能量型超級電容在直流電推系統(tǒng)中的應(yīng)用

吳澤奇，李良乾，李 威，羅曉園

(中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 200090)

0 引言

為促進綠色航運發(fā)展和船舶節(jié)能減排，利用超級電容儲能單元的大功率充放電特性來補償船舶電力推進系統(tǒng)運行過程的大功率波動，維持系統(tǒng)和電網(wǎng)的穩(wěn)定性，打造綠色環(huán)保、節(jié)能高效的新型船舶將是未來船舶推進技術(shù)發(fā)展的主要方向。

目前，能量型超級電容儲能系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于微電網(wǎng)、分布式能源發(fā)電、輸配電等電力系統(tǒng)中，特別是在沖擊負荷、大功率裝置領(lǐng)域已經(jīng)有著較為成熟的運用。能量型超級電容儲能系統(tǒng)應(yīng)用在船舶上，將提高船舶運行時系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性和經(jīng)濟性，對船舶動力系統(tǒng)的發(fā)展具有深遠的意義。

本文結(jié)合廈門400客位輪渡，對能量型超級電容儲能系統(tǒng)在直流電推系統(tǒng)中的應(yīng)用進行研究。

1 超級電容的主要性能

超級電容根據(jù)原理不同主要分為雙電層超級電容器和能量型超級電容器。兩者性能對比見表1。

表1 傳統(tǒng)雙電層電容器和高能量超級電容器性能對比

傳統(tǒng)雙電層超級電容器在能量密度、安全性等方面存在缺點，因而不適合在船舶上作為儲能系統(tǒng)大范圍運用。能量型超級電容具有良好的充電特性曲線和優(yōu)異的倍率放電性能。根據(jù)線性充放曲線能夠計算整個儲能系統(tǒng)的鋰電池的荷電狀態(tài)(SOC)，其優(yōu)異的倍率性能適合大功率充放。超級電容在不同放電電流和電壓下測得的特性曲線分別見圖1和圖2。

圖1 不同電流下的放電曲線

圖2 不同電壓下的放電曲線

能量型超級電容的主要優(yōu)點如下：

(1)高功率密度，超級電容的內(nèi)阻小，輸出功率密度高，是一般蓄電池的數(shù)十倍。

(2)使用壽命長，具有50萬次以上的循環(huán)充放電壽命。

(3)快速充放電能力強，可以實現(xiàn)大電流充放電，充電時間短。

(4)線性充放曲線能夠精確地監(jiān)測電容的實際電量。

(5)寬范圍的工作溫度，能在-40～60 ℃的環(huán)境溫度中正常工作。

(6)安全性、可靠性高。

(7)綠色環(huán)保，生產(chǎn)過程中不使用重金屬和其他有害化學物質(zhì)，且自身壽命較長，是一種新型的綠色環(huán)保電源。

2 基于超級電容的直流電推系統(tǒng)

船舶直流電網(wǎng)主要由直流母線、整流模塊、逆變模塊、儲能模塊構(gòu)成。整流模塊將發(fā)電機的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，然后通過逆變模塊向推進電機和其他用電設(shè)備提供動力。儲能模塊由儲能元件和DC-DC變換器組成，其中：儲能元件提供或者吸收電網(wǎng)中的能量，雙向DC-DC變換器使得能量雙向流動。直流母線實現(xiàn)了各個模塊中能量的傳遞。

以廈門400客位輪渡為例，全船采用直流組網(wǎng)形式并配有2臺超級電容，實現(xiàn)船舶在港零排放，使得該船舶動力系統(tǒng)具有高可靠性與冗余度。動力系統(tǒng)包括供電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、推進系統(tǒng)。

供電系統(tǒng)配備2套450 kW柴油發(fā)電機組，提供440 V 3 PH 60 Hz交流電源，整流后并入直流電網(wǎng)，通過1座直流配電板給2套315 kW推進器和2套100 kW日用電逆變裝置為全船提供電能。單臺日用電逆變裝置能夠滿足全船用電負荷需求。2套日用逆變器互為備用，輸出400 V 3 PH 50 Hz交流電，經(jīng)AC400 V/230 V負載饋電屏分配給全船用電設(shè)備。逆變電源饋電開關(guān)和岸電開關(guān)之間設(shè)置聯(lián)鎖。運營時，停靠碼頭上下客期間由超級電容為全船供電；非運營期間，船舶?？看a頭由碼頭岸電為全船提供用電。配電系統(tǒng)具備船舶自動電站的功能，根據(jù)實際負荷自動選擇投入電網(wǎng)機組的數(shù)量和超級電容的充放電狀態(tài)。發(fā)電機組、能量型超級電容、直流配電板和推進電機的運行狀態(tài)均可在集控室監(jiān)控。

