3 600 車雙燃料混合動(dòng)力汽車運(yùn)輸船電氣設(shè)計(jì)

楊璟，陸鵬飛，賴昌偉

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203）

0 前 言

3 600 車雙燃料混合動(dòng)力汽車運(yùn)輸船是當(dāng)前全球首艘LNG 雙燃料及電池混合動(dòng)力的汽車運(yùn)輸船，配有先進(jìn)的船舶綜合管控系統(tǒng)， 其首制船AUTO ADVANCE 已于2021 年11 月順利交付運(yùn)營(yíng)， 各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求。

該船運(yùn)用了多種先進(jìn)的綠色環(huán)保技術(shù)， 入級(jí)DNV船級(jí)社， 滿足無(wú)限航區(qū)要求， 總布置圖如圖1所示，主尺度和主要參數(shù)如下：

圖1 3 600 車汽車運(yùn)輸船總圖

船 級(jí) 符 號(hào)：+1A，Car Carrier，MCDK，BIS，E0，TMON（Oil Lubricated），LCS，NAUT（NAV），Gas Fuelled，BWM-T，BWM-E（f），DG-（P），Recyclable，Battery（Safety）

電站設(shè)備除發(fā)電機(jī)外， 還配置1 套動(dòng)力電池組，滿足船級(jí)社Battery（Safety）、無(wú)人機(jī)艙E0、一人橋樓NAUT（NAV）等附加標(biāo)志的相關(guān)要求，電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的難度。

1 電力系統(tǒng)

1.1 電站配置

常規(guī)汽車運(yùn)輸船電站配置一般為3 臺(tái)主柴油發(fā)電機(jī)。 航行工況開1 臺(tái)發(fā)電機(jī)，進(jìn)出港工況由于要使用首側(cè)推，3 臺(tái)發(fā)電機(jī)需要全部運(yùn)行，此時(shí)電站無(wú)備用發(fā)電機(jī)。 若要保證電站在任何工況下留有1臺(tái)備機(jī)，則電站總裝機(jī)容量將增加約40%，經(jīng)濟(jì)性不高。綜合考慮電站運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，采用1套軸帶發(fā)電機(jī)和動(dòng)力電池的配置方案替代1 臺(tái)主發(fā)電機(jī)，電站具體配置如下：

1）2 臺(tái)LNG 雙燃料主發(fā)電機(jī)，單機(jī)額定功率為1 065 kW；

2）1 臺(tái)永磁軸帶發(fā)電機(jī)，額定功率為1 000 kW；

3）1 組動(dòng)力鋰電池，容量為510 kWh；

4）1 臺(tái)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組，額定功率為150 kW。

電力負(fù)荷計(jì)算及電站使用工況如表1 所示，主發(fā)電機(jī)、軸帶發(fā)電機(jī)及動(dòng)力電池均可以長(zhǎng)期并網(wǎng)運(yùn)行。 在航行工況下，動(dòng)力電池不作為主電源使用，但掛在電網(wǎng)上可以起到削峰填谷、斷電恢復(fù)及峰值調(diào)節(jié)（Peak shaving）等功能。 在進(jìn)出港工況下，動(dòng)力電池組以1C 放電倍率進(jìn)行放電，輸出功率為500 kW，減少發(fā)電機(jī)500 kW 的裝機(jī)容量； 在緊急情況下，動(dòng)力電池組能夠以3C 放電倍率放電，輸出功率達(dá)到1 500 kW，可以起到備用電源的功能。 該電站配置不僅考慮了汽車運(yùn)輸船的各種工況，還對(duì)動(dòng)力電池的應(yīng)用及配置進(jìn)行了優(yōu)化，兼顧了船舶各工況下電源配置的靈活性、安全性及經(jīng)濟(jì)性。

表1 電力負(fù)荷計(jì)算表

1.2 配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主配電板、 變頻柜、 應(yīng)急配電板單線圖如圖2所示。 主配電板分左右2 段匯流排，包括發(fā)電機(jī)屏、AC 440 V 負(fù)載屏、組合起動(dòng)屏、同步屏及變頻柜接入屏。 由于集控室空間有限，對(duì)于主配電板長(zhǎng)度有一定的限制，因此單獨(dú)設(shè)置了主配電板AC 220 V 負(fù)載屏。

