船載大功率特殊負(fù)載供電方案優(yōu)化策略淺析

邊大偉 劉文靜

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

船載大功率特殊負(fù)載供電方案優(yōu)化策略淺析

邊大偉 劉文靜

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

為完成更為復(fù)雜的特殊任務(wù)，越來(lái)越多的大功率電負(fù)載設(shè)備實(shí)現(xiàn)了裝船。在解決此類負(fù)載的供電問(wèn)題時(shí)，緩沖方案的選擇至關(guān)重要。文章從船總體與大功率負(fù)載適配的角度，針對(duì)三種不同的緩沖供電方案進(jìn)行討論，并給出相關(guān)建議。［關(guān)鍵詞］大功率供電；儲(chǔ)能；緩沖

引 言

海洋占據(jù)了地球70%的面積，但人類對(duì)海洋的了解卻還很欠缺，尤其是水下世界，對(duì)人類而言，仍然是個(gè)謎團(tuán)。隨著對(duì)于海洋遠(yuǎn)距離探測(cè)需求的日益迫切，大功率聲學(xué)探測(cè)設(shè)備［1］發(fā)展日新月異。對(duì)于實(shí)現(xiàn)大功率聲學(xué)探測(cè)設(shè)備的船載化而言，供電是一個(gè)相對(duì)比較復(fù)雜的問(wèn)題，尤其是針對(duì)需要特殊供電模式的大功率負(fù)載。

本文主要研究耗電功率達(dá)到兆瓦級(jí)的一項(xiàng)水聲設(shè)備，針對(duì)不同的供電緩沖方案進(jìn)行分析研究，得出相對(duì)合適的緩沖方案選用建議。由于本設(shè)計(jì)處于初步方案設(shè)計(jì)階段，以下多方案對(duì)比僅就方案初步可行性以定性分析為主。

1 電源需求

船載大功率［2］負(fù)載最大能量需求是發(fā)射部分，功耗較大的收放裝置與發(fā)射機(jī)不同時(shí)工作，其他電子部分功耗很小。根據(jù)大功率負(fù)載技術(shù)指標(biāo)論證結(jié)果，發(fā)射機(jī)需求的三相AC 380 V電網(wǎng)輸入功率約為1 MW，其信號(hào)為脈沖波形式，由多種典型發(fā)射波形組成，各典型模式脈寬不一，短至秒級(jí)，長(zhǎng)至分級(jí)，但占空比均為1∶7。

本船電力系統(tǒng)暫定為綜合電力推進(jìn)模式，主柴油發(fā)電機(jī)組（1 250 kW）×4臺(tái)，岸電柴油發(fā)電機(jī)組（600 kW）×1臺(tái)，其優(yōu)點(diǎn)是為電力系統(tǒng)進(jìn)行集成優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)全船能耗的綜合配置。能量轉(zhuǎn)化簡(jiǎn)圖如下頁(yè)圖1所示。

圖1 發(fā)射能量需求

2 三種電源配置方案

2.1 不儲(chǔ)能方案

發(fā)射機(jī)所需的1 MW能量全部從船上的電站直接獲取，發(fā)射機(jī)采用軟啟動(dòng)，逐步加大輸出功率，緩沖時(shí)間可以根據(jù)需要設(shè)置。

優(yōu)點(diǎn)：發(fā)射機(jī)組成較簡(jiǎn)單，體積小、質(zhì)量輕，成本最低，但可靠性最高；缺點(diǎn)：從交流電網(wǎng)吸取功率大。

2.2 全儲(chǔ)能方案

發(fā)射機(jī)脈沖功率為1 MW，平均功率約為125 kW，因此采用儲(chǔ)能方式可以降低對(duì)電網(wǎng)的功率需求。如圖2所示，儲(chǔ)能電源從電網(wǎng)獲取不大于200 kW功率的連續(xù)能量，轉(zhuǎn)換成脈沖1 MW功率的電源供發(fā)射機(jī)。

圖2 全儲(chǔ)能方案

優(yōu)點(diǎn)：從交流電網(wǎng)吸取功率小；缺點(diǎn)：可靠性較不儲(chǔ)能方案低，儲(chǔ)能電源體積較大，質(zhì)量較大，成本較高。

