新型綠色船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用分析

陳建勇,陳亞杰,高海波,段征,潘釗

(1.中船郵輪科技發(fā)展有限公司,上海 200439;2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第七一一研究所,上海 201108;3.武漢理工大學(xué) 船海與能源動(dòng)力工程學(xué)院,武漢 430063)

船舶推進(jìn)系統(tǒng)的性能關(guān)系到船舶運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、安全性和可靠性。傳統(tǒng)機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)存在噪聲大、調(diào)速范圍小、靈活性,以及經(jīng)濟(jì)性差等問題,發(fā)展新型推進(jìn)系統(tǒng)逐漸成為航運(yùn)業(yè)的研究熱點(diǎn)?；旌蟿?dòng)力和新能源一直是船舶綠色動(dòng)力的研究熱點(diǎn)?；旌蟿?dòng)力軸帶電機(jī)技術(shù)可以優(yōu)化系統(tǒng)功率分配,從而降低系統(tǒng)損耗、提高系統(tǒng)效率。蓄電池、超級(jí)電容、燃料電池以及太陽(yáng)能、風(fēng)能等自然能源組成的復(fù)合能源,匹配上儲(chǔ)能裝置和直流電網(wǎng)技術(shù),這既可以實(shí)現(xiàn)零排放指標(biāo),也可以回收和存儲(chǔ)制動(dòng)能量。圍繞綠色高效的主題,分析不同船型動(dòng)力需求,綜合考慮能源供給、船舶配電、驅(qū)動(dòng)控制、推進(jìn)器等技術(shù)條件,總結(jié)出三種船舶綠色動(dòng)力的配置方案,重點(diǎn)介紹儲(chǔ)能技術(shù)、直流組網(wǎng)技術(shù)及軸帶電機(jī)變頻器技術(shù)及方案中的技術(shù)難點(diǎn)。

1 船舶綠色動(dòng)力解決方案

1.1 純電動(dòng)電力推進(jìn)系統(tǒng)解決方案

純電動(dòng)解決方案針對(duì)水下潛航器、深海移動(dòng)工作站等不依賴空氣、有高功率密度需求的船型,以及在內(nèi)河、湖泊等高環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)水域工作的船舶,采用儲(chǔ)能電池、直流配電、無(wú)軸輪緣推進(jìn)器等技術(shù)。該方案結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 純電動(dòng)電力推進(jìn)系統(tǒng)方案

圖1中,采用新型的磷酸鐵鋰或三元鋰電池組或超級(jí)電容作為能量源,經(jīng)直流母線配電,經(jīng)變頻器驅(qū)動(dòng)無(wú)軸輪緣推進(jìn)器推進(jìn)船舶。

無(wú)軸輪緣推進(jìn)器[1-2]見圖2。

圖2 無(wú)軸輪緣推進(jìn)器

圖2中,電機(jī)的定子集成在導(dǎo)管中,轉(zhuǎn)子和螺旋槳集成為一體,螺旋槳由軸向連接改為徑向連接方式。該推進(jìn)器具有效率高、振動(dòng)噪聲小、體積小、重量輕、安全可靠且布置靈活等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 復(fù)合儲(chǔ)能電力推進(jìn)系統(tǒng)解決方案

復(fù)合儲(chǔ)能電力推進(jìn)系統(tǒng)方案針對(duì)渡輪、內(nèi)河游船、特種功能船等中小功率、固定航程、排放要求較高的船型,綜合利用復(fù)合能源、新型儲(chǔ)能裝置、直流組網(wǎng)、吊艙推進(jìn)等技術(shù),方案結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 復(fù)合儲(chǔ)能電力推進(jìn)系統(tǒng)方案

圖3中,采用柴油發(fā)電機(jī)組+蓄電池組(或超級(jí)電容)+新能源構(gòu)成供電系統(tǒng),蓄電池組(或超級(jí)電容)構(gòu)成儲(chǔ)能裝置。直流組網(wǎng)技術(shù)配合儲(chǔ)能技術(shù)可以合理高效地分配及儲(chǔ)存電能,充分利用各能量源的優(yōu)勢(shì)。主推進(jìn)器采用吊艙推進(jìn)裝置,可以優(yōu)化船型及動(dòng)力系統(tǒng)布置,提高船舶機(jī)動(dòng)性和可靠性。該方案具有節(jié)能減排、提高冗余、維護(hù)操控方便、舒適度高等優(yōu)勢(shì)。

