移動式船用一體化離網儲能電源的設計及實現

張澤宇，王幫奇

移動式船用一體化離網儲能電源的設計及實現

張澤宇，王幫奇

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

本文設計了一種移動式船用一體化離網儲能電源（船電寶），船電寶主要用于為船舶提供供電服務，既可為船舶日用負荷供電，也可很方便地在充電站補充電能或者采用船上的發電機組充電，船電寶具有集成度高、智能化、雙向供電充電等特點。本文介紹船電寶的組成以及各模塊的設計與功能實現。該設備的成功研制及其在某內河船上船測試表明，該設備對于長江等內河經濟帶的環境保護具有積極的作用。

船舶逆變電源鋰電池

0 引言

隨著內河、湖泊、港口等領域排放要求的不斷提升，部分內河湖泊生態保護區、內河港口、航運閘口的通過地，對排放也有了更高的要求。為滿足該要求，船舶會采用混合動力系統。但部分已經運營的船舶，改換裝經濟性較低且由于船舶結構等問題，無法進行改換裝，因此，采用移動式船用一體化離網儲能電源（俗稱船電寶）為停靠在江心錨地船舶提供供電服務。船電寶通過逆變器將其儲能系統電能轉換為3AC380V電力。系統采用一體化設計，既能實現電源即插即充，又能實現負載即插即用。船電寶在充電站設置有專用充電裝置，充滿電后集中放置，再運送上船。

1 船電寶的設計

船電寶主要由儲能系統、雙向變流器、控制系統組成。

一方面船電寶具有充電功能，船電寶可使用3AC380V（岸電或發電機組）充電，當充電時，船電寶應能具有電系統、變流器的保護功能。

另一方面，船電寶具有供電功能，其可為3AC380V船用日用負載供電，最大輸出能力50 kW，具備過載、短路、過溫、自檢等保護功能。船電寶的輸出電壓幅值、頻率、諧波必須滿足相應要求，根據CCS規范對船舶電氣設備工作條件的要求，供電的輸出電壓總諧波畸變率（THDv）應當小于5%，供電的輸出電壓和頻率波動滿足下表要求：

表1 供電的輸出電壓和頻率要求

同時，船電寶的控制系統對電池系統、變流器進行控制，并具有以下功能：

1）人機監測功能，可以在人機界面上動態實時監測鋰電池、逆變器的運行狀態等，同時可以在線修改充電設置；

2）報警功能：對鋰電池、逆變器進行動態實時故障報警監測，并對故障進行相應的處理；

3）頁面顯示：含參數頁、報警頁，彈出當前的報警信息小窗口。

船電寶主要由儲能系統、雙向變流器、控制系統組成，下面對其主要組成部分進行介紹。

1.1 儲能系統

儲能系統主要包括電池和控制系統，根據目前技術現狀和發展趨勢，船用電池主要有鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池四種類型[1]，各種電池的特點如下：

1）鉛酸電池：低溫性能差，現有的生產維護設備完善，回收利用率高；

2）鎳鎘電池：生產維護設備完善，高溫性能差，回收困難且費用高，重金屬有害；

3）鎳氫電池：高溫時電壓特性軟，自放電率高，需要散熱系統，制造成本高[2]；

4）鋰離子電池：高溫時周期壽命下降，嚴格禁止過充過放，安全性要求很高。

實際應用中，鉛酸蓄電池和鋰離子電池使用最為廣泛，鉛酸蓄電池的比能量較低，使用壽命較短，在船舶領域正在逐步被鋰離子電池所取代。

目前船用鋰離子電池主要為磷酸鐵鋰電池，電池系統在大容量電池組在船舶上的應用，應該以提高安全性為主，不必過多追求高能量密度。該動力電池主要包含鋰電池和電池管理系統（BMS），電池系統采用單體90 Ah的電芯，由3個電池箱和1個高壓箱組成，具體參數如下：

電池箱由60個磷酸鐵鋰90 Ah的電芯串聯而成，額定電壓192 V，額定能量20 kWh，電池箱內部設計有滅火防護模塊，如果電池發生熱失控的情況下可以起到阻燃的作用。

圖1 電池包外形圖

電池系統包含一套電池管理系統，電池管理系統采用分層級構架，BMS可實現以下功能：具備系統上電自檢功能，充電、放電、溫度、電流等多重保護功能，管理整個充放電過程功能，電池組總電壓、總電流、溫度、單體電池電壓等測量功能，電池組及各單體電池SOC等功能，電池系統相關運行信息存儲記錄功能，全系統RS485或CAN總線通訊功能。

1.2 雙向變流器

雙向變流器具有兩方面作用，一方面其作為儲能系統的充電裝置，一方面作為逆變電源為船舶交流負荷供電。當作為儲能系統的充電裝置時，其作為有源整流裝置，將岸電或發電機組的3AC380V整流為直流電，并根據儲能系統的要求，控制輸出電壓的幅值和電流為儲能系統充電。當作為逆變電源時，變流器將直流電逆變成三相交流后通過隔離變壓器向交流負荷供電，此時電源品質良好，滿足全船日用負荷的需求，逆變電源能滿足CCS規范對日用負荷供電品質的要求，具有直流母線欠壓、輸出短路、過載、過流、三相輸出不平衡等保護功能。

