船载大功率特殊负载供电方案优化策略浅析

边大伟 刘文静

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011）

船载大功率特殊负载供电方案优化策略浅析

边大伟 刘文静

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011）

为完成更为复杂的特殊任务，越来越多的大功率电负载设备实现了装船。在解决此类负载的供电问题时，缓冲方案的选择至关重要。文章从船总体与大功率负载适配的角度，针对三种不同的缓冲供电方案进行讨论，并给出相关建议。［关键词］大功率供电；储能；缓冲

引 言

海洋占据了地球70%的面积，但人类对海洋的了解却还很欠缺，尤其是水下世界，对人类而言，仍然是个谜团。随着对于海洋远距离探测需求的日益迫切，大功率声学探测设备［1］发展日新月异。对于实现大功率声学探测设备的船载化而言，供电是一个相对比较复杂的问题，尤其是针对需要特殊供电模式的大功率负载。

本文主要研究耗电功率达到兆瓦级的一项水声设备，针对不同的供电缓冲方案进行分析研究，得出相对合适的缓冲方案选用建议。由于本设计处于初步方案设计阶段，以下多方案对比仅就方案初步可行性以定性分析为主。

1 电源需求

船载大功率［2］负载最大能量需求是发射部分，功耗较大的收放装置与发射机不同时工作，其他电子部分功耗很小。根据大功率负载技术指标论证结果，发射机需求的三相AC 380 V电网输入功率约为1 MW，其信号为脉冲波形式，由多种典型发射波形组成，各典型模式脉宽不一，短至秒级，长至分级，但占空比均为1∶7。

本船电力系统暂定为综合电力推进模式，主柴油发电机组（1 250 kW）×4台，岸电柴油发电机组（600 kW）×1台，其优点是为电力系统进行集成优化，实现全船能耗的综合配置。能量转化简图如下页图1所示。

图1 发射能量需求

2 三种电源配置方案

2.1 不储能方案

发射机所需的1 MW能量全部从船上的电站直接获取，发射机采用软启动，逐步加大输出功率，缓冲时间可以根据需要设置。

优点：发射机组成较简单，体积小、质量轻，成本最低，但可靠性最高；缺点：从交流电网吸取功率大。

2.2 全储能方案

发射机脉冲功率为1 MW，平均功率约为125 kW，因此采用储能方式可以降低对电网的功率需求。如图2所示，储能电源从电网获取不大于200 kW功率的连续能量，转换成脉冲1 MW功率的电源供发射机。

图2 全储能方案

优点：从交流电网吸取功率小；缺点：可靠性较不储能方案低，储能电源体积较大，质量较大，成本较高。

2.3 半储能方案

图3 半储能方案

电站供电能力若在200 kW～1 MW，可适用部分储能方案。图3是以电站供电能力600 kW为例的半储能方案。发射机所需1 MW能量中的500 kW直接从电网获取，另500 kW脉冲能量从储能电源获取，储能电源连续输入功率为100 kW。该方案优缺点介于不储能方案和全储能方案之间。

3 几种储能方式的可行性分析

储能电源通常用于切换备用电源所需的时间段，一般不超过15 s，单体功率并不大。目前大功率储能技术有化学电池、超导、飞轮、超级电容储能等。化学电池的优点在于能量密度高、自放电慢，但化学电池存在充电慢、寿命短、污染高或爆炸危险性问题，燃料电池需要氢气等燃料，因此不适合使用。超导储能是将能量储存在大电流线圈内，释放时通过逆变装置将储存在超导元件中的能量转换成需要的电源。其成本高且需要较复杂的低温维持装置，因此不适合采用。

飞轮储能是将能量以机械能的方式储存在转动的飞轮中，带动发电机发电供负载使用。飞轮电源寿命长、无污染、动态响应快，缺点是自放电快、储能时间短。以前的飞轮电源体积质量和噪声都很大。近几年对飞轮进行了改进，一方面采用真空磁悬浮技术来减小噪声和磨损；另一方面采用高强度纤维材料来提高转速，减小体积减轻质量。国外的Active power等公司有系列的高速飞轮产品。国内近几年的研究也取得较好进展，但由于碳纤维材料国内无法保障，仍采用钢质飞轮，因此难以提高转速，体积和质量相对较大。目前此类飞轮电源已开始应用于风力发电和起重机械。

