船舶柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用

張丁標(biāo)，盧園園，張育嬋

(1.中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東 廣州 510715；2.廣船國(guó)際有限公司，廣東 廣州 511462)

0 引 言

為應(yīng)對(duì)國(guó)際海事組織(IMO)及各國(guó)日趨嚴(yán)格的碳、硫、氮減排強(qiáng)制性法規(guī)相關(guān)的環(huán)境保護(hù)要求，世界上各大造船企業(yè)、主要航運(yùn)企業(yè)和船舶設(shè)計(jì)研究院所正在積極推動(dòng)綠色環(huán)保新能源技術(shù)應(yīng)用于實(shí)船，以集成柴油發(fā)電機(jī)組和儲(chǔ)能系統(tǒng)作為新能源船舶電站的柴電混合動(dòng)力船舶實(shí)例應(yīng)用較具有代表性和革新性[1]。將儲(chǔ)能系統(tǒng)作為一種新能源引進(jìn)船舶電能系統(tǒng)，通過(guò)等效折減(或降低)常規(guī)柴油發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量(或輸出功率)的技術(shù)途徑，可顯著減少?gòu)U氣排放量和降低能效設(shè)計(jì)指數(shù)(EEDI)[2]。

目前柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)主要應(yīng)用于渡船、小型客船及游覽觀光船，涉及電站及儲(chǔ)能系統(tǒng)功率較小，運(yùn)行模式單一。深圳海上危險(xiǎn)品應(yīng)急指揮船主要作業(yè)于液化天然氣(Liquefied Natural Gas,LNG)儲(chǔ)存等易燃易爆危險(xiǎn)區(qū)域，配置3臺(tái)2 000 kW柴油發(fā)電機(jī)組、2套650 kW·h動(dòng)力鋰電池組及2臺(tái)3 000 kW/660 V永磁電機(jī)，是世界領(lǐng)先的柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)(柴油發(fā)電機(jī)組+鋰電池組)船舶。該型船在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)著重考慮其電站和儲(chǔ)能系統(tǒng)容量大、作業(yè)工況復(fù)雜、運(yùn)行模式多樣等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)組成

該型船的柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)基于船舶在危險(xiǎn)環(huán)境下的運(yùn)行工況要求設(shè)計(jì)，包括柴油發(fā)電機(jī)組、配電板系統(tǒng)、推進(jìn)器電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)/吊艙推進(jìn)器和儲(chǔ)能系統(tǒng)等4個(gè)部分。電制采用690 V/50 Hz三相絕緣系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)組布置在機(jī)艙，配電板布置在集控室，動(dòng)力電池組布置在動(dòng)力電池間。柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)單線圖如圖1所示，其中：DG(Diesel Generator)為柴油發(fā)電機(jī)；AC為交流電；NC(Normal Close)為常斷閥；AFE(Active Front End)為有源前端；MTM(Main Thruster Motor)為主推進(jìn)器電機(jī)；BTM(Bow Thruster Motor)為艏側(cè)推器電機(jī)。柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)備配置如表1所示，其中：EMS(Energy Management System)為電能管理系統(tǒng)；PLC(Programmable Logic Controller)為可編程邏輯控制器；DCU(Drive Control Unit)為驅(qū)動(dòng)控制器；BMS(Battery Management System)為電池管理系統(tǒng)。

表1 柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)備配置

圖1 柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)單線圖

2 儲(chǔ)能系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)概述

整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)由動(dòng)力電池組、直流電(DC)/AC逆變器、隔離變壓器、BMS和電池艙滅火系統(tǒng)組成。動(dòng)力電池組由單體電池組成電池模塊，電池模塊串聯(lián)安裝于電柜內(nèi)，電柜并聯(lián)，通過(guò)逆變模塊與電網(wǎng)連接，可雙向控制放電和充電，并通過(guò)BMS實(shí)時(shí)監(jiān)控電池狀態(tài)、安全管理及保護(hù)電池系統(tǒng)。

儲(chǔ)能系統(tǒng)在海事方面可供遵循的法規(guī)、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較少，目前設(shè)計(jì)和配置主要根據(jù)中國(guó)船級(jí)社(CCS)的《太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)及磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)檢驗(yàn)指南》《純電池動(dòng)力電動(dòng)船檢驗(yàn)指南(2019)》及美國(guó)船級(jí)社(ABS)的GuideforUseofLithiumBatteriesintheMarineandOffshoreIndustries規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，其他主要以陸用標(biāo)準(zhǔn)為主，包括《電動(dòng)車輛傳導(dǎo)充電系統(tǒng)第1部分：通用要求：GB/T 18487.1-2015》和《電磁兼容 試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù)：浪涌(沖擊)抗擾度試驗(yàn)：GB/T 17626.5-2008》等。