對(duì)配電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，沒(méi)有按常規(guī)設(shè)計(jì)對(duì)軸發(fā)、首側(cè)推設(shè)獨(dú)立的變頻器，對(duì)動(dòng)力電池設(shè)獨(dú)立的變流模塊，而是設(shè)置1 套集成式變頻柜，將上述設(shè)備通過(guò)各變流模塊 （見圖2 中的AM1～AM5），連接到該變頻柜的直流母線上，減少了變流模塊的總數(shù)，節(jié)省了變頻器的布置空間，在降低制造成本的同時(shí)，還能夠減少電網(wǎng)的諧波源，降低電能損耗。

圖2 3 600 車汽車運(yùn)輸船電力系統(tǒng)單線圖

變流模塊中的電力電子器件采用有源前端（AFE）技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)雙向供電功能。 變流模塊AM1及AM2 用于連接變頻柜及主配電板， 每個(gè)模塊按50%的容量進(jìn)行設(shè)計(jì)，即使某一模塊出現(xiàn)故障，仍能保證50%的供電容量，提高了冗余性。 在航行工況軸發(fā)運(yùn)行時(shí)， 變流模塊AM1 及AM2 工作在逆變模式，用于變頻柜向主配電板上負(fù)載供電；主發(fā)運(yùn)行時(shí)，AM1 及AM2 工作在整流模式，用于主配電板向動(dòng)力電池充電。 AM3 用于軸帶發(fā)電機(jī)，始終工作在整流模式。AM4 用于首側(cè)推，始終工作在逆變模式。

AM5 為DC/DC 雙向變流模塊， 用于控制動(dòng)力電池的充放電。 通過(guò)上述變流模塊的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)船舶電站在各工況下電源的靈活使用。

1.3 動(dòng)力電池應(yīng)用

設(shè)有1 套動(dòng)力電池組，除了在進(jìn)出港工況下可以為首側(cè)推供電外，在航行工況下可以用作輔助電源。 基于船舶電網(wǎng)的工作運(yùn)行特點(diǎn)，對(duì)動(dòng)力電池的應(yīng)用策略做了一系列優(yōu)化，充分發(fā)揮動(dòng)力電池的特性，提高電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性、安全性及可靠性，符合當(dāng)今綠色環(huán)保的設(shè)計(jì)理念。

1.3.1 削峰填谷

船舶電網(wǎng)用電負(fù)荷通常分為連續(xù)性負(fù)荷及間歇性負(fù)荷，工程設(shè)計(jì)中電站負(fù)荷計(jì)算對(duì)于間歇性負(fù)荷會(huì)考慮同時(shí)使用系數(shù)。 但在實(shí)際使用過(guò)程中，大功率間歇性負(fù)荷如空壓機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)、艙底壓載泵等存在同時(shí)使用的可能性，此峰值工況電站總功率較大， 甚至可能超過(guò)當(dāng)前在網(wǎng)發(fā)電機(jī)的總功率，此時(shí)電站管理單元將自動(dòng)啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī)來(lái)共同承擔(dān)電站負(fù)荷。

動(dòng)力電池作為電網(wǎng)的輔助電源：當(dāng)負(fù)荷出現(xiàn)波動(dòng)功率較大時(shí)，可以由發(fā)電機(jī)及動(dòng)力電池并網(wǎng)運(yùn)行來(lái)承擔(dān)短時(shí)的峰值工況負(fù)載功率，避免了備用發(fā)電機(jī)的頻繁起停；當(dāng)電站在網(wǎng)負(fù)荷功率較小時(shí)，可以對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行充電，使發(fā)電機(jī)始終在效率最高點(diǎn)運(yùn)行，提高電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性。

1.3.2 斷電恢復(fù)

根據(jù)規(guī)范要求， 當(dāng)船舶主電網(wǎng)斷電（Blackout）時(shí)，應(yīng)在45 s 內(nèi)啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī)，恢復(fù)主電網(wǎng)供電。動(dòng)力電池組可以通過(guò)3C 放電，最大輸出功率達(dá)到1 500 kW。當(dāng)在網(wǎng)發(fā)電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，動(dòng)力電池可作為備用電源自動(dòng)給船舶重要負(fù)載供電，同時(shí)電站管理單元將發(fā)出啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī)的命令。 由于動(dòng)力電池響應(yīng)時(shí)間低于發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間，電網(wǎng)的斷電時(shí)間將大大減短，提高船舶電網(wǎng)的供電連續(xù)性及安全性。

