楊路明

（大連船舶重工集團(tuán) 大連116005）

引 言

隨著人類的發(fā)展和全球經(jīng)濟(jì)快速增長，煤炭、石油等傳統(tǒng)能源正在急劇消耗，作為不可再生能源的化石燃料日漸枯竭，同時(shí)在利用化石燃料的過程中產(chǎn)生了大量污染物及溫室氣體，對(duì)環(huán)境造成日益嚴(yán)重且不可逆轉(zhuǎn)的污染。作為貿(mào)易運(yùn)輸?shù)闹饕绞剑昂竭\(yùn)導(dǎo)致的廢氣排放以及能源結(jié)構(gòu)變化嚴(yán)重影響著自然環(huán)境（尤其是港口區(qū)域及船舶密集航行水域），船舶排放的廢氣（含SOX、NOX、CO2和固體顆粒物等有害物質(zhì)）是主要空氣污染源之一。歐美發(fā)達(dá)國家通過設(shè)立船舶排放控制區(qū)、制定排放激勵(lì)政策等措施對(duì)船舶排放進(jìn)行控制，取得良好的區(qū)域空氣治理效果。我國交通運(yùn)輸主管部門積極推進(jìn)我國排放控制區(qū)限制標(biāo)準(zhǔn)同國際標(biāo)準(zhǔn)接軌，制定有針對(duì)性的區(qū)域減排機(jī)制，充分發(fā)揮政府主管部門引領(lǐng)、法規(guī)約束和企業(yè)主動(dòng)參與的多軌并舉船舶節(jié)能減排機(jī)制，實(shí)現(xiàn)區(qū)域空氣質(zhì)量持續(xù)改善。

1 混合能源技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用意義

倡導(dǎo)低碳經(jīng)濟(jì)是應(yīng)對(duì)以上問題的方法。其一方面通過開發(fā)和研究風(fēng)能、太陽能等新能源的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)高能效、低能耗、多種新能源供給和少污染的可持續(xù)發(fā)展。20世紀(jì)80年代初，丹麥提出風(fēng)能、太陽能、儲(chǔ)能設(shè)備混合能源系統(tǒng)，隨后前蘇聯(lián)通過概率統(tǒng)計(jì)方法對(duì)混合能源系統(tǒng)中的風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電的發(fā)電量進(jìn)行估算，后續(xù)研究人員對(duì)系統(tǒng)中的整體容量優(yōu)化配置、儲(chǔ)能模塊優(yōu)化配置和系統(tǒng)整體控制策略進(jìn)行了相關(guān)研究。澳大利亞人于21世紀(jì)初研制出太陽能/風(fēng)能混合動(dòng)力雙體客船，通過控制太陽能翼帆角度，捕捉風(fēng)能并采集太陽光能，共同為船舶提供動(dòng)力能源，標(biāo)志著清潔新能源船舶研究進(jìn)入了一個(gè)新階段。另一方面，結(jié)合船舶使用工況，通過柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)船舶動(dòng)力源經(jīng)濟(jì)、高效的綜合利用，在保證推進(jìn)效率的前提下，既提高燃油經(jīng)濟(jì)性又降低廢氣污染，從而達(dá)到全工況經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化的目標(biāo)。

由柴油機(jī)和PTO/PTI可逆電機(jī)組成的PTO/PTI柴電混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)是一種新興的動(dòng)力系統(tǒng)型式。PTO（Power take out） 和 PTI（Power take in），分別指以發(fā)電機(jī)模式和電動(dòng)機(jī)模式運(yùn)行的軸帶電機(jī)，電機(jī)可以通過與主機(jī)連接的齒輪箱或主機(jī)自由端來輸入或輸出，正常航行時(shí)，主機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳的同時(shí)帶動(dòng)軸帶電機(jī)以PTO模式發(fā)電，以替代或部分替代柴油發(fā)電機(jī)組供電，從而提升主機(jī)負(fù)荷區(qū)間、降低整體燃油消耗，提高動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，低速航行時(shí)或主機(jī)故障時(shí)，通過柴油發(fā)電機(jī)組（或其他軸系軸帶電機(jī)）供電，軸帶電機(jī)以PTI模式驅(qū)動(dòng)螺旋槳推進(jìn)，提高動(dòng)力系統(tǒng)冗余性和船舶運(yùn)行可靠性，特殊工況時(shí)，軸帶電機(jī)以PTI模式運(yùn)行與主機(jī)合排實(shí)現(xiàn)柴電混合推進(jìn)，提高船舶運(yùn)行的快速性。

