船舶動力電池系統（ESS）功能研究

中圖分類號：U665.1

文獻標志碼：A

Functional Study of Shipboard Energy Storage System （ESS）

FENG Xianwei'，LIU Zhengyang2， ZENG Lingbin'， ZHANGDingbiao1，LI Sumei'（1.CSSCHuangpu WenchongShipbuidingCo.，Ltd.，Guangzhou510715，China;2.Unit91007ofPLA，Fuan35501，China）

Abstract： With rapid advancements in new energy technologies， energy storage systems are increasingly applied in ships.Conducting research on ESS integration technologies is crucial for enhancing China's core technical capabilities in green shipbuilding.Based on practical integration experience of a shipboard ESS，this paper analyzes key technical parameters indesign， installation，and commissioning，providing theoretical guidance for similar engineeringpractices.

Keywords：ESS；integration technologies; key technical parameters

1 引言

隨著動力電池技術的快速發展及其在船舶領域的規模化應用，船舶動力電池系統已逐步拓展至渡輪、科考船、內河貨船等多元化船型，展現出廣闊的市場前景與持續的技術迭代潛力。作為全船能源體系的核心，船舶動力電池系統通過集成發電、輸電、配電、變電、儲能及智能化監控與電力管理模塊[，構建了覆蓋能源供給全鏈條的閉環體系。本文以某型鉆井船為研究載體，系統分析船舶動力電池系統集成與裝船技術路徑，重點探討系統架構適配性設計、船用環境適應性優化、多能源協同控制策略等關鍵技術，研究成果可為我國綠色船舶技術體系構建及實船工程化應用提供參考。

2 船舶動力電池系統（ESS）概述

本研究對象船舶動力電池系統（ESS）由動力電池組、電池管理系統（BMS）、變頻器、空水冷變壓器及中壓配電板接口組成（ESS拓撲圖，見圖1），與功率管理系統（PMS）深度協同，構成全船電力控制核心。PMS作為船舶電力系統的核心控制單元，通過標準化通訊協議與ESS進行實時信號交互（包括啟動、停止、負荷設定以及電池組荷電狀態（SoC）、電池組健康狀態（SoH）等信號），對在線發電機組的運行數量和功率進行控制和分配。在對負荷突變或需要進行削峰填谷操作時，PMS通過向ESS發送功率需求命令，ESS則采取動態閥值控制策略做出快速反應（響應時間通常小于 400ms ），以此實現功率的平穩轉移，確保柴油發電機組始終運行在經濟高效的工況之下。當配電系統發生一臺發電機組故障跳閘時，PMS會立即啟動備用冗余機制（能夠提供 4000kW/5min 瞬時功率輸出），同時與ESS虛擬同步機（VSG）技術同步工作，實現功率同步切換和快速恢復供電（黑啟動時間小于 45s ）。此外，通過Q-V下垂特性曲線和虛擬阻抗調節技術，電力系統能夠動態調整無功功率輸出（功率因素可調節范圍0.99＼～1.0），有效控制電壓波動幅值（ ±0.5% ）并抑制總電壓諧波畸變（總電壓諧波畸變THD小于 3% ），從而保證電力系統的穩定性和連續性。具體的功能描述見下文相關內容。

3船舶動力電池系統（ESS）功能介紹

1）削峰填谷功能，提供 1000kW 充放電功率。

ESS將自動調整其功率流以保持發電機負載恒定。在本地控制下，通過ESS本地觸摸屏設定柴油機組的固定負載值；在遠程操作中，通過功率管理系統（PMS）設定發電機組的固定負載值（手動）。PMS提供充放電的最大允許值。發電機組固定負載的設定值需要在調試時根據電站運行實際工況進行設定。

本系統采用動態閾值控制的功率分配策略，當船舶電力負荷低于柴油機組預設閾值時，ESS自動進入能量回饋模式。在此模式下，系統優先將剩余電能存儲于電池組，直至達到SoC上限閾值，此時充電功率將按指數曲線平滑衰減至零值。當電網負荷發生變化時，電力系統根據設定的調頻模式（恒頻或下垂模式）對發電機組進行功率調節。在負荷突增時，ESS通過快速補償算法迅速響應，實時補償柴油機組設定功率與實際負荷之間的功率差額，確保柴油機組始終運行在最佳效率區間（BSFC最低區域）。

BMS設定SoC運行窗口為 60-90% 的優化區間，該參數設定綜合考慮了循環壽命衰減特性與系統能量裕度需求。根據實際工況需求，系統允許擴展SoC工作范圍至 25-90% 的寬域區間，具體參數通過岸基調試平臺進行動態標定。當ESS檢測到荷電狀態低于設定下限時，將向PMS發送機組增容請求，系統將基于實時負荷預測模型進行動態評估，確定是否啟動備用發電單元。這種雙層決策機制有效平衡了系統經濟性與供電可靠性之間的辯證關系。

