超級電容儲能裝置在混合動力型直流電推系統中應用與實踐

莊 偉，孫 堅，王春杰，段 征

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超級電容儲能裝置在混合動力型直流電推系統中應用與實踐

莊 偉1，孫 堅2，王春杰1，段 征1

（1.中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 201108；2.中國船級社江陰辦事處，江蘇無錫 214400）

為了有效降低內河水運船舶的排放污染，提升燃油效率。本文提出基于超級電容的儲能裝置的混合動力型直流電力推進系統方案。分析了變速發電在節能減排方面的限制因素，提出了超級電容儲能裝置的應用策略，經過直流電推試驗平臺的驗證，成功應用于“江蘇陸渡3011輪”。實際運營反饋顯示本文提出的應用方案不僅能實現約10%節油效果，有效降低排放和運營成本，更在操控性上顯著優于傳統柴油直推方案。

超級電容 儲能裝置 直流電力推進 船舶混合動力

0 引言

渡船是城市內河水運交通中的重要角色，大功率的柴油內燃機動力使其成為城市污染來源之一。在全球“節能減排”大背景下，針對船舶的排放也提出了更高的標準。隨著現代社會對環保和節能要求的提高，需要對傳統意義上的渡船進行改造以適應新的要求。

與傳統的內燃機動力系統相比，電力推進系統在經濟性、操縱性、安全可靠性以及節省安裝空間等方面有著顯著的優勢[1-4]。相比于傳統的交流組網技術，新興的直流組網電力推進技術更具優勢。主要體現在以下幾點：①集成度高，能節省30%的體積和40%的重量；②直流組網系統經濟性更優越；③支持變速發電，提升推進系統整體效率，降低能耗與排放；④直流配電系統與各類儲能設備和變頻設備兼容性更好，控制簡便[6]。

在直流電推系統中，雖然變速發電能帶來一定的節能效果，但在渡船等推進負荷動態范圍大的應用場合下，發電裝置難以長時間維持在高能效點處運行，節能效果大打折扣。考慮到直流電推系統對儲能設備的良好兼容性，本文將基于超級電容的儲能系統引入到直流電推系統中來。超級電容是一種備受關注且前景廣闊的新型儲能元件，有著諸多優越特性。如具有巨大的電容量，可達數千乃至上萬法拉；大電流充放能力，50萬～100萬次的循環壽命，效率最高可達95%，工作溫度范圍寬（-45~65℃）。靈活的容量配置、模塊化設計等特點使其能很好的適應船舶應用環境[8]。

直流電力推進系統中引入超級電容儲能系統，不僅能補償渡船航行中推進負荷與發電功率間的動態差異。還能兼顧發揮變速發電的優勢，進一步擴大直流電推系統的節能減排優勢。在接下來的章節中，將詳細討論超級電容儲能系統在混合動力型直流電推系統中的應用策略，并結合鎮揚汽渡3011輪介紹一下論證內容的實踐情況。

1 基于超級電容的混合動力型直流電力推進系統

混合動力型直流電力推進系統的拓撲如圖1所示。其中G1和G2為異步發電機，REC1和REC2為整流裝置，DC Isolation Switch 為直流隔離開關，INV1為日用電逆變器，INV2和INV3為推進逆變器，ESD為儲能裝置。發電機G1和G2發出400V交流電，經REC1、REC2整流為750V直流電。兩段母排通過直流隔離開關連接。750V直流電經INV1逆變為400V50Hz的日用交流電，供給船上的錨機，照明等設備。INV2和INV3將750V直流電逆變為推進電機M1和M2的動力電。ESD由雙向直流整流裝置（DC/DC）和超級電容（Ultra-caps）組成。在混合動力型直流電力推進系統中。儲能裝置在船舶靠岸時作為電源為非動力負載供電，在船舶航行時儲能裝置補償變速發電裝置功率動態的不足；在需要充電以及吸收推進系統的制動能量時，儲能裝置又能作為負載吸收功率。為實現該功能，儲能系統中配備了DC/DC裝置。儲能超級電容通過DC/DC裝置與直流母線聯接。具體如圖2所示。左側虛線框中是超級電容模組，由多個超級電容單體經過串并聯達到所需的容量和電壓，配備超級電容管理系統（CMS），監控電容單體的電壓、電流、溫度等參數，并在檢測到異常時操作斷路器S，以確保超級電容系統的安全。右側虛線框中是DC/DC裝置。三個橋臂與電感L構成三相交錯并聯結構，實現對超級電容模組的充電和放電。

圖1 混合動力型直流電力推進系統的拓撲框圖

2 超級電容儲能裝置的應用策略

在混合動力型直流電力推進系統中，為實現儲能裝置對動態負載的補償和富余能量回收，變速發電裝置和儲能裝置均采用下傾的有差控制方式。具體應用策略如下圖3所示。當系統穩定運行時，直流母線電壓為額定電壓1。變速發電裝置和超級電容儲能裝置根據各自的有差特性曲線，輸出功率分別為DG1和UC1，后者為0。當系統負載突加時，系統電壓降為V2。根據各自的有差特性曲線，變速發電裝置的輸出功率為DG2，超級電容儲能裝置的輸出功率為UC2。由于后者的特性曲線的調差系數較小，功率輸出特性更硬。如圖所示有UC2>DG2，即在突加負載時，超級電容儲能裝置分擔了大部分突加負荷。

