船舶柴電混合動力系統設計應用

張丁標，盧園園，張育嬋

(1.中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東 廣州 510715；2.廣船國際有限公司，廣東 廣州 511462)

0 引 言

為應對國際海事組織(IMO)及各國日趨嚴格的碳、硫、氮減排強制性法規相關的環境保護要求，世界上各大造船企業、主要航運企業和船舶設計研究院所正在積極推動綠色環保新能源技術應用于實船，以集成柴油發電機組和儲能系統作為新能源船舶電站的柴電混合動力船舶實例應用較具有代表性和革新性[1]。將儲能系統作為一種新能源引進船舶電能系統，通過等效折減(或降低)常規柴油發電機組裝機容量(或輸出功率)的技術途徑，可顯著減少廢氣排放量和降低能效設計指數(EEDI)[2]。

目前柴電混合動力系統主要應用于渡船、小型客船及游覽觀光船，涉及電站及儲能系統功率較小，運行模式單一。深圳海上危險品應急指揮船主要作業于液化天然氣(Liquefied Natural Gas,LNG)儲存等易燃易爆危險區域，配置3臺2 000 kW柴油發電機組、2套650 kW·h動力鋰電池組及2臺3 000 kW/660 V永磁電機，是世界領先的柴電混合動力系統(柴油發電機組+鋰電池組)船舶。該型船在系統設計時著重考慮其電站和儲能系統容量大、作業工況復雜、運行模式多樣等特點。

1 系統組成

該型船的柴電混合動力系統基于船舶在危險環境下的運行工況要求設計，包括柴油發電機組、配電板系統、推進器電力驅動系統/吊艙推進器和儲能系統等4個部分。電制采用690 V/50 Hz三相絕緣系統，發電機組布置在機艙，配電板布置在集控室，動力電池組布置在動力電池間。柴電混合動力系統單線圖如圖1所示，其中：DG(Diesel Generator)為柴油發電機；AC為交流電；NC(Normal Close)為常斷閥；AFE(Active Front End)為有源前端；MTM(Main Thruster Motor)為主推進器電機；BTM(Bow Thruster Motor)為艏側推器電機。柴電混合動力系統設備配置如表1所示，其中：EMS(Energy Management System)為電能管理系統；PLC(Programmable Logic Controller)為可編程邏輯控制器；DCU(Drive Control Unit)為驅動控制器；BMS(Battery Management System)為電池管理系統。

表1 柴電混合動力系統設備配置

圖1 柴電混合動力系統單線圖

2 儲能系統

2.1 系統概述

整個儲能系統由動力電池組、直流電(DC)/AC逆變器、隔離變壓器、BMS和電池艙滅火系統組成。動力電池組由單體電池組成電池模塊，電池模塊串聯安裝于電柜內，電柜并聯，通過逆變模塊與電網連接，可雙向控制放電和充電，并通過BMS實時監控電池狀態、安全管理及保護電池系統。

儲能系統在海事方面可供遵循的法規、規范和標準相對較少，目前設計和配置主要根據中國船級社(CCS)的《太陽能光伏系統及磷酸鐵鋰電池系統檢驗指南》《純電池動力電動船檢驗指南(2019)》及美國船級社(ABS)的GuideforUseofLithiumBatteriesintheMarineandOffshoreIndustries規范進行設計，其他主要以陸用標準為主，包括《電動車輛傳導充電系統第1部分：通用要求：GB/T 18487.1-2015》和《電磁兼容 試驗和測量技術：浪涌(沖擊)抗擾度試驗：GB/T 17626.5-2008》等。

2.2 系統容量及組成

儲能系統容量取決于船舶實際使用情況。在碼頭發生危險品事故應急時，該型船進入危險區域航行，切斷所有室外非防爆設備，在限定航速(7 kn)下使用動力電池為全船動力設備及其他相關設備供電，航行時間不低于2 h。該型船的應急救援電力負荷計算結果如表2所示。匯總后的實際功率為520.4 kW，需要電量(使用2 h)為1 040.8 kW·h，動力電池組容量(滿足0.5 C充放電需求)為1 300 kW·h，負荷率為80.1%。