直流微電網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了新能源及能源存儲(chǔ)單元的方便接入，比如：太陽能，燃料電池、超級(jí)電容、動(dòng)力電池等新能源生產(chǎn)方式和存儲(chǔ)單元，通過與柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)組合使用，電能存儲(chǔ)單元可以存儲(chǔ)多余的電能，也可在必要時(shí)提供電能，改善燃油消耗指標(biāo)的同時(shí)增加了冗余功能。存儲(chǔ)單元對(duì)任何一種基礎(chǔ)能源（比如：柴油機(jī)、雙燃料主機(jī)等）的運(yùn)行提供支持和改善作用，隨時(shí)可以立即使用，改善低響應(yīng)特性主機(jī)在緊急情況時(shí)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性，也可以減輕正常運(yùn)行期間的速度突變現(xiàn)象，使船舶在運(yùn)行中大幅減少傳統(tǒng)能源使用量和溫室氣體排放量。

2 混合能源系統(tǒng)構(gòu)成

混合能源電力系統(tǒng)由電能產(chǎn)生部分、電能存儲(chǔ)部分、電能轉(zhuǎn)換部分以及包含主柴油發(fā)電機(jī)組和應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的船舶電力一次、二次供電網(wǎng)絡(luò)組成［1］。電能產(chǎn)生部分由PTO/PTI軸帶電機(jī)和太陽能發(fā)電構(gòu)成；電能存儲(chǔ)部分由動(dòng)力電池和超級(jí)電容構(gòu)成；電能轉(zhuǎn)換部分采用直流微電網(wǎng)及四象限變頻器技術(shù)。

PTO/PTI軸帶電機(jī)工作在PTO模式下，根據(jù)船舶營運(yùn)中不同工況條件下的電氣負(fù)荷需求迥異，可以單獨(dú)提供電網(wǎng)電能或通過四象限IGBT變頻器與主柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行提供船上工作設(shè)備所需電力，在電力系統(tǒng)負(fù)荷輕載時(shí)，利用存儲(chǔ)單元將多余的能量存儲(chǔ)起來，防止能量對(duì)電網(wǎng)沖擊，電力系統(tǒng)負(fù)荷過載時(shí)，儲(chǔ)能單元釋放能量滿足負(fù)載需求，利用儲(chǔ)能單元克服功率波動(dòng)對(duì)船舶電力系統(tǒng)的影響，同時(shí)，太陽能光伏發(fā)電可作為輔助電能介入減少柴油機(jī)出功，在主/輔柴油機(jī)均停止工作時(shí)可繼續(xù)為儲(chǔ)能裝置充電。

作為能量型儲(chǔ)能原件的動(dòng)力電池具有能量密度大、響應(yīng)時(shí)間長、充放電次數(shù)少以及功率密度小等特點(diǎn)，作為功率型儲(chǔ)能原件的超級(jí)電容具有功率密度大、充放電次數(shù)多、響應(yīng)速度快以及能量密度小等特點(diǎn)，單一能量型和功率型儲(chǔ)能裝置無法兼顧電力負(fù)荷瞬時(shí)波動(dòng)和持續(xù)穩(wěn)定用電需求，集成動(dòng)力電池和超級(jí)電容構(gòu)成儲(chǔ)能單元，使其同時(shí)具有蓄電池的高能量密度、超級(jí)電容的高功率密度［2］。