圖2 基于超級電容的儲能裝置結構框圖

隨后，發電裝置的逐漸提升轉速，以節能優化的方式提升輸出功率。同時，超級電容儲能裝置的有差特性曲線逐漸下移，降低自身輸出功率。動態過程結束時，系統電壓降至V3。此時，超級電容儲能裝置的輸出功率降為0，變速發電裝置提供系統所需的全部功率。待輸出負載穩定后，PMS系統同時提升發電裝置和超級電容儲能裝置下垂特性曲線的截距，使系統電壓恢復到額定電壓。負載突卸和制動能量回收的工況下，直流母線電壓突然提升，不僅發電裝置的輸出功率降低，超級電容儲能裝置的輸出功率呈現負值，即電容處于充電狀態。具體運行過程與突加負載過程相反，不再贅述。

圖3 負載突變工況下的功率分配示意圖

上述應用策略已在相同結構的直流配電試驗系統中進行了驗證。驗證結果如圖4所示。圖4（a）中所示曲線為發電裝置輸出40 kW功率，每秒加減10 kW的功率曲線。可以看到輸出功率呈鋸齒狀，柴油機燃油燃燒不充分。圖4（b）中所示曲線為加入了超級電容儲能裝置后發電裝置輸出功率曲線。可以看到輸出功率平穩了很多，儲能裝置對負荷突變補償效果明顯，柴油機燃油效率得到顯著改善。圖5所示為帶有超級電容儲能裝置系統突加/突卸80 kW負載的過程。曲線1代表功率需求，曲線2為發電裝置實際的功率輸出。可以看到在負荷突加時，超級電容發揮了功率補償作用，發電裝置的輸出功率緩慢提升；負載突卸后發電裝置的輸出功率緩慢下降。超級電容儲能裝置有效的緩解了負載突變給發電裝置帶來的調速負擔。柴油原動機在這一過程中的燃油效率得到了有效的提升。

圖4 頻繁加減載試驗曲線

3 鎮揚汽渡中儲能裝置的應用實踐

圖5 大負載突加/突卸試驗曲線

前述基于超級電容儲能的混動型直流電力推進系統已經鎮揚汽渡3011輪上得到了應用。如圖6所示，左上角為“江蘇陸渡3011輪”全貌，右上角為變速柴發機組，左下角為直流配電板，右下角為超級電容儲能系統2017年2月簽訂直流配電型電力推進系統供貨合同。4月~5月，陸續完成了單個設備的制造和船級社檢驗工作。6月中旬到7月中旬在中國船舶重工集團公司第711研究所閔行試驗場地進行了系統聯調試驗，在海事局檢驗機關和船東的共同見證下，完成了直流配電系統短路試驗，變速機組突加突卸試驗等重要試驗，儲能裝置的應用策略也得到了驗證，聯調試驗取得成功，設備接受了船檢機構的認證。鎮揚汽渡直流電推系統加載實驗如圖7所示。在加載階段1，可以看到儲能裝置第一時間承擔了全部的功率需求，處于放電狀態，隨著發電機逐漸提速，發電裝置輸出功率上升，儲能裝置逐漸降低輸出功率，直到加載結束。加載階段2也是同樣的過程。減載階段，儲能裝置瞬間吸收了減載功率，處于充電狀態，隨著發電機轉速降低，發電裝置輸出功率降低，儲能裝置的充電功率逐漸降低，直到減載結束。9月30日混合動力型直流電力推進的“江蘇路渡3011輪”在江蘇省鎮江船廠順利下水。10月下旬完成了系泊試驗。11月13日進行了航行試驗，各項指標均達到設計要求。經過一個多月運行測試，根據鎮揚汽渡給出的應用反饋。與同船型柴油動力直推渡輪相比，鎮揚汽渡3011輪由于采用了基于超級電容儲能裝置的混動型直流電推系統，不僅油耗降低約10%，操控性也優于原有船型。

圖7 鎮揚汽渡直流電推系統加載實驗

4 結論

綜上所述，不難看出基于超級電容的儲能系統能給直流電力推進系統帶來更好的節能效果和動力特性。可以預見，有著壽命長，功率密度大，工作溫度范圍寬，安全性高等諸多優勢的超級電容儲能方式將在船舶電推系統中獲得更廣泛的應用。

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Application and Practice of Supercapacitor Energy Storage Device in a Hybrid DC Electric Propulsion System

Zhuang Wei1, Sun Jian2, Wang Chunjie1, Duan Zheng1

(1.No. 711 Institute, Shanghai 201108, China; 2. Jiangyin Office of China Classification Society, Wuxi 214440,Jiangsu, China）

TM531

A

1003-4862（2018）07-0017-04

2018-03-15

莊偉（1982-），男，工學博士。研究方向：船舶直流電力推進系統配電、繼電保護與儲能技術研發與應用。