張小海

●（海軍駐上海七○四所軍事代表室，上海 200031）

船舶脈沖負(fù)載與儲(chǔ)能技術(shù)概述

張小海

●（海軍駐上海七○四所軍事代表室，上海 200031）

分析介紹了船舶脈沖負(fù)載的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外脈沖負(fù)載的主要類型。著重介紹了由脈沖負(fù)載所推進(jìn)的船舶儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，比較了電池、超級(jí)電容和飛輪儲(chǔ)能三種儲(chǔ)能方式的各自優(yōu)缺點(diǎn)，提出了根據(jù)實(shí)際需求使用多方式混合儲(chǔ)能的建議。

脈沖負(fù)載；儲(chǔ)能技術(shù)；超級(jí)電容

1 脈沖負(fù)載及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

狹脈沖負(fù)載是指在很短的時(shí)間里（幾毫秒至幾秒）消耗很大功率的負(fù)載，它往往還具有另一個(gè)特征，即在一定的頻率范圍內(nèi)間歇性工作。

1.1 傳統(tǒng)脈沖負(fù)載

船舶傳統(tǒng)脈沖負(fù)載的瞬時(shí)容量一般都不會(huì)超過(guò)系統(tǒng)容量，往往可以直接從船舶電網(wǎng)取電。

對(duì)于這類脈沖負(fù)載，美國(guó)的ASTM A 1008標(biāo)準(zhǔn)[1,2]、國(guó)外開(kāi)展的研究[1,2]都是以投入脈沖負(fù)載后能滿足相關(guān)電力界面品質(zhì)作為準(zhǔn)則，換句話說(shuō)，就是投入脈沖負(fù)載后造成的電壓波動(dòng)應(yīng)小于2%，頻率波動(dòng)應(yīng)小于0.5%。上述準(zhǔn)則并不能直觀地確定一個(gè)脈沖負(fù)載是否能夠滿足系統(tǒng)要求，實(shí)際操作時(shí)需要判斷脈沖負(fù)載的兩個(gè)特征，脈沖負(fù)載的功率因數(shù)和脈沖負(fù)載容量占在網(wǎng)機(jī)組容量的比值。ASTM A 1008標(biāo)準(zhǔn)將上述兩個(gè)特征量化后（通過(guò)假設(shè)發(fā)電機(jī)暫態(tài)電抗標(biāo)幺值約為 0.3），給出了兩個(gè)限制條件：1）電壓波動(dòng)限制條件為：Q脈沖<0.065S系統(tǒng)；2）頻率波動(dòng)限制條件為：P脈沖<0.25S系統(tǒng)。

根據(jù)這兩個(gè)限制條件可以得到系統(tǒng)對(duì)于脈沖負(fù)載限制條件的示意圖，如圖1所示。

圖1 國(guó)外1008標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)脈沖負(fù)載的限制

不難發(fā)現(xiàn)，上述這些標(biāo)準(zhǔn)都沒(méi)有考慮脈沖負(fù)載的工作時(shí)間、工作頻率、系統(tǒng)參數(shù)及帶載情況等因素，僅僅提供了對(duì)于脈沖負(fù)載限制的粗略估計(jì)方法。實(shí)際上，文獻(xiàn)[1]在綜合考慮各種因素之后得到的研究結(jié)論和標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)期結(jié)果相差還是很大的，即使脈沖負(fù)載滿足標(biāo)準(zhǔn)的限制，也不能保證電力界面品質(zhì)能夠達(dá)到預(yù)期的要求。

1.2 未來(lái)大容量脈沖負(fù)載

隨著船舶裝備系統(tǒng)不斷發(fā)展，將出現(xiàn)一些需要在短時(shí)消耗極高功率的用電設(shè)備[3,4]。為了這類脈沖負(fù)載而增加船舶上發(fā)電設(shè)備的容量既是在造價(jià)上不經(jīng)濟(jì)，也是在空間上不現(xiàn)實(shí)的?？梢?jiàn)，這類大容量脈沖負(fù)載的正常工作，必然需要配套儲(chǔ)能設(shè)備。

2 船舶儲(chǔ)能技術(shù)

