船舶動力電池系統(tǒng)（ESS）功能研究

中圖分類號：U665.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Functional Study of Shipboard Energy Storage System （ESS）

FENG Xianwei'，LIU Zhengyang2， ZENG Lingbin'， ZHANGDingbiao1，LI Sumei'（1.CSSCHuangpu WenchongShipbuidingCo.，Ltd.，Guangzhou510715，China;2.Unit91007ofPLA，F(xiàn)uan35501，China）

Abstract： With rapid advancements in new energy technologies， energy storage systems are increasingly applied in ships.Conducting research on ESS integration technologies is crucial for enhancing China's core technical capabilities in green shipbuilding.Based on practical integration experience of a shipboard ESS，this paper analyzes key technical parameters indesign， installation，and commissioning，providing theoretical guidance for similar engineeringpractices.

Keywords：ESS；integration technologies; key technical parameters

1 引言

隨著動力電池技術(shù)的快速發(fā)展及其在船舶領(lǐng)域的規(guī)?；瘧?yīng)用，船舶動力電池系統(tǒng)已逐步拓展至渡輪、科考船、內(nèi)河貨船等多元化船型，展現(xiàn)出廣闊的市場前景與持續(xù)的技術(shù)迭代潛力。作為全船能源體系的核心，船舶動力電池系統(tǒng)通過集成發(fā)電、輸電、配電、變電、儲能及智能化監(jiān)控與電力管理模塊[，構(gòu)建了覆蓋能源供給全鏈條的閉環(huán)體系。本文以某型鉆井船為研究載體，系統(tǒng)分析船舶動力電池系統(tǒng)集成與裝船技術(shù)路徑，重點探討系統(tǒng)架構(gòu)適配性設(shè)計、船用環(huán)境適應(yīng)性優(yōu)化、多能源協(xié)同控制策略等關(guān)鍵技術(shù)，研究成果可為我國綠色船舶技術(shù)體系構(gòu)建及實船工程化應(yīng)用提供參考。

2 船舶動力電池系統(tǒng)（ESS）概述

本研究對象船舶動力電池系統(tǒng)（ESS）由動力電池組、電池管理系統(tǒng)（BMS）、變頻器、空水冷變壓器及中壓配電板接口組成（ESS拓?fù)鋱D，見圖1），與功率管理系統(tǒng)（PMS）深度協(xié)同，構(gòu)成全船電力控制核心。PMS作為船舶電力系統(tǒng)的核心控制單元，通過標(biāo)準(zhǔn)化通訊協(xié)議與ESS進行實時信號交互（包括啟動、停止、負(fù)荷設(shè)定以及電池組荷電狀態(tài)（SoC）、電池組健康狀態(tài)（SoH）等信號），對在線發(fā)電機組的運行數(shù)量和功率進行控制和分配。在對負(fù)荷突變或需要進行削峰填谷操作時，PMS通過向ESS發(fā)送功率需求命令，ESS則采取動態(tài)閥值控制策略做出快速反應(yīng)（響應(yīng)時間通常小于 400ms ），以此實現(xiàn)功率的平穩(wěn)轉(zhuǎn)移，確保柴油發(fā)電機組始終運行在經(jīng)濟高效的工況之下。當(dāng)配電系統(tǒng)發(fā)生一臺發(fā)電機組故障跳閘時，PMS會立即啟動備用冗余機制（能夠提供 4000kW/5min 瞬時功率輸出），同時與ESS虛擬同步機（VSG）技術(shù)同步工作，實現(xiàn)功率同步切換和快速恢復(fù)供電（黑啟動時間小于 45s ）。此外，通過Q-V下垂特性曲線和虛擬阻抗調(diào)節(jié)技術(shù)，電力系統(tǒng)能夠動態(tài)調(diào)整無功功率輸出（功率因素可調(diào)節(jié)范圍0.99＼～1.0），有效控制電壓波動幅值（ ±0.5% ）并抑制總電壓諧波畸變（總電壓諧波畸變THD小于 3% ），從而保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和連續(xù)性。具體的功能描述見下文相關(guān)內(nèi)容。

