超级电容储能装置在混合动力型直流电推系统中应用与实践

2018-08-14王春杰

船电技术 2018年7期

庄伟，孙坚，王春杰，段征

庄伟1，孙坚2，王春杰1，段征1

（1.中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海 201108；2.中国船级社江阴办事处，江苏无锡 214400）

为了有效降低内河水运船舶的排放污染，提升燃油效率。本文提出基于超级电容的储能装置的混合动力型直流电力推进系统方案。分析了变速发电在节能减排方面的限制因素，提出了超级电容储能装置的应用策略，经过直流电推试验平台的验证，成功应用于“江苏陆渡3011轮”。实际运营反馈显示本文提出的应用方案不仅能实现约10%节油效果，有效降低排放和运营成本，更在操控性上显著优于传统柴油直推方案。

超级电容储能装置直流电力推进船舶混合动力

0 引言

渡船是城市内河水运交通中的重要角色，大功率的柴油内燃机动力使其成为城市污染来源之一。在全球“节能减排”大背景下，针对船舶的排放也提出了更高的标准。随着现代社会对环保和节能要求的提高，需要对传统意义上的渡船进行改造以适应新的要求。

与传统的内燃机动力系统相比，电力推进系统在经济性、操纵性、安全可靠性以及节省安装空间等方面有着显著的优势[1-4]。相比于传统的交流组网技术，新兴的直流组网电力推进技术更具优势。主要体现在以下几点：①集成度高，能节省30%的体积和40%的重量；②直流组网系统经济性更优越；③支持变速发电，提升推进系统整体效率，降低能耗与排放；④直流配电系统与各类储能设备和变频设备兼容性更好，控制简便[6]。

在直流电推系统中，虽然变速发电能带来一定的节能效果，但在渡船等推进负荷动态范围大的应用场合下，发电装置难以长时间维持在高能效点处运行，节能效果大打折扣。考虑到直流电推系统对储能设备的良好兼容性，本文将基于超级电容的储能系统引入到直流电推系统中来。超级电容是一种备受关注且前景广阔的新型储能元件，有着诸多优越特性。如具有巨大的电容量，可达数千乃至上万法拉；大电流充放能力，50万～100万次的循环寿命，效率最高可达95%，工作温度范围宽（-45~65℃）。灵活的容量配置、模块化设计等特点使其能很好的适应船舶应用环境[8]。

直流电力推进系统中引入超级电容储能系统，不仅能补偿渡船航行中推进负荷与发电功率间的动态差异。还能兼顾发挥变速发电的优势，进一步扩大直流电推系统的节能减排优势。在接下来的章节中，将详细讨论超级电容储能系统在混合动力型直流电推系统中的应用策略，并结合镇扬汽渡3011轮介绍一下论证内容的实践情况。

1 基于超级电容的混合动力型直流电力推进系统

混合动力型直流电力推进系统的拓扑如图1所示。其中G1和G2为异步发电机，REC1和REC2为整流装置，DC Isolation Switch 为直流隔离开关，INV1为日用电逆变器，INV2和INV3为推进逆变器，ESD为储能装置。发电机G1和G2发出400V交流电，经REC1、REC2整流为750V直流电。两段母排通过直流隔离开关连接。750V直流电经INV1逆变为400V50Hz的日用交流电，供给船上的锚机，照明等设备。INV2和INV3将750V直流电逆变为推进电机M1和M2的动力电。ESD由双向直流整流装置（DC/DC）和超级电容（Ultra-caps）组成。在混合动力型直流电力推进系统中。储能装置在船舶靠岸时作为电源为非动力负载供电，在船舶航行时储能装置补偿变速发电装置功率动态的不足；在需要充电以及吸收推进系统的制动能量时，储能装置又能作为负载吸收功率。为实现该功能，储能系统中配备了DC/DC装置。储能超级电容通过DC/DC装置与直流母线联接。具体如图2所示。左侧虚线框中是超级电容模组，由多个超级电容单体经过串并联达到所需的容量和电压，配备超级电容管理系统（CMS），监控电容单体的电压、电流、温度等参数，并在检测到异常时操作断路器S，以确保超级电容系统的安全。右侧虚线框中是DC/DC装置。三个桥臂与电感L构成三相交错并联结构，实现对超级电容模组的充电和放电。

