船舶混合动力系统的发展与应用

2019-03-06 07:36
船舶 2019年1期
关键词:储能混合动力

黄 兴 石 磊 卫 卫

(1.海军驻上海地区电子设备军事代表室 上海201108;2.海军驻上海七一一所军事代表室 上海201108;3.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011)

引 言

随着对海洋环境的重视及全球海洋战略的深入推进,排放法规日趋严格,如何推进船舶的节能减排已迫在眉睫。节约船舶航行成本、减少船舶排放和降低其对于不可再生能源的依赖一直以来是船舶发展的重要研究热点。随着电池技术的不断进步及电力电子技术的飞速发展,新型现代混合动力船舶成为解决节能减排问题的热门方向[1-2]。

混合动力船舶是指配备了两种或两种以上动力源的船舶。新型现代混合动力船舶不同于古代风帆与人力混合驱动以及近代风帆与蒸汽轮机共同驱动,它是通过传动装置耦合柴油机(气体机)与电机来驱动,或者具有一种以上电力来源(如柴油机发电、气体机发电、燃料电池、太阳能、风电、锂电池、超级电容等)的电动机来驱动[3]。混合动力船舶具有节约不可再生能源消耗,提高航运经济性,减少废气排放和机械振动,适应多工况运行的特点[4]。目前,混合动力推进已在作业船、渡船、拖船、大型游轮、近海钻井平台以及军事舰船等领域进行广泛应用[5]。

1 船用混合动力系统发展历程

最早的船用柴电混合动力系统是在20世纪70年代出现的轴带发电机基础上发展而来[6],其原理图如图1所示。当负载较小时,为维持推进柴油机最优工作工况,通过闭合轴带电机与齿轮箱之间的离合器,将推进柴油机发出的多余能量通过轴带发电机转成电能输出至交流电网中,供其他负载使用;当在某些工况下需要使用电力推进负载时,闭合辅助电机(Pony-motor)与轴带电机之间的离合器,通过辅助变频器带动Pony-motor加速至额定转速,从而带动轴带电机加速至额定转速,再并入船用电网,完成一个启动过程,然后再从交流电网取电供轴带电机使用,实现轴带电机的电动功能。这是最早的柴电混合动力系统,其优势在于船舶低速航行时节能,但仅限于具有可调桨,目前我国航行于渤海海峡和近海的滚装客船多属于这种类型[7]。该系统的缺点在于轴带电机本身不可调速,需利用齿轮箱和可调桨等机械装置进行速度调节,当负载转速与额定转速差异较大时,机械变速装置的容量将受到限制,故其应用范围也受到制约[8]。

图1 基于常规轴带发电的船舶混合动力系统

20世纪90年代后期,随着大功率全控型器件及模块的出现,数字信号处理器的广泛应用和脉宽调制技术的迅速提高,使混合动力系统也有了很大进步,产生了基于变频轴带的混合动力系统,如下页图2所示。该系统中的轴带电机不再被限制在相对恒速状态,而是采用变频器调节将恒频恒压的交流电压转化成变频变压信号用于调节轴带电机转速,使轴带电机可以在变速状态下运转。对于装有定距桨的船只,航速通过螺旋桨转速调节,无法使用基于常规轴带的混合动力系统,但采用基于变频轴带的混合动力系统则可以通过轴带电机的转速控制来实现与主机联合推进的形式,从而实现经济环保的运行模式[9]。同时对于配定距桨的轴带发电工况,由于变频装置可实现变速恒频的控制功能,轴带电机也可工作在变速状态,从而系统也适用于定距桨轴系。该混合动力系统的特点即为适用性广,能有效降低燃油滑油成本,减少维护成本等。在国内基于变频轴带的混合动力系统被广泛使用,如粤海铁火车渡轮、5 000吨级公务船、海港711拖轮等均采用该混合动力系统。

图2 基于变频轴带的船舶混合动力系统

近几年来,随着电池技术的飞速发展以及节能减排政策的需求,混合动力船舶的发展也产生一些变革,基于储能系统的船舶混合动力系统应运而生(如图3所示)。该混合动力系统采用共直流母排及一机双桨模式,当船舶正常运行时,采用主机推进螺旋桨工作,使主机工作在最佳能耗点;当船舶拐弯时,左推进制动、右推进加速,左推进的制动能量通过轴带系统回馈至直流母排,通过直流母排将多余的能量提供给右推进的轴带系统用来补充右推进加速所需的能量;当船舶制动时,左右两侧推进的能量均回馈至直流母排,储能系统将多余的能量储存起来;当船舶工况突变时,储能系统可以快速提供或吸收推进能量,防止负载扰动对推进系统的影响;当船舶低工况运行时,关闭主机,直接采用轴带电机推进,可以有效节约能源,提高主机的运行效率[10]。

