吳澤奇，李良乾，李 威，羅曉園

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海 200090)

0 引言

為促進(jìn)綠色航運(yùn)發(fā)展和船舶節(jié)能減排，利用超級(jí)電容儲(chǔ)能單元的大功率充放電特性來(lái)補(bǔ)償船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程的大功率波動(dòng)，維持系統(tǒng)和電網(wǎng)的穩(wěn)定性，打造綠色環(huán)保、節(jié)能高效的新型船舶將是未來(lái)船舶推進(jìn)技術(shù)發(fā)展的主要方向。

目前，能量型超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于微電網(wǎng)、分布式能源發(fā)電、輸配電等電力系統(tǒng)中，特別是在沖擊負(fù)荷、大功率裝置領(lǐng)域已經(jīng)有著較為成熟的運(yùn)用。能量型超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用在船舶上，將提高船舶運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性和經(jīng)濟(jì)性，對(duì)船舶動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的意義。

本文結(jié)合廈門(mén)400客位輪渡，對(duì)能量型超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)在直流電推系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行研究。

1 超級(jí)電容的主要性能

超級(jí)電容根據(jù)原理不同主要分為雙電層超級(jí)電容器和能量型超級(jí)電容器。兩者性能對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 傳統(tǒng)雙電層電容器和高能量超級(jí)電容器性能對(duì)比

傳統(tǒng)雙電層超級(jí)電容器在能量密度、安全性等方面存在缺點(diǎn)，因而不適合在船舶上作為儲(chǔ)能系統(tǒng)大范圍運(yùn)用。能量型超級(jí)電容具有良好的充電特性曲線和優(yōu)異的倍率放電性能。根據(jù)線性充放曲線能夠計(jì)算整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的鋰電池的荷電狀態(tài)(SOC)，其優(yōu)異的倍率性能適合大功率充放。超級(jí)電容在不同放電電流和電壓下測(cè)得的特性曲線分別見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 不同電流下的放電曲線

圖2 不同電壓下的放電曲線

能量型超級(jí)電容的主要優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)高功率密度，超級(jí)電容的內(nèi)阻小，輸出功率密度高，是一般蓄電池的數(shù)十倍。

(2)使用壽命長(zhǎng)，具有50萬(wàn)次以上的循環(huán)充放電壽命。

(3)快速充放電能力強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)大電流充放電，充電時(shí)間短。

(4)線性充放曲線能夠精確地監(jiān)測(cè)電容的實(shí)際電量。

(5)寬范圍的工作溫度，能在-40～60 ℃的環(huán)境溫度中正常工作。

(6)安全性、可靠性高。

(7)綠色環(huán)保，生產(chǎn)過(guò)程中不使用重金屬和其他有害化學(xué)物質(zhì)，且自身壽命較長(zhǎng)，是一種新型的綠色環(huán)保電源。

2 基于超級(jí)電容的直流電推系統(tǒng)

船舶直流電網(wǎng)主要由直流母線、整流模塊、逆變模塊、儲(chǔ)能模塊構(gòu)成。整流模塊將發(fā)電機(jī)的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，然后通過(guò)逆變模塊向推進(jìn)電機(jī)和其他用電設(shè)備提供動(dòng)力。儲(chǔ)能模塊由儲(chǔ)能元件和DC-DC變換器組成，其中：儲(chǔ)能元件提供或者吸收電網(wǎng)中的能量，雙向DC-DC變換器使得能量雙向流動(dòng)。直流母線實(shí)現(xiàn)了各個(gè)模塊中能量的傳遞。

以廈門(mén)400客位輪渡為例，全船采用直流組網(wǎng)形式并配有2臺(tái)超級(jí)電容，實(shí)現(xiàn)船舶在港零排放，使得該船舶動(dòng)力系統(tǒng)具有高可靠性與冗余度。動(dòng)力系統(tǒng)包括供電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)。

供電系統(tǒng)配備2套450 kW柴油發(fā)電機(jī)組，提供440 V 3 PH 60 Hz交流電源，整流后并入直流電網(wǎng)，通過(guò)1座直流配電板給2套315 kW推進(jìn)器和2套100 kW日用電逆變裝置為全船提供電能。單臺(tái)日用電逆變裝置能夠滿(mǎn)足全船用電負(fù)荷需求。2套日用逆變器互為備用，輸出400 V 3 PH 50 Hz交流電，經(jīng)AC400 V/230 V負(fù)載饋電屏分配給全船用電設(shè)備。逆變電源饋電開(kāi)關(guān)和岸電開(kāi)關(guān)之間設(shè)置聯(lián)鎖。運(yùn)營(yíng)時(shí)，停靠碼頭上下客期間由超級(jí)電容為全船供電；非運(yùn)營(yíng)期間，船舶?？看a頭由碼頭岸電為全船提供用電。配電系統(tǒng)具備船舶自動(dòng)電站的功能，根據(jù)實(shí)際負(fù)荷自動(dòng)選擇投入電網(wǎng)機(jī)組的數(shù)量和超級(jí)電容的充放電狀態(tài)。發(fā)電機(jī)組、能量型超級(jí)電容、直流配電板和推進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)均可在集控室監(jiān)控。

