能量型超級電容在直流電推系統中的應用

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

為促進綠色航運發展和船舶節能減排，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運行過程的大功率波動，維持系統和電網的穩定性，打造綠色環保、節能高效的新型船舶將是未來船舶推進技術發展的主要方向。

目前，能量型超級電容儲能系統廣泛應用于微電網、分布式能源發電、輸配電等電力系統中，特別是在沖擊負荷、大功率裝置領域已經有著較為成熟的運用。能量型超級電容儲能系統應用在船舶上，將提高船舶運行時系統的穩定性、安全性和經濟性，對船舶動力系統的發展具有深遠的意義。

本文結合廈門400客位輪渡，對能量型超級電容儲能系統在直流電推系統中的應用進行研究。

1 超級電容的主要性能

超級電容根據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 傳統雙電層電容器和高能量超級電容器性能對比

傳統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異的倍率放電性能。根據線性充放曲線能夠計算整個儲能系統的鋰電池的荷電狀態(SOC)，其優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點如下：

(1)高功率密度，超級電容的內阻小，輸出功率密度高，是一般蓄電池的數十倍。

(2)使用壽命長，具有50萬次以上的循環充放電壽命。

(3)快速充放電能力強，可以實現大電流充放電，充電時間短。

(4)線性充放曲線能夠精確地監測電容的實際電量。

(5)寬范圍的工作溫度，能在-40～60 ℃的環境溫度中正常工作。

(6)安全性、可靠性高。

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

2 基于超級電容的直流電推系統

船舶直流電網主要由直流母線、整流模塊、逆變模塊、儲能模塊構成。整流模塊將發電機的交流電轉換為直流電，然后通過逆變模塊向推進電機和其他用電設備提供動力。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，全船采用直流組網形式并配有2臺超級電容，實現船舶在港零排放，使得該船舶動力系統具有高可靠性與冗余度。動力系統包括供電系統、配電系統、推進系統。

供電系統配備2套450 kW柴油發電機組，提供440 V 3 PH 60 Hz交流電源，整流后并入直流電網，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AC400 V/230 V負載饋電屏分配給全船用電設備。逆變電源饋電開關和岸電開關之間設置聯鎖。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，船舶停靠碼頭由碼頭岸電為全船提供用電。配電系統具備船舶自動電站的功能，根據實際負荷自動選擇投入電網機組的數量和超級電容的充放電狀態。發電機組、能量型超級電容、直流配電板和推進電機的運行狀態均可在集控室監控。

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。儲能系統在航行期間配合柴油發電機組的工作特性，通過削峰填谷方式，可改善柴油機組的燃燒特性，達到節能降噪的效果。并且，在營運時間內船舶停靠碼頭期間，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，完全關閉柴油發電機組，使全船達到完全零排放狀態。單組超級電容儲能系統的瞬時放電功率可以達到200 kW，充分發揮了超級電容的大功率充放電和快速響應的優勢，促進了整個系統的穩定運行和電能之間的快速切換。

推進系統逆變裝置從直流配電板取電，經交流變頻電機驅動2臺315 kW推進器。

3 超級電容在直流系統中的應用

3.1 綠色環保

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，儲能系統的容量應不小于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，向全船用電設備供電。儲能系統高效的充放電能力能夠保證全船16個連續航次日用負荷及停泊工況的需要。儲能系統選用2組12.5 kWh超級電容，分別連接到直流母線左右兩側，具體參數如下：

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 ℃。

在碼頭停靠期間，發電機組完全處于停機狀態，超級電容作為主電源直接向全船供電，避免柴油發電機組運行過程中產生的噪聲和尾氣，大大提高了游客的舒適度。同時在整個碼頭停泊期間實現零排放，綠色環保。

3.2 削峰填谷

系統運行期間，超級電容始終處于在網狀態。當負荷突然增加時，直流母線電壓降低，根據能量管理系統(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，維持母線電壓穩定，發電機維持原來的轉速和電壓，不會產生大的波動。當負荷突然減少時，直流母線電壓升高，根據PMS控制策略，超級電容將快速充電吸收機組多余的功率，發電機組維持原來的轉速和電壓，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，大幅度地減少發電機組的頻繁啟停次數和發電機負荷的頻繁變化，增強整個電力系統的穩定性，讓發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電機的使用壽命。

3.3 提高電網質量

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

當電網中僅有發電機組投入運行時，推進電機突然制動，由于慣性的原因電機無法從額定轉速立刻變為零，這個過程就存在了一定的能量回饋。如果無法被及時吸收，就會導致整個母線電壓升高，觸發相關電力元器件的保護動作。實驗數據見圖3。

圖3 電機突卸時轉速、母線電壓曲線(超級電容不在網)

當電網中發電機組、超級電容同時投入運行時，推進電機突然制動產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，實驗數據見圖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定。超級電容的快速響應和大功率充放特性大大提高了整個電網的穩定性，保證了在網電氣設備安全，同時增強了整個系統的抗沖擊能力。

圖4 電機突加、突卸時轉速、母線電壓曲線(超級電容在網)

3.4 超級電容安全管理系統

為了充分發揮超級電容的作用，同時保證電網和超級電容的安全、穩定運行，針對超級電容系統有一套完整的超級電容管理系統。

超級電容管理系統主要由主節點、子節點、人機界面、GPRS/GPS遠程監控模塊等構成，主要任務是讓超級電容在安全的環境條件下穩定工作，提供船舶控制系統所需要的各種信息，在出現故障或者異常時能夠及時發出警報并及時處理。同時根據船舶的運行狀態和電網的實際需求，決定超級電容是工作在充電狀態還是放電狀態。該系統主要功能包括：電容參數監測、電容安全狀態估計、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。

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

子節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點連接，通過主節點均衡命令，當壓差大于40 mV時，子節點打開均衡通道，保證單體電壓的一致。

人機界面通過通訊的方式進行數據交換，使通訊與主節點連接，具有子節點在線診斷、故障記錄、均衡設定、報警參數設定、停止充電設定、硬件端口診斷、網絡診斷等功能 。

4 結論

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

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

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