2.2 系統(tǒng)容量及組成

儲(chǔ)能系統(tǒng)容量取決于船舶實(shí)際使用情況。在碼頭發(fā)生危險(xiǎn)品事故應(yīng)急時(shí)，該型船進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域航行，切斷所有室外非防爆設(shè)備，在限定航速(7 kn)下使用動(dòng)力電池為全船動(dòng)力設(shè)備及其他相關(guān)設(shè)備供電，航行時(shí)間不低于2 h。該型船的應(yīng)急救援電力負(fù)荷計(jì)算結(jié)果如表2所示。匯總后的實(shí)際功率為520.4 kW，需要電量(使用2 h)為1 040.8 kW·h，動(dòng)力電池組容量(滿足0.5 C充放電需求)為1 300 kW·h，負(fù)荷率為80.1%。

表2 應(yīng)急救援電力負(fù)荷計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果選用動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)由DC/AC逆變器、隔離變壓器、動(dòng)力鋰電池組等組成，每個(gè)電池艙配置1組電池系統(tǒng)，包含6個(gè)電柜和1個(gè)控制柜，每2個(gè)電柜串聯(lián)形成1個(gè)支路，支路額定電壓可達(dá)927.6 V，3個(gè)支路并聯(lián)。動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)組成如表3所示。

表3 動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)組成

圖2 動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)架構(gòu)示例

2.2.1 動(dòng)力鋰電池組

動(dòng)力電池組選用磷酸鐵鋰電池，電池模塊采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，尺寸完全一致，具有較高互換性。電池組由電池架/電柜并聯(lián)組成。由獨(dú)立的2組電池分別為每段母排供電，每組電池由2～3個(gè)電池簇組成，每個(gè)電池簇通過(guò)1個(gè)高壓配電箱供電，每組電池的2～3個(gè)電池簇通過(guò)高壓配電箱并聯(lián)組成1個(gè)電池組。電池組在設(shè)計(jì)上考慮動(dòng)力冗余，即每組電池中的1簇電池在出現(xiàn)故障不能并網(wǎng)時(shí)，其余簇仍可輸出額定功率。動(dòng)力鋰電池組主要技術(shù)參數(shù)如表4所示。

表4 動(dòng)力鋰電池組主要技術(shù)參數(shù)

2.2.2 BMS

BMS是保證鋰電池安全的另一個(gè)重要組成部分，主要負(fù)責(zé)電池的監(jiān)測(cè)保護(hù)和電能均衡功能。該系統(tǒng)由荷電狀態(tài)(State of Charge,SOC)估測(cè)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和電池均衡等3個(gè)模塊組成[3]，是鋰電池作為電能必不可少的監(jiān)控設(shè)備。一般根據(jù)需要確定選擇1個(gè)BMS管理幾個(gè)或幾十個(gè)單體鋰電池，主要對(duì)單體電池進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，包括電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)、電池狀態(tài)分析、控制功能、電能管理、電池安全保護(hù)，并對(duì)外傳輸電池運(yùn)行狀態(tài)、監(jiān)測(cè)報(bào)警、降功率和停機(jī)信號(hào)。BMS主要功能如表5所示。

2.2.3 電池艙滅火系統(tǒng)

與采用傳統(tǒng)柴油機(jī)推進(jìn)的船舶動(dòng)力電池間安全要求相比，鋰電池在作為船舶動(dòng)力源時(shí)，電池艙及艙內(nèi)電池的安全性要求更高。目前主要通過(guò)七氟丙烷氣體自動(dòng)滅火系統(tǒng)保證船用動(dòng)力電池的安全和使用。配置的電池艙滅火系統(tǒng)為七氟丙烷氣體自動(dòng)滅火系統(tǒng)工程及報(bào)警系統(tǒng)，包括2個(gè)保護(hù)區(qū)，每個(gè)保護(hù)區(qū)配置1套滅火系統(tǒng)。設(shè)計(jì)分為自動(dòng)控制方式和手動(dòng)控制方式。