1.3 柴電混合推進(jìn)系統(tǒng)方案

柴電混合推進(jìn)系統(tǒng)方案針對(duì)工程船、科考調(diào)查船等功率較大、工況較多的船型,綜合采用軸帶電機(jī)技術(shù)、交流配電技術(shù)、直軸推進(jìn)技術(shù)。方案結(jié)構(gòu)見圖4,根據(jù)軸帶電機(jī)的安裝位置,該方案可以有同軸式軸帶電機(jī)和齒輪式軸帶電機(jī)兩種方案。

圖4 新型柴電混合推進(jìn)方案

圖4中,軸帶電機(jī)既可作發(fā)電機(jī)運(yùn)行,也可作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。發(fā)電運(yùn)行時(shí),發(fā)出的不穩(wěn)定的交流電,經(jīng)過整流及逆變調(diào)節(jié),變換成恒壓恒頻的交流電供給電網(wǎng),可在很大的主機(jī)轉(zhuǎn)速變化范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電能供給。作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí),可從電站獲取電能,增強(qiáng)推進(jìn)功率。

2 綠色動(dòng)力解決方案中的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 儲(chǔ)能技術(shù)

在各種組合的儲(chǔ)能裝置中,鋰電池(或超級(jí)電容)的應(yīng)用最為廣泛。按照目前鋰電池/超級(jí)電容的產(chǎn)品性能,儲(chǔ)能系統(tǒng)可同時(shí)具備良好的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性[3]。但儲(chǔ)能裝置現(xiàn)在還存在著儲(chǔ)能密度不高、使命壽命短、初投資高等問題,限制了在船舶上的廣泛應(yīng)用[4]。

2.2 直流組網(wǎng)技術(shù)

與交流組網(wǎng)技術(shù)不同,直流組網(wǎng)技術(shù)是一種全新的組網(wǎng)技術(shù)。兩種組網(wǎng)的電力推進(jìn)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 兩種組網(wǎng)電力推進(jìn)系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)

直流組網(wǎng)系統(tǒng)摒棄了交流組網(wǎng)系統(tǒng)中的配電盤和變壓器,將交流變頻器的交直交變換環(huán)節(jié)拆分,組網(wǎng)側(cè)從原來(lái)的發(fā)電機(jī)交流側(cè)轉(zhuǎn)移到直流側(cè),解決了柴油發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)、諧波抑制等技術(shù)難題。

直流組網(wǎng)系統(tǒng)方案省去了配電盤、變壓器等設(shè)備,設(shè)備集成度更高,系統(tǒng)架構(gòu)簡(jiǎn)單,系統(tǒng)重量和體積大大降低,簡(jiǎn)化機(jī)艙的布置難度。同時(shí)也省去了大量接線電纜及設(shè)備接口,降低系統(tǒng)成本,減少了能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié),系統(tǒng)效率更高。其結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 交流組網(wǎng)和直流組網(wǎng)系統(tǒng)中蓄電池組接入方式

直流組網(wǎng)系統(tǒng)相對(duì)于交流組網(wǎng)系統(tǒng)兼容性更好,系統(tǒng)配置更靈活,易于接入電池、新能源等儲(chǔ)能裝置。在柴發(fā)與儲(chǔ)能混合形式下,儲(chǔ)能系統(tǒng)補(bǔ)償和吸收電網(wǎng)上的能量突變,平抑負(fù)荷波動(dòng),改善原動(dòng)機(jī)工況達(dá)到節(jié)能效果。同時(shí),直流組網(wǎng)技術(shù)配合變速柴油機(jī)方案,可以使機(jī)組變速運(yùn)行在最優(yōu)能耗電點(diǎn),減少排放,達(dá)到全功率段節(jié)能運(yùn)行的效果。