2）突加負荷補償，快速響應負載變化。

這個功能用于限制發電機負載的突變，限制發電機負荷變化率。ESS基于內部算法計算決定ESS將用多長時間將突加負載轉移到發電機上。當負載的突然階躍增加時，ESS能夠快速檢測和補償，快速承擔此部分負載并逐漸下降，從而將負載平滑的轉移到發電機上。這樣，發電機的功率將緩慢增加。根據應用，這個負載平滑轉移的時間可以從幾十秒調整到幾十分鐘。典型設置為 5min ，即發電機在 5min 后承擔所有負載。負載變化曲線見圖2所示。

如果階躍上升的負載高于ESS可以提供的功率，則ESS將根據內部限制提供最大的放電功率。本系統配置了基于熱安全約束的變流器功率動態限幅機制，當ESS變流器在額定功率工況下持續運行達到熱保護閥值時（通常發生于全功率放電 5-8min 后），系統將依據絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）結溫實時監測數據執行功率降額策略。在負荷峰值調節模式下，ESS遵循動態功率分配算法，其最大瞬時出力限制為1000kW ，具體輸出功率根據SoH）和放電深度（DoD）進行動態修正，并引人循環壽命衰減因子作為功率約束條件。

系統暫態響應特性分析表明，ESS功率鏈路的等效延遲包含信號采集延遲（ 50-120ms ）與控制器運算周期（ 150-280ms ），構成 200-400ms 的總響應滯后。該延遲導致負荷階躍擾動初期由發電機組承擔全部功率突變，通過構建同步發電機功頻特性模型可知，此時系統將產生 Δf=0.2-0.5Hz 的動態頻率偏差。對比實驗表明，ESS缺位工況下的頻率偏差幅值將增大 300%-500% 。值得注意的是，當負荷變化速率高于500ms 臨界值時[2，ESS的動態補償機制可有效抑制頻率波動。

在負荷階躍轉移完成后，ESS將根據能量回填策略啟動充電模式。系統采用滯環比較算法設定SoC動態工作區間，當檢測到荷電狀態低于預設閾值時，自動觸發恒流-恒壓分段充電策略。充電速率根據母線電壓穩定性指標進行動態調節，確保系統在復雜工況下的多重約束優化。

3）熱冗余控制機制

當ESS連接至主配電板，且帶有較少或沒有負載時，ESS可以提供斷電預防功能。在任意發電機發生故障斷開的情況下，ESS可提供瞬時功率。在完全停電的情況下，ESS重新連接到電力系統要比柴油發電機組快得多。PMS發送啟動命令和功率需求到ESS，ESS根據設定值輸出所需有/無功功率并反饋狀態。

在熱冗余控制機制的模式下放電功率最大是4000kW/5min 。

本系統構建了基于多模態切換的故障應急響應機制，當檢測到并網發電機組異常脫網時，PMS依據儲能系統運行狀態實施差異化控制策略：在ESS并網工況下，PMS于 200ms 內觸發熱備用跨接指令，采用模型預測控制實現功率無縫轉移，同步啟動備用機組并完成動態頻率匹配（ ±0.3Hz 精度）；若ESS處于離線狀態，系統則激活三級聯動控制一通過動態功率約束算法限制關鍵負載功率，同步執行備用機組冷啟動（ lt;45s ）與ESS黑啟動并網（滿足電壓波動 lt;±5% 的技術要求），最終建立 ESS4000kW/5min 的峰值功率支撐能力。該機制創新性地融合虛擬同步機技術，通過實時解算電網阻抗譜實現自適應下垂控制，使故障恢復期間頻率暫態跌落抑制在 0.8Hz 以內，THD穩定低于 3% ，有效解決了多能源系統在功率突變場景下的暫態穩定性難題。

當所有發電機開關和母聯開關分閘時，全船進入“全船失電”狀態，ESS自動進入熱冗余控制機制模式。

電池從停機到啟動放電時間一般是10s左右。

4）改善電網功率因數功能

本系統構建了基于多目標協同控制的動態電壓調節機制，通過ESS變流器的自適應無功補償功能實現母線電壓穩定與無功功率優化分配。采用雙閉環控制架構（外環電壓控制/內環電流控制），結合IEC61800-3標準定義的功率因數校正（PFC）策略，系統可根據實時采集的電網阻抗參數動態調整Q-V下垂特性曲線（見圖3）。該曲線采用多項式擬合算法生成，將無功功率輸出與電壓偏差量（ ΔV ）建立非線性映射關系，實現 ±0.8% 的電壓調節精度。

