源系统的协调。PV、电池和氢气储存系统（HSS）的协调可以提升整个SBPS的灵活性。

根据上述研究空白和表1，论文的主要贡献如下。

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  提出了一种稳健优化（RO）调度，以实现巡航SBPS的最优电力管理，考虑了新能源的整合以及航行和船舶电力网络的限制。据作者所知，这是首个在同时考虑SBPS拓扑和航次约束的同时，探讨SBPS的最优调度的研究。
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  本研究探讨了各种类型CHP的整合潜力，考虑可行操作区（FOR）约束，目标是同时提供电力和供热负载。高效热电泵、电锅炉和热储系统（TSS）的协调可显著减少环境污染排放。
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  本研究展示了光伏、电池和高速流等新能源的整合，旨在降低运营成本并提升整个巡航SBPS的灵活性。

本文结构如下：第二部分深入探讨了该问题的数学建模。第三部分概述了优化过程，第四部分讨论了模拟结果。最后，第五部分以关键发现结束了论文。