目前主流的直流組網(wǎng)電力推進(jìn)系統(tǒng)方案采用同步發(fā)電機(jī)組+二極管前端(diode front end, DFE)整流模式,見圖7a)。

圖7 AFE整流和DFE整流組網(wǎng)方案

DFE前端整流采用的功率器件為二極管,由于二極管器件不可控,造成網(wǎng)側(cè)大量的低次和高次諧波,一般通過增加移相整流變壓器構(gòu)成12脈或24脈整流,從而降低諧波對(duì)船舶電網(wǎng)的影響。

變革的直流組網(wǎng)電力推進(jìn)系統(tǒng)方案見圖7b),引進(jìn)德國(guó)E-MS技術(shù),采用異步發(fā)電機(jī)組+主動(dòng)前端(active front end, AFE)整流的技術(shù)路線,AFE前端采用絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor, IGBT),通過控制IGBT的通斷,可以提高系統(tǒng)功率因數(shù),降低諧波影響,保持直流母線電壓的恒定。機(jī)組通過獨(dú)立的變頻模塊和控制系統(tǒng)在直流側(cè)進(jìn)行并網(wǎng),省去了移相整流變壓器,重量體積較小,適用于要求主電源具有低諧波特性的應(yīng)用[5]。

如表1所示,采用異步電機(jī)+AFE整流方案,系統(tǒng)電網(wǎng)更穩(wěn)定,機(jī)組故障不會(huì)導(dǎo)致整體電網(wǎng)的電壓電流波動(dòng),沒有電網(wǎng)崩潰風(fēng)險(xiǎn)。并網(wǎng)方式更簡(jiǎn)單,簡(jiǎn)化并網(wǎng)過程,柴油機(jī)組響應(yīng)能力更強(qiáng)。

表1 AFE整流方案和DFE整流方案并網(wǎng)對(duì)比

2.3 現(xiàn)代軸帶電機(jī)技術(shù)

現(xiàn)代軸帶電機(jī)系統(tǒng)可以通過軸帶電機(jī)變頻器升級(jí)傳統(tǒng)軸帶電機(jī)系統(tǒng),軸帶電機(jī)變頻器主要功能是控制電機(jī)、快速柔性并網(wǎng),以及提供電能給船用負(fù)載。主要由控制繞組側(cè)變頻器、網(wǎng)側(cè)濾波器、網(wǎng)側(cè)變頻器、輸入電抗器、輸出電抗器、控制系統(tǒng),以及相關(guān)并網(wǎng)開關(guān)組成[6],見圖8。

圖8 現(xiàn)代軸帶電機(jī)安裝方式

2009年,國(guó)內(nèi)突破 PTI/PTO控制和集成技術(shù)瓶頸,將自主化研制的PTI/PTO柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)成功應(yīng)用到粵海火車輪渡3號(hào)和4號(hào)船上,開啟了我國(guó)自主研發(fā)TI/PTO柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)的時(shí)代。之后,5 000 t海監(jiān)船、浙江海洋大學(xué)漁業(yè)資源調(diào)查船和上海國(guó)際港務(wù)(集團(tuán))股份有限公司復(fù)興船務(wù)公司2 200 kW+740 kW柴電混合拖船等項(xiàng)目又陸續(xù)應(yīng)用柴電混合動(dòng)力系統(tǒng),拓展了柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)的應(yīng)用船型[7]。

現(xiàn)代軸帶電機(jī)系統(tǒng)中,電機(jī)既可當(dāng)作發(fā)電機(jī)使用,也可當(dāng)作電動(dòng)機(jī)使用。共有3種操作模式,見圖9。

圖9 現(xiàn)代軸帶電機(jī)系統(tǒng)操作模式

現(xiàn)代軸帶電機(jī)技術(shù)通過軸帶變頻器可以優(yōu)化主機(jī)工況,節(jié)能減排;當(dāng)主機(jī)發(fā)生故障時(shí),能夠通過軸帶電機(jī)給船舶提供動(dòng)力,增加功率冗余并提高船舶航行的安全性;提供多種操作模式,增加了船舶運(yùn)行的靈活性;能夠?qū)渡喜煌妷旱燃?jí)的岸電連接至船舶電網(wǎng)。