另外，廈門(mén)400客位輪渡配置2套12.5 kWh超級(jí)電容作為儲(chǔ)能系統(tǒng)。儲(chǔ)能系統(tǒng)在航行期間配合柴油發(fā)電機(jī)組的工作特性，通過(guò)削峰填谷方式，可改善柴油機(jī)組的燃燒特性，達(dá)到節(jié)能降噪的效果。并且，在營(yíng)運(yùn)時(shí)間內(nèi)船舶?？看a頭期間，配置的2套超級(jí)電容可提供15 min的全船電力需要；停泊期間，完全關(guān)閉柴油發(fā)電機(jī)組，使全船達(dá)到完全零排放狀態(tài)。單組超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的瞬時(shí)放電功率可以達(dá)到200 kW，充分發(fā)揮了超級(jí)電容的大功率充放電和快速響應(yīng)的優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和電能之間的快速切換。

推進(jìn)系統(tǒng)逆變裝置從直流配電板取電，經(jīng)交流變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)2臺(tái)315 kW推進(jìn)器。

3 超級(jí)電容在直流系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 綠色環(huán)保

為了滿(mǎn)足廈門(mén)400客位輪渡停泊15 min及最大日用負(fù)荷100 kW的需要，儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量應(yīng)不小于25 kWh。

輪渡在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中每個(gè)航次的運(yùn)行時(shí)間約為25 min。在航行過(guò)程中，電網(wǎng)將多余的功率對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電，充電功率約100 kW，只需15 min即可將超級(jí)電容完全充滿(mǎn)。在輪渡抵達(dá)碼頭上下客期間，超級(jí)電容由充電模式自動(dòng)切換為放電模式，向全船用電設(shè)備供電。儲(chǔ)能系統(tǒng)高效的充放電能力能夠保證全船16個(gè)連續(xù)航次日用負(fù)荷及停泊工況的需要。儲(chǔ)能系統(tǒng)選用2組12.5 kWh超級(jí)電容，分別連接到直流母線左右兩側(cè)，具體參數(shù)如下：

標(biāo)稱(chēng)容量12.5 kWh，工作電壓范圍403.2～547.2 V，標(biāo)準(zhǔn)充放電電流240 A，最大充放電電流480 A/(10 s)，最大充放電功率 200 kW/(10s)，浪涌電壓605 V，絕緣性能AC2 500 V/min，循環(huán)壽命單體50 萬(wàn)次，模塊工作使用溫度-25～55 ℃，儲(chǔ)存溫度-30～60 ℃。

在碼頭?？科陂g，發(fā)電機(jī)組完全處于停機(jī)狀態(tài)，超級(jí)電容作為主電源直接向全船供電，避免柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲和尾氣，大大提高了游客的舒適度。同時(shí)在整個(gè)碼頭停泊期間實(shí)現(xiàn)零排放，綠色環(huán)保。

3.2 削峰填谷

系統(tǒng)運(yùn)行期間，超級(jí)電容始終處于在網(wǎng)狀態(tài)。當(dāng)負(fù)荷突然增加時(shí)，直流母線電壓降低，根據(jù)能量管理系統(tǒng)(PMS)控制策略，超級(jí)電容將快速放電承擔(dān)大部分的突加負(fù)荷，此時(shí)超級(jí)電容處于放電狀態(tài)，維持母線電壓穩(wěn)定，發(fā)電機(jī)維持原來(lái)的轉(zhuǎn)速和電壓，不會(huì)產(chǎn)生大的波動(dòng)。當(dāng)負(fù)荷突然減少時(shí)，直流母線電壓升高，根據(jù)PMS控制策略，超級(jí)電容將快速充電吸收機(jī)組多余的功率，發(fā)電機(jī)組維持原來(lái)的轉(zhuǎn)速和電壓，直到電容充滿(mǎn)或者外部負(fù)荷再次增加，超級(jí)電容又將充電模式切換為放電模式。

采用削峰填谷方式可以提高能源利用率，大幅度地減少發(fā)電機(jī)組的頻繁啟停次數(shù)和發(fā)電機(jī)負(fù)荷的頻繁變化，增強(qiáng)整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，讓發(fā)電機(jī)組始終運(yùn)行在最佳的能耗特性曲線附近，有效降低油耗的同時(shí)還能夠延長(zhǎng)發(fā)電機(jī)的使用壽命。

3.3 提高電網(wǎng)質(zhì)量

項(xiàng)目調(diào)試過(guò)程中，通過(guò)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速、功率的突加突卸，分別驗(yàn)證了超級(jí)電容投入電網(wǎng)和不參與并網(wǎng)情況下直流母線電壓的變化情況。