图1 混合动力型直流电力推进系统的拓扑框图

2 超级电容储能装置的应用策略

在混合动力型直流电力推进系统中，为实现储能装置对动态负载的补偿和富余能量回收，变速发电装置和储能装置均采用下倾的有差控制方式。具体应用策略如下图3所示。当系统稳定运行时，直流母线电压为额定电压1。变速发电装置和超级电容储能装置根据各自的有差特性曲线，输出功率分别为DG1和UC1，后者为0。当系统负载突加时，系统电压降为V2。根据各自的有差特性曲线，变速发电装置的输出功率为DG2，超级电容储能装置的输出功率为UC2。由于后者的特性曲线的调差系数较小，功率输出特性更硬。如图所示有UC2>DG2，即在突加负载时，超级电容储能装置分担了大部分突加负荷。

图2 基于超级电容的储能装置结构框图

随后，发电装置的逐渐提升转速，以节能优化的方式提升输出功率。同时，超级电容储能装置的有差特性曲线逐渐下移，降低自身输出功率。动态过程结束时，系统电压降至V3。此时，超级电容储能装置的输出功率降为0，变速发电装置提供系统所需的全部功率。待输出负载稳定后，PMS系统同时提升发电装置和超级电容储能装置下垂特性曲线的截距，使系统电压恢复到额定电压。负载突卸和制动能量回收的工况下，直流母线电压突然提升，不仅发电装置的输出功率降低，超级电容储能装置的输出功率呈现负值，即电容处于充电状态。具体运行过程与突加负载过程相反，不再赘述。

图3 负载突变工况下的功率分配示意图

上述应用策略已在相同结构的直流配电试验系统中进行了验证。验证结果如图4所示。图4（a）中所示曲线为发电装置输出40 kW功率，每秒加减10 kW的功率曲线。可以看到输出功率呈锯齿状，柴油机燃油燃烧不充分。图4（b）中所示曲线为加入了超级电容储能装置后发电装置输出功率曲线。可以看到输出功率平稳了很多，储能装置对负荷突变补偿效果明显，柴油机燃油效率得到显著改善。图5所示为带有超级电容储能装置系统突加/突卸80 kW负载的过程。曲线1代表功率需求，曲线2为发电装置实际的功率输出。可以看到在负荷突加时，超级电容发挥了功率补偿作用，发电装置的输出功率缓慢提升；负载突卸后发电装置的输出功率缓慢下降。超级电容储能装置有效的缓解了负载突变给发电装置带来的调速负担。柴油原动机在这一过程中的燃油效率得到了有效的提升。

图4 频繁加减载试验曲线

3 镇扬汽渡中储能装置的应用实践

图5 大负载突加/突卸试验曲线

前述基于超级电容储能的混动型直流电力推进系统已经镇扬汽渡3011轮上得到了应用。如图6所示，左上角为“江苏陆渡3011轮”全貌，右上角为变速柴发机组，左下角为直流配电板，右下角为超级电容储能系统2017年2月签订直流配电型电力推进系统供货合同。4月~5月，陆续完成了单个设备的制造和船级社检验工作。6月中旬到7月中旬在中国船舶重工集团公司第711研究所闵行试验场地进行了系统联调试验，在海事局检验机关和船东的共同见证下，完成了直流配电系统短路试验，变速机组突加突卸试验等重要试验，储能装置的应用策略也得到了验证，联调试验取得成功，设备接受了船检机构的认证。镇扬汽渡直流电推系统加载实验如图7所示。在加载阶段1，可以看到储能装置第一时间承担了全部的功率需求，处于放电状态，随着发电机逐渐提速，发电装置输出功率上升，储能装置逐渐降低输出功率，直到加载结束。加载阶段2也是同样的过程。减载阶段，储能装置瞬间吸收了减载功率，处于充电状态，随着发电机转速降低，发电装置输出功率降低，储能装置的充电功率逐渐降低，直到减载结束。9月30日混合动力型直流电力推进的“江苏路渡3011轮”在江苏省镇江船厂顺利下水。10月下旬完成了系泊试验。11月13日进行了航行试验，各项指标均达到设计要求。经过一个多月运行测试，根据镇扬汽渡给出的应用反馈。与同船型柴油动力直推渡轮相比，镇扬汽渡3011轮由于采用了基于超级电容储能装置的混动型直流电推系统，不仅油耗降低约10%，操控性也优于原有船型。