另外，廈門400客位輪渡配置2套12.5 kWh超級電容作為儲能系統(tǒng)。儲能系統(tǒng)在航行期間配合柴油發(fā)電機組的工作特性，通過削峰填谷方式，可改善柴油機組的燃燒特性，達到節(jié)能降噪的效果。并且，在營運時間內(nèi)船舶?？看a頭期間，配置的2套超級電容可提供15 min的全船電力需要；停泊期間，完全關(guān)閉柴油發(fā)電機組，使全船達到完全零排放狀態(tài)。單組超級電容儲能系統(tǒng)的瞬時放電功率可以達到200 kW，充分發(fā)揮了超級電容的大功率充放電和快速響應(yīng)的優(yōu)勢，促進了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和電能之間的快速切換。

推進系統(tǒng)逆變裝置從直流配電板取電，經(jīng)交流變頻電機驅(qū)動2臺315 kW推進器。

3 超級電容在直流系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 綠色環(huán)保

為了滿足廈門400客位輪渡停泊15 min及最大日用負荷100 kW的需要，儲能系統(tǒng)的容量應(yīng)不小于25 kWh。

輪渡在運營過程中每個航次的運行時間約為25 min。在航行過程中，電網(wǎng)將多余的功率對超級電容進行充電，充電功率約100 kW，只需15 min即可將超級電容完全充滿。在輪渡抵達碼頭上下客期間，超級電容由充電模式自動切換為放電模式，向全船用電設(shè)備供電。儲能系統(tǒng)高效的充放電能力能夠保證全船16個連續(xù)航次日用負荷及停泊工況的需要。儲能系統(tǒng)選用2組12.5 kWh超級電容，分別連接到直流母線左右兩側(cè)，具體參數(shù)如下：

標稱容量12.5 kWh，工作電壓范圍403.2～547.2 V，標準充放電電流240 A，最大充放電電流480 A/(10 s)，最大充放電功率 200 kW/(10s)，浪涌電壓605 V，絕緣性能AC2 500 V/min，循環(huán)壽命單體50 萬次，模塊工作使用溫度-25～55 ℃，儲存溫度-30～60 ℃。

在碼頭?？科陂g，發(fā)電機組完全處于停機狀態(tài)，超級電容作為主電源直接向全船供電，避免柴油發(fā)電機組運行過程中產(chǎn)生的噪聲和尾氣，大大提高了游客的舒適度。同時在整個碼頭停泊期間實現(xiàn)零排放，綠色環(huán)保。

3.2 削峰填谷

系統(tǒng)運行期間，超級電容始終處于在網(wǎng)狀態(tài)。當負荷突然增加時，直流母線電壓降低，根據(jù)能量管理系統(tǒng)(PMS)控制策略，超級電容將快速放電承擔大部分的突加負荷，此時超級電容處于放電狀態(tài)，維持母線電壓穩(wěn)定，發(fā)電機維持原來的轉(zhuǎn)速和電壓，不會產(chǎn)生大的波動。當負荷突然減少時，直流母線電壓升高，根據(jù)PMS控制策略，超級電容將快速充電吸收機組多余的功率，發(fā)電機組維持原來的轉(zhuǎn)速和電壓，直到電容充滿或者外部負荷再次增加，超級電容又將充電模式切換為放電模式。

采用削峰填谷方式可以提高能源利用率，大幅度地減少發(fā)電機組的頻繁啟停次數(shù)和發(fā)電機負荷的頻繁變化，增強整個電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，讓發(fā)電機組始終運行在最佳的能耗特性曲線附近，有效降低油耗的同時還能夠延長發(fā)電機的使用壽命。

3.3 提高電網(wǎng)質(zhì)量

項目調(diào)試過程中，通過對電機轉(zhuǎn)速、功率的突加突卸，分別驗證了超級電容投入電網(wǎng)和不參與并網(wǎng)情況下直流母線電壓的變化情況。