當(dāng)電網(wǎng)中僅有發(fā)電機(jī)組投入運(yùn)行時(shí)，推進(jìn)電機(jī)突然制動(dòng)，由于慣性的原因電機(jī)無(wú)法從額定轉(zhuǎn)速立刻變?yōu)榱?，這個(gè)過(guò)程就存在了一定的能量回饋。如果無(wú)法被及時(shí)吸收，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)母線電壓升高，觸發(fā)相關(guān)電力元器件的保護(hù)動(dòng)作。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖3。

圖3 電機(jī)突卸時(shí)轉(zhuǎn)速、母線電壓曲線(超級(jí)電容不在網(wǎng))

當(dāng)電網(wǎng)中發(fā)電機(jī)組、超級(jí)電容同時(shí)投入運(yùn)行時(shí)，推進(jìn)電機(jī)突然制動(dòng)產(chǎn)生的能量反饋可以快速通過(guò)雙向DC/DC模塊對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電，同時(shí)也維持了整個(gè)母線電壓，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖4。當(dāng)電機(jī)突然加速或者突加負(fù)載時(shí)，母線電壓下降，超級(jí)電容又會(huì)快速向母線放電來(lái)維持母線電壓穩(wěn)定。超級(jí)電容的快速響應(yīng)和大功率充放特性大大提高了整個(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定性，保證了在網(wǎng)電氣設(shè)備安全，同時(shí)增強(qiáng)了整個(gè)系統(tǒng)的抗沖擊能力。

圖4 電機(jī)突加、突卸時(shí)轉(zhuǎn)速、母線電壓曲線(超級(jí)電容在網(wǎng))

3.4 超級(jí)電容安全管理系統(tǒng)

為了充分發(fā)揮超級(jí)電容的作用，同時(shí)保證電網(wǎng)和超級(jí)電容的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，針對(duì)超級(jí)電容系統(tǒng)有一套完整的超級(jí)電容管理系統(tǒng)。

超級(jí)電容管理系統(tǒng)主要由主節(jié)點(diǎn)、子節(jié)點(diǎn)、人機(jī)界面、GPRS/GPS遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊等構(gòu)成，主要任務(wù)是讓超級(jí)電容在安全的環(huán)境條件下穩(wěn)定工作，提供船舶控制系統(tǒng)所需要的各種信息，在出現(xiàn)故障或者異常時(shí)能夠及時(shí)發(fā)出警報(bào)并及時(shí)處理。同時(shí)根據(jù)船舶的運(yùn)行狀態(tài)和電網(wǎng)的實(shí)際需求，決定超級(jí)電容是工作在充電狀態(tài)還是放電狀態(tài)。該系統(tǒng)主要功能包括：電容參數(shù)監(jiān)測(cè)、電容安全狀態(tài)估計(jì)、電容故障報(bào)警、在線故障診斷、電容充電控制、電容自動(dòng)均衡、熱管理。

主節(jié)點(diǎn)：通過(guò)通訊的方式和子節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)交互，可存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)，查看并制作成歷史曲線；可通過(guò)通訊連接人機(jī)界面，監(jiān)視電容的健康狀況。實(shí)時(shí)采集總的電流信息，對(duì)電容系統(tǒng)進(jìn)行電氣保護(hù)；可根據(jù)溫度自動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)扇對(duì)電容系統(tǒng)進(jìn)行散熱。

子節(jié)點(diǎn)用于實(shí)時(shí)采集電容單體電壓，采集精度10 mV；采集模組溫度信息，采集精度1 ℃，測(cè)量范圍：-40～100 ℃；采用通訊的方式和主節(jié)點(diǎn)連接，通過(guò)主節(jié)點(diǎn)均衡命令，當(dāng)壓差大于40 mV時(shí)，子節(jié)點(diǎn)打開(kāi)均衡通道，保證單體電壓的一致。

人機(jī)界面通過(guò)通訊的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，使通訊與主節(jié)點(diǎn)連接，具有子節(jié)點(diǎn)在線診斷、故障記錄、均衡設(shè)定、報(bào)警參數(shù)設(shè)定、停止充電設(shè)定、硬件端口診斷、網(wǎng)絡(luò)診斷等功能 。

4 結(jié)論

(1)提出了船舶直流推進(jìn)系統(tǒng)中采用高能量密度超級(jí)電容的系統(tǒng)拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)，該拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)特別適合船舶脈沖性負(fù)荷和沿江海渡輪上的應(yīng)用。

(2)通過(guò)船舶PMS和電池管理系統(tǒng)(BMS)之間的高效控制，能夠有效控制發(fā)電機(jī)組的啟停和超級(jí)電容的充放電，充分發(fā)揮能量型超級(jí)電容的快速大功率充放電和高壽命循環(huán)周期特性，達(dá)到提高燃油利用率、節(jié)省燃油、減少有害氣體排放的目的。

(3)經(jīng)實(shí)船驗(yàn)證，能量型超級(jí)電容在廈門(mén)400客位輪渡中，起到了削峰填谷、節(jié)能減排、提高電網(wǎng)質(zhì)量的作用，各項(xiàng)指標(biāo)滿(mǎn)足船舶使用需求。