新型綠色船舶電力推進系統關鍵技術及應用分析

陳建勇,陳亞杰,高海波,段征,潘釗

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

船舶推進系統的性能關系到船舶運行的經濟性、安全性和可靠性。傳統機械推進系統存在噪聲大、調速范圍小、靈活性,以及經濟性差等問題,發展新型推進系統逐漸成為航運業的研究熱點。混合動力和新能源一直是船舶綠色動力的研究熱點。混合動力軸帶電機技術可以優化系統功率分配,從而降低系統損耗、提高系統效率。蓄電池、超級電容、燃料電池以及太陽能、風能等自然能源組成的復合能源,匹配上儲能裝置和直流電網技術,這既可以實現零排放指標,也可以回收和存儲制動能量。圍繞綠色高效的主題,分析不同船型動力需求,綜合考慮能源供給、船舶配電、驅動控制、推進器等技術條件,總結出三種船舶綠色動力的配置方案,重點介紹儲能技術、直流組網技術及軸帶電機變頻器技術及方案中的技術難點。

1 船舶綠色動力解決方案

1.1 純電動電力推進系統解決方案

純電動解決方案針對水下潛航器、深海移動工作站等不依賴空氣、有高功率密度需求的船型,以及在內河、湖泊等高環保標準水域工作的船舶,采用儲能電池、直流配電、無軸輪緣推進器等技術。該方案結構圖見圖1。

圖1 純電動電力推進系統方案

圖1中,采用新型的磷酸鐵鋰或三元鋰電池組或超級電容作為能量源,經直流母線配電,經變頻器驅動無軸輪緣推進器推進船舶。

無軸輪緣推進器[1-2]見圖2。

圖2 無軸輪緣推進器

圖2中,電機的定子集成在導管中,轉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。該推進器具有效率高、振動噪聲小、體積小、重量輕、安全可靠且布置靈活等優點。

1.2 復合儲能電力推進系統解決方案

復合儲能電力推進系統方案針對渡輪、內河游船、特種功能船等中小功率、固定航程、排放要求較高的船型,綜合利用復合能源、新型儲能裝置、直流組網、吊艙推進等技術,方案結構見圖3。

圖3 復合儲能電力推進系統方案

圖3中,采用柴油發電機組+蓄電池組(或超級電容)+新能源構成供電系統,蓄電池組(或超級電容)構成儲能裝置。直流組網技術配合儲能技術可以合理高效地分配及儲存電能,充分利用各能量源的優勢。主推進器采用吊艙推進裝置,可以優化船型及動力系統布置,提高船舶機動性和可靠性。該方案具有節能減排、提高冗余、維護操控方便、舒適度高等優勢。

1.3 柴電混合推進系統方案

柴電混合推進系統方案針對工程船、科考調查船等功率較大、工況較多的船型,綜合采用軸帶電機技術、交流配電技術、直軸推進技術。方案結構見圖4,根據軸帶電機的安裝位置,該方案可以有同軸式軸帶電機和齒輪式軸帶電機兩種方案。

圖4 新型柴電混合推進方案

圖4中,軸帶電機既可作發電機運行,也可作電動機運行。發電運行時,發出的不穩定的交流電,經過整流及逆變調節,變換成恒壓恒頻的交流電供給電網,可在很大的主機轉速變化范圍內實現穩定的電能供給。作電動機運行時,可從電站獲取電能,增強推進功率。

2 綠色動力解決方案中的關鍵技術

2.1 儲能技術

在各種組合的儲能裝置中,鋰電池(或超級電容)的應用最為廣泛。按照目前鋰電池/超級電容的產品性能,儲能系統可同時具備良好的動態特性和穩態特性[3]。但儲能裝置現在還存在著儲能密度不高、使命壽命短、初投資高等問題,限制了在船舶上的廣泛應用[4]。

2.2 直流組網技術

與交流組網技術不同,直流組網技術是一種全新的組網技術。兩種組網的電力推進系統拓撲結構見圖5。

圖5 兩種組網電力推進系統方案結構

直流組網系統摒棄了交流組網系統中的配電盤和變壓器,將交流變頻器的交直交變換環節拆分,組網側從原來的發電機交流側轉移到直流側,解決了柴油發電機組并網、諧波抑制等技術難題。

