船舶脈沖負載與儲能技術概述

張小海

●（海軍駐上海七○四所軍事代表室，上海 200031）

船舶脈沖負載與儲能技術概述

張小海

●（海軍駐上海七○四所軍事代表室，上海 200031）

分析介紹了船舶脈沖負載的相關標準，總結了國內外脈沖負載的主要類型。著重介紹了由脈沖負載所推進的船舶儲能技術的發展，比較了電池、超級電容和飛輪儲能三種儲能方式的各自優缺點，提出了根據實際需求使用多方式混合儲能的建議。

脈沖負載；儲能技術；超級電容

1 脈沖負載及相關標準

狹脈沖負載是指在很短的時間里（幾毫秒至幾秒）消耗很大功率的負載，它往往還具有另一個特征，即在一定的頻率范圍內間歇性工作。

1.1 傳統脈沖負載

船舶傳統脈沖負載的瞬時容量一般都不會超過系統容量，往往可以直接從船舶電網取電。

對于這類脈沖負載，美國的ASTM A 1008標準[1,2]、國外開展的研究[1,2]都是以投入脈沖負載后能滿足相關電力界面品質作為準則，換句話說，就是投入脈沖負載后造成的電壓波動應小于2%，頻率波動應小于0.5%。上述準則并不能直觀地確定一個脈沖負載是否能夠滿足系統要求，實際操作時需要判斷脈沖負載的兩個特征，脈沖負載的功率因數和脈沖負載容量占在網機組容量的比值。ASTM A 1008標準將上述兩個特征量化后（通過假設發電機暫態電抗標幺值約為 0.3），給出了兩個限制條件：1）電壓波動限制條件為：Q脈沖<0.065S系統；2）頻率波動限制條件為：P脈沖<0.25S系統。

根據這兩個限制條件可以得到系統對于脈沖負載限制條件的示意圖，如圖1所示。

圖1 國外1008標準中對脈沖負載的限制

不難發現，上述這些標準都沒有考慮脈沖負載的工作時間、工作頻率、系統參數及帶載情況等因素，僅僅提供了對于脈沖負載限制的粗略估計方法。實際上，文獻[1]在綜合考慮各種因素之后得到的研究結論和標準的預期結果相差還是很大的，即使脈沖負載滿足標準的限制，也不能保證電力界面品質能夠達到預期的要求。

1.2 未來大容量脈沖負載

隨著船舶裝備系統不斷發展，將出現一些需要在短時消耗極高功率的用電設備[3,4]。為了這類脈沖負載而增加船舶上發電設備的容量既是在造價上不經濟，也是在空間上不現實的。可見，這類大容量脈沖負載的正常工作，必然需要配套儲能設備。

2 船舶儲能技術

2.1 儲能的作用

對于傳統脈沖負載，儲能主要是為了提高供電品質[5-8]；對于大容量脈沖負載，儲能則是其功能實現的必然需要。船舶儲能的作用并不僅僅局限于這兩點，合理利用儲能技術，對船舶供電的連續性、經濟性也有很多好處。

利用儲能技術提高船舶供電的連續性，是指當船舶電網中有機組因故障而退出運行時，可以投入儲能設備，暫時彌補電網中缺失的功率，直至備用機組投入電網，從而不需要對負載進行不必要的卸載操作[9]。利用儲能裝置，一方面可以減少電網的備用容量；另一方面，通過對儲能裝置的充放電操作，調整發電機組的發電功率，可以使其在效率更高的狀態下運行，從而進一步提高船舶供電的經濟性[10]。

2.2 儲能技術的種類

船舶儲能技術的相關研究主要都是圍繞著三種儲能形式展開的，這三種形式分別為電池、超級電容以及飛輪儲能。三種儲能方式的功率密度和能量密度對比如圖2[11]所示。

圖2 三種儲能方式的功率密度和能量密度對比

2.2.1 電池

電池在三種儲能方式中具有最高的能量密度（200Wh/kg），其能量密度幾乎達到了其他兩種儲能方式的10倍。但電池的功率密度同時也是最低的，其功率密度遠小于其他兩種儲能方式（相差兩個數量級）。電池高能量密度的特點使其能夠維持較長（5min～480min）的工作時間，使其成為船用中長期備用電源的最佳選擇；但由于功率密度較低，難以滿足未來大容量脈沖負載的需要。

