新型绿色船舶电力推进系统关键技术及应用分析

陈建勇,陈亚杰,高海波,段征,潘钊

(1.中船邮轮科技发展有限公司,上海 200439;2.中国船舶重工集团公司 第七一一研究所,上海 201108;3.武汉理工大学 船海与能源动力工程学院,武汉 430063)

船舶推进系统的性能关系到船舶运行的经济性、安全性和可靠性。传统机械推进系统存在噪声大、调速范围小、灵活性,以及经济性差等问题,发展新型推进系统逐渐成为航运业的研究热点。混合动力和新能源一直是船舶绿色动力的研究热点。混合动力轴带电机技术可以优化系统功率分配,从而降低系统损耗、提高系统效率。蓄电池、超级电容、燃料电池以及太阳能、风能等自然能源组成的复合能源,匹配上储能装置和直流电网技术,这既可以实现零排放指标,也可以回收和存储制动能量。围绕绿色高效的主题,分析不同船型动力需求,综合考虑能源供给、船舶配电、驱动控制、推进器等技术条件,总结出三种船舶绿色动力的配置方案,重点介绍储能技术、直流组网技术及轴带电机变频器技术及方案中的技术难点。

1 船舶绿色动力解决方案

1.1 纯电动电力推进系统解决方案

纯电动解决方案针对水下潜航器、深海移动工作站等不依赖空气、有高功率密度需求的船型,以及在内河、湖泊等高环保标准水域工作的船舶,采用储能电池、直流配电、无轴轮缘推进器等技术。该方案结构图见图1。

图1 纯电动电力推进系统方案

图1中,采用新型的磷酸铁锂或三元锂电池组或超级电容作为能量源,经直流母线配电,经变频器驱动无轴轮缘推进器推进船舶。

无轴轮缘推进器[1-2]见图2。

图2 无轴轮缘推进器

图2中,电机的定子集成在导管中,转子和螺旋桨集成为一体,螺旋桨由轴向连接改为径向连接方式。该推进器具有效率高、振动噪声小、体积小、重量轻、安全可靠且布置灵活等优点。

1.2 复合储能电力推进系统解决方案

复合储能电力推进系统方案针对渡轮、内河游船、特种功能船等中小功率、固定航程、排放要求较高的船型,综合利用复合能源、新型储能装置、直流组网、吊舱推进等技术,方案结构见图3。

图3 复合储能电力推进系统方案

图3中,采用柴油发电机组+蓄电池组(或超级电容)+新能源构成供电系统,蓄电池组(或超级电容)构成储能装置。直流组网技术配合储能技术可以合理高效地分配及储存电能,充分利用各能量源的优势。主推进器采用吊舱推进装置,可以优化船型及动力系统布置,提高船舶机动性和可靠性。该方案具有节能减排、提高冗余、维护操控方便、舒适度高等优势。

1.3 柴电混合推进系统方案

柴电混合推进系统方案针对工程船、科考调查船等功率较大、工况较多的船型,综合采用轴带电机技术、交流配电技术、直轴推进技术。方案结构见图4,根据轴带电机的安装位置,该方案可以有同轴式轴带电机和齿轮式轴带电机两种方案。

图4 新型柴电混合推进方案

图4中,轴带电机既可作发电机运行,也可作电动机运行。发电运行时,发出的不稳定的交流电,经过整流及逆变调节,变换成恒压恒频的交流电供给电网,可在很大的主机转速变化范围内实现稳定的电能供给。作电动机运行时,可从电站获取电能,增强推进功率。

2 绿色动力解决方案中的关键技术

2.1 储能技术

在各种组合的储能装置中,锂电池(或超级电容)的应用最为广泛。按照目前锂电池/超级电容的产品性能,储能系统可同时具备良好的动态特性和稳态特性[3]。但储能装置现在还存在着储能密度不高、使命寿命短、初投资高等问题,限制了在船舶上的广泛应用[4]。

2.2 直流组网技术

与交流组网技术不同,直流组网技术是一种全新的组网技术。两种组网的电力推进系统拓扑结构见图5。

图5 两种组网电力推进系统方案结构

直流组网系统摒弃了交流组网系统中的配电盘和变压器,将交流变频器的交直交变换环节拆分,组网侧从原来的发电机交流侧转移到直流侧,解决了柴油发电机组并网、谐波抑制等技术难题。