1.3.3 輔機(jī)峰值調(diào)節(jié)（Peak Shaving）

交流電網(wǎng)中的瞬態(tài)負(fù)荷 （如電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)等）會(huì)對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)一定的沖擊。 該船動(dòng)力電池設(shè)有輔機(jī)峰值調(diào)節(jié)功能，其基本原理是動(dòng)力電池通過(guò)變頻器向電網(wǎng)輸出或吸收有功電流來(lái)補(bǔ)償負(fù)載突變對(duì)電網(wǎng)頻率的影響。 當(dāng)電網(wǎng)受到瞬態(tài)負(fù)荷的沖擊時(shí)，動(dòng)力電池及電子電子器件比發(fā)電機(jī)的響應(yīng)速度更快，可以有效減小發(fā)電機(jī)負(fù)荷的波動(dòng)范圍，見圖3。該功能不僅可以起到降低發(fā)電機(jī)油耗的作用，還提高了電能質(zhì)量，確保供電的可靠性。

圖3 輔機(jī)Peak Shaving 效果曲線

1.3.4 主機(jī)峰值調(diào)節(jié)（Peak Shaving）

船舶在航行工況下，若受到外部環(huán)境（例如大風(fēng)、海浪等）的影響，會(huì)引起螺旋槳推進(jìn)功率的變化。 當(dāng)需要螺旋槳輸出更大的功率時(shí)，可以增加動(dòng)力電池的輸出功率為船舶電網(wǎng)負(fù)載供電，減少軸帶發(fā)電機(jī)的實(shí)際功率，維持主機(jī)輸出功率不變，以提供更多的推進(jìn)功率至螺旋槳。 這種方式可以有效地減少主機(jī)頻繁調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，降低主機(jī)油耗，提高船舶航行的經(jīng)濟(jì)性。

1.4 動(dòng)力電池布置

動(dòng)力電池組選用的是三元鋰電池 （NCM Lithium-ion battery），動(dòng)力電池組分為6 組，每組15 個(gè)模塊，總長(zhǎng)度約5 200 mm，高度為1 800 mm，在船上設(shè)有獨(dú)立的動(dòng)力電池間， 如圖4 所示， 滿足DNV 的Battery（Safety）符號(hào)要求。

圖4 動(dòng)力電池間電氣設(shè)備布置圖

由于該電池組的工作環(huán)境溫度不得超過(guò)20 ℃，動(dòng)力電池間除了機(jī)械通風(fēng)外， 還設(shè)有1 組空調(diào)，電池組上方設(shè)有空調(diào)送風(fēng)風(fēng)道，保證冷風(fēng)均勻地到達(dá)各組電池，提高冷卻效果。 在電池間設(shè)有溫度傳感器，當(dāng)溫度高于設(shè)定值時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒船員注意并采取措施。

動(dòng)力電池組自身帶有封閉的外殼，內(nèi)部設(shè)有獨(dú)立的排氣系統(tǒng)。 電池內(nèi)部任何有毒、可燃、爆炸性氣體都可以通過(guò)該系統(tǒng)排至露天區(qū)域，保證不會(huì)進(jìn)入動(dòng)力電池間，確保該房間內(nèi)部屬于安全區(qū)域。

動(dòng)力電池間與機(jī)艙之間采用A60 絕緣，內(nèi)設(shè)有感煙火災(zāi)探測(cè)器。 電池組上方設(shè)有水基滅火裝置，可以手動(dòng)釋放，也可以通過(guò)感煙、感焰探測(cè)器的失火信號(hào)自動(dòng)釋放，進(jìn)一步提高消防系統(tǒng)的安全性。

2 船舶綜合管控系統(tǒng)

設(shè)有1 套船舶自動(dòng)化綜合管控系統(tǒng)，共7 個(gè)信號(hào)采集站，布置于機(jī)艙、集控室、駕駛室及風(fēng)機(jī)控制室，系統(tǒng)總?cè)萘考s4 800 個(gè)信號(hào)點(diǎn)。 在集控室、駕駛室均設(shè)有計(jì)算機(jī)工作站， 分別位于集控臺(tái)及駕控臺(tái)。該系統(tǒng)具有監(jiān)測(cè)報(bào)警、電站管理、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。

2.1 船舶信息監(jiān)測(cè)

除了常規(guī)的監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)需要采集的監(jiān)測(cè)點(diǎn)之外，該系統(tǒng)還包含了對(duì)船舶航行安全、船上設(shè)備參數(shù)的監(jiān)測(cè)功能。