图3 基于储能系统的船舶混合动力系统

对比混合电动汽车发展的三个类型串联式、并联式及混联式[3],如下页图4所示,基于储能系统的船舶混合动力系统工作形式与混合电动车中最具优势的混联式原理基本一致,混联式的优势在于集合了串联式和并联式的优点,起步和低速段采用纯电动和串联模式,充分利用串联的优点;在经济时速段采用发动机直接驱动模式,没有电能转换损失和传动损失,发动机工作在最佳工作区,效率高;在恶劣海况等特殊工况下,采用混合驱动模式,在保证动力性的同时兼顾系统效率[11-13]。

图4 混合动力电动车分类

与电动汽车下一步全面纯电动的发展趋势不同,船舶行业由于其续航力及运行安全性要求,短期内不可能完全放弃石化能源,最大限度提高石化能源利用率,减少排放才是船舶行业的发展方向。因此基于储能系统的船舶混合动力系统是目前为止最具优势和潜力的船舶动力系统形式,兼具动态性能优、驱动性强与节能佳等优势,符合船舶运行的各种需求,是未来船舶发展的趋势之一。

2 混合动力系统的典型构架及运行模式

基于储能系统的混合动力船舶的典型构架如图5所示,包括柴油发电机组、配电柜、主机、轴带发电机、齿轮箱、轴带变频器及其控制系统、储能系统(电池组或超级电容组及其控制系统)和电能管理系统等,其中混合动力系统中的轴带变频器、储能系统及电能管理系统与常规船舶相比具备一定的特殊性。

图5 基于储能系统的混合动力船典型构架(PTI模式)

轴带变频器能在变速情况下提升直流电压,同时满足怠速-额定速度范围内均能持续稳定输出功率,具备与电网长期并网的功能,并在发生短路故障时维持持续短路电流支持系统选择性保护。

储能系统由电池或超级电容组成,通过双向DC等设备连接至电网中,具备智能充放电管理功能,并能快速动态响应。

电能管理系统需综合考虑各子系统的特点以及相关国家的法律要求,例如:电动机响应快,低速时输出扭矩大;主机响应慢,最佳工作点耗油低;储能系统响应快,便于快速吸收和释放能量;某些情况下要求系统静音、零排放工作,从节能和电网安全方面提出相关控制策略。[14]

混合动力船舶的运行工作模式有三种:PTO(Power take off)、PTI(Power take in) 和 PTH(Power take me home)。其中,PTO是指轴发自主机轴获取功率向船舶电网输出的模式,即发电机模式,这是轴发的基本工作模式。PTI是指轴发由船舶电网获取功率向主机轴输入的模式,即电动机模式。此种模式下,自船舶电网获取的功率将用于推进,通常是指轴发电机协助主机推进。PTH是PTI的一种特殊形式。在该模式下,主机处于故障或失效状态,轴发代替主机来推进。由于轴发通常功率较小,因此PTH模式下,推进功率不足以保证船舶正常航行,只能维持把船慢慢“带回家”的水平。

加入储能系统的混合动力船舶,在上述三种工作模式中,还将通过电能管理系统的控制,在负载发生变化时,利用储能系统动态吸收船舶运行过程中突变的能量,以保证主机和柴发机组的平稳运行。

3 储能系统在混合动力船舶中的优势

储能系统引入到船舶中,能有效解决船舶运行过程中频繁的负载扰动给推进系统性能带来的重大影响[15]。同时,储能系统的加入能提高燃油效率、降低排放、优化操纵性能。储能系统在混合动力船舶中,一般通过以下三个方面来体现其优势:

首先,如图6所示为某台内燃机的万有特性曲线。从图中可以看出,内燃机的高效工作区间比较狭窄,通常只局限于额定转速附近区间、中高负荷的狭小范围。而在船舶正常运行过程中,柴油机常在低负荷区域运转,当加速、减速或

者恶劣海况时,动态油耗会进一步升高,因此整体运行效率就比较低。储能系统起到了“削峰填谷”的作用。当发动机最优工作功率高于负载需求功率时,多余功率通过电机转化为电能存储于储能设备中;反之,则使用储能设备中存储的电能驱动电机,与内燃机共同驱动螺旋桨。于是,内燃机便可在更多情况下工作在最优或接近最优的区间。