電能轉(zhuǎn)換部分基于直流微電網(wǎng)，PTO/PTI軸帶電機(jī)通過IGBT整流器與公共直流母線連接，與公共直流母線連接的太陽能發(fā)電整流器通過太陽能板控制開關(guān)與太陽能板連接在一起，儲(chǔ)能單元通過整流器與公共母線連接，與公共母線連接的IGBT逆變器通過隔離變壓器與船舶電力一次網(wǎng)絡(luò)連接，直流微電網(wǎng)整體構(gòu)成混合能源系統(tǒng)，可等效視為混合能源發(fā)電機(jī)組，可與柴油發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行向電力一次、二次電網(wǎng)負(fù)載供電。

圖1 混合能源電力系統(tǒng)單線圖

3 混合能源系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

太陽能發(fā)電主要涉及三個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)：

（1）太陽能電池板光伏轉(zhuǎn)換效率問題，有待于新型光電轉(zhuǎn)換材料的研發(fā)和市場(chǎng)化；

（2）在面積有限的甲板上安裝盡可能多的光伏電池板組件，針對(duì)不同船型需要專門研究解決；

（3）通過最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）技術(shù)，精確預(yù)測(cè)及控制系統(tǒng)發(fā)電量。

PTO/PTI軸帶電機(jī)［3］從經(jīng)濟(jì)型、安全性方面主要考慮發(fā)電模式和電動(dòng)模式這兩種運(yùn)行方式，主要涉及七個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)：

（1）可逆軸帶電機(jī)本體及相關(guān)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)；

（2）可逆軸帶電機(jī)起動(dòng)控制技術(shù)；

（3）可逆軸帶電機(jī)不同模式之間的切換控制技術(shù)；

（4）可逆軸帶電機(jī)不同工況安全保護(hù)技術(shù)；

（5）可逆軸帶電機(jī)與PMS、配電系統(tǒng)等相關(guān)設(shè)備（系統(tǒng)）的邏輯控制技術(shù)；

（6）滿足可逆軸帶電機(jī)使用要求的齒輪箱離合器的選型設(shè)計(jì)及相關(guān)電氣接口設(shè)計(jì)；

（7）結(jié)合可逆PTO/PTI軸帶電機(jī)不同工況需求的整個(gè)主推進(jìn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

儲(chǔ)能單元［4］主要涉及三個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)：

（1）儲(chǔ)能變流器（PCS）控制，在監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)的調(diào)配下，實(shí)施有效和安全的儲(chǔ)電和放電管理；

（2）電池管理系統(tǒng)（BMS），負(fù)責(zé)對(duì)儲(chǔ)能電池組進(jìn)行電壓、溫度、電流、容量等信息的采集，實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障分析，同時(shí)通過CAN總線與PCS、監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)聯(lián)機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池進(jìn)行優(yōu)化的充放電管理控制；

（3） 監(jiān)控與調(diào)度管理系統(tǒng)是儲(chǔ)能單元的能量調(diào)度、管理中心，包含中央控制系統(tǒng)（MGCC）和能量管理系統(tǒng)（EMS），負(fù)責(zé)收集全部電池管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)、儲(chǔ)能變流器數(shù)據(jù)及配電柜數(shù)據(jù)，向各個(gè)部分發(fā)出控制指令，控制整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行，合理安排儲(chǔ)能變流器工作。

直流微電網(wǎng)［5］主要涉及五個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)：

（1）高效可靠、模塊化、智能化即插即用型多功能變流器接口或電能變換器；

（2）綜合考慮系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)、 電源-網(wǎng)絡(luò)-負(fù)載-儲(chǔ)能優(yōu)化配置及運(yùn)行與規(guī)劃緊密耦合；

（3）提高設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)自治性能及系統(tǒng)級(jí)控制系統(tǒng)可靠性、靈活性和擴(kuò)展性，且能綜合協(xié)調(diào)運(yùn)行控制技術(shù)和智能保護(hù)技術(shù)；

（4）具備更快開斷速度、更高開斷容量和更高效可靠的直流斷路器以及基于故障限流的新型直流配電用保護(hù)技術(shù)；

（5）提供微電網(wǎng)通訊系統(tǒng)的帶寬、可靠性和兼容性。

4 混合能源技術(shù)在船舶上的應(yīng)用情況

電機(jī)，負(fù)荷率81%；

（6）停泊，使用1臺(tái)雙燃料主發(fā)電機(jī)，1臺(tái)雙燃料主發(fā)電機(jī)和軸帶發(fā)電機(jī)備用，負(fù)荷率36%。