3船舶動力電池系統(tǒng)（ESS）功能介紹

1）削峰填谷功能，提供 1000kW 充放電功率。

ESS將自動調(diào)整其功率流以保持發(fā)電機負(fù)載恒定。在本地控制下，通過ESS本地觸摸屏設(shè)定柴油機組的固定負(fù)載值；在遠(yuǎn)程操作中，通過功率管理系統(tǒng)（PMS）設(shè)定發(fā)電機組的固定負(fù)載值（手動）。PMS提供充放電的最大允許值。發(fā)電機組固定負(fù)載的設(shè)定值需要在調(diào)試時根據(jù)電站運行實際工況進行設(shè)定。

本系統(tǒng)采用動態(tài)閾值控制的功率分配策略，當(dāng)船舶電力負(fù)荷低于柴油機組預(yù)設(shè)閾值時，ESS自動進入能量回饋模式。在此模式下，系統(tǒng)優(yōu)先將剩余電能存儲于電池組，直至達(dá)到SoC上限閾值，此時充電功率將按指數(shù)曲線平滑衰減至零值。當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷發(fā)生變化時，電力系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的調(diào)頻模式（恒頻或下垂模式）對發(fā)電機組進行功率調(diào)節(jié)。在負(fù)荷突增時，ESS通過快速補償算法迅速響應(yīng)，實時補償柴油機組設(shè)定功率與實際負(fù)荷之間的功率差額，確保柴油機組始終運行在最佳效率區(qū)間（BSFC最低區(qū)域）。

BMS設(shè)定SoC運行窗口為 60-90% 的優(yōu)化區(qū)間，該參數(shù)設(shè)定綜合考慮了循環(huán)壽命衰減特性與系統(tǒng)能量裕度需求。根據(jù)實際工況需求，系統(tǒng)允許擴展SoC工作范圍至 25-90% 的寬域區(qū)間，具體參數(shù)通過岸基調(diào)試平臺進行動態(tài)標(biāo)定。當(dāng)ESS檢測到荷電狀態(tài)低于設(shè)定下限時，將向PMS發(fā)送機組增容請求，系統(tǒng)將基于實時負(fù)荷預(yù)測模型進行動態(tài)評估，確定是否啟動備用發(fā)電單元。這種雙層決策機制有效平衡了系統(tǒng)經(jīng)濟性與供電可靠性之間的辯證關(guān)系。

2）突加負(fù)荷補償，快速響應(yīng)負(fù)載變化。

這個功能用于限制發(fā)電機負(fù)載的突變，限制發(fā)電機負(fù)荷變化率。ESS基于內(nèi)部算法計算決定ESS將用多長時間將突加負(fù)載轉(zhuǎn)移到發(fā)電機上。當(dāng)負(fù)載的突然階躍增加時，ESS能夠快速檢測和補償，快速承擔(dān)此部分負(fù)載并逐漸下降，從而將負(fù)載平滑的轉(zhuǎn)移到發(fā)電機上。這樣，發(fā)電機的功率將緩慢增加。根據(jù)應(yīng)用，這個負(fù)載平滑轉(zhuǎn)移的時間可以從幾十秒調(diào)整到幾十分鐘。典型設(shè)置為 5min ，即發(fā)電機在 5min 后承擔(dān)所有負(fù)載。負(fù)載變化曲線見圖2所示。