2.2.2 超級電容

超級電容在三種儲能方式中具有最高的功率密度，其快速高功率充放電的特性滿足了大容量脈沖負載的需要。與同樣具有高功率密度的飛輪儲能相比，超級電容具有更好的穩定性和安全性，其能量損耗（0.2%）也遠遠小于飛輪儲能（2%），考慮到船舶的全壽命至少在10年以上，節約的燃料費用會相當可觀。

美國目前采用超級電容方式實現儲能，電容的體積能量密度約為2.5MJ/m3，質量能量密度約為1.4kJ/kg（參考Aerovox埃羅福克斯公司LM型電容參數，見圖3[4]）。如果為64MJ的船舶設備提供能量，考慮損耗等因素，實際需要儲存的能量約為64MJ，儲能電容至少需要占用64m3的空間（4m×4m×4m）和114.3×103kg的質量，進而考慮相關附屬后，儲能裝置則一共需要占用約140m3的空間和210×103kg的質量[3]。

圖3 Aerovox埃羅福克斯公司LM型電容參數

2.2.3 飛輪儲能

通過查閱船舶儲能相關文獻可以發現，有關飛輪儲能的文獻是最多的，說明形成了一個研究熱點。飛輪儲能技術將電能轉化為高速旋轉裝置的動能，技術簡單，成熟度最高，與電池和超級電容相比，在充放電循環壽命上具有很大的優勢。

2.3 儲能的用法

使用儲能技術為脈沖負載供電有兩種主流形式，它們的區別在于儲能裝置是否能夠將能量回饋電網。

以飛輪儲能為例，通過飛輪儲能為脈沖負載供電有兩種實現方法。第1種（圖4）[6]由一組單向變換器、一臺儲能電動機、一臺飛輪機構和一臺儲能發電機構成，脈沖負載從儲能發電機輸出端取點，這種形式實現了脈沖負載和電網的隔離，大大減小了脈沖負載對電網供電品質的影響；第2種（圖5）[13]由一組雙向變換器，一臺電動及發電兩用電機和一臺飛輪機構構成，脈沖負載連接在電網上，儲能裝置可以向電網回饋電能。第2種用法增加了變換器控制策略的復雜度，但較第1種用法相比優勢為：1）在實現儲能功能的同時，兼具無功補償和有源濾波的功能；2）通過錯開多臺脈沖負載的用電時刻，可以實現一套飛輪儲能機構同時為多臺脈沖負載供電[14]；3）儲能裝置故障并不不會直接影響脈沖負載的使用，脈沖負載仍可以從電網取電，此時電網的供電質量會受到脈沖負載的影響[8]。

圖4 通過飛輪儲能為脈沖負載供電（能量不回饋電網）

圖5 通過飛輪儲能為脈沖負載供電（能量可回饋電網）

3 結論

目前國內外與船舶脈沖負載有關的標準相當粗略，參考價值有限，更多的時候需要具體問題具體分析；未來大容量脈沖負載的需求推動了船舶儲能技術的發展和應用，同時儲能技術在船舶電網中的其他作用也值得進一步探索；電池、超級電容、飛輪儲能三種儲能方式各有優劣，具體應用時應跟據實際需求的特點進行選擇，通過取長補短，使用多方式混合儲能或許更具優勢[11,15]。

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Overview of Pulse Load and Energy Storage Technology for Ship

ZHANG Xiao-hai
(Navy Representative Office in No.704 Research Institute, Shanghai 200031, China)

The correlative standards of the pulse load for ship were analyzed and the main types of the pulse load at home and abroad were summarized. The development of the energy storage technologies for ship propelled by the pulse load was mainly introduced. Moreover, the advantages and disadvantages of the three technologies: battery, super capacitor, and flywheel were compared. At last, it gives the suggestions that the multimode hybrid energy storages are used according to the actual requirements.

pulse load; energy storage technology; super capacitor

U665.12

A

張小海（1981-），男，博士。主要研究方向：船舶機電工程、壽命周期費用分析。