該船型采用混合能源發(fā)電技術(shù)，與傳統(tǒng)技術(shù)相比優(yōu)點(diǎn)在于：在船舶正常航行時(shí)，當(dāng)主動(dòng)力系統(tǒng)功率大于動(dòng)力負(fù)載功率，則主動(dòng)力系統(tǒng)將剩余功率對(duì)儲(chǔ)能單元進(jìn)行充電；當(dāng)動(dòng)力負(fù)載的功率大于主動(dòng)力系統(tǒng)的功率，則儲(chǔ)能單元放電，與主動(dòng)力系統(tǒng)一同為動(dòng)力負(fù)載提供電能。在船舶停泊或加注作業(yè)期間，太陽能電池通過整流器對(duì)儲(chǔ)能單元充電。儲(chǔ)能單元的充放電對(duì)柴油機(jī)功率起到削峰填谷作用，電網(wǎng)所需峰值功率由發(fā)電機(jī)組、太陽能電池及儲(chǔ)能單元共同提供，減小柴油機(jī)容量和體積。本船型應(yīng)用混合能源技術(shù)預(yù)計(jì)將節(jié)省燃料約20%，減少NOX排放量近90%，減少CO2排放量25%～30%，SOX和顆粒物排放幾乎可以忽略不計(jì)。

國外某船東7 500 m3LNG加注船型開發(fā)設(shè)計(jì)方案，主電站采用混合能源發(fā)電技術(shù)，主機(jī)采用Wartsila 6L34DF四沖程雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，通過齒輪箱連接PTO軸帶電機(jī)1 800 kW，兩臺(tái)四沖程雙燃料主發(fā)電機(jī)1 065 kW，1臺(tái)四沖程柴油應(yīng)急發(fā)電機(jī)130 kW，1套小型太陽能發(fā)電裝置，1套儲(chǔ)能單元包括動(dòng)力電池、超級(jí)電容。PTO軸帶電機(jī)的IGBT整流器、太陽能發(fā)電裝置的整流器、儲(chǔ)能單元的整流器分別與直流微電網(wǎng)公共母線連接，最終通過與公共母線連接的IGBT逆變器及隔離變壓器構(gòu)成混合能源主電源，可與2臺(tái)雙燃料主發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行向電力一次、二次電網(wǎng)負(fù)載供電。

該船型有如下6種設(shè)計(jì)工況：

（1）正常航行，使用軸帶發(fā)電機(jī)，2臺(tái)雙燃料主發(fā)電機(jī)備用，負(fù)荷率30%；

（2）正常航行（深冷裝置），使用軸帶發(fā)電機(jī)，2臺(tái)雙燃料主發(fā)電機(jī)備用，負(fù)荷率82%；

（3）進(jìn)出港（深冷裝置），使用軸帶發(fā)電機(jī)和2臺(tái)雙燃料主發(fā)電機(jī)，負(fù)荷率69%；

（4）裝卸載，使用2臺(tái)雙燃料主發(fā)電機(jī)，軸帶發(fā)電機(jī)備用，負(fù)荷率51%；

（5）加注，使用軸帶發(fā)電機(jī)和2 臺(tái)雙燃料主發(fā)

5 結(jié) 語

綜上所述，新能源作為船舶電力系統(tǒng)未來發(fā)展方向，采用幾種新能源（比如：風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能等）發(fā)電方式組成混合能源系統(tǒng)，利用各類新型能源的不同特性，通過多種新型能源及儲(chǔ)能裝置的有效混合配置，克服單一能源供電的不穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)各類能源的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)與效率提升?；旌夏茉醇夹g(shù)為應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)苛的環(huán)境保護(hù)要求和減排強(qiáng)制性法規(guī)，推動(dòng)和拓展綠色船舶技術(shù)在實(shí)船上的應(yīng)用提供了有效的解決方案。