當電網(wǎng)中僅有發(fā)電機組投入運行時，推進電機突然制動，由于慣性的原因電機無法從額定轉(zhuǎn)速立刻變?yōu)榱?，這個過程就存在了一定的能量回饋。如果無法被及時吸收，就會導(dǎo)致整個母線電壓升高，觸發(fā)相關(guān)電力元器件的保護動作。實驗數(shù)據(jù)見圖3。

圖3 電機突卸時轉(zhuǎn)速、母線電壓曲線(超級電容不在網(wǎng))

當電網(wǎng)中發(fā)電機組、超級電容同時投入運行時，推進電機突然制動產(chǎn)生的能量反饋可以快速通過雙向DC/DC模塊對超級電容進行充電，同時也維持了整個母線電壓，實驗數(shù)據(jù)見圖4。當電機突然加速或者突加負載時，母線電壓下降，超級電容又會快速向母線放電來維持母線電壓穩(wěn)定。超級電容的快速響應(yīng)和大功率充放特性大大提高了整個電網(wǎng)的穩(wěn)定性，保證了在網(wǎng)電氣設(shè)備安全，同時增強了整個系統(tǒng)的抗沖擊能力。

圖4 電機突加、突卸時轉(zhuǎn)速、母線電壓曲線(超級電容在網(wǎng))

3.4 超級電容安全管理系統(tǒng)

為了充分發(fā)揮超級電容的作用，同時保證電網(wǎng)和超級電容的安全、穩(wěn)定運行，針對超級電容系統(tǒng)有一套完整的超級電容管理系統(tǒng)。

超級電容管理系統(tǒng)主要由主節(jié)點、子節(jié)點、人機界面、GPRS/GPS遠程監(jiān)控模塊等構(gòu)成，主要任務(wù)是讓超級電容在安全的環(huán)境條件下穩(wěn)定工作，提供船舶控制系統(tǒng)所需要的各種信息，在出現(xiàn)故障或者異常時能夠及時發(fā)出警報并及時處理。同時根據(jù)船舶的運行狀態(tài)和電網(wǎng)的實際需求，決定超級電容是工作在充電狀態(tài)還是放電狀態(tài)。該系統(tǒng)主要功能包括：電容參數(shù)監(jiān)測、電容安全狀態(tài)估計、電容故障報警、在線故障診斷、電容充電控制、電容自動均衡、熱管理。

主節(jié)點：通過通訊的方式和子節(jié)點完成數(shù)據(jù)交互，可存儲歷史數(shù)據(jù)，查看并制作成歷史曲線；可通過通訊連接人機界面，監(jiān)視電容的健康狀況。實時采集總的電流信息，對電容系統(tǒng)進行電氣保護；可根據(jù)溫度自動啟動風扇對電容系統(tǒng)進行散熱。

子節(jié)點用于實時采集電容單體電壓，采集精度10 mV；采集模組溫度信息，采集精度1 ℃，測量范圍：-40～100 ℃；采用通訊的方式和主節(jié)點連接，通過主節(jié)點均衡命令，當壓差大于40 mV時，子節(jié)點打開均衡通道，保證單體電壓的一致。

人機界面通過通訊的方式進行數(shù)據(jù)交換，使通訊與主節(jié)點連接，具有子節(jié)點在線診斷、故障記錄、均衡設(shè)定、報警參數(shù)設(shè)定、停止充電設(shè)定、硬件端口診斷、網(wǎng)絡(luò)診斷等功能 。

4 結(jié)論

(1)提出了船舶直流推進系統(tǒng)中采用高能量密度超級電容的系統(tǒng)拓補結(jié)構(gòu)，該拓補結(jié)構(gòu)特別適合船舶脈沖性負荷和沿江海渡輪上的應(yīng)用。

(2)通過船舶PMS和電池管理系統(tǒng)(BMS)之間的高效控制，能夠有效控制發(fā)電機組的啟停和超級電容的充放電，充分發(fā)揮能量型超級電容的快速大功率充放電和高壽命循環(huán)周期特性，達到提高燃油利用率、節(jié)省燃油、減少有害氣體排放的目的。

(3)經(jīng)實船驗證，能量型超級電容在廈門400客位輪渡中，起到了削峰填谷、節(jié)能減排、提高電網(wǎng)質(zhì)量的作用，各項指標滿足船舶使用需求。