李忠杰

（海軍裝備部裝備項(xiàng)目管理中心，北京 100071）

隨著我國(guó)環(huán)境保護(hù)措施的不斷完善，各行各業(yè)對(duì)環(huán)保的重視和關(guān)注度不斷提高，船舶排放控制區(qū)域正逐步擴(kuò)大，在一定程度上影響了柴油機(jī)等降低傳統(tǒng)船舶使用的環(huán)境污染程度，高耗能設(shè)備的應(yīng)用。船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)能夠借助新型船用清潔燃料，減少船舶動(dòng)力能耗與污染，既能滿足長(zhǎng)期航行和作業(yè)的續(xù)航力需求，又能實(shí)現(xiàn)污染零排放，從而促進(jìn)船舶運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)健、綠色發(fā)展。

1 船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展概況

通過對(duì)船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展過程的研究分析可知，最初始的船舶混動(dòng)系統(tǒng)主要采用柴電混合系統(tǒng)，是20世紀(jì)70年代初期在發(fā)電機(jī)機(jī)組基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，其基本原理架構(gòu)圖,如圖1所示。當(dāng)該類船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)的實(shí)際負(fù)載參數(shù)值較小時(shí)，為了維持柴油機(jī)的最優(yōu)工作狀態(tài)，往往會(huì)使用混合系統(tǒng)的閉合軸帶動(dòng)電機(jī)和齒輪之間的轉(zhuǎn)動(dòng)離合器，促使柴油機(jī)發(fā)出多余的能量，借助其軸帶發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能輸出至交流電系統(tǒng)中，使其供其他負(fù)荷運(yùn)行使用。

圖1 初始船舶混動(dòng)系統(tǒng)原理架構(gòu)圖

當(dāng)在某些工況條件下需要使用電力進(jìn)行復(fù)合推進(jìn)時(shí)，需要借助閉合輔助電機(jī)和軸帶電機(jī)之間的離合器，借助變頻設(shè)備的電力推進(jìn)輔助電機(jī)快速加速至額定轉(zhuǎn)速參數(shù)，帶動(dòng)軸帶電動(dòng)機(jī)快速達(dá)到額定參數(shù)值，以此并入用電網(wǎng)模式，完成整個(gè)啟動(dòng)過程。在借助交流電網(wǎng)完成取電目的后，軸帶電機(jī)快速運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)電動(dòng)功能的變化。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，大功率全控技術(shù)以及模塊結(jié)構(gòu)的設(shè)置，加之?dāng)?shù)據(jù)信息處理器技術(shù)和脈沖調(diào)制技術(shù)等廣泛應(yīng)用，促使船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)得以快速發(fā)展，就以目前廣泛應(yīng)用的基于變頻軸帶的混合動(dòng)力系統(tǒng)為例，整個(gè)系統(tǒng)中的軸帶電機(jī)不再被限制為相對(duì)恒速狀態(tài)，可以使變頻器調(diào)節(jié)得到恒頻和恒壓的交流電，轉(zhuǎn)化為變頻和變壓的參數(shù)信號(hào)，用以調(diào)節(jié)軸帶電動(dòng)機(jī)快速啟動(dòng)，帶電動(dòng)機(jī)能夠在變速條件下快速運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 動(dòng)力方案設(shè)計(jì)

由于運(yùn)輸航船的實(shí)際工況條件復(fù)雜多變，且在不同作業(yè)工況條件下動(dòng)力輸出參數(shù)值通常較大，為了兼顧航船在使用過程中的所有工況特征，需要船舶動(dòng)力系統(tǒng)更具靈活多樣性。因此，為了保證混合動(dòng)力系統(tǒng)的靈敏性，需要使用柴電混合推進(jìn)系統(tǒng)，整個(gè)動(dòng)力裝配,如圖2所示，系統(tǒng)包括柴油機(jī)主機(jī)、輸入輸入和單輸出的齒輪箱及軸帶異步電機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)組等設(shè)備。在運(yùn)行過程中，工況設(shè)計(jì)主要應(yīng)考慮船舶在常規(guī)航行條件下的工況、漁船捕撈使用工況和沿海專項(xiàng)工程工況等。

圖2 動(dòng)力裝配圖

以常規(guī)航行條件下的工況為例，在船只常規(guī)航行過程中，船舶動(dòng)力系統(tǒng)的工作原理,如圖3所示，由圖可知，主電機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)條件下能夠?yàn)榇跋到y(tǒng)的螺旋槳提供相應(yīng)動(dòng)能，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)作為其主供電系統(tǒng)，為整個(gè)船只提供航行所需要的復(fù)合用電，整個(gè)用電設(shè)備包括風(fēng)機(jī)、信號(hào)燈以及船員生活用電等，該條件下，船舶的電動(dòng)液壓泵并不處于工作狀態(tài)，而僅僅為備用電源，為發(fā)電機(jī)提供充足的能量。

