超級電容儲(chǔ)能裝置在混合動(dòng)力型直流電推系統(tǒng)中應(yīng)用與實(shí)踐

莊 偉，孫 堅(jiān)，王春杰，段 征

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超級電容儲(chǔ)能裝置在混合動(dòng)力型直流電推系統(tǒng)中應(yīng)用與實(shí)踐

莊 偉1，孫 堅(jiān)2，王春杰1，段 征1

（1.中國船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海 201108；2.中國船級社江陰辦事處，江蘇無錫 214400）

為了有效降低內(nèi)河水運(yùn)船舶的排放污染，提升燃油效率。本文提出基于超級電容的儲(chǔ)能裝置的混合動(dòng)力型直流電力推進(jìn)系統(tǒng)方案。分析了變速發(fā)電在節(jié)能減排方面的限制因素，提出了超級電容儲(chǔ)能裝置的應(yīng)用策略，經(jīng)過直流電推試驗(yàn)平臺(tái)的驗(yàn)證，成功應(yīng)用于“江蘇陸渡3011輪”。實(shí)際運(yùn)營反饋顯示本文提出的應(yīng)用方案不僅能實(shí)現(xiàn)約10%節(jié)油效果，有效降低排放和運(yùn)營成本，更在操控性上顯著優(yōu)于傳統(tǒng)柴油直推方案。

超級電容 儲(chǔ)能裝置 直流電力推進(jìn) 船舶混合動(dòng)力

0 引言

渡船是城市內(nèi)河水運(yùn)交通中的重要角色，大功率的柴油內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力使其成為城市污染來源之一。在全球“節(jié)能減排”大背景下，針對船舶的排放也提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)。隨著現(xiàn)代社會(huì)對環(huán)保和節(jié)能要求的提高，需要對傳統(tǒng)意義上的渡船進(jìn)行改造以適應(yīng)新的要求。

與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)相比，電力推進(jìn)系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)性、操縱性、安全可靠性以及節(jié)省安裝空間等方面有著顯著的優(yōu)勢[1-4]。相比于傳統(tǒng)的交流組網(wǎng)技術(shù)，新興的直流組網(wǎng)電力推進(jìn)技術(shù)更具優(yōu)勢。主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：①集成度高，能節(jié)省30%的體積和40%的重量；②直流組網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)越；③支持變速發(fā)電，提升推進(jìn)系統(tǒng)整體效率，降低能耗與排放；④直流配電系統(tǒng)與各類儲(chǔ)能設(shè)備和變頻設(shè)備兼容性更好，控制簡便[6]。

在直流電推系統(tǒng)中，雖然變速發(fā)電能帶來一定的節(jié)能效果，但在渡船等推進(jìn)負(fù)荷動(dòng)態(tài)范圍大的應(yīng)用場合下，發(fā)電裝置難以長時(shí)間維持在高能效點(diǎn)處運(yùn)行，節(jié)能效果大打折扣。考慮到直流電推系統(tǒng)對儲(chǔ)能設(shè)備的良好兼容性，本文將基于超級電容的儲(chǔ)能系統(tǒng)引入到直流電推系統(tǒng)中來。超級電容是一種備受關(guān)注且前景廣闊的新型儲(chǔ)能元件，有著諸多優(yōu)越特性。如具有巨大的電容量，可達(dá)數(shù)千乃至上萬法拉；大電流充放能力，50萬～100萬次的循環(huán)壽命，效率最高可達(dá)95%，工作溫度范圍寬（-45~65℃）。靈活的容量配置、模塊化設(shè)計(jì)等特點(diǎn)使其能很好的適應(yīng)船舶應(yīng)用環(huán)境[8]。

直流電力推進(jìn)系統(tǒng)中引入超級電容儲(chǔ)能系統(tǒng)，不僅能補(bǔ)償渡船航行中推進(jìn)負(fù)荷與發(fā)電功率間的動(dòng)態(tài)差異。還能兼顧發(fā)揮變速發(fā)電的優(yōu)勢，進(jìn)一步擴(kuò)大直流電推系統(tǒng)的節(jié)能減排優(yōu)勢。在接下來的章節(jié)中，將詳細(xì)討論超級電容儲(chǔ)能系統(tǒng)在混合動(dòng)力型直流電推系統(tǒng)中的應(yīng)用策略，并結(jié)合鎮(zhèn)揚(yáng)汽渡3011輪介紹一下論證內(nèi)容的實(shí)踐情況。

1 基于超級電容的混合動(dòng)力型直流電力推進(jìn)系統(tǒng)