3 綠色船舶科研成果及工程應(yīng)用

3.1 科研成果

丹佛斯為M/V Bore Sea號(hào)大型滾裝船開發(fā)了一種可對(duì)主推進(jìn)裝置予以充分優(yōu)化,并進(jìn)一步提高能效的解決方案。該方案采用VACON NXP型號(hào)并網(wǎng)變流器+軸帶電機(jī)推進(jìn)方案,可允許主機(jī)轉(zhuǎn)速大幅度變化,并可提供恒定電壓頻率的交流電,在優(yōu)化主機(jī)效率的同時(shí),最大限度地降低油耗。

西門子設(shè)計(jì)了Bluedrive Plus C直流電網(wǎng)電力推進(jìn)系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)型電力推進(jìn)系統(tǒng)、電力助推系統(tǒng)、全集成監(jiān)測(cè)報(bào)警和控制系統(tǒng),并開發(fā)了船舶優(yōu)化管理系統(tǒng),通過船舶的各類接口獲取船舶運(yùn)營(yíng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù),如燃油消耗,排放,燃油加注,檢修周期等,通過評(píng)估與分析處理來(lái)實(shí)現(xiàn)船舶運(yùn)營(yíng)的最優(yōu)化。

國(guó)內(nèi)711所等單位于2016年建立了完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的直流配電型電力推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室,開展了船用儲(chǔ)能技術(shù)、變速柴發(fā)機(jī)組、直流微網(wǎng)配電技術(shù)、直流配電繼電保護(hù)技術(shù)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)研究與驗(yàn)證,能夠進(jìn)行變速發(fā)電機(jī)組的節(jié)能策略、直流電網(wǎng)安全保護(hù)策略、能量管理策略等一系列試驗(yàn),還實(shí)現(xiàn)了變頻器、 直流配電柜、 儲(chǔ)能控制系統(tǒng)的完全自主開發(fā)。

該系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn):①直流配電能量管理技術(shù);②直流配電系統(tǒng)保護(hù)技術(shù);③電池BMS管理技術(shù);④變速發(fā)電機(jī)組關(guān)鍵技術(shù);⑤變速恒頻軸帶發(fā)電技術(shù)。通過以上技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)電力推進(jìn)、復(fù)合儲(chǔ)能電力推進(jìn)以及柴電混合推進(jìn)3種形式的動(dòng)力系統(tǒng)。

3.2 工程應(yīng)用

國(guó)內(nèi)目前已擁有十幾艘船舶的直流配電型電力推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及集成實(shí)例,包括純電池、純電容、發(fā)電機(jī)組與儲(chǔ)能設(shè)備混合等多種形式。

3.2.1 純電動(dòng)電力推進(jìn)系統(tǒng)解決方案

密云水質(zhì)監(jiān)測(cè)船配置了960 kW·h電池;首次在國(guó)內(nèi)采用了輕量化的動(dòng)力設(shè)備,系統(tǒng)單線圖見圖10,其中變流器模塊僅為常規(guī)模塊重量的1/2,配備2臺(tái)100 kW永磁同步磁阻輔助電機(jī),重量體積僅為常規(guī)電機(jī)的1/2,效率可達(dá)98%,比水套冷卻電機(jī)效率高出3.1%以上,具有大轉(zhuǎn)矩輸出特性。該船儲(chǔ)能系統(tǒng)動(dòng)力電池?zé)o外部加熱情況下穩(wěn)定工作環(huán)境溫度:-15～45 ℃;(一般電池在0 ℃以上)確保冬季系統(tǒng)可正常運(yùn)行,具有續(xù)航8 h能力(推進(jìn)功率非全功率)。

圖10 純電動(dòng)電力推進(jìn)系統(tǒng)原理單線圖

該系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn):①動(dòng)力系統(tǒng)重量降低;②動(dòng)力系統(tǒng)體積減小;③電機(jī)輸出扭矩大、效率高;④低溫下,電池儲(chǔ)能穩(wěn)定,續(xù)航能力強(qiáng)。