图6 内燃机万有特性曲线

其次,由于储能系统中存有能量,可以支持负载在短时间内脱离内燃机独立工作,在有极端要求时对动力进行补充,因此在港口、码头或其他有特殊要求的水域,可以只用储能系统进行推进,关掉内燃机、静音运行、实现零排放,从而为混合动力系统配备提供更多的可能性。图7为Foss Maritime SoCal公司从某拖轮实船获取的工作工况记录,从图中可以看出,拖轮大部分时间工作在20%负载以下,而常规的工作设定点是在80%负荷附近。引入储能系统后,通过储能系统、柴发机组以及主机的配合,可以设定多个工作点(如图7中绿圈所示),在这几个工作点均具有较优的能耗水平。

图7 典型拖轮工作工况

除此之外,储能系统的存在还可以实现能量回收,从而快速制动,缩短船舶制动距离。当船舶降速制动时,不像传统船舶无法回收多余能量只能依靠惯性停船,也不像电力推进船舶中通过添加制动单元来消耗制动产生的多余能量,混合动力船舶由于储能系统的存在,可以实现快速降速,多余的机械能通过能量回馈存储在储能系统中,在提升船舶操纵性的同时,有效回收能量。[17]

4 混合动力船舶中储能系统的技术方向及技术要点

混合动力船舶中的储能系统与混合动力汽车及大电站的储能系统都有很大区别,具有大功率、大容量且波动性较强的特点,同时对于体积质量需要严格控制。[18]

目前混合动力船舶中应用的储能系统主要以锂电池或蓄电池为代表的能量型储能和以超级电容为代表的功率型储能两种方式。由于单一的能量型或功率型储能系统均无法兼顾混合动力船舶电力系统中瞬时大功率需求及持续稳定工况用电需求,目前研究方向逐步趋向于采用锂电池/超级电容混合储能系统,核心问题是解决储能系统的容量优化配置和协调控制等。

4.1 容量优化配置问题

为满足船舶电网需求,同时满足体积质量成本等限制,如何协调配置能量型与功率型储能元件的优化配置问题就显得至关重要。目前的研究通常从不同运行模式下的容量优化配置和不同优化策略下的容量优化配置两方面进行研究与考虑。

不同运行模式下的容量优化配置,主要是从离网运行和并网运行两个角度开展。离网条件即纯电池船舶主要考虑的是船舶电网中发电负荷平衡,大多以负荷缺电率为约束而展开计算与研究,降低了对于能量溢出的关注。并网条件即混合动力船舶主要从经济性和抑制功率波动两个方面进行优化,主要考虑储能系统与主供电的能量流动,及电网中各单元相互间的能量流动。

不同优化策略下的容量优化配置,主要从优化目标和优化方法两个方面展开。针对优化目标主要分为单目标优化和多目标优化,比如是以单一价格最优进行优化,还是兼顾价格、体积、质量、最大充放电能力作为目标优化。针对优化方法问题的研究主要包括以下几种优化方法:迭代法、解析法和智能优化算法等。

4.2 协调运行控制技术

储能系统的协调运行控制技术包括两方面,一方面是能量型与功率型储能系统的匹配控制环节,另一方面是变流设备的运行控制环节。

针对能量型和功率型储能系统的匹配控制其核心为短时间尺度的功率分配,通常分为两类:一是基于低通滤波的协调控制策略,该策略是根据储能介质响应特性的不同来进行功率分配,即先将经过低通滤波后的实时功率值根据响应频段来分配,再根据储能介质的剩余电量进行分配功率的修正。二是基于滑动平均的协调控制策略。该策略是通过调节滑动平均算法的滑动平均窗口宽度或加权系数,达到平滑输出的目的。

变流设备作为储能系统在电网中提供能量支撑和抑制能量波动的核心设备,其与储能系统的匹配运行控制程度对整个船舶电网的暂态稳态特性都有直接影响。目前,储能系统变流设备的控制算法主要有线性PID控制、重复控制、自适应控制和智能控制。[19]

