能量型超级电容在直流电推系统中的应用

吴泽奇，李良乾，李 威，罗晓园

(中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海 200090)

0 引言

为促进绿色航运发展和船舶节能减排，利用超级电容储能单元的大功率充放电特性来补偿船舶电力推进系统运行过程的大功率波动，维持系统和电网的稳定性，打造绿色环保、节能高效的新型船舶将是未来船舶推进技术发展的主要方向。

目前，能量型超级电容储能系统广泛应用于微电网、分布式能源发电、输配电等电力系统中，特别是在冲击负荷、大功率装置领域已经有着较为成熟的运用。能量型超级电容储能系统应用在船舶上，将提高船舶运行时系统的稳定性、安全性和经济性，对船舶动力系统的发展具有深远的意义。

本文结合厦门400客位轮渡，对能量型超级电容储能系统在直流电推系统中的应用进行研究。

1 超级电容的主要性能

超级电容根据原理不同主要分为双电层超级电容器和能量型超级电容器。两者性能对比见表1。

表1 传统双电层电容器和高能量超级电容器性能对比

传统双电层超级电容器在能量密度、安全性等方面存在缺点，因而不适合在船舶上作为储能系统大范围运用。能量型超级电容具有良好的充电特性曲线和优异的倍率放电性能。根据线性充放曲线能够计算整个储能系统的锂电池的荷电状态(SOC)，其优异的倍率性能适合大功率充放。超级电容在不同放电电流和电压下测得的特性曲线分别见图1和图2。

图1 不同电流下的放电曲线

图2 不同电压下的放电曲线

能量型超级电容的主要优点如下：

(1)高功率密度，超级电容的内阻小，输出功率密度高，是一般蓄电池的数十倍。

(2)使用寿命长，具有50万次以上的循环充放电寿命。

(3)快速充放电能力强，可以实现大电流充放电，充电时间短。

(4)线性充放曲线能够精确地监测电容的实际电量。

(5)宽范围的工作温度，能在-40～60 ℃的环境温度中正常工作。

(6)安全性、可靠性高。

(7)绿色环保，生产过程中不使用重金属和其他有害化学物质，且自身寿命较长，是一种新型的绿色环保电源。

2 基于超级电容的直流电推系统

船舶直流电网主要由直流母线、整流模块、逆变模块、储能模块构成。整流模块将发电机的交流电转换为直流电，然后通过逆变模块向推进电机和其他用电设备提供动力。储能模块由储能元件和DC-DC变换器组成，其中：储能元件提供或者吸收电网中的能量，双向DC-DC变换器使得能量双向流动。直流母线实现了各个模块中能量的传递。

以厦门400客位轮渡为例，全船采用直流组网形式并配有2台超级电容，实现船舶在港零排放，使得该船舶动力系统具有高可靠性与冗余度。动力系统包括供电系统、配电系统、推进系统。

供电系统配备2套450 kW柴油发电机组，提供440 V 3 PH 60 Hz交流电源，整流后并入直流电网，通过1座直流配电板给2套315 kW推进器和2套100 kW日用电逆变装置为全船提供电能。单台日用电逆变装置能够满足全船用电负荷需求。2套日用逆变器互为备用，输出400 V 3 PH 50 Hz交流电，经AC400 V/230 V负载馈电屏分配给全船用电设备。逆变电源馈电开关和岸电开关之间设置联锁。运营时，停靠码头上下客期间由超级电容为全船供电；非运营期间，船舶停靠码头由码头岸电为全船提供用电。配电系统具备船舶自动电站的功能，根据实际负荷自动选择投入电网机组的数量和超级电容的充放电状态。发电机组、能量型超级电容、直流配电板和推进电机的运行状态均可在集控室监控。

另外，厦门400客位轮渡配置2套12.5 kWh超级电容作为储能系统。储能系统在航行期间配合柴油发电机组的工作特性，通过削峰填谷方式，可改善柴油机组的燃烧特性，达到节能降噪的效果。并且，在营运时间内船舶停靠码头期间，配置的2套超级电容可提供15 min的全船电力需要；停泊期间，完全关闭柴油发电机组，使全船达到完全零排放状态。单组超级电容储能系统的瞬时放电功率可以达到200 kW，充分发挥了超级电容的大功率充放电和快速响应的优势，促进了整个系统的稳定运行和电能之间的快速切换。

推进系统逆变装置从直流配电板取电，经交流变频电机驱动2台315 kW推进器。

3 超级电容在直流系统中的应用

3.1 绿色环保

为了满足厦门400客位轮渡停泊15 min及最大日用负荷100 kW的需要，储能系统的容量应不小于25 kWh。

轮渡在运营过程中每个航次的运行时间约为25 min。在航行过程中，电网将多余的功率对超级电容进行充电，充电功率约100 kW，只需15 min即可将超级电容完全充满。在轮渡抵达码头上下客期间，超级电容由充电模式自动切换为放电模式，向全船用电设备供电。储能系统高效的充放电能力能够保证全船16个连续航次日用负荷及停泊工况的需要。储能系统选用2组12.5 kWh超级电容，分别连接到直流母线左右两侧，具体参数如下：