2.1 儲(chǔ)能的作用

對(duì)于傳統(tǒng)脈沖負(fù)載，儲(chǔ)能主要是為了提高供電品質(zhì)[5-8]；對(duì)于大容量脈沖負(fù)載，儲(chǔ)能則是其功能實(shí)現(xiàn)的必然需要。船舶儲(chǔ)能的作用并不僅僅局限于這兩點(diǎn)，合理利用儲(chǔ)能技術(shù)，對(duì)船舶供電的連續(xù)性、經(jīng)濟(jì)性也有很多好處。

利用儲(chǔ)能技術(shù)提高船舶供電的連續(xù)性，是指當(dāng)船舶電網(wǎng)中有機(jī)組因故障而退出運(yùn)行時(shí)，可以投入儲(chǔ)能設(shè)備，暫時(shí)彌補(bǔ)電網(wǎng)中缺失的功率，直至備用機(jī)組投入電網(wǎng)，從而不需要對(duì)負(fù)載進(jìn)行不必要的卸載操作[9]。利用儲(chǔ)能裝置，一方面可以減少電網(wǎng)的備用容量；另一方面，通過(guò)對(duì)儲(chǔ)能裝置的充放電操作，調(diào)整發(fā)電機(jī)組的發(fā)電功率，可以使其在效率更高的狀態(tài)下運(yùn)行，從而進(jìn)一步提高船舶供電的經(jīng)濟(jì)性[10]。

2.2 儲(chǔ)能技術(shù)的種類

船舶儲(chǔ)能技術(shù)的相關(guān)研究主要都是圍繞著三種儲(chǔ)能形式展開(kāi)的，這三種形式分別為電池、超級(jí)電容以及飛輪儲(chǔ)能。三種儲(chǔ)能方式的功率密度和能量密度對(duì)比如圖2[11]所示。

圖2 三種儲(chǔ)能方式的功率密度和能量密度對(duì)比

2.2.1 電池

電池在三種儲(chǔ)能方式中具有最高的能量密度（200Wh/kg），其能量密度幾乎達(dá)到了其他兩種儲(chǔ)能方式的10倍。但電池的功率密度同時(shí)也是最低的，其功率密度遠(yuǎn)小于其他兩種儲(chǔ)能方式（相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)）。電池高能量密度的特點(diǎn)使其能夠維持較長(zhǎng)（5min～480min）的工作時(shí)間，使其成為船用中長(zhǎng)期備用電源的最佳選擇；但由于功率密度較低，難以滿足未來(lái)大容量脈沖負(fù)載的需要。

2.2.2 超級(jí)電容

超級(jí)電容在三種儲(chǔ)能方式中具有最高的功率密度，其快速高功率充放電的特性滿足了大容量脈沖負(fù)載的需要。與同樣具有高功率密度的飛輪儲(chǔ)能相比，超級(jí)電容具有更好的穩(wěn)定性和安全性，其能量損耗（0.2%）也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于飛輪儲(chǔ)能（2%），考慮到船舶的全壽命至少在10年以上，節(jié)約的燃料費(fèi)用會(huì)相當(dāng)可觀。

美國(guó)目前采用超級(jí)電容方式實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能，電容的體積能量密度約為2.5MJ/m3，質(zhì)量能量密度約為1.4kJ/kg（參考Aerovox埃羅?？怂构綥M型電容參數(shù)，見(jiàn)圖3[4]）。如果為64MJ的船舶設(shè)備提供能量，考慮損耗等因素，實(shí)際需要儲(chǔ)存的能量約為64MJ，儲(chǔ)能電容至少需要占用64m3的空間（4m×4m×4m）和114.3×103kg的質(zhì)量，進(jìn)而考慮相關(guān)附屬后，儲(chǔ)能裝置則一共需要占用約140m3的空間和210×103kg的質(zhì)量[3]。

圖3 Aerovox埃羅?？怂构綥M型電容參數(shù)