如果階躍上升的負(fù)載高于ESS可以提供的功率，則ESS將根據(jù)內(nèi)部限制提供最大的放電功率。本系統(tǒng)配置了基于熱安全約束的變流器功率動態(tài)限幅機制，當(dāng)ESS變流器在額定功率工況下持續(xù)運行達(dá)到熱保護閥值時（通常發(fā)生于全功率放電 5-8min 后），系統(tǒng)將依據(jù)絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）結(jié)溫實時監(jiān)測數(shù)據(jù)執(zhí)行功率降額策略。在負(fù)荷峰值調(diào)節(jié)模式下，ESS遵循動態(tài)功率分配算法，其最大瞬時出力限制為1000kW ，具體輸出功率根據(jù)SoH）和放電深度（DoD）進行動態(tài)修正，并引人循環(huán)壽命衰減因子作為功率約束條件。

系統(tǒng)暫態(tài)響應(yīng)特性分析表明，ESS功率鏈路的等效延遲包含信號采集延遲（ 50-120ms ）與控制器運算周期（ 150-280ms ），構(gòu)成 200-400ms 的總響應(yīng)滯后。該延遲導(dǎo)致負(fù)荷階躍擾動初期由發(fā)電機組承擔(dān)全部功率突變，通過構(gòu)建同步發(fā)電機功頻特性模型可知，此時系統(tǒng)將產(chǎn)生 Δf=0.2-0.5Hz 的動態(tài)頻率偏差。對比實驗表明，ESS缺位工況下的頻率偏差幅值將增大 300%-500% 。值得注意的是，當(dāng)負(fù)荷變化速率高于500ms 臨界值時[2，ESS的動態(tài)補償機制可有效抑制頻率波動。

在負(fù)荷階躍轉(zhuǎn)移完成后，ESS將根據(jù)能量回填策略啟動充電模式。系統(tǒng)采用滯環(huán)比較算法設(shè)定SoC動態(tài)工作區(qū)間，當(dāng)檢測到荷電狀態(tài)低于預(yù)設(shè)閾值時，自動觸發(fā)恒流-恒壓分段充電策略。充電速率根據(jù)母線電壓穩(wěn)定性指標(biāo)進行動態(tài)調(diào)節(jié)，確保系統(tǒng)在復(fù)雜工況下的多重約束優(yōu)化。

3）熱冗余控制機制

當(dāng)ESS連接至主配電板，且?guī)в休^少或沒有負(fù)載時，ESS可以提供斷電預(yù)防功能。在任意發(fā)電機發(fā)生故障斷開的情況下，ESS可提供瞬時功率。在完全停電的情況下，ESS重新連接到電力系統(tǒng)要比柴油發(fā)電機組快得多。PMS發(fā)送啟動命令和功率需求到ESS，ESS根據(jù)設(shè)定值輸出所需有/無功功率并反饋狀態(tài)。

在熱冗余控制機制的模式下放電功率最大是4000kW/5min 。

本系統(tǒng)構(gòu)建了基于多模態(tài)切換的故障應(yīng)急響應(yīng)機制，當(dāng)檢測到并網(wǎng)發(fā)電機組異常脫網(wǎng)時，PMS依據(jù)儲能系統(tǒng)運行狀態(tài)實施差異化控制策略：在ESS并網(wǎng)工況下，PMS于 200ms 內(nèi)觸發(fā)熱備用跨接指令，采用模型預(yù)測控制實現(xiàn)功率無縫轉(zhuǎn)移，同步啟動備用機組并完成動態(tài)頻率匹配（ ±0.3Hz 精度）；若ESS處于離線狀態(tài)，系統(tǒng)則激活三級聯(lián)動控制一通過動態(tài)功率約束算法限制關(guān)鍵負(fù)載功率，同步執(zhí)行備用機組冷啟動（ lt;45s ）與ESS黑啟動并網(wǎng)（滿足電壓波動 lt;±5% 的技術(shù)要求），最終建立 ESS4000kW/5min 的峰值功率支撐能力。該機制創(chuàng)新性地融合虛擬同步機技術(shù)，通過實時解算電網(wǎng)阻抗譜實現(xiàn)自適應(yīng)下垂控制，使故障恢復(fù)期間頻率暫態(tài)跌落抑制在 0.8Hz 以內(nèi)，THD穩(wěn)定低于 3% ，有效解決了多能源系統(tǒng)在功率突變場景下的暫態(tài)穩(wěn)定性難題。