表2 應急救援電力負荷計算結果

根據上述計算結果選用動力鋰電池系統，該系統由DC/AC逆變器、隔離變壓器、動力鋰電池組等組成，每個電池艙配置1組電池系統，包含6個電柜和1個控制柜，每2個電柜串聯形成1個支路，支路額定電壓可達927.6 V，3個支路并聯。動力鋰電池系統架構如圖2所示。動力鋰電池系統組成如表3所示。

表3 動力鋰電池系統組成

圖2 動力鋰電池系統架構示例

2.2.1 動力鋰電池組

動力電池組選用磷酸鐵鋰電池，電池模塊采用標準化設計，尺寸完全一致，具有較高互換性。電池組由電池架/電柜并聯組成。由獨立的2組電池分別為每段母排供電，每組電池由2～3個電池簇組成，每個電池簇通過1個高壓配電箱供電，每組電池的2～3個電池簇通過高壓配電箱并聯組成1個電池組。電池組在設計上考慮動力冗余，即每組電池中的1簇電池在出現故障不能并網時，其余簇仍可輸出額定功率。動力鋰電池組主要技術參數如表4所示。

表4 動力鋰電池組主要技術參數

2.2.2 BMS

BMS是保證鋰電池安全的另一個重要組成部分，主要負責電池的監測保護和電能均衡功能。該系統由荷電狀態(State of Charge,SOC)估測、動態監測和電池均衡等3個模塊組成[3]，是鋰電池作為電能必不可少的監控設備。一般根據需要確定選擇1個BMS管理幾個或幾十個單體鋰電池，主要對單體電池進行實時監控，包括電池狀態監測、電池狀態分析、控制功能、電能管理、電池安全保護，并對外傳輸電池運行狀態、監測報警、降功率和停機信號。BMS主要功能如表5所示。

2.2.3 電池艙滅火系統

與采用傳統柴油機推進的船舶動力電池間安全要求相比，鋰電池在作為船舶動力源時，電池艙及艙內電池的安全性要求更高。目前主要通過七氟丙烷氣體自動滅火系統保證船用動力電池的安全和使用。配置的電池艙滅火系統為七氟丙烷氣體自動滅火系統工程及報警系統，包括2個保護區，每個保護區配置1套滅火系統。設計分為自動控制方式和手動控制方式。

(1)自動控制：氣體滅火控制器處于“自動”狀態，在任一煙感和溫感探測器發出報警時，氣體滅火控制器發出火警信號，該系統自動啟動滅火系統進行滅火；在保護區無人值班時，應將氣體滅火控制器調為“自動”狀態。

(2)手動控制：氣體滅火控制器處于“手動”狀態，在任一煙感和溫感探測器發出報警時，氣體滅火控制器發出火警信號，在由值班人員確認后，按下氣體滅火控制器上或防護區門外側的緊急啟動按鈕，啟動滅火系統進行滅火；在保護區有人值班時，應將氣體滅火控制器調為“手動”狀態。

3 電池艙布置

由于動力電池組在高溫或受到外力碰撞時易出現爆炸等情況，因此在布置時應在通風和消防等方面進行考慮[3]。船級社及電池布置要求如下：(1)電池艙艙內應布置空調通風以滿足儲能系統正常工作的環境溫度需求；(2)電池艙不應設置蒸汽加熱管路和電加熱等其他熱源，以防止艙內溫度過高；(3)船舶水管應避開電池艙(系統冷卻必需除外)，以防止產生漏水，從而對電池造成損壞；(4)動力電池組動力電池應分為2套并安裝在2個獨立艙室，電池艙與其他相鄰艙室應滿足A-60防火分隔需求[4]；(5)電池艙內應布置溫度探測裝置和火警報警探頭，可在溫度異?；虬l生火災時在船舶駕駛室發出聲光報警；(6)應配置用于撲滅電池火災的七氟丙烷氣體滅火系統；(7)電池應安裝在專用艙室內或開敞甲板上的箱或柜中；(8)電池應位于防撞艙壁后、除機爐艙外的區域；(9)對于船長≥20 m的船舶，電柜與艙壁的間距應≥150 mm，與上甲板的間距應≥500 mm(散熱)，與舷側板在水平方向的間距≥500 mm(防撞)；(10)電池艙的出入口應直接通向開敞甲板，起居處所不可設置直接通向動力電池艙的門或其他開口。動力電池艙布置如圖3所示。