5 混合动力船舶的应用

国外(尤其是欧洲)的船舶技术相对比较先进,环保理念也更超前,基于储能系统的混合动力船舶发展和应用较早[16],世界上第一艘混合动力拖轮“Carolyn Dorothy”号混合动力拖轮于2009年11月交船,实船图如下页图8所示。其船长23.77 m、船宽10.36 m,服务于美国长滩和洛杉矶港,主动力为2台Cummins QSK50柴油机,每台额定功率1 342 kW+2台Cummins QSM11型柴油发电机组,每台额定功率300 kW;配备了两组0.5 MW h(总计1 MW h)的铅酸电池;该船拥有 5 000 hp(1 hp= 0.735 kW) 的强劲动力,具有绿色环保,低噪声航行等优越性能。

2013年,一艘当时最大的混合动力渡船在德国与丹麦两国之间交付,实船图如图9所示。该船长142 m、宽25.4 m、船速为18.5 kn、设计载客数为1 140人,载车354辆。主动力配置了4台Mak的8M32主机+1台MAN的6L32/44CR主机,总功率达17 440 kW;总共配置了2.6 MW h的三元锂电池。采用基于锂电池的混合动力系统后,大幅度提高了发动机效率,从而减少温室气体排放量,降低维护成本且大幅度降低燃料成本。

2015年2月,在荷兰交付了一条配备有1 MW h三元锂电池的混合动力豪华游艇“Savannah”(萨凡纳)号,参见图10。该船长83.5 m、宽12.5 m,可以搭载10名乘客+26名船员。主动力配置了1台瓦锡兰 9L20柴油机,额定功率1 800 kW +1台卡特彼勒C32型柴油发电机组+2台卡特彼勒C18型柴油发电机组。这样的混合动力不仅可节省30%燃料使用,且操纵更为灵活,乘客也感觉更舒适。

图8 “Carolyn Dorothy”号混合动力拖轮

图9 “Prinsesse Benedikte”号渡轮

图10 “Savannah”号混合动力游艇

2017年,挪威在首艘采用电池混合动力的近海平台补给船“Viking Princess”号上已经完成了一种混合能源系统的安装(参见下页图11),这是世界上第一艘配备电池技术的海上船只。船上原本装有4台LNG发动机,经改装后,储能系统取代了其中一台发动机,不仅能提供需要的功率,而且工作性能更为稳定,每年能实现CO2减排13%~18%。

国内的混合动力船舶以基于变频轴发的混合动力系统为主,如由中船重工七一一所提供动力系统集成的粤海铁火车渡轮、5 000吨级公务船、12 500载重吨MPV船、“海港711”拖轮等。以2016年末交付的12 500载重吨级多用途重吊船为例(参见图12),该船首次装载了混合轴带系统,包括500 kW轴带变频及轴带发电机,是目前重吊领域最先进的环保节能型船舶。而“海港711”拖轮,则采用双机双桨配置,配备两套轴带混动系统,可工作于PTO 、PTI两种模式,有效提升动力系统灵活性,降低船舶能耗。通过应用混合动力系统,船舶可以有效提高燃油效率、降低燃油滑油成本、减少维护成本。

随着电池技术的发展及环保法规的日益严格,国内也开始研究应用基于储能系统的混合动力系统。2018年7月,首艘入级CCS的电池混合动力游船——“寰岛云帆”号在太湖顺利通过试航,如图13所示。该船为钢制双体船型,总长22.51 m、型宽9.0 m、型深2.45 m,最大航速9.3 kn,载客80人。该船为满足三亚海域抗台风时需要具有自持力持续航行至避风港,以及在异地避风期间不能停靠码头充电的特殊需求,量身定制了纯电池、油电及电池/油电混合动力三种模式系统,可满足全年所有情况的使用要求。

图11 “Viking Princess”号近海平台补给船

图12 12 500载重吨级多用途重吊船

图13 “寰岛云帆”号游船

以电池等储能系统为动力的推进系统,在国外已广泛应用于小型船舶的设计,而在国内尚处于起步阶段,需快速跟进与发展。大型船舶的混合动力解决方案国外目前也尚属空白,因此在发展小型船舶的混合动力推进系统同时,加强大型船舶的混合动力解决能力,是现今国内各大船舶设计院、科研机构、集成商需要努力与改进的方向。

6 结 语

基于储能技术的混合动力船舶是目前最具优势与潜力的动力系统形式,适用于多种船舶类型,在国外已经发展得较为成熟,而国内尚处于起步阶段。预计2020年后,国内混合动力船数量将显著增长,并主要应用在港作拖轮、海工支持船及渡轮等;至2025年,新建造的商船中将会有很大一部分采取混合动力。混合动力船的优势包括冗余电力、减少噪声和振动以及减少在港口和沿海居住区的排放量,这也正是未来船舶的发展方向之一。

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