采用虛擬阻抗重塑技術，在模型預測控制（MPC）框架中實現有功-無功功率優化。當電網電壓波動超過 2% 額定值時，ESS會自動切換至電壓控制模式（VCM），通過動態調節開關頻率（范圍為 2-8kHz ）快速響應無功功率需求，從而確保在 50ms 內完成調整。實驗數據表明，該策略可使系統功率因數穩定在0.99＼～1.0區間，同時將關鍵母線電壓波動抑制在±0.5% 以內，且THD始終低于 3% ，滿足船用電網規范要求。

構建基于分段電壓閾值的無功調節架構，通過ESS變流器的四象限運行特性實現電網電壓動態穩定，在電網電壓基準帶（電壓偏差為 0.5% 額定電壓）范圍內采用Q-V下垂控制策略進行調節。當電力系統檢測到電網電壓低于基準值時，電力系統會啟動動態無功功率補償功能；若電力系統檢測到電網電壓高于基準值時，則自動切換值感性無功吸收模式。這種調節方式能夠有效維持電力系統電壓穩定。

電力系統具有完善的保護機制，一旦電力系統檢測到電網電壓超出安全范圍，ESS將迅速啟動電壓剛性控制功能，通過比例諧振控制算法快速調整輸出，確保將電網電壓限制在預定的安全閥值方位內（調節精度為 ±0.2% ）。這一保護機制能夠顯著提升電力系統的抗干擾能力和穩定性。

在控制策略上，采用了虛擬阻抗解耦技術，通過旋轉坐標變換對有功功率與無功功率進行獨立調節，從而確保在進行功率因數校正時，對有功功率傳輸路徑的影響降至最低。此外，在與柴油發電機組并車運行時，ESS能夠動態調整等效短路比，實現多層級的電壓支撐。因此，該電力系統具有良好的暫態響應特性，能夠在 200ms 內使電壓恢復至 95% 額定電壓水平。同時，該控制方式與柴油發電機組的下垂特性相匹配，形成了互補優化的效果，顯著提升了在 ±15% 電壓波動工況下的系統穩定性裕度。

5）負載變化時的功率緩沖作用

柴油發電機主要為系統負載供電，但任何多余的電力都可以用于電池充電。系統中的任何負荷增加都可以在能力范圍內由動力電池系統提供的能量來覆蓋。PMS發送有功和無功功率的設定值到ESS，ESS根據設定值輸出所需有功/無功功率[3]。

6）優化發電機的在線運行數量和效率

通過讓運行發電機運行在高負荷率的負載分配來實現，這樣就不需要啟動新的柴油發電機組。如果多臺柴油發電機以低功耗運行，其中一臺可以停止，因為ESS可以提供負載分配。PMS發送有功和無功功率的設定值到ESS，ESS根據設定值輸出所需有功/無功功率。

7）當ESS連接至主配電板，且帶有較少或沒有負載時，可以提供斷電預防功能。

在任意發電機發生故障斷開的情況下，ESS可提供瞬時功率。在完全停電的情況下，ESS重新連接到電力系統要比柴油發電機組快得多。PMS發送啟動命令和功率需求到ESS，ESS根據設定值輸出所需有／無功功率并反饋狀態。

電芯電壓、SoC、SoH等信息通過通訊的方式傳輸至PMS；同時，功率管理系統（PMS）需要將啟動、停止、復位、模式選擇等信號傳輸至ESS；以及中壓配電板需要將發電機負荷、發電機開關狀態、母聯開關狀態等信號傳輸至ESS。對內和對外接口傳輸方向和接口數據格式見表1所示。

8）ESS變頻系統可以為電力系統提供功率因數校正功能

在該工況下，ESS變頻系統接收PMS的無功功率設定值，輸出應在變頻/電池系統的設計充許范圍內，ESS設計功率因數為 0.85 O

4船舶動力電池系統信息流程及接口關系

船舶動力電池系統功能的完整性取決于各設備間的信息流程，需各設備之間的信息交互融合，這就要求對各設備的接口形式進行了解與熟悉，便于對ESS的設計。

ESS需要與PMS、中壓配電板和應急切斷系統進行信息交互，需要將ESS的狀態信息如電芯溫度、

5 結語

本文依托船舶動力電池系統設計及安裝調試經驗，全面梳理系統技術功能特性，經深度探究與多維研判，總結出ESS集成技術的關鍵技術參數，可為ESS集成裝船工程實踐提供科學的指引與參考。

參考文獻

[1]余勇林，張云，陳志宇，等.電力推進系統配置研究[J].海洋工程裝備與技術，2018.5（S1）：164-168.

[2]國際電工委員會.旋轉電機：IEC60034-1：2022[S].日內瓦：國際電工委員會.2022.

[3]李素美，楊澤濱，謝勰，等.DP-3閉環電網與蓄能蓄電池系統集成研究[J].船舶與海洋工程.2024，40（3）：38-43.