圖3 常規(guī)航行工況下動(dòng)力系統(tǒng)工作原理圖

在船舶專項(xiàng)作業(yè)工況條件下，由于作業(yè)條件受特殊地理環(huán)境影響，船舶的動(dòng)力系統(tǒng),如圖4所示。以漁船為例，當(dāng)采用托網(wǎng)方式處理海產(chǎn)品時(shí)，需要保證產(chǎn)區(qū)內(nèi)所有工作人員的生產(chǎn)安全，也需要對(duì)產(chǎn)區(qū)內(nèi)的噪音進(jìn)行一定限制，因此，在專項(xiàng)工作時(shí)，往往采用鋰電池為船只提供動(dòng)力，機(jī)組主設(shè)備并不工作而僅僅作為應(yīng)急動(dòng)力電源備用。在專項(xiàng)作業(yè)過程中，鋰電池組無須為船舶提供動(dòng)力，而是在沿海地區(qū)捕撈海產(chǎn)品的過程中，由于船只的航行速度降低，所需動(dòng)力從而降低，鋰電池的功率重新調(diào)整，其會(huì)為軸帶發(fā)電機(jī)的螺旋槳提供動(dòng)力，會(huì)為船舶運(yùn)行過程中的鋼腳電動(dòng)液壓機(jī)提供電能。

圖4 專項(xiàng)作業(yè)工況下動(dòng)力系統(tǒng)工作原理圖

3 典型架構(gòu)與運(yùn)行模式

近年來,隨著儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)的飛速發(fā)展，基于儲(chǔ)能系統(tǒng)的船舶混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)得以應(yīng)用，其架構(gòu)示意圖，如圖5所示，包括柴油發(fā)電機(jī)、配電柜、主機(jī)結(jié)構(gòu)、發(fā)電機(jī)及齒輪箱控制系統(tǒng)、儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)等。其中，混合動(dòng)力系統(tǒng)的軸變頻器和儲(chǔ)能系統(tǒng)與常規(guī)船舶的動(dòng)力結(jié)構(gòu)相比，具有一定的特殊性，其可以為船只提供更好的能量保障。儲(chǔ)能系統(tǒng)由電池和超級(jí)電容器結(jié)構(gòu)組成，通過雙向的DC設(shè)備連接到船舶的電網(wǎng)體系中，從而具備智能放電和智能充電的功能，且能夠快速響應(yīng)船舶的電能變化需求。電能管理模塊是在綜合考慮不同子模塊特征下，滿足國(guó)家現(xiàn)行法律法規(guī)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求的應(yīng)用模式。在加入儲(chǔ)能系統(tǒng)后，混合動(dòng)力船舶能夠在不同的工作模式中，通過對(duì)電能管理信息系統(tǒng)的智能化控制，實(shí)現(xiàn)電能管理過程和船只變化的高效率匹配，利用儲(chǔ)能系統(tǒng)快速調(diào)整突發(fā)參數(shù)變量，以保證船舶在后續(xù)負(fù)荷較多時(shí)為主機(jī)和柴發(fā)機(jī)組的平穩(wěn)運(yùn)行節(jié)省能量，從而有效降低船舶運(yùn)行成本。

圖5 基于儲(chǔ)能系統(tǒng)的船舶混合動(dòng)力架構(gòu)示意如圖

4 多能源系統(tǒng)的能量管理策略

在船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用的過程中，多能源系統(tǒng)的能量管理主要包括基于規(guī)則的能量管理策略和基于優(yōu)化的能量管理策略。一般來說，基于規(guī)則的能量管理策略，在混合動(dòng)力船舶中的應(yīng)用更加普遍，常見的能量管理模式包括恒溫器管理模式和功率跟隨管理模式。恒溫器管理模式，主要是通過對(duì)管理閾值的設(shè)置，以蓄電池的狀態(tài)結(jié)構(gòu)作為其能量管理的依據(jù)，當(dāng)蓄電池的能量充足時(shí)，超過蓄電池閾值最高點(diǎn)，則關(guān)閉發(fā)電機(jī)，依靠蓄電池的電能推動(dòng)船舶繼續(xù)前行；當(dāng)蓄電池的能量不足，也就是低于蓄電池的閾值低點(diǎn)時(shí)，則啟動(dòng)發(fā)電機(jī)，控制發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)，對(duì)輸入和輸出恒定功率進(jìn)行合理調(diào)整，并借助剩余的功率為儲(chǔ)蓄電池充電。功率跟隨能量管理策略是在設(shè)置蓄電池閾值時(shí)，調(diào)整主機(jī)輸出功率上限值和下限值，借助恒溫器的能量管理策略，限定主機(jī)的實(shí)際輸出功率，允許主機(jī)在輸出功率后，使燃油經(jīng)濟(jì)性在較高的范圍內(nèi)波動(dòng)。當(dāng)蓄電池的能量值高于閾值最高點(diǎn)時(shí)，則允許主機(jī)調(diào)整相應(yīng)的輸出功率，將輸出功率調(diào)整為較小值，而不是直接關(guān)閉主機(jī)，以此減少主機(jī)在運(yùn)行過程中的開啟和關(guān)閉次數(shù)，從而提高能量的利用率。

5 結(jié)語

本文在研究船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展概況的基礎(chǔ)上，深入分析了船舶動(dòng)力方案設(shè)計(jì)和典型架構(gòu)、運(yùn)行模式等，最后針對(duì)性地提出了船舶混動(dòng)系統(tǒng)這一多能源系統(tǒng)的能量管理策略，認(rèn)為能夠從基于規(guī)則的能量管理和基于優(yōu)化的能量管理策略出發(fā)，對(duì)船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)的用能過程進(jìn)行優(yōu)化，以更好地促進(jìn)我國(guó)船舶運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)的高效率、綠色可持續(xù)發(fā)展。