船舶航行安全信息可以在駕駛室控制臺(tái)上計(jì)算機(jī)工作站顯示，主要供駕駛室內(nèi)駕駛員及時(shí)掌握船舶航行情況，包括船位、航向、航速、水深、風(fēng)向、風(fēng)力、船舶狀態(tài)（包括傾斜角度及吃水值等），便于船員根據(jù)上述參數(shù)對(duì)船舶航行及時(shí)做出調(diào)整，保證航行安全性。

船上設(shè)備參數(shù)主要包括主機(jī)、輔機(jī)、鍋爐的燃料消耗參數(shù)、推進(jìn)軸功率、重要設(shè)備的功率、壓力及溫度等參數(shù)。 上述信息可以同時(shí)在集控臺(tái)及駕控臺(tái)工作站查看。 集控臺(tái)工作站主要供輪機(jī)員使用，可以根據(jù)監(jiān)測(cè)信息及時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行狀況，為設(shè)備的使用、維護(hù)保養(yǎng)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。 駕控臺(tái)工作站可以給駕駛船員提供船舶的主機(jī)狀態(tài)及燃料消耗數(shù)據(jù)，為船員航速、航程的選擇及航行規(guī)劃提供輔助決策依據(jù)。

2.2 電站管理系統(tǒng)

常規(guī)船的電站管理系統(tǒng)一般位于主配電板內(nèi)部，相對(duì)比較獨(dú)立。 但本船由于動(dòng)力源的選擇較多，包括軸發(fā)、 電池的混動(dòng)系統(tǒng)以及雙燃料發(fā)電機(jī)，需要考慮的監(jiān)測(cè)、控制以及安全因素較多，同時(shí)動(dòng)力電池的應(yīng)用還牽涉到推進(jìn)系統(tǒng)，因此將電站管理系統(tǒng)集成于船舶綜合管控系統(tǒng)內(nèi)。

在主配電板內(nèi)部設(shè)有信號(hào)采集站，將信號(hào)采集至系統(tǒng)內(nèi)并將控制指令反饋到主配電板內(nèi)部的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 在主配電板同步屏設(shè)有液晶控制面板，該面板以及集控臺(tái)工作站均提供直觀、便捷的人機(jī)操作界面，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)船舶電站的狀態(tài)，見圖5。

圖5 3 600 車電站管理系統(tǒng)人機(jī)界面

該界面可以一覽電站的整體運(yùn)行狀態(tài)，直觀地讀出軸發(fā)、主發(fā)的功率等參數(shù)，也可以清楚地讀出電池的剩余電量。 對(duì)于電站上重要用電負(fù)載，按功能類別設(shè)置了功率互感器，可以分別顯示例如冷卻系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)等用電負(fù)荷的實(shí)時(shí)功率，便于統(tǒng)一管理。

電站管理系統(tǒng)不僅包括常規(guī)的自動(dòng)電站功能，例如發(fā)電機(jī)的自動(dòng)控制、同步及并車、非重要負(fù)載優(yōu)先脫扣、重載問(wèn)詢及斷電后重要負(fù)載順序啟動(dòng)等，還結(jié)合本船的特點(diǎn)設(shè)置了一些特殊功能。 對(duì)于航行、進(jìn)出港、裝卸貨、停泊等工況，均設(shè)置了一鍵切換功能，按鍵后可自動(dòng)轉(zhuǎn)換至預(yù)先程序設(shè)定好的電源類型運(yùn)行模式，便于船員進(jìn)行轉(zhuǎn)換操作。 車輛艙風(fēng)機(jī)數(shù)量較多，若同時(shí)啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)沖擊較大，因此風(fēng)機(jī)采用延時(shí)逐個(gè)啟動(dòng)方式，還設(shè)置了重載問(wèn)詢功能。

2.3 設(shè)備綜合控制系統(tǒng)

所有風(fēng)機(jī)、油泵、水泵均可以在位于集控室及駕駛室的綜合管控系統(tǒng)工作站進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及控制，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理。

機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)、海水冷卻系統(tǒng)采用變頻控制方案。 對(duì)機(jī)艙溫度、風(fēng)壓，冷卻海水的溫度、壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)變頻技術(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)及控制，起到節(jié)能效果。