标称容量12.5 kWh，工作电压范围403.2～547.2 V，标准充放电电流240 A，最大充放电电流480 A/(10 s)，最大充放电功率 200 kW/(10s)，浪涌电压605 V，绝缘性能AC2 500 V/min，循环寿命单体50 万次，模块工作使用温度-25～55 ℃，储存温度-30～60 ℃。

在码头停靠期间，发电机组完全处于停机状态，超级电容作为主电源直接向全船供电，避免柴油发电机组运行过程中产生的噪声和尾气，大大提高了游客的舒适度。同时在整个码头停泊期间实现零排放，绿色环保。

3.2 削峰填谷

系统运行期间，超级电容始终处于在网状态。当负荷突然增加时，直流母线电压降低，根据能量管理系统(PMS)控制策略，超级电容将快速放电承担大部分的突加负荷，此时超级电容处于放电状态，维持母线电压稳定，发电机维持原来的转速和电压，不会产生大的波动。当负荷突然减少时，直流母线电压升高，根据PMS控制策略，超级电容将快速充电吸收机组多余的功率，发电机组维持原来的转速和电压，直到电容充满或者外部负荷再次增加，超级电容又将充电模式切换为放电模式。

采用削峰填谷方式可以提高能源利用率，大幅度地减少发电机组的频繁启停次数和发电机负荷的频繁变化，增强整个电力系统的稳定性，让发电机组始终运行在最佳的能耗特性曲线附近，有效降低油耗的同时还能够延长发电机的使用寿命。

3.3 提高电网质量

项目调试过程中，通过对电机转速、功率的突加突卸，分别验证了超级电容投入电网和不参与并网情况下直流母线电压的变化情况。

当电网中仅有发电机组投入运行时，推进电机突然制动，由于惯性的原因电机无法从额定转速立刻变为零，这个过程就存在了一定的能量回馈。如果无法被及时吸收，就会导致整个母线电压升高，触发相关电力元器件的保护动作。实验数据见图3。

图3 电机突卸时转速、母线电压曲线(超级电容不在网)

当电网中发电机组、超级电容同时投入运行时，推进电机突然制动产生的能量反馈可以快速通过双向DC/DC模块对超级电容进行充电，同时也维持了整个母线电压，实验数据见图4。当电机突然加速或者突加负载时，母线电压下降，超级电容又会快速向母线放电来维持母线电压稳定。超级电容的快速响应和大功率充放特性大大提高了整个电网的稳定性，保证了在网电气设备安全，同时增强了整个系统的抗冲击能力。

图4 电机突加、突卸时转速、母线电压曲线(超级电容在网)

3.4 超级电容安全管理系统

为了充分发挥超级电容的作用，同时保证电网和超级电容的安全、稳定运行，针对超级电容系统有一套完整的超级电容管理系统。

超级电容管理系统主要由主节点、子节点、人机界面、GPRS/GPS远程监控模块等构成，主要任务是让超级电容在安全的环境条件下稳定工作，提供船舶控制系统所需要的各种信息，在出现故障或者异常时能够及时发出警报并及时处理。同时根据船舶的运行状态和电网的实际需求，决定超级电容是工作在充电状态还是放电状态。该系统主要功能包括：电容参数监测、电容安全状态估计、电容故障报警、在线故障诊断、电容充电控制、电容自动均衡、热管理。

主节点：通过通讯的方式和子节点完成数据交互，可存储历史数据，查看并制作成历史曲线；可通过通讯连接人机界面，监视电容的健康状况。实时采集总的电流信息，对电容系统进行电气保护；可根据温度自动启动风扇对电容系统进行散热。

子节点用于实时采集电容单体电压，采集精度10 mV；采集模组温度信息，采集精度1 ℃，测量范围：-40～100 ℃；采用通讯的方式和主节点连接，通过主节点均衡命令，当压差大于40 mV时，子节点打开均衡通道，保证单体电压的一致。

人机界面通过通讯的方式进行数据交换，使通讯与主节点连接，具有子节点在线诊断、故障记录、均衡设定、报警参数设定、停止充电设定、硬件端口诊断、网络诊断等功能 。

4 结论

(1)提出了船舶直流推进系统中采用高能量密度超级电容的系统拓补结构，该拓补结构特别适合船舶脉冲性负荷和沿江海渡轮上的应用。

(2)通过船舶PMS和电池管理系统(BMS)之间的高效控制，能够有效控制发电机组的启停和超级电容的充放电，充分发挥能量型超级电容的快速大功率充放电和高寿命循环周期特性，达到提高燃油利用率、节省燃油、减少有害气体排放的目的。

(3)经实船验证，能量型超级电容在厦门400客位轮渡中，起到了削峰填谷、节能减排、提高电网质量的作用，各项指标满足船舶使用需求。