當(dāng)所有發(fā)電機開關(guān)和母聯(lián)開關(guān)分閘時，全船進入“全船失電”狀態(tài)，ESS自動進入熱冗余控制機制模式。

電池從停機到啟動放電時間一般是10s左右。

4）改善電網(wǎng)功率因數(shù)功能

本系統(tǒng)構(gòu)建了基于多目標(biāo)協(xié)同控制的動態(tài)電壓調(diào)節(jié)機制，通過ESS變流器的自適應(yīng)無功補償功能實現(xiàn)母線電壓穩(wěn)定與無功功率優(yōu)化分配。采用雙閉環(huán)控制架構(gòu)（外環(huán)電壓控制/內(nèi)環(huán)電流控制），結(jié)合IEC61800-3標(biāo)準(zhǔn)定義的功率因數(shù)校正（PFC）策略，系統(tǒng)可根據(jù)實時采集的電網(wǎng)阻抗參數(shù)動態(tài)調(diào)整Q-V下垂特性曲線（見圖3）。該曲線采用多項式擬合算法生成，將無功功率輸出與電壓偏差量（ ΔV ）建立非線性映射關(guān)系，實現(xiàn) ±0.8% 的電壓調(diào)節(jié)精度。

采用虛擬阻抗重塑技術(shù)，在模型預(yù)測控制（MPC）框架中實現(xiàn)有功-無功功率優(yōu)化。當(dāng)電網(wǎng)電壓波動超過 2% 額定值時，ESS會自動切換至電壓控制模式（VCM），通過動態(tài)調(diào)節(jié)開關(guān)頻率（范圍為 2-8kHz ）快速響應(yīng)無功功率需求，從而確保在 50ms 內(nèi)完成調(diào)整。實驗數(shù)據(jù)表明，該策略可使系統(tǒng)功率因數(shù)穩(wěn)定在0.99＼～1.0區(qū)間，同時將關(guān)鍵母線電壓波動抑制在±0.5% 以內(nèi)，且THD始終低于 3% ，滿足船用電網(wǎng)規(guī)范要求。

構(gòu)建基于分段電壓閾值的無功調(diào)節(jié)架構(gòu)，通過ESS變流器的四象限運行特性實現(xiàn)電網(wǎng)電壓動態(tài)穩(wěn)定，在電網(wǎng)電壓基準(zhǔn)帶（電壓偏差為 0.5% 額定電壓）范圍內(nèi)采用Q-V下垂控制策略進行調(diào)節(jié)。當(dāng)電力系統(tǒng)檢測到電網(wǎng)電壓低于基準(zhǔn)值時，電力系統(tǒng)會啟動動態(tài)無功功率補償功能；若電力系統(tǒng)檢測到電網(wǎng)電壓高于基準(zhǔn)值時，則自動切換值感性無功吸收模式。這種調(diào)節(jié)方式能夠有效維持電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定。

電力系統(tǒng)具有完善的保護機制，一旦電力系統(tǒng)檢測到電網(wǎng)電壓超出安全范圍，ESS將迅速啟動電壓剛性控制功能，通過比例諧振控制算法快速調(diào)整輸出，確保將電網(wǎng)電壓限制在預(yù)定的安全閥值方位內(nèi)（調(diào)節(jié)精度為 ±0.2% ）。這一保護機制能夠顯著提升電力系統(tǒng)的抗干擾能力和穩(wěn)定性。

