移动式船用一体化离网储能电源的设计及实现

张泽宇，王帮奇

移动式船用一体化离网储能电源的设计及实现

张泽宇，王帮奇

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

本文设计了一种移动式船用一体化离网储能电源（船电宝），船电宝主要用于为船舶提供供电服务，既可为船舶日用负荷供电，也可很方便地在充电站补充电能或者采用船上的发电机组充电，船电宝具有集成度高、智能化、双向供电充电等特点。本文介绍船电宝的组成以及各模块的设计与功能实现。该设备的成功研制及其在某内河船上船测试表明，该设备对于长江等内河经济带的环境保护具有积极的作用。

船舶逆变电源锂电池

0 引言

随着内河、湖泊、港口等领域排放要求的不断提升，部分内河湖泊生态保护区、内河港口、航运闸口的通过地，对排放也有了更高的要求。为满足该要求，船舶会采用混合动力系统。但部分已经运营的船舶，改换装经济性较低且由于船舶结构等问题，无法进行改换装，因此，采用移动式船用一体化离网储能电源（俗称船电宝）为停靠在江心锚地船舶提供供电服务。船电宝通过逆变器将其储能系统电能转换为3AC380V电力。系统采用一体化设计，既能实现电源即插即充，又能实现负载即插即用。船电宝在充电站设置有专用充电装置，充满电后集中放置，再运送上船。

1 船电宝的设计

船电宝主要由储能系统、双向变流器、控制系统组成。

一方面船电宝具有充电功能，船电宝可使用3AC380V（岸电或发电机组）充电，当充电时，船电宝应能具有电系统、变流器的保护功能。

另一方面，船电宝具有供电功能，其可为3AC380V船用日用负载供电，最大输出能力50 kW，具备过载、短路、过温、自检等保护功能。船电宝的输出电压幅值、频率、谐波必须满足相应要求，根据CCS规范对船舶电气设备工作条件的要求，供电的输出电压总谐波畸变率（THDv）应当小于5%，供电的输出电压和频率波动满足下表要求：

表1 供电的输出电压和频率要求

同时，船电宝的控制系统对电池系统、变流器进行控制，并具有以下功能：

1）人机监测功能，可以在人机界面上动态实时监测锂电池、逆变器的运行状态等，同时可以在线修改充电设置；

2）报警功能：对锂电池、逆变器进行动态实时故障报警监测，并对故障进行相应的处理；

3）页面显示：含参数页、报警页，弹出当前的报警信息小窗口。

船电宝主要由储能系统、双向变流器、控制系统组成，下面对其主要组成部分进行介绍。

1.1 储能系统

储能系统主要包括电池和控制系统，根据目前技术现状和发展趋势，船用电池主要有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池四种类型[1]，各种电池的特点如下：

1）铅酸电池：低温性能差，现有的生产维护设备完善，回收利用率高；

2）镍镉电池：生产维护设备完善，高温性能差，回收困难且费用高，重金属有害；

3）镍氢电池：高温时电压特性软，自放电率高，需要散热系统，制造成本高[2]；

4）锂离子电池：高温时周期寿命下降，严格禁止过充过放，安全性要求很高。

实际应用中，铅酸蓄电池和锂离子电池使用最为广泛，铅酸蓄电池的比能量较低，使用寿命较短，在船舶领域正在逐步被锂离子电池所取代。

目前船用锂离子电池主要为磷酸铁锂电池，电池系统在大容量电池组在船舶上的应用，应该以提高安全性为主，不必过多追求高能量密度。该动力电池主要包含锂电池和电池管理系统（BMS），电池系统采用单体90 Ah的电芯，由3个电池箱和1个高压箱组成，具体参数如下：

电池箱由60个磷酸铁锂90 Ah的电芯串联而成，额定电压192 V，额定能量20 kWh，电池箱内部设计有灭火防护模块，如果电池发生热失控的情况下可以起到阻燃的作用。

图1 电池包外形图

电池系统包含一套电池管理系统，电池管理系统采用分层级构架，BMS可实现以下功能：具备系统上电自检功能，充电、放电、温度、电流等多重保护功能，管理整个充放电过程功能，电池组总电压、总电流、温度、单体电池电压等测量功能，电池组及各单体电池SOC等功能，电池系统相关运行信息存储记录功能，全系统RS485或CAN总线通讯功能。

1.2 双向变流器

双向变流器具有两方面作用，一方面其作为储能系统的充电装置，一方面作为逆变电源为船舶交流负荷供电。当作为储能系统的充电装置时，其作为有源整流装置，将岸电或发电机组的3AC380V整流为直流电，并根据储能系统的要求，控制输出电压的幅值和电流为储能系统充电。当作为逆变电源时，变流器将直流电逆变成三相交流后通过隔离变压器向交流负荷供电，此时电源品质良好，满足全船日用负荷的需求，逆变电源能满足CCS规范对日用负荷供电品质的要求，具有直流母线欠压、输出短路、过载、过流、三相输出不平衡等保护功能。