直流组网系统方案省去了配电盘、变压器等设备,设备集成度更高,系统架构简单,系统重量和体积大大降低,简化机舱的布置难度。同时也省去了大量接线电缆及设备接口,降低系统成本,减少了能量转换环节,系统效率更高。其结构见图6。

图6 交流组网和直流组网系统中蓄电池组接入方式

直流组网系统相对于交流组网系统兼容性更好,系统配置更灵活,易于接入电池、新能源等储能装置。在柴发与储能混合形式下,储能系统补偿和吸收电网上的能量突变,平抑负荷波动,改善原动机工况达到节能效果。同时,直流组网技术配合变速柴油机方案,可以使机组变速运行在最优能耗电点,减少排放,达到全功率段节能运行的效果。

目前主流的直流组网电力推进系统方案采用同步发电机组+二极管前端(diode front end, DFE)整流模式,见图7a)。

图7 AFE整流和DFE整流组网方案

DFE前端整流采用的功率器件为二极管,由于二极管器件不可控,造成网侧大量的低次和高次谐波,一般通过增加移相整流变压器构成12脉或24脉整流,从而降低谐波对船舶电网的影响。

变革的直流组网电力推进系统方案见图7b),引进德国E-MS技术,采用异步发电机组+主动前端(active front end, AFE)整流的技术路线,AFE前端采用绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor, IGBT),通过控制IGBT的通断,可以提高系统功率因数,降低谐波影响,保持直流母线电压的恒定。机组通过独立的变频模块和控制系统在直流侧进行并网,省去了移相整流变压器,重量体积较小,适用于要求主电源具有低谐波特性的应用[5]。

如表1所示,采用异步电机+AFE整流方案,系统电网更稳定,机组故障不会导致整体电网的电压电流波动,没有电网崩溃风险。并网方式更简单,简化并网过程,柴油机组响应能力更强。

表1 AFE整流方案和DFE整流方案并网对比

2.3 现代轴带电机技术

现代轴带电机系统可以通过轴带电机变频器升级传统轴带电机系统,轴带电机变频器主要功能是控制电机、快速柔性并网,以及提供电能给船用负载。主要由控制绕组侧变频器、网侧滤波器、网侧变频器、输入电抗器、输出电抗器、控制系统,以及相关并网开关组成[6],见图8。

图8 现代轴带电机安装方式

2009年,国内突破 PTI/PTO控制和集成技术瓶颈,将自主化研制的PTI/PTO柴电混合动力系统成功应用到粤海火车轮渡3号和4号船上,开启了我国自主研发TI/PTO柴电混合动力系统的时代。之后,5 000 t海监船、浙江海洋大学渔业资源调查船和上海国际港务(集团)股份有限公司复兴船务公司2 200 kW+740 kW柴电混合拖船等项目又陆续应用柴电混合动力系统,拓展了柴电混合动力系统的应用船型[7]。

现代轴带电机系统中,电机既可当作发电机使用,也可当作电动机使用。共有3种操作模式,见图9。

图9 现代轴带电机系统操作模式

现代轴带电机技术通过轴带变频器可以优化主机工况,节能减排;当主机发生故障时,能够通过轴带电机给船舶提供动力,增加功率冗余并提高船舶航行的安全性;提供多种操作模式,增加了船舶运行的灵活性;能够将岸上不同电压等级的岸电连接至船舶电网。

3 绿色船舶科研成果及工程应用

3.1 科研成果

丹佛斯为M/V Bore Sea号大型滚装船开发了一种可对主推进装置予以充分优化,并进一步提高能效的解决方案。该方案采用VACON NXP型号并网变流器+轴带电机推进方案,可允许主机转速大幅度变化,并可提供恒定电压频率的交流电,在优化主机效率的同时,最大限度地降低油耗。

西门子设计了Bluedrive Plus C直流电网电力推进系统、经济型电力推进系统、电力助推系统、全集成监测报警和控制系统,并开发了船舶优化管理系统,通过船舶的各类接口获取船舶运营的各项数据,如燃油消耗,排放,燃油加注,检修周期等,通过评估与分析处理来实现船舶运营的最优化。