在控制策略上，采用了虛擬阻抗解耦技術(shù)，通過旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換對有功功率與無功功率進行獨立調(diào)節(jié)，從而確保在進行功率因數(shù)校正時，對有功功率傳輸路徑的影響降至最低。此外，在與柴油發(fā)電機組并車運行時，ESS能夠動態(tài)調(diào)整等效短路比，實現(xiàn)多層級的電壓支撐。因此，該電力系統(tǒng)具有良好的暫態(tài)響應(yīng)特性，能夠在 200ms 內(nèi)使電壓恢復(fù)至 95% 額定電壓水平。同時，該控制方式與柴油發(fā)電機組的下垂特性相匹配，形成了互補優(yōu)化的效果，顯著提升了在 ±15% 電壓波動工況下的系統(tǒng)穩(wěn)定性裕度。

5）負(fù)載變化時的功率緩沖作用

柴油發(fā)電機主要為系統(tǒng)負(fù)載供電，但任何多余的電力都可以用于電池充電。系統(tǒng)中的任何負(fù)荷增加都可以在能力范圍內(nèi)由動力電池系統(tǒng)提供的能量來覆蓋。PMS發(fā)送有功和無功功率的設(shè)定值到ESS，ESS根據(jù)設(shè)定值輸出所需有功/無功功率[3]。

6）優(yōu)化發(fā)電機的在線運行數(shù)量和效率

通過讓運行發(fā)電機運行在高負(fù)荷率的負(fù)載分配來實現(xiàn)，這樣就不需要啟動新的柴油發(fā)電機組。如果多臺柴油發(fā)電機以低功耗運行，其中一臺可以停止，因為ESS可以提供負(fù)載分配。PMS發(fā)送有功和無功功率的設(shè)定值到ESS，ESS根據(jù)設(shè)定值輸出所需有功/無功功率。

7）當(dāng)ESS連接至主配電板，且?guī)в休^少或沒有負(fù)載時，可以提供斷電預(yù)防功能。

在任意發(fā)電機發(fā)生故障斷開的情況下，ESS可提供瞬時功率。在完全停電的情況下，ESS重新連接到電力系統(tǒng)要比柴油發(fā)電機組快得多。PMS發(fā)送啟動命令和功率需求到ESS，ESS根據(jù)設(shè)定值輸出所需有／無功功率并反饋狀態(tài)。

電芯電壓、SoC、SoH等信息通過通訊的方式傳輸至PMS；同時，功率管理系統(tǒng)（PMS）需要將啟動、停止、復(fù)位、模式選擇等信號傳輸至ESS；以及中壓配電板需要將發(fā)電機負(fù)荷、發(fā)電機開關(guān)狀態(tài)、母聯(lián)開關(guān)狀態(tài)等信號傳輸至ESS。對內(nèi)和對外接口傳輸方向和接口數(shù)據(jù)格式見表1所示。

8）ESS變頻系統(tǒng)可以為電力系統(tǒng)提供功率因數(shù)校正功能

在該工況下，ESS變頻系統(tǒng)接收PMS的無功功率設(shè)定值，輸出應(yīng)在變頻/電池系統(tǒng)的設(shè)計充許范圍內(nèi)，ESS設(shè)計功率因數(shù)為 0.85 O

4船舶動力電池系統(tǒng)信息流程及接口關(guān)系

船舶動力電池系統(tǒng)功能的完整性取決于各設(shè)備間的信息流程，需各設(shè)備之間的信息交互融合，這就要求對各設(shè)備的接口形式進行了解與熟悉，便于對ESS的設(shè)計。

ESS需要與PMS、中壓配電板和應(yīng)急切斷系統(tǒng)進行信息交互，需要將ESS的狀態(tài)信息如電芯溫度、

5 結(jié)語

本文依托船舶動力電池系統(tǒng)設(shè)計及安裝調(diào)試經(jīng)驗，全面梳理系統(tǒng)技術(shù)功能特性，經(jīng)深度探究與多維研判，總結(jié)出ESS集成技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，可為ESS集成裝船工程實踐提供科學(xué)的指引與參考。

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