直流組網系統方案省去了配電盤、變壓器等設備,設備集成度更高,系統架構簡單,系統重量和體積大大降低,簡化機艙的布置難度。同時也省去了大量接線電纜及設備接口,降低系統成本,減少了能量轉換環節,系統效率更高。其結構見圖6。

圖6 交流組網和直流組網系統中蓄電池組接入方式

直流組網系統相對于交流組網系統兼容性更好,系統配置更靈活,易于接入電池、新能源等儲能裝置。在柴發與儲能混合形式下,儲能系統補償和吸收電網上的能量突變,平抑負荷波動,改善原動機工況達到節能效果。同時,直流組網技術配合變速柴油機方案,可以使機組變速運行在最優能耗電點,減少排放,達到全功率段節能運行的效果。

目前主流的直流組網電力推進系統方案采用同步發電機組+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,造成網側大量的低次和高次諧波,一般通過增加移相整流變壓器構成12脈或24脈整流,從而降低諧波對船舶電網的影響。

變革的直流組網電力推進系統方案見圖7b),引進德國E-MS技術,采用異步發電機組+主動前端(active front end, AFE)整流的技術路線,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,可以提高系統功率因數,降低諧波影響,保持直流母線電壓的恒定。機組通過獨立的變頻模塊和控制系統在直流側進行并網,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用[5]。

如表1所示,采用異步電機+AFE整流方案,系統電網更穩定,機組故障不會導致整體電網的電壓電流波動,沒有電網崩潰風險。并網方式更簡單,簡化并網過程,柴油機組響應能力更強。

表1 AFE整流方案和DFE整流方案并網對比

2.3 現代軸帶電機技術

現代軸帶電機系統可以通過軸帶電機變頻器升級傳統軸帶電機系統,軸帶電機變頻器主要功能是控制電機、快速柔性并網,以及提供電能給船用負載。主要由控制繞組側變頻器、網側濾波器、網側變頻器、輸入電抗器、輸出電抗器、控制系統,以及相關并網開關組成[6],見圖8。

圖8 現代軸帶電機安裝方式

2009年,國內突破 PTI/PTO控制和集成技術瓶頸,將自主化研制的PTI/PTO柴電混合動力系統成功應用到粵海火車輪渡3號和4號船上,開啟了我國自主研發TI/PTO柴電混合動力系統的時代。之后,5 000 t海監船、浙江海洋大學漁業資源調查船和上海國際港務(集團)股份有限公司復興船務公司2 200 kW+740 kW柴電混合拖船等項目又陸續應用柴電混合動力系統,拓展了柴電混合動力系統的應用船型[7]。

現代軸帶電機系統中,電機既可當作發電機使用,也可當作電動機使用。共有3種操作模式,見圖9。

圖9 現代軸帶電機系統操作模式

現代軸帶電機技術通過軸帶變頻器可以優化主機工況,節能減排;當主機發生故障時,能夠通過軸帶電機給船舶提供動力,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,增加了船舶運行的靈活性;能夠將岸上不同電壓等級的岸電連接至船舶電網。

3 綠色船舶科研成果及工程應用

3.1 科研成果

丹佛斯為M/V Bore Sea號大型滾裝船開發了一種可對主推進裝置予以充分優化,并進一步提高能效的解決方案。該方案采用VACON NXP型號并網變流器+軸帶電機推進方案,可允許主機轉速大幅度變化,并可提供恒定電壓頻率的交流電,在優化主機效率的同時,最大限度地降低油耗。

西門子設計了Bluedrive Plus C直流電網電力推進系統、經濟型電力推進系統、電力助推系統、全集成監測報警和控制系統,并開發了船舶優化管理系統,通過船舶的各類接口獲取船舶運營的各項數據,如燃油消耗,排放,燃油加注,檢修周期等,通過評估與分析處理來實現船舶運營的最優化。

國內711所等單位于2016年建立了完全自主知識產權的直流配電型電力推進系統實驗室,開展了船用儲能技術、變速柴發機組、直流微網配電技術、直流配電繼電保護技術等多項關鍵技術研究與驗證,能夠進行變速發電機組的節能策略、直流電網安全保護策略、能量管理策略等一系列試驗,還實現了變頻器、 直流配電柜、 儲能控制系統的完全自主開發。

