混合能源技術在船舶上應用研究概述

楊路明

（大連船舶重工集團 大連116005）

引 言

隨著人類的發展和全球經濟快速增長，煤炭、石油等傳統能源正在急劇消耗，作為不可再生能源的化石燃料日漸枯竭，同時在利用化石燃料的過程中產生了大量污染物及溫室氣體，對環境造成日益嚴重且不可逆轉的污染。作為貿易運輸的主要方式，船舶航運導致的廢氣排放以及能源結構變化嚴重影響著自然環境（尤其是港口區域及船舶密集航行水域），船舶排放的廢氣（含SOX、NOX、CO2和固體顆粒物等有害物質）是主要空氣污染源之一。歐美發達國家通過設立船舶排放控制區、制定排放激勵政策等措施對船舶排放進行控制，取得良好的區域空氣治理效果。我國交通運輸主管部門積極推進我國排放控制區限制標準同國際標準接軌，制定有針對性的區域減排機制，充分發揮政府主管部門引領、法規約束和企業主動參與的多軌并舉船舶節能減排機制，實現區域空氣質量持續改善。

1 混合能源技術的發展及其應用意義

倡導低碳經濟是應對以上問題的方法。其一方面通過開發和研究風能、太陽能等新能源的應用，實現高能效、低能耗、多種新能源供給和少污染的可持續發展。20世紀80年代初，丹麥提出風能、太陽能、儲能設備混合能源系統，隨后前蘇聯通過概率統計方法對混合能源系統中的風力發電、太陽能發電的發電量進行估算，后續研究人員對系統中的整體容量優化配置、儲能模塊優化配置和系統整體控制策略進行了相關研究。澳大利亞人于21世紀初研制出太陽能/風能混合動力雙體客船，通過控制太陽能翼帆角度，捕捉風能并采集太陽光能，共同為船舶提供動力能源，標志著清潔新能源船舶研究進入了一個新階段。另一方面，結合船舶使用工況，通過柴電混合動力系統實現船舶動力源經濟、高效的綜合利用，在保證推進效率的前提下，既提高燃油經濟性又降低廢氣污染，從而達到全工況經濟性優化的目標。

由柴油機和PTO/PTI可逆電機組成的PTO/PTI柴電混合動力推進系統是一種新興的動力系統型式。PTO（Power take out） 和 PTI（Power take in），分別指以發電機模式和電動機模式運行的軸帶電機，電機可以通過與主機連接的齒輪箱或主機自由端來輸入或輸出，正常航行時，主機驅動螺旋槳的同時帶動軸帶電機以PTO模式發電，以替代或部分替代柴油發電機組供電，從而提升主機負荷區間、降低整體燃油消耗，提高動力系統運行經濟性，低速航行時或主機故障時，通過柴油發電機組（或其他軸系軸帶電機）供電，軸帶電機以PTI模式驅動螺旋槳推進，提高動力系統冗余性和船舶運行可靠性，特殊工況時，軸帶電機以PTI模式運行與主機合排實現柴電混合推進，提高船舶運行的快速性。

直流微電網技術的出現實現了新能源及能源存儲單元的方便接入，比如：太陽能，燃料電池、超級電容、動力電池等新能源生產方式和存儲單元，通過與柴電混合動力系統組合使用，電能存儲單元可以存儲多余的電能，也可在必要時提供電能，改善燃油消耗指標的同時增加了冗余功能。存儲單元對任何一種基礎能源（比如：柴油機、雙燃料主機等）的運行提供支持和改善作用，隨時可以立即使用，改善低響應特性主機在緊急情況時的動態運行特性，也可以減輕正常運行期間的速度突變現象，使船舶在運行中大幅減少傳統能源使用量和溫室氣體排放量。

2 混合能源系統構成

混合能源電力系統由電能產生部分、電能存儲部分、電能轉換部分以及包含主柴油發電機組和應急柴油發電機組的船舶電力一次、二次供電網絡組成［1］。電能產生部分由PTO/PTI軸帶電機和太陽能發電構成；電能存儲部分由動力電池和超級電容構成；電能轉換部分采用直流微電網及四象限變頻器技術。

PTO/PTI軸帶電機工作在PTO模式下，根據船舶營運中不同工況條件下的電氣負荷需求迥異，可以單獨提供電網電能或通過四象限IGBT變頻器與主柴油發電機組并聯運行提供船上工作設備所需電力，在電力系統負荷輕載時，利用存儲單元將多余的能量存儲起來，防止能量對電網沖擊，電力系統負荷過載時，儲能單元釋放能量滿足負載需求，利用儲能單元克服功率波動對船舶電力系統的影響，同時，太陽能光伏發電可作為輔助電能介入減少柴油機出功，在主/輔柴油機均停止工作時可繼續為儲能裝置充電。

作為能量型儲能原件的動力電池具有能量密度大、響應時間長、充放電次數少以及功率密度小等特點，作為功率型儲能原件的超級電容具有功率密度大、充放電次數多、響應速度快以及能量密度小等特點，單一能量型和功率型儲能裝置無法兼顧電力負荷瞬時波動和持續穩定用電需求，集成動力電池和超級電容構成儲能單元，使其同時具有蓄電池的高能量密度、超級電容的高功率密度［2］。

電能轉換部分基于直流微電網，PTO/PTI軸帶電機通過IGBT整流器與公共直流母線連接，與公共直流母線連接的太陽能發電整流器通過太陽能板控制開關與太陽能板連接在一起，儲能單元通過整流器與公共母線連接，與公共母線連接的IGBT逆變器通過隔離變壓器與船舶電力一次網絡連接，直流微電網整體構成混合能源系統，可等效視為混合能源發電機組，可與柴油發電機組并網運行向電力一次、二次電網負載供電。