2.3 半儲(chǔ)能方案

圖3 半儲(chǔ)能方案

電站供電能力若在200 kW～1 MW，可適用部分儲(chǔ)能方案。圖3是以電站供電能力600 kW為例的半儲(chǔ)能方案。發(fā)射機(jī)所需1 MW能量中的500 kW直接從電網(wǎng)獲取，另500 kW脈沖能量從儲(chǔ)能電源獲取，儲(chǔ)能電源連續(xù)輸入功率為100 kW。該方案優(yōu)缺點(diǎn)介于不儲(chǔ)能方案和全儲(chǔ)能方案之間。

3 幾種儲(chǔ)能方式的可行性分析

儲(chǔ)能電源通常用于切換備用電源所需的時(shí)間段，一般不超過(guò)15 s，單體功率并不大。目前大功率儲(chǔ)能技術(shù)有化學(xué)電池、超導(dǎo)、飛輪、超級(jí)電容儲(chǔ)能等。化學(xué)電池的優(yōu)點(diǎn)在于能量密度高、自放電慢，但化學(xué)電池存在充電慢、壽命短、污染高或爆炸危險(xiǎn)性問(wèn)題，燃料電池需要?dú)錃獾热剂希虼瞬贿m合使用。超導(dǎo)儲(chǔ)能是將能量?jī)?chǔ)存在大電流線圈內(nèi)，釋放時(shí)通過(guò)逆變裝置將儲(chǔ)存在超導(dǎo)元件中的能量轉(zhuǎn)換成需要的電源。其成本高且需要較復(fù)雜的低溫維持裝置，因此不適合采用。

飛輪儲(chǔ)能是將能量以機(jī)械能的方式儲(chǔ)存在轉(zhuǎn)動(dòng)的飛輪中，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電供負(fù)載使用。飛輪電源壽命長(zhǎng)、無(wú)污染、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，缺點(diǎn)是自放電快、儲(chǔ)能時(shí)間短。以前的飛輪電源體積質(zhì)量和噪聲都很大。近幾年對(duì)飛輪進(jìn)行了改進(jìn)，一方面采用真空磁懸浮技術(shù)來(lái)減小噪聲和磨損；另一方面采用高強(qiáng)度纖維材料來(lái)提高轉(zhuǎn)速，減小體積減輕質(zhì)量。國(guó)外的Active power等公司有系列的高速飛輪產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)近幾年的研究也取得較好進(jìn)展，但由于碳纖維材料國(guó)內(nèi)無(wú)法保障，仍采用鋼質(zhì)飛輪，因此難以提高轉(zhuǎn)速，體積和質(zhì)量相對(duì)較大。目前此類飛輪電源已開(kāi)始應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電和起重機(jī)械。

超級(jí)電容在國(guó)內(nèi)近兩年發(fā)展較快，主要用于新能源汽車等領(lǐng)域。超級(jí)電容較普通電解電容容量大，能快速充放電，可以瞬間提供大能量，適合脈沖負(fù)載或短時(shí)充電的場(chǎng)合。其主要問(wèn)題在于單個(gè)只有幾伏額定低電壓，需要大量串聯(lián)或并聯(lián)才能滿足使用需求，并不適合于高壓場(chǎng)合。電容由于個(gè)體間內(nèi)阻等參數(shù)差異較大，難以均衡。如果電容數(shù)量眾多，其可靠性不高，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

綜合以上情況，化學(xué)電池和超導(dǎo)儲(chǔ)能不適合在本項(xiàng)目應(yīng)用；大容量飛輪儲(chǔ)能和超級(jí)電容儲(chǔ)能方式在國(guó)內(nèi)目前尚處于不太成熟的階段，但有一定的實(shí)現(xiàn)可能。下面介紹這兩種儲(chǔ)能方式的實(shí)現(xiàn)方案。

3.1 飛輪儲(chǔ)能方案

國(guó)外Active power公司的產(chǎn)品較為成熟，但主要是作為電源切換備用，儲(chǔ)能時(shí)間不超過(guò)15 s，難以滿足使用需求。國(guó)內(nèi)有幾家公司的飛輪電源已接近實(shí)用階段，采用了真空磁懸浮等技術(shù)，具有較高的可靠性，在獲得電網(wǎng)連續(xù)能量補(bǔ)給的情況下，可以儲(chǔ)能較長(zhǎng)時(shí)間。圖4是飛輪電源的基本組成。飛輪儲(chǔ)存能量，同時(shí)作為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子，提供后級(jí)能量。變頻器控制飛輪轉(zhuǎn)速，整流器將發(fā)電機(jī)的交流電整流成直流電。