混合動(dòng)力型直流電力推進(jìn)系統(tǒng)的拓?fù)淙鐖D1所示。其中G1和G2為異步發(fā)電機(jī)，REC1和REC2為整流裝置，DC Isolation Switch 為直流隔離開關(guān)，INV1為日用電逆變器，INV2和INV3為推進(jìn)逆變器，ESD為儲(chǔ)能裝置。發(fā)電機(jī)G1和G2發(fā)出400V交流電，經(jīng)REC1、REC2整流為750V直流電。兩段母排通過直流隔離開關(guān)連接。750V直流電經(jīng)INV1逆變?yōu)?00V50Hz的日用交流電，供給船上的錨機(jī)，照明等設(shè)備。INV2和INV3將750V直流電逆變?yōu)橥七M(jìn)電機(jī)M1和M2的動(dòng)力電。ESD由雙向直流整流裝置（DC/DC）和超級電容（Ultra-caps）組成。在混合動(dòng)力型直流電力推進(jìn)系統(tǒng)中。儲(chǔ)能裝置在船舶靠岸時(shí)作為電源為非動(dòng)力負(fù)載供電，在船舶航行時(shí)儲(chǔ)能裝置補(bǔ)償變速發(fā)電裝置功率動(dòng)態(tài)的不足；在需要充電以及吸收推進(jìn)系統(tǒng)的制動(dòng)能量時(shí)，儲(chǔ)能裝置又能作為負(fù)載吸收功率。為實(shí)現(xiàn)該功能，儲(chǔ)能系統(tǒng)中配備了DC/DC裝置。儲(chǔ)能超級電容通過DC/DC裝置與直流母線聯(lián)接。具體如圖2所示。左側(cè)虛線框中是超級電容模組，由多個(gè)超級電容單體經(jīng)過串并聯(lián)達(dá)到所需的容量和電壓，配備超級電容管理系統(tǒng)（CMS），監(jiān)控電容單體的電壓、電流、溫度等參數(shù)，并在檢測到異常時(shí)操作斷路器S，以確保超級電容系統(tǒng)的安全。右側(cè)虛線框中是DC/DC裝置。三個(gè)橋臂與電感L構(gòu)成三相交錯(cuò)并聯(lián)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對超級電容模組的充電和放電。

圖1 混合動(dòng)力型直流電力推進(jìn)系統(tǒng)的拓?fù)淇驁D

2 超級電容儲(chǔ)能裝置的應(yīng)用策略

在混合動(dòng)力型直流電力推進(jìn)系統(tǒng)中，為實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能裝置對動(dòng)態(tài)負(fù)載的補(bǔ)償和富余能量回收，變速發(fā)電裝置和儲(chǔ)能裝置均采用下傾的有差控制方式。具體應(yīng)用策略如下圖3所示。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，直流母線電壓為額定電壓1。變速發(fā)電裝置和超級電容儲(chǔ)能裝置根據(jù)各自的有差特性曲線，輸出功率分別為DG1和UC1，后者為0。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載突加時(shí)，系統(tǒng)電壓降為V2。根據(jù)各自的有差特性曲線，變速發(fā)電裝置的輸出功率為DG2，超級電容儲(chǔ)能裝置的輸出功率為UC2。由于后者的特性曲線的調(diào)差系數(shù)較小，功率輸出特性更硬。如圖所示有UC2>DG2，即在突加負(fù)載時(shí)，超級電容儲(chǔ)能裝置分擔(dān)了大部分突加負(fù)荷。

圖2 基于超級電容的儲(chǔ)能裝置結(jié)構(gòu)框圖

隨后，發(fā)電裝置的逐漸提升轉(zhuǎn)速，以節(jié)能優(yōu)化的方式提升輸出功率。同時(shí)，超級電容儲(chǔ)能裝置的有差特性曲線逐漸下移，降低自身輸出功率。動(dòng)態(tài)過程結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)電壓降至V3。此時(shí)，超級電容儲(chǔ)能裝置的輸出功率降為0，變速發(fā)電裝置提供系統(tǒng)所需的全部功率。待輸出負(fù)載穩(wěn)定后，PMS系統(tǒng)同時(shí)提升發(fā)電裝置和超級電容儲(chǔ)能裝置下垂特性曲線的截距，使系統(tǒng)電壓恢復(fù)到額定電壓。負(fù)載突卸和制動(dòng)能量回收的工況下，直流母線電壓突然提升，不僅發(fā)電裝置的輸出功率降低，超級電容儲(chǔ)能裝置的輸出功率呈現(xiàn)負(fù)值，即電容處于充電狀態(tài)。具體運(yùn)行過程與突加負(fù)載過程相反，不再贅述。