經(jīng)由上海市科委科研支持,研制純超級(jí)電容推進(jìn)系統(tǒng)并獲得世界首艘千噸級(jí)純超級(jí)電容新能源船舶示范應(yīng)用。該船為1艘65.0 m車客渡船,采用高功率長(zhǎng)壽命超級(jí)電容(單體能量密度達(dá)到100 W·h/kg),應(yīng)用純超級(jí)電容供電的直流電力推進(jìn)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)智能化大功率充電(充電功率達(dá)到3 MW),具有動(dòng)力系統(tǒng)智能健康管理能力。該系統(tǒng)由625 kW·h超級(jí)電容、直流變頻配電板、2套350 kW推進(jìn)電機(jī)、電能管理系統(tǒng)和推進(jìn)控制系統(tǒng)組成。

該系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn):①超級(jí)電容能量密度大;②大電流快速充放電性能好;③電池壽命長(zhǎng)。

3.2.2 復(fù)合儲(chǔ)能電力推進(jìn)系統(tǒng)解決方案

鎮(zhèn)揚(yáng)汽渡、板橋汽渡等多船采用這種解決方案。該系統(tǒng)由2套380 kW變速發(fā)電機(jī)組(轉(zhuǎn)速變化范圍820～1 800 r/min)、直流變頻配電板、19 kW·h超級(jí)電容、2套350 kW推進(jìn)電機(jī)、電能管理系統(tǒng)和推進(jìn)控制系統(tǒng)組成, 系統(tǒng)單線圖見圖11。突破了異步變速發(fā)電機(jī)組及混合儲(chǔ)能技術(shù),實(shí)現(xiàn)了基于下垂特性的船用直流發(fā)電設(shè)備并網(wǎng)策略及直流系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)。從運(yùn)營(yíng)的3011車客渡船為例,可實(shí)現(xiàn)12%以上的節(jié)油效果,帶來(lái)顯著的投資收益,同時(shí)可降低船舶的NOx、SOx、PM等污染物排放,具有良好的環(huán)保效益。

圖11 復(fù)合儲(chǔ)能電力推進(jìn)系統(tǒng)原理單線圖

廈門輪渡也采用了同種方案,系統(tǒng)由2套300 kW變速發(fā)電機(jī)組、直流變頻配電板、25 kW·h超級(jí)電容、2套350 kW推進(jìn)電機(jī)、電能管理系統(tǒng)和推進(jìn)控制系統(tǒng)組成,系統(tǒng)單線圖見圖12。

該系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn):①直流并網(wǎng),控制效果好;②低噪音,低振動(dòng),乘坐體驗(yàn)好;③設(shè)備組件少,重量和體積降低;④改善動(dòng)力響應(yīng)和操縱性。

3.2.3 柴電混合推進(jìn)系統(tǒng)解決方案

全國(guó)首艘柴電混合動(dòng)力科考船—浙江海洋大學(xué)“浙漁科2”漁業(yè)資源調(diào)查船采用混合動(dòng)力系統(tǒng),為國(guó)內(nèi)第一艘自主研發(fā)與設(shè)計(jì)的柴電混合動(dòng)力科考船舶,是集教學(xué)、科研、實(shí)踐、實(shí)訓(xùn)為一體的綜合平臺(tái),能滿足沿岸、近海等綜合勘測(cè)需求的作業(yè)任務(wù),具有柴油機(jī)推進(jìn)、電力推進(jìn)及柴電聯(lián)合推進(jìn)的3種推進(jìn)形式。

該系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn):①動(dòng)力形式靈活,適合充電樁覆蓋少的場(chǎng)合;②節(jié)油效果好,經(jīng)濟(jì)效益高。

4 結(jié)論

3種綠色動(dòng)力解決方案,應(yīng)用各有特點(diǎn)。采用綠色動(dòng)力解決方案不但可以節(jié)能減排,還在體積重量、機(jī)艙布局以及電網(wǎng)穩(wěn)定等方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)合、動(dòng)力形式、功率要求、操縱要求可靈活選用綠色動(dòng)力解決方案。