圖1 混合能源電力系統單線圖

3 混合能源系統關鍵技術

太陽能發電主要涉及三個方面的關鍵技術：

（1）太陽能電池板光伏轉換效率問題，有待于新型光電轉換材料的研發和市場化；

（2）在面積有限的甲板上安裝盡可能多的光伏電池板組件，針對不同船型需要專門研究解決；

（3）通過最大功率點跟蹤（MPPT）技術，精確預測及控制系統發電量。

PTO/PTI軸帶電機［3］從經濟型、安全性方面主要考慮發電模式和電動模式這兩種運行方式，主要涉及七個方面的關鍵技術：

（1）可逆軸帶電機本體及相關勵磁控制系統的設計技術；

（2）可逆軸帶電機起動控制技術；

（3）可逆軸帶電機不同模式之間的切換控制技術；

（4）可逆軸帶電機不同工況安全保護技術；

（5）可逆軸帶電機與PMS、配電系統等相關設備（系統）的邏輯控制技術；

（6）滿足可逆軸帶電機使用要求的齒輪箱離合器的選型設計及相關電氣接口設計；

（7）結合可逆PTO/PTI軸帶電機不同工況需求的整個主推進控制系統設計。

儲能單元［4］主要涉及三個方面的關鍵技術：

（1）儲能變流器（PCS）控制，在監控與調度系統的調配下，實施有效和安全的儲電和放電管理；

（2）電池管理系統（BMS），負責對儲能電池組進行電壓、溫度、電流、容量等信息的采集，實時狀態監測和故障分析，同時通過CAN總線與PCS、監控與調度系統聯機通信，實現對電池進行優化的充放電管理控制；

（3） 監控與調度管理系統是儲能單元的能量調度、管理中心，包含中央控制系統（MGCC）和能量管理系統（EMS），負責收集全部電池管理系統數據、儲能變流器數據及配電柜數據，向各個部分發出控制指令，控制整個儲能系統的運行，合理安排儲能變流器工作。

直流微電網［5］主要涉及五個方面的關鍵技術：

（1）高效可靠、模塊化、智能化即插即用型多功能變流器接口或電能變換器；

（2）綜合考慮系統網絡架構設計、 電源-網絡-負載-儲能優化配置及運行與規劃緊密耦合；

（3）提高設備級控制系統自治性能及系統級控制系統可靠性、靈活性和擴展性，且能綜合協調運行控制技術和智能保護技術；

（4）具備更快開斷速度、更高開斷容量和更高效可靠的直流斷路器以及基于故障限流的新型直流配電用保護技術；

（5）提供微電網通訊系統的帶寬、可靠性和兼容性。

4 混合能源技術在船舶上的應用情況

電機，負荷率81%；

（6）停泊，使用1臺雙燃料主發電機，1臺雙燃料主發電機和軸帶發電機備用，負荷率36%。

該船型采用混合能源發電技術，與傳統技術相比優點在于：在船舶正常航行時，當主動力系統功率大于動力負載功率，則主動力系統將剩余功率對儲能單元進行充電；當動力負載的功率大于主動力系統的功率，則儲能單元放電，與主動力系統一同為動力負載提供電能。在船舶停泊或加注作業期間，太陽能電池通過整流器對儲能單元充電。儲能單元的充放電對柴油機功率起到削峰填谷作用，電網所需峰值功率由發電機組、太陽能電池及儲能單元共同提供，減小柴油機容量和體積。本船型應用混合能源技術預計將節省燃料約20%，減少NOX排放量近90%，減少CO2排放量25%～30%，SOX和顆粒物排放幾乎可以忽略不計。

國外某船東7 500 m3LNG加注船型開發設計方案，主電站采用混合能源發電技術，主機采用Wartsila 6L34DF四沖程雙燃料發動機，通過齒輪箱連接PTO軸帶電機1 800 kW，兩臺四沖程雙燃料主發電機1 065 kW，1臺四沖程柴油應急發電機130 kW，1套小型太陽能發電裝置，1套儲能單元包括動力電池、超級電容。PTO軸帶電機的IGBT整流器、太陽能發電裝置的整流器、儲能單元的整流器分別與直流微電網公共母線連接，最終通過與公共母線連接的IGBT逆變器及隔離變壓器構成混合能源主電源，可與2臺雙燃料主發電機組并網運行向電力一次、二次電網負載供電。

該船型有如下6種設計工況：

（1）正常航行，使用軸帶發電機，2臺雙燃料主發電機備用，負荷率30%；

（2）正常航行（深冷裝置），使用軸帶發電機，2臺雙燃料主發電機備用，負荷率82%；

（3）進出港（深冷裝置），使用軸帶發電機和2臺雙燃料主發電機，負荷率69%；

（4）裝卸載，使用2臺雙燃料主發電機，軸帶發電機備用，負荷率51%；

（5）加注，使用軸帶發電機和2 臺雙燃料主發

5 結 語

綜上所述，新能源作為船舶電力系統未來發展方向，采用幾種新能源（比如：風能、太陽能、生物質能等）發電方式組成混合能源系統，利用各類新型能源的不同特性，通過多種新型能源及儲能裝置的有效混合配置，克服單一能源供電的不穩定性，實現各類能源的優勢互補與效率提升。混合能源技術為應對日益嚴苛的環境保護要求和減排強制性法規，推動和拓展綠色船舶技術在實船上的應用提供了有效的解決方案。