圖4 飛輪電源組成示意圖

以全儲(chǔ)能方案為例，考慮適當(dāng)?shù)娜哂啵?0 s 1 MW 脈沖電源需配備飛輪電源10臺(tái)，占地約40 m2，質(zhì)量約15 t，成本約600萬(wàn)元。

在地面應(yīng)用時(shí)，飛輪電源的軸承每2萬(wàn)小時(shí)需更換一次。在船用時(shí)，需采用不同于地面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)抵抗船體搖晃對(duì)飛輪和軸承的影響。

優(yōu)點(diǎn)：可靠性較高；缺點(diǎn)：在國(guó)內(nèi)還未有船用的案例，需采用特別的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.2 超級(jí)電容儲(chǔ)能方案

AC 380 V經(jīng)過(guò)多脈動(dòng)整流后，給超級(jí)電容慢速充電，發(fā)射時(shí)超級(jí)電容快速放電，儲(chǔ)能方案見(jiàn)圖5。

圖5 電容儲(chǔ)能方案

以全儲(chǔ)能方案為例，考慮適當(dāng)?shù)挠嗔浚枰?5 V·94 F電容組500組并聯(lián)。此儲(chǔ)能電源占地面積約60 m2，質(zhì)量約22 t，成本約1 000萬(wàn)元。

優(yōu)點(diǎn)：不需要特別維護(hù)；缺點(diǎn)：可靠性較差，成本高。

3.3 柴油發(fā)電機(jī)方案

另一種方案是增加1臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組（如CXZ-MAN6L20/70），其容量為600 kVA，尺寸為4.2 m×1.8 m×2.5 m，重12 t，售價(jià)120萬(wàn)元。該機(jī)組燃油消耗量為100 kg/h，按大功率負(fù)載平均每天主動(dòng)發(fā)射8小時(shí)估算，每月需消耗燃油24 t。

優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)成熟，成本低；缺點(diǎn)：能耗高，需儲(chǔ)備較多燃油。

3.4 幾種能量供給方式的比較

幾種能量供給方式如表1所示。

表1 幾種能量供給方式的比較（全儲(chǔ)能方案）

4 結(jié) 論

電容儲(chǔ)能可靠性存在問(wèn)題，不宜采用。飛輪電源技術(shù)逐步成熟，可以考慮采用；但大功率負(fù)載的體積增大，質(zhì)量和成本會(huì)大幅增加，系統(tǒng)可靠性也會(huì)有所降低。柴油發(fā)電機(jī)產(chǎn)品成熟、成本低，但能耗較高，需消耗大量燃料。

綜合以上因素，如能從適當(dāng)增加電站容量（如800 kW以上）以及優(yōu)化大功率負(fù)載發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)［3］兩方面綜合考慮，可在不大幅增加體積、質(zhì)量和成本的情況下，兼顧大功率負(fù)載的戰(zhàn)技指標(biāo)性能。

另外，大功率負(fù)載只有在低速航行時(shí)才需要大功率發(fā)射，在高速航行時(shí)需要能量較小，應(yīng)綜合考慮航行和發(fā)電的需求。

［1］ Waite A D， Wang Deshi.Sonar for practising engineers （Third Edition）［M］.Beijing：Electronic Industry Press，2004.

［2］ 閻福旺.現(xiàn)代大功率負(fù)載技術(shù)［M］.北京：海洋出版社，1998.

［3］ 劉伯勝，雷家煜.水聲學(xué)原理［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，1993：6-11.

Optimization strategy analysis of power supply plans for special shipborne high power loading

BIAN Da-wei LIU Weng-jing
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

More and more equipments with high power loading has been installed on ships to accomplish more complicated missions. It is very important to choose a suitable cushion way to solve the power supply problems. Three diff erent cushioning power supply plans have been discussed based on the match between ship and high power loading， and the corresponding suggestions are off ered.

high power supply； energy storage； cushion

U665.12

A

1001-9855（2015）06-0077-03

2014-10-08；

2014-11-18

邊大偉（1981-），碩士，高級(jí)工程師，研究方向：艦船設(shè)計(jì)。劉文靜（1983-）， 工程師，研究方向：艦船設(shè)計(jì)。