在三相逆變器拓撲中，應用最廣的是三相橋式逆變器，如圖2所示，三相橋式逆變拓撲由三個相臂組成，具有拓撲結構簡潔、所用功率器件少等優點[3]。由于功率模塊容量限制，采用單個功率模塊構成的逆變電源功率有限，為提高逆變電源容量，通過模塊直接并聯或逆變單元并聯可提高整機輸出功率，以及提高輸入輸出電壓等級。

圖2 三相橋式逆變拓撲

若要求逆變電源具有并網功能，可以采用L型濾波器，也可以采用LCL型濾波器。L型濾波器不存在諧振點，因此逆變電源在控制算法上相對簡單，但是濾波效果相對較差，通常需要較大的濾波電感才能獲得低諧波的輸出電流，若交流電網短路容量較小，采用L型濾波電感的逆變電源容易引起并網側電壓畸變[4]。LCL型濾波器濾波效果相對較好，但是由于存在諧振點，在控制算法的實現上相對不易。對于不需要并網工作的逆變電源，通常采用LC型濾波器。

在Matlab中搭建了雙向逆變器的模型，并對其進行了驗證，驗證證明，該雙向逆變器可滿足技術要求，既可作為有源整流裝置為儲能系統進行充電，又可作為逆變電源為日用負荷供電。

圖3 雙向逆變器模型

1.3 控制系統

控制系統管理船電寶各種模式的切換，包括充電模式、放電模式、待機模式的切換和各信號狀態的采集。

充電模式：在充電站（碼頭或供電躉船上），通過3AC380V交流充電；

放電模式：在船舶上，為船舶的3AC380V日用負荷供電；

待機模式：船電寶既沒充電，也沒放電，處于充電和放電模式的中間狀態。

圖4 船電寶切換模式

1）充電到待機

在充電站充滿電后，通過船電寶上的開關機按鈕停止充電，斷開外部充電設備開關，將充放電一體插座脫開船電寶，此時船電寶進入待機狀態。

2）待機到放電

船電寶被運送到船舶上，將充放電一體插頭插入船電寶，通過船電寶上的開關機按鈕使船電寶放電，船電寶進入放電工況。

3）放電到待機

船電寶使用完畢（或無電）后，通過船電寶上的開關機按鈕停止放電，將充放電一體插頭脫開船電寶，船電寶進入待機狀態。

4）待機到充電

船電寶達到充電站后，將充放電一體插頭插入船電寶，啟動外部充電設備的開關，通過船電寶上的開關按鈕使船電寶充電，船電寶進入充電狀態。

2 船電寶實船測試

船電寶目前已成功運用于某型內河工程船上，當船舶處于通航等待區和待閘時，船上不見了柴油發電機開動時的黑煙，此時采用船電寶為船舶日用負荷供電，供電時間可達8 h左右，當船舶通過閘口或航行出保護區之后，可開啟柴發機組為日用負荷供電，同時為船電寶補充電能，也可在航行靠港后，船員將電纜線接入岸電樁，即可采用岸電為全船停泊工況下的日用負荷供電，同時可為船電寶補充電能。船電寶的推廣應用，將顯著改善在長江等內河經濟帶的環境，尤其是對內河或者湖泊中的生態保護區、過閘等待區等的保護具有顯著的效應，在新能源船舶領域具有很好的適用性。

4 小結

本文設計了一種移動式船用一體化離網儲能電源（船電寶），船電寶主要用于為船舶提供供電服務，既可為船舶日用負荷供電，也可很方便的在充電站補充電能或者采用船上的發電機組充電，船電寶具有集成度高、智能化、雙向供電充電等特點。該設備的研制成功，為我國船舶清潔能源的實現提供了新的思路，對于長江等內河經濟帶的環境保護具有積極的作用。

[1] 祝斌. 動力電池技術與應用[J]. 船電技術, 2015, 4:30-34.

[2] 佟歡, 張蓓. 化學電源的發展歷程及未來方向[J]. 儲能科學與技術, 2018,1:8-16.

[3] 葉穎. 三相光伏并網逆變電源的研制. 山東大學, 碩士學位論文, 2008.

[4] 王要強. LCL濾波的并網逆變系統及其適應復雜電網環境的控制策略. 哈爾濱工業大學,博士學位論文, 2013.

Design and Implementation of Mobile Integrated Off-gridEnergy Storage Power Supply for Ship

Zhang Zeyu, Wang Bangqi

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM728

A 文獻分類號：1003-4862（2021）06-0059-03

2020-10-20作者簡介：張澤宇(1989-)，碩士，高級工程師。研究方向：船舶電力推進。E-mail: 18995619539@qq.com