(1)自動(dòng)控制：氣體滅火控制器處于“自動(dòng)”狀態(tài)，在任一煙感和溫感探測(cè)器發(fā)出報(bào)警時(shí)，氣體滅火控制器發(fā)出火警信號(hào)，該系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)滅火系統(tǒng)進(jìn)行滅火；在保護(hù)區(qū)無(wú)人值班時(shí)，應(yīng)將氣體滅火控制器調(diào)為“自動(dòng)”狀態(tài)。

(2)手動(dòng)控制：氣體滅火控制器處于“手動(dòng)”狀態(tài)，在任一煙感和溫感探測(cè)器發(fā)出報(bào)警時(shí)，氣體滅火控制器發(fā)出火警信號(hào)，在由值班人員確認(rèn)后，按下氣體滅火控制器上或防護(hù)區(qū)門外側(cè)的緊急啟動(dòng)按鈕，啟動(dòng)滅火系統(tǒng)進(jìn)行滅火；在保護(hù)區(qū)有人值班時(shí)，應(yīng)將氣體滅火控制器調(diào)為“手動(dòng)”狀態(tài)。

3 電池艙布置

由于動(dòng)力電池組在高溫或受到外力碰撞時(shí)易出現(xiàn)爆炸等情況，因此在布置時(shí)應(yīng)在通風(fēng)和消防等方面進(jìn)行考慮[3]。船級(jí)社及電池布置要求如下：(1)電池艙艙內(nèi)應(yīng)布置空調(diào)通風(fēng)以滿足儲(chǔ)能系統(tǒng)正常工作的環(huán)境溫度需求；(2)電池艙不應(yīng)設(shè)置蒸汽加熱管路和電加熱等其他熱源，以防止艙內(nèi)溫度過(guò)高；(3)船舶水管應(yīng)避開電池艙(系統(tǒng)冷卻必需除外)，以防止產(chǎn)生漏水，從而對(duì)電池造成損壞；(4)動(dòng)力電池組動(dòng)力電池應(yīng)分為2套并安裝在2個(gè)獨(dú)立艙室，電池艙與其他相鄰艙室應(yīng)滿足A-60防火分隔需求[4]；(5)電池艙內(nèi)應(yīng)布置溫度探測(cè)裝置和火警報(bào)警探頭，可在溫度異常或發(fā)生火災(zāi)時(shí)在船舶駕駛室發(fā)出聲光報(bào)警；(6)應(yīng)配置用于撲滅電池火災(zāi)的七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)；(7)電池應(yīng)安裝在專用艙室內(nèi)或開敞甲板上的箱或柜中；(8)電池應(yīng)位于防撞艙壁后、除機(jī)爐艙外的區(qū)域；(9)對(duì)于船長(zhǎng)≥20 m的船舶，電柜與艙壁的間距應(yīng)≥150 mm，與上甲板的間距應(yīng)≥500 mm(散熱)，與舷側(cè)板在水平方向的間距≥500 mm(防撞)；(10)電池艙的出入口應(yīng)直接通向開敞甲板，起居處所不可設(shè)置直接通向動(dòng)力電池艙的門或其他開口。動(dòng)力電池艙布置如圖3所示。

圖3 動(dòng)力電池艙布置

4 EMS

混合動(dòng)力船舶EMS通過(guò)對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行整體性電能和電能需求分析，制訂系統(tǒng)控制策略和電能管理實(shí)施方案。作為混合動(dòng)力船舶EMS的運(yùn)行控制神經(jīng)中樞[5]，柴電混合運(yùn)行模式是EMS的核心和主要設(shè)計(jì)依據(jù)方向。該型船具有發(fā)電機(jī)組電力推進(jìn)、發(fā)電機(jī)組/動(dòng)力電池組混合電力推進(jìn)和純電池動(dòng)力推進(jìn)等3種推進(jìn)工作模式，因此需要著重考慮如下運(yùn)行模式：

(1)全速/巡航模式

在該型船處于全速航行工況時(shí)，系統(tǒng)由3臺(tái)AC 690 V柴油發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)供電，通過(guò)2套AFE變頻器驅(qū)動(dòng)主推進(jìn)器電機(jī)。此時(shí)若電站存在裕量，可向動(dòng)力電池組充電；動(dòng)力電池組不并網(wǎng)供電。