圖3 負(fù)載突變工況下的功率分配示意圖

上述應(yīng)用策略已在相同結(jié)構(gòu)的直流配電試驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行了驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果如圖4所示。圖4（a）中所示曲線為發(fā)電裝置輸出40 kW功率，每秒加減10 kW的功率曲線。可以看到輸出功率呈鋸齒狀，柴油機(jī)燃油燃燒不充分。圖4（b）中所示曲線為加入了超級電容儲(chǔ)能裝置后發(fā)電裝置輸出功率曲線。可以看到輸出功率平穩(wěn)了很多，儲(chǔ)能裝置對負(fù)荷突變補(bǔ)償效果明顯，柴油機(jī)燃油效率得到顯著改善。圖5所示為帶有超級電容儲(chǔ)能裝置系統(tǒng)突加/突卸80 kW負(fù)載的過程。曲線1代表功率需求，曲線2為發(fā)電裝置實(shí)際的功率輸出。可以看到在負(fù)荷突加時(shí)，超級電容發(fā)揮了功率補(bǔ)償作用，發(fā)電裝置的輸出功率緩慢提升；負(fù)載突卸后發(fā)電裝置的輸出功率緩慢下降。超級電容儲(chǔ)能裝置有效的緩解了負(fù)載突變給發(fā)電裝置帶來的調(diào)速負(fù)擔(dān)。柴油原動(dòng)機(jī)在這一過程中的燃油效率得到了有效的提升。

圖4 頻繁加減載試驗(yàn)曲線

3 鎮(zhèn)揚(yáng)汽渡中儲(chǔ)能裝置的應(yīng)用實(shí)踐

圖5 大負(fù)載突加/突卸試驗(yàn)曲線

前述基于超級電容儲(chǔ)能的混動(dòng)型直流電力推進(jìn)系統(tǒng)已經(jīng)鎮(zhèn)揚(yáng)汽渡3011輪上得到了應(yīng)用。如圖6所示，左上角為“江蘇陸渡3011輪”全貌，右上角為變速柴發(fā)機(jī)組，左下角為直流配電板，右下角為超級電容儲(chǔ)能系統(tǒng)2017年2月簽訂直流配電型電力推進(jìn)系統(tǒng)供貨合同。4月~5月，陸續(xù)完成了單個(gè)設(shè)備的制造和船級社檢驗(yàn)工作。6月中旬到7月中旬在中國船舶重工集團(tuán)公司第711研究所閔行試驗(yàn)場地進(jìn)行了系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，在海事局檢驗(yàn)機(jī)關(guān)和船東的共同見證下，完成了直流配電系統(tǒng)短路試驗(yàn)，變速機(jī)組突加突卸試驗(yàn)等重要試驗(yàn)，儲(chǔ)能裝置的應(yīng)用策略也得到了驗(yàn)證，聯(lián)調(diào)試驗(yàn)取得成功，設(shè)備接受了船檢機(jī)構(gòu)的認(rèn)證。鎮(zhèn)揚(yáng)汽渡直流電推系統(tǒng)加載實(shí)驗(yàn)如圖7所示。在加載階段1，可以看到儲(chǔ)能裝置第一時(shí)間承擔(dān)了全部的功率需求，處于放電狀態(tài)，隨著發(fā)電機(jī)逐漸提速，發(fā)電裝置輸出功率上升，儲(chǔ)能裝置逐漸降低輸出功率，直到加載結(jié)束。加載階段2也是同樣的過程。減載階段，儲(chǔ)能裝置瞬間吸收了減載功率，處于充電狀態(tài)，隨著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，發(fā)電裝置輸出功率降低，儲(chǔ)能裝置的充電功率逐漸降低，直到減載結(jié)束。9月30日混合動(dòng)力型直流電力推進(jìn)的“江蘇路渡3011輪”在江蘇省鎮(zhèn)江船廠順利下水。10月下旬完成了系泊試驗(yàn)。11月13日進(jìn)行了航行試驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過一個(gè)多月運(yùn)行測試，根據(jù)鎮(zhèn)揚(yáng)汽渡給出的應(yīng)用反饋。與同船型柴油動(dòng)力直推渡輪相比，鎮(zhèn)揚(yáng)汽渡3011輪由于采用了基于超級電容儲(chǔ)能裝置的混動(dòng)型直流電推系統(tǒng)，不僅油耗降低約10%，操控性也優(yōu)于原有船型。

圖7 鎮(zhèn)揚(yáng)汽渡直流電推系統(tǒng)加載實(shí)驗(yàn)

4 結(jié)論

綜上所述，不難看出基于超級電容的儲(chǔ)能系統(tǒng)能給直流電力推進(jìn)系統(tǒng)帶來更好的節(jié)能效果和動(dòng)力特性。可以預(yù)見，有著壽命長，功率密度大，工作溫度范圍寬，安全性高等諸多優(yōu)勢的超級電容儲(chǔ)能方式將在船舶電推系統(tǒng)中獲得更廣泛的應(yīng)用。

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Application and Practice of Supercapacitor Energy Storage Device in a Hybrid DC Electric Propulsion System

Zhuang Wei1, Sun Jian2, Wang Chunjie1, Duan Zheng1

(1.No. 711 Institute, Shanghai 201108, China; 2. Jiangyin Office of China Classification Society, Wuxi 214440,Jiangsu, China）

TM531

A

1003-4862（2018）07-0017-04

2018-03-15

莊偉（1982-），男，工學(xué)博士。研究方向：船舶直流電力推進(jìn)系統(tǒng)配電、繼電保護(hù)與儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用。