超级电容在国内近两年发展较快，主要用于新能源汽车等领域。超级电容较普通电解电容容量大，能快速充放电，可以瞬间提供大能量，适合脉冲负载或短时充电的场合。其主要问题在于单个只有几伏额定低电压，需要大量串联或并联才能满足使用需求，并不适合于高压场合。电容由于个体间内阻等参数差异较大，难以均衡。如果电容数量众多，其可靠性不高，存在安全风险。

综合以上情况，化学电池和超导储能不适合在本项目应用；大容量飞轮储能和超级电容储能方式在国内目前尚处于不太成熟的阶段，但有一定的实现可能。下面介绍这两种储能方式的实现方案。

3.1 飞轮储能方案

国外Active power公司的产品较为成熟，但主要是作为电源切换备用，储能时间不超过15 s，难以满足使用需求。国内有几家公司的飞轮电源已接近实用阶段，采用了真空磁悬浮等技术，具有较高的可靠性，在获得电网连续能量补给的情况下，可以储能较长时间。图4是飞轮电源的基本组成。飞轮储存能量，同时作为发电机的转子，提供后级能量。变频器控制飞轮转速，整流器将发电机的交流电整流成直流电。

图4 飞轮电源组成示意图

以全储能方案为例，考虑适当的冗余，90 s 1 MW 脉冲电源需配备飞轮电源10台，占地约40 m2，质量约15 t，成本约600万元。

在地面应用时，飞轮电源的轴承每2万小时需更换一次。在船用时，需采用不同于地面的结构设计来抵抗船体摇晃对飞轮和轴承的影响。

优点：可靠性较高；缺点：在国内还未有船用的案例，需采用特别的结构设计。

3.2 超级电容储能方案

AC 380 V经过多脉动整流后，给超级电容慢速充电，发射时超级电容快速放电，储能方案见图5。

图5 电容储能方案

以全储能方案为例，考虑适当的余量，需要75 V·94 F电容组500组并联。此储能电源占地面积约60 m2，质量约22 t，成本约1 000万元。

优点：不需要特别维护；缺点：可靠性较差，成本高。

3.3 柴油发电机方案

另一种方案是增加1台柴油发电机组（如CXZ-MAN6L20/70），其容量为600 kVA，尺寸为4.2 m×1.8 m×2.5 m，重12 t，售价120万元。该机组燃油消耗量为100 kg/h，按大功率负载平均每天主动发射8小时估算，每月需消耗燃油24 t。

优点：技术成熟，成本低；缺点：能耗高，需储备较多燃油。

3.4 几种能量供给方式的比较

几种能量供给方式如表1所示。

表1 几种能量供给方式的比较（全储能方案）

4 结 论

电容储能可靠性存在问题，不宜采用。飞轮电源技术逐步成熟，可以考虑采用；但大功率负载的体积增大，质量和成本会大幅增加，系统可靠性也会有所降低。柴油发电机产品成熟、成本低，但能耗较高，需消耗大量燃料。

综合以上因素，如能从适当增加电站容量（如800 kW以上）以及优化大功率负载发射系统设计［3］两方面综合考虑，可在不大幅增加体积、质量和成本的情况下，兼顾大功率负载的战技指标性能。

另外，大功率负载只有在低速航行时才需要大功率发射，在高速航行时需要能量较小，应综合考虑航行和发电的需求。

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

［2］ 阎福旺.现代大功率负载技术［M］.北京：海洋出版社，1998.

［3］ 刘伯胜，雷家煜.水声学原理［M］.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，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

边大伟（1981-），硕士，高级工程师，研究方向：舰船设计。刘文静（1983-）， 工程师，研究方向：舰船设计。