該系統技術特點:①直流配電能量管理技術;②直流配電系統保護技術;③電池BMS管理技術;④變速發電機組關鍵技術;⑤變速恒頻軸帶發電技術。通過以上技術可以實現純電動電力推進、復合儲能電力推進以及柴電混合推進3種形式的動力系統。

3.2 工程應用

國內目前已擁有十幾艘船舶的直流配電型電力推進系統的設計及集成實例,包括純電池、純電容、發電機組與儲能設備混合等多種形式。

3.2.1 純電動電力推進系統解決方案

密云水質監測船配置了960 kW·h電池;首次在國內采用了輕量化的動力設備,系統單線圖見圖10,其中變流器模塊僅為常規模塊重量的1/2,配備2臺100 kW永磁同步磁阻輔助電機,重量體積僅為常規電機的1/2,效率可達98%,比水套冷卻電機效率高出3.1%以上,具有大轉矩輸出特性。該船儲能系統動力電池無外部加熱情況下穩定工作環境溫度:-15～45 ℃;(一般電池在0 ℃以上)確保冬季系統可正常運行,具有續航8 h能力(推進功率非全功率)。

圖10 純電動電力推進系統原理單線圖

該系統技術特點:①動力系統重量降低;②動力系統體積減小;③電機輸出扭矩大、效率高;④低溫下,電池儲能穩定,續航能力強。

經由上海市科委科研支持,研制純超級電容推進系統并獲得世界首艘千噸級純超級電容新能源船舶示范應用。該船為1艘65.0 m車客渡船,采用高功率長壽命超級電容(單體能量密度達到100 W·h/kg),應用純超級電容供電的直流電力推進系統,實現智能化大功率充電(充電功率達到3 MW),具有動力系統智能健康管理能力。該系統由625 kW·h超級電容、直流變頻配電板、2套350 kW推進電機、電能管理系統和推進控制系統組成。

該系統技術特點:①超級電容能量密度大;②大電流快速充放電性能好;③電池壽命長。

3.2.2 復合儲能電力推進系統解決方案

鎮揚汽渡、板橋汽渡等多船采用這種解決方案。該系統由2套380 kW變速發電機組(轉速變化范圍820～1 800 r/min)、直流變頻配電板、19 kW·h超級電容、2套350 kW推進電機、電能管理系統和推進控制系統組成, 系統單線圖見圖11。突破了異步變速發電機組及混合儲能技術,實現了基于下垂特性的船用直流發電設備并網策略及直流系統保護技術。從運營的3011車客渡船為例,可實現12%以上的節油效果,帶來顯著的投資收益,同時可降低船舶的NOx、SOx、PM等污染物排放,具有良好的環保效益。

圖11 復合儲能電力推進系統原理單線圖

廈門輪渡也采用了同種方案,系統由2套300 kW變速發電機組、直流變頻配電板、25 kW·h超級電容、2套350 kW推進電機、電能管理系統和推進控制系統組成,系統單線圖見圖12。

該系統技術特點:①直流并網,控制效果好;②低噪音,低振動,乘坐體驗好;③設備組件少,重量和體積降低;④改善動力響應和操縱性。

3.2.3 柴電混合推進系統解決方案

全國首艘柴電混合動力科考船—浙江海洋大學“浙漁科2”漁業資源調查船采用混合動力系統,為國內第一艘自主研發與設計的柴電混合動力科考船舶,是集教學、科研、實踐、實訓為一體的綜合平臺,能滿足沿岸、近海等綜合勘測需求的作業任務,具有柴油機推進、電力推進及柴電聯合推進的3種推進形式。

該系統技術特點:①動力形式靈活,適合充電樁覆蓋少的場合;②節油效果好,經濟效益高。

4 結論

3種綠色動力解決方案,應用各有特點。采用綠色動力解決方案不但可以節能減排,還在體積重量、機艙布局以及電網穩定等方面具有一定的優勢。根據不同應用場合、動力形式、功率要求、操縱要求可靈活選用綠色動力解決方案。