国内711所等单位于2016年建立了完全自主知识产权的直流配电型电力推进系统实验室,开展了船用储能技术、变速柴发机组、直流微网配电技术、直流配电继电保护技术等多项关键技术研究与验证,能够进行变速发电机组的节能策略、直流电网安全保护策略、能量管理策略等一系列试验,还实现了变频器、 直流配电柜、 储能控制系统的完全自主开发。

该系统技术特点:①直流配电能量管理技术;②直流配电系统保护技术;③电池BMS管理技术;④变速发电机组关键技术;⑤变速恒频轴带发电技术。通过以上技术可以实现纯电动电力推进、复合储能电力推进以及柴电混合推进3种形式的动力系统。

3.2 工程应用

国内目前已拥有十几艘船舶的直流配电型电力推进系统的设计及集成实例,包括纯电池、纯电容、发电机组与储能设备混合等多种形式。

3.2.1 纯电动电力推进系统解决方案

密云水质监测船配置了960 kW·h电池;首次在国内采用了轻量化的动力设备,系统单线图见图10,其中变流器模块仅为常规模块重量的1/2,配备2台100 kW永磁同步磁阻辅助电机,重量体积仅为常规电机的1/2,效率可达98%,比水套冷却电机效率高出3.1%以上,具有大转矩输出特性。该船储能系统动力电池无外部加热情况下稳定工作环境温度:-15～45 ℃;(一般电池在0 ℃以上)确保冬季系统可正常运行,具有续航8 h能力(推进功率非全功率)。

图10 纯电动电力推进系统原理单线图

该系统技术特点:①动力系统重量降低;②动力系统体积减小;③电机输出扭矩大、效率高;④低温下,电池储能稳定,续航能力强。

经由上海市科委科研支持,研制纯超级电容推进系统并获得世界首艘千吨级纯超级电容新能源船舶示范应用。该船为1艘65.0 m车客渡船,采用高功率长寿命超级电容(单体能量密度达到100 W·h/kg),应用纯超级电容供电的直流电力推进系统,实现智能化大功率充电(充电功率达到3 MW),具有动力系统智能健康管理能力。该系统由625 kW·h超级电容、直流变频配电板、2套350 kW推进电机、电能管理系统和推进控制系统组成。

该系统技术特点:①超级电容能量密度大;②大电流快速充放电性能好;③电池寿命长。

3.2.2 复合储能电力推进系统解决方案

镇扬汽渡、板桥汽渡等多船采用这种解决方案。该系统由2套380 kW变速发电机组(转速变化范围820～1 800 r/min)、直流变频配电板、19 kW·h超级电容、2套350 kW推进电机、电能管理系统和推进控制系统组成, 系统单线图见图11。突破了异步变速发电机组及混合储能技术,实现了基于下垂特性的船用直流发电设备并网策略及直流系统保护技术。从运营的3011车客渡船为例,可实现12%以上的节油效果,带来显著的投资收益,同时可降低船舶的NOx、SOx、PM等污染物排放,具有良好的环保效益。

图11 复合储能电力推进系统原理单线图

厦门轮渡也采用了同种方案,系统由2套300 kW变速发电机组、直流变频配电板、25 kW·h超级电容、2套350 kW推进电机、电能管理系统和推进控制系统组成,系统单线图见图12。

该系统技术特点:①直流并网,控制效果好;②低噪音,低振动,乘坐体验好;③设备组件少,重量和体积降低;④改善动力响应和操纵性。

3.2.3 柴电混合推进系统解决方案

全国首艘柴电混合动力科考船—浙江海洋大学“浙渔科2”渔业资源调查船采用混合动力系统,为国内第一艘自主研发与设计的柴电混合动力科考船舶,是集教学、科研、实践、实训为一体的综合平台,能满足沿岸、近海等综合勘测需求的作业任务,具有柴油机推进、电力推进及柴电联合推进的3种推进形式。

该系统技术特点:①动力形式灵活,适合充电桩覆盖少的场合;②节油效果好,经济效益高。

4 结论

3种绿色动力解决方案,应用各有特点。采用绿色动力解决方案不但可以节能减排,还在体积重量、机舱布局以及电网稳定等方面具有一定的优势。根据不同应用场合、动力形式、功率要求、操纵要求可灵活选用绿色动力解决方案。