車輛艙風(fēng)機(jī)在航行工況下每小時(shí)換氣10 次，在裝卸貨工況下每小時(shí)換氣20 次， 不同工況運(yùn)行的車輛艙風(fēng)機(jī)數(shù)量不同，因此控制系統(tǒng)設(shè)置了不同工況一鍵切換功能，便于船員進(jìn)行操作。

2.4 LNG 安全及監(jiān)控

主機(jī)、輔機(jī)、鍋爐均支持LNG 及柴油雙燃料模式。綜合管控系統(tǒng)不僅可以對(duì)LNG 供氣系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，還能夠?qū)Υ螸NG 相關(guān)環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如通風(fēng)狀態(tài)、可燃?xì)怏w探測(cè)、火災(zāi)探測(cè)、氣鎖區(qū)狀態(tài)等。 一旦出現(xiàn)緊急狀況，可能危害到船舶航行安全的情況，及時(shí)地切斷供氣系統(tǒng)并轉(zhuǎn)換至燃油模式，實(shí)現(xiàn)供氣系統(tǒng)的安全連鎖，提高船舶航行的安全性。

3 橋樓設(shè)計(jì)

按照DNV 船級(jí)社一人橋樓符號(hào)NAUT（NAV）附加符號(hào)設(shè)計(jì)并入級(jí)， 同時(shí)滿足LR 船級(jí)社附加橋樓符號(hào)NAV1 的要求。 為了提高系統(tǒng)可靠性及船員駕駛操作的便捷性，不僅配備滿足SOLAS 要求的常規(guī)導(dǎo)航設(shè)備，還額外配置了部分導(dǎo)航設(shè)備。

駕控臺(tái)上除了雷達(dá)、電子海圖的4 臺(tái)顯示器外，在駕控臺(tái)中部還設(shè)置了CONNING 多功能顯示器。設(shè)置2 套電羅經(jīng)，自動(dòng)舵帶有軌跡控制TCS 功能，計(jì)程儀配置了多普勒及衛(wèi)星2 種形式，S 波段雷達(dá)采用固態(tài)雷達(dá)。 該船的導(dǎo)航設(shè)備配置處于技術(shù)領(lǐng)先水平。

駕控臺(tái)的功能分為3 個(gè)區(qū)域：右側(cè)為航行操作區(qū)，左側(cè)為監(jiān)測(cè)區(qū)，中間為操舵區(qū)。 根據(jù)規(guī)范，當(dāng)駕駛員位于上述區(qū)域時(shí)，不僅能觀測(cè)到相應(yīng)的航行設(shè)備信息，對(duì)于需要駕駛員進(jìn)行操作的航行設(shè)備應(yīng)處于伸手可及的范圍。 船級(jí)社對(duì)此范圍作了詳細(xì)的定義，對(duì)航行操作區(qū)及監(jiān)測(cè)區(qū)，該范圍還分為站立狀態(tài)及坐姿狀態(tài)兩種情況，如圖6 所示。

圖6 駕控臺(tái)面板設(shè)備布置圖

對(duì)駕控臺(tái)上設(shè)備面板布置做了相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，將橋樓值班報(bào)警按鈕、甚高頻通信電話、霧笛模式燈控制及雨刮器控制均布置在駕控臺(tái)中間各區(qū)域交界處。 為了在航行操作區(qū)也能夠操作舵機(jī)和首側(cè)推，將舵機(jī)控制板、主機(jī)控制板及首側(cè)推控制板布置在靠近航行操作區(qū)和操舵區(qū)的交界處，便于船員操作。

為了滿足船東操船習(xí)慣， 橋翼控制臺(tái)面向船中方向，如圖7 所示，控制臺(tái)上設(shè)有主機(jī)轉(zhuǎn)速表、舵角指示器等多功能分顯示器，可以顯示各類航行信息。

圖7 橋翼控制臺(tái)外形圖

4 結(jié) 語(yǔ)

3 600 車汽車運(yùn)輸船采用混合動(dòng)力（Hybrid）系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含雙燃料主發(fā)電機(jī)、軸帶發(fā)電機(jī)及動(dòng)力電池，對(duì)于全船配電及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)一定挑戰(zhàn)。 依托先進(jìn)的電池控制策略及綜合管控系統(tǒng)，同時(shí)利用直流母線技術(shù)，完成了包含動(dòng)力電池變流模塊的配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了混動(dòng)系統(tǒng)在汽車運(yùn)輸船上的應(yīng)用。