圖3 動力電池艙布置

4 EMS

混合動力船舶EMS通過對混合動力系統進行整體性電能和電能需求分析，制訂系統控制策略和電能管理實施方案。作為混合動力船舶EMS的運行控制神經中樞[5]，柴電混合運行模式是EMS的核心和主要設計依據方向。該型船具有發電機組電力推進、發電機組/動力電池組混合電力推進和純電池動力推進等3種推進工作模式，因此需要著重考慮如下運行模式：

(1)全速/巡航模式

在該型船處于全速航行工況時，系統由3臺AC 690 V柴油發電機組并網供電，通過2套AFE變頻器驅動主推進器電機。此時若電站存在裕量，可向動力電池組充電；動力電池組不并網供電。

(2)經濟航行模式

在該型船處于經濟航行工況時，系統由2臺AC 690 V柴油發電機組并網供電，通過2套AFE變頻器驅動主推進器電機，同時動力電池組接入電網。在機組負荷率較高(例如85.0%，可設定)時，若出現突加負載，不會啟動備用發電機組，而是由電池補充供電；在負載下降后，優先對電池充電。電池淺充淺放，實現削峰填谷。

(3)動力定位(Dynamic Positioning,DP)模式

在該型船處于DP工況時，系統由1臺AC 690 V柴油發電機組與動力電池組并網供電，通過2套AFE變頻器驅動主推進器電機和艏側推器電機實現船舶DP。根據DP的初步計算分析，1臺發電機組可滿足DP所需要的電能需求。動力電池組主要作為備用動力源，提高系統的安全性。

(4)救援模式

在該型船處于救援工況時，柴油發電機組停止，動力電池組通過DC/AC逆變器放電至AC 690 V交流母排，向全船用電設備供電。

(5)駐停模式

在該型船處于駐停工況時，柴油發電機組停止，電池工作處于充電或放電工況：①連接岸電，岸電在供日用電的同時，向動力電池組充電，充電倍率滿足1 C充電需求；②不連接岸電，動力電池組通過DC/AC逆變器向全船用電設備供電。

(6)混合推進模式

在該型船處于極限工況時，系統由3臺690 V柴油發電機組與動力電池組聯合供電，主推進器電機運行功率約3 000 kW。每臺柴油發電機組分配負荷約2 000 kW，動力電池組分配剩余所需要的負荷約319 kW。

5 配電板系統

配電板系統包括AC 690 V、AC 400 V和230 V主配電板、動力變壓器及應急配電板。動力鋰電池組通過逆變器掛載在AC 690 V母排上。EMS根據當前供電狀況選擇合適的發電機數目(從1臺發電機到所有發電機組與動力電池組聯合供電)以達到最佳總效率。柴油發電機組通過自動模式(正常模式)或手動模式向船舶的低壓配電網輸入電能。電力設備的控制命令通常由EMS執行?？蓪ε潆姲暹M行本地操作，但主推進器電機DCU的饋電除外。每個主推進器電機DCU的斷路器只能通過主推進器電機DCU控制。在電力推進船舶上，電力設備的可靠性和安全性至關重要。整個配電板系統及其部件的設計宗旨是在任何航行條件下盡可能保證電力供應、推進與操舵及操作的穩定性，可確保在出現超載、短路和接地故障等電路故障時進行選擇性跳閘。EMS與BMS通過通信方式可實時監測和控制電池組，確保船舶安全與穩定運行。

6 結 語

基于儲能技術的柴電混合動力是滿足當前碳達峰和碳中和切實可行的方式，適用于多種船舶類型，在國外相應技術已發展得較為成熟。目前我國正大力鼓勵發展新能源船舶，預計將在各類船舶上得到廣泛應用，所涉及的系統組成、設備配置、動力電池艙布置要求、EMS、運行模式等方面的設計及其應用，可對柴電混合動力船舶的發展起到引領作用。