在三相逆变器拓扑中，应用最广的是三相桥式逆变器，如图2所示，三相桥式逆变拓扑由三个相臂组成，具有拓扑结构简洁、所用功率器件少等优点[3]。由于功率模块容量限制，采用单个功率模块构成的逆变电源功率有限，为提高逆变电源容量，通过模块直接并联或逆变单元并联可提高整机输出功率，以及提高输入输出电压等级。

图2 三相桥式逆变拓扑

若要求逆变电源具有并网功能，可以采用L型滤波器，也可以采用LCL型滤波器。L型滤波器不存在谐振点，因此逆变电源在控制算法上相对简单，但是滤波效果相对较差，通常需要较大的滤波电感才能获得低谐波的输出电流，若交流电网短路容量较小，采用L型滤波电感的逆变电源容易引起并网侧电压畸变[4]。LCL型滤波器滤波效果相对较好，但是由于存在谐振点，在控制算法的实现上相对不易。对于不需要并网工作的逆变电源，通常采用LC型滤波器。

在Matlab中搭建了双向逆变器的模型，并对其进行了验证，验证证明，该双向逆变器可满足技术要求，既可作为有源整流装置为储能系统进行充电，又可作为逆变电源为日用负荷供电。

图3 双向逆变器模型

1.3 控制系统

控制系统管理船电宝各种模式的切换，包括充电模式、放电模式、待机模式的切换和各信号状态的采集。

充电模式：在充电站（码头或供电趸船上），通过3AC380V交流充电；

放电模式：在船舶上，为船舶的3AC380V日用负荷供电；

待机模式：船电宝既没充电，也没放电，处于充电和放电模式的中间状态。

图4 船电宝切换模式

1）充电到待机

在充电站充满电后，通过船电宝上的开关机按钮停止充电，断开外部充电设备开关，将充放电一体插座脱开船电宝，此时船电宝进入待机状态。

2）待机到放电

船电宝被运送到船舶上，将充放电一体插头插入船电宝，通过船电宝上的开关机按钮使船电宝放电，船电宝进入放电工况。

3）放电到待机

船电宝使用完毕（或无电）后，通过船电宝上的开关机按钮停止放电，将充放电一体插头脱开船电宝，船电宝进入待机状态。

4）待机到充电

船电宝达到充电站后，将充放电一体插头插入船电宝，启动外部充电设备的开关，通过船电宝上的开关按钮使船电宝充电，船电宝进入充电状态。

2 船电宝实船测试

船电宝目前已成功运用于某型内河工程船上，当船舶处于通航等待区和待闸时，船上不见了柴油发电机开动时的黑烟，此时采用船电宝为船舶日用负荷供电，供电时间可达8 h左右，当船舶通过闸口或航行出保护区之后，可开启柴发机组为日用负荷供电，同时为船电宝补充电能，也可在航行靠港后，船员将电缆线接入岸电桩，即可采用岸电为全船停泊工况下的日用负荷供电，同时可为船电宝补充电能。船电宝的推广应用，将显著改善在长江等内河经济带的环境，尤其是对内河或者湖泊中的生态保护区、过闸等待区等的保护具有显著的效应，在新能源船舶领域具有很好的适用性。

4 小结

本文设计了一种移动式船用一体化离网储能电源（船电宝），船电宝主要用于为船舶提供供电服务，既可为船舶日用负荷供电，也可很方便的在充电站补充电能或者采用船上的发电机组充电，船电宝具有集成度高、智能化、双向供电充电等特点。该设备的研制成功，为我国船舶清洁能源的实现提供了新的思路，对于长江等内河经济带的环境保护具有积极的作用。

[1] 祝斌. 动力电池技术与应用[J]. 船电技术, 2015, 4:30-34.

[2] 佟欢, 张蓓. 化学电源的发展历程及未来方向[J]. 储能科学与技术, 2018,1:8-16.

[3] 叶颖. 三相光伏并网逆变电源的研制. 山东大学, 硕士学位论文, 2008.

[4] 王要强. LCL滤波的并网逆变系统及其适应复杂电网环境的控制策略. 哈尔滨工业大学,博士学位论文, 2013.

Design and Implementation of Mobile Integrated Off-gridEnergy Storage Power Supply for Ship

Zhang Zeyu, Wang Bangqi

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM728

A 文献分类号：1003-4862（2021）06-0059-03

2020-10-20作者简介：张泽宇(1989-)，硕士，高级工程师。研究方向：船舶电力推进。E-mail: 18995619539@qq.com