(2)經(jīng)濟(jì)航行模式

在該型船處于經(jīng)濟(jì)航行工況時(shí)，系統(tǒng)由2臺(tái)AC 690 V柴油發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)供電，通過(guò)2套AFE變頻器驅(qū)動(dòng)主推進(jìn)器電機(jī)，同時(shí)動(dòng)力電池組接入電網(wǎng)。在機(jī)組負(fù)荷率較高(例如85.0%，可設(shè)定)時(shí)，若出現(xiàn)突加負(fù)載，不會(huì)啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī)組，而是由電池補(bǔ)充供電；在負(fù)載下降后，優(yōu)先對(duì)電池充電。電池淺充淺放，實(shí)現(xiàn)削峰填谷。

(3)動(dòng)力定位(Dynamic Positioning,DP)模式

在該型船處于DP工況時(shí)，系統(tǒng)由1臺(tái)AC 690 V柴油發(fā)電機(jī)組與動(dòng)力電池組并網(wǎng)供電，通過(guò)2套AFE變頻器驅(qū)動(dòng)主推進(jìn)器電機(jī)和艏側(cè)推器電機(jī)實(shí)現(xiàn)船舶DP。根據(jù)DP的初步計(jì)算分析，1臺(tái)發(fā)電機(jī)組可滿足DP所需要的電能需求。動(dòng)力電池組主要作為備用動(dòng)力源，提高系統(tǒng)的安全性。

(4)救援模式

在該型船處于救援工況時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)組停止，動(dòng)力電池組通過(guò)DC/AC逆變器放電至AC 690 V交流母排，向全船用電設(shè)備供電。

(5)駐停模式

在該型船處于駐停工況時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)組停止，電池工作處于充電或放電工況：①連接岸電，岸電在供日用電的同時(shí)，向動(dòng)力電池組充電，充電倍率滿足1 C充電需求；②不連接岸電，動(dòng)力電池組通過(guò)DC/AC逆變器向全船用電設(shè)備供電。

(6)混合推進(jìn)模式

在該型船處于極限工況時(shí)，系統(tǒng)由3臺(tái)690 V柴油發(fā)電機(jī)組與動(dòng)力電池組聯(lián)合供電，主推進(jìn)器電機(jī)運(yùn)行功率約3 000 kW。每臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組分配負(fù)荷約2 000 kW，動(dòng)力電池組分配剩余所需要的負(fù)荷約319 kW。

5 配電板系統(tǒng)

配電板系統(tǒng)包括AC 690 V、AC 400 V和230 V主配電板、動(dòng)力變壓器及應(yīng)急配電板。動(dòng)力鋰電池組通過(guò)逆變器掛載在AC 690 V母排上。EMS根據(jù)當(dāng)前供電狀況選擇合適的發(fā)電機(jī)數(shù)目(從1臺(tái)發(fā)電機(jī)到所有發(fā)電機(jī)組與動(dòng)力電池組聯(lián)合供電)以達(dá)到最佳總效率。柴油發(fā)電機(jī)組通過(guò)自動(dòng)模式(正常模式)或手動(dòng)模式向船舶的低壓配電網(wǎng)輸入電能。電力設(shè)備的控制命令通常由EMS執(zhí)行?？蓪?duì)配電板進(jìn)行本地操作，但主推進(jìn)器電機(jī)DCU的饋電除外。每個(gè)主推進(jìn)器電機(jī)DCU的斷路器只能通過(guò)主推進(jìn)器電機(jī)DCU控制。在電力推進(jìn)船舶上，電力設(shè)備的可靠性和安全性至關(guān)重要。整個(gè)配電板系統(tǒng)及其部件的設(shè)計(jì)宗旨是在任何航行條件下盡可能保證電力供應(yīng)、推進(jìn)與操舵及操作的穩(wěn)定性，可確保在出現(xiàn)超載、短路和接地故障等電路故障時(shí)進(jìn)行選擇性跳閘。EMS與BMS通過(guò)通信方式可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制電池組，確保船舶安全與穩(wěn)定運(yùn)行。

6 結(jié) 語(yǔ)

基于儲(chǔ)能技術(shù)的柴電混合動(dòng)力是滿足當(dāng)前碳達(dá)峰和碳中和切實(shí)可行的方式，適用于多種船舶類型，在國(guó)外相應(yīng)技術(shù)已發(fā)展得較為成熟。目前我國(guó)正大力鼓勵(lì)發(fā)展新能源船舶，預(yù)計(jì)將在各類船舶上得到廣泛應(yīng)用，所涉及的系統(tǒng)組成、設(shè)備配置、動(dòng)力電池艙布置要求、EMS、運(yùn)行模式等方面的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用，可對(duì)柴電混合動(dòng)力船舶的發(fā)展起到引領(lǐng)作用。