2.2.3 飛輪儲(chǔ)能

通過(guò)查閱船舶儲(chǔ)能相關(guān)文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，有關(guān)飛輪儲(chǔ)能的文獻(xiàn)是最多的，說(shuō)明形成了一個(gè)研究熱點(diǎn)。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)將電能轉(zhuǎn)化為高速旋轉(zhuǎn)裝置的動(dòng)能，技術(shù)簡(jiǎn)單，成熟度最高，與電池和超級(jí)電容相比，在充放電循環(huán)壽命上具有很大的優(yōu)勢(shì)。

2.3 儲(chǔ)能的用法

使用儲(chǔ)能技術(shù)為脈沖負(fù)載供電有兩種主流形式，它們的區(qū)別在于儲(chǔ)能裝置是否能夠?qū)⒛芰炕仞侂娋W(wǎng)。

以飛輪儲(chǔ)能為例，通過(guò)飛輪儲(chǔ)能為脈沖負(fù)載供電有兩種實(shí)現(xiàn)方法。第1種（圖4）[6]由一組單向變換器、一臺(tái)儲(chǔ)能電動(dòng)機(jī)、一臺(tái)飛輪機(jī)構(gòu)和一臺(tái)儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)構(gòu)成，脈沖負(fù)載從儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)輸出端取點(diǎn)，這種形式實(shí)現(xiàn)了脈沖負(fù)載和電網(wǎng)的隔離，大大減小了脈沖負(fù)載對(duì)電網(wǎng)供電品質(zhì)的影響；第2種（圖5）[13]由一組雙向變換器，一臺(tái)電動(dòng)及發(fā)電兩用電機(jī)和一臺(tái)飛輪機(jī)構(gòu)構(gòu)成，脈沖負(fù)載連接在電網(wǎng)上，儲(chǔ)能裝置可以向電網(wǎng)回饋電能。第2種用法增加了變換器控制策略的復(fù)雜度，但較第1種用法相比優(yōu)勢(shì)為：1）在實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能功能的同時(shí)，兼具無(wú)功補(bǔ)償和有源濾波的功能；2）通過(guò)錯(cuò)開(kāi)多臺(tái)脈沖負(fù)載的用電時(shí)刻，可以實(shí)現(xiàn)一套飛輪儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)同時(shí)為多臺(tái)脈沖負(fù)載供電[14]；3）儲(chǔ)能裝置故障并不不會(huì)直接影響脈沖負(fù)載的使用，脈沖負(fù)載仍可以從電網(wǎng)取電，此時(shí)電網(wǎng)的供電質(zhì)量會(huì)受到脈沖負(fù)載的影響[8]。

圖4 通過(guò)飛輪儲(chǔ)能為脈沖負(fù)載供電（能量不回饋電網(wǎng)）

圖5 通過(guò)飛輪儲(chǔ)能為脈沖負(fù)載供電（能量可回饋電網(wǎng)）

3 結(jié)論

目前國(guó)內(nèi)外與船舶脈沖負(fù)載有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)粗略，參考價(jià)值有限，更多的時(shí)候需要具體問(wèn)題具體分析；未來(lái)大容量脈沖負(fù)載的需求推動(dòng)了船舶儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，同時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)在船舶電網(wǎng)中的其他作用也值得進(jìn)一步探索；電池、超級(jí)電容、飛輪儲(chǔ)能三種儲(chǔ)能方式各有優(yōu)劣，具體應(yīng)用時(shí)應(yīng)跟據(jù)實(shí)際需求的特點(diǎn)進(jìn)行選擇，通過(guò)取長(zhǎng)補(bǔ)短，使用多方式混合儲(chǔ)能或許更具優(yōu)勢(shì)[11,15]。

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Overview of Pulse Load and Energy Storage Technology for Ship

ZHANG Xiao-hai
(Navy Representative Office in No.704 Research Institute, Shanghai 200031, China)

The correlative standards of the pulse load for ship were analyzed and the main types of the pulse load at home and abroad were summarized. The development of the energy storage technologies for ship propelled by the pulse load was mainly introduced. Moreover, the advantages and disadvantages of the three technologies: battery, super capacitor, and flywheel were compared. At last, it gives the suggestions that the multimode hybrid energy storages are used according to the actual requirements.

pulse load; energy storage technology; super capacitor

U665.12

A

張小海（1981-），男，博士。主要研究方向：船舶機(jī)電工程、壽命周期費(fèi)用分析。