长江车客渡船全电力推进关键技术研究

2016-11-24于全虎

江苏船舶 2016年4期

关键词：渡船电池组发电机组

于全虎

(江苏省船舶设计研究所有限公司，江苏镇江 212003)

长江车客渡船全电力推进关键技术研究

于全虎

(江苏省船舶设计研究所有限公司，江苏镇江 212003)

针对长江车客渡船采用全电力推进方式中的重点问题，通过对电站设计、谐波抑制、配电电压、电能管理、储能单元等关键性技术研究，提出了车客渡船电力推进系统各模块的特点和选型原则，并分析了带储能单元电力推进系统的特点，认为现阶段适宜采用技术成熟的柴-电推进形式，而带有储能单元的电力推进模式将是车客渡船未来的发展方向。

电力推进；汽车渡船；技术论证

0 引言

20世纪80年代末，我国第1艘对转桨全回转汽车渡船开始营运，从此，先进的全回转舵桨取代了四桨八舵的常规推进方式，极大地提高了长江车客渡运的安全性和营运经济效益。30多年来，车客渡船的设计及设备制造水平有了持续提高，但推进方式仍旧采用柴油机机械推进形式。目前一些新型推进方式如电力推进随着相关技术的逐步成熟，开始在内河船舶上推广使用，这也契合了当前船舶推进能源动力方式多样化、倡导节能减排的大趋势。长江车客渡船的基础船型目前已趋于稳定，采用电力推进技术替代传统机械推进是进一步提升长江渡运业快速、安全、环保、节能、舒适性的重要方向。因此，需要通过全电力推进长江车客渡船关键技术研究，构建最适合的系统组成形式。

1 全回转车客渡船传统推进方式

目前较为先进的车客渡船推进方式基本上采用的是柴油机加长轴系驱动Z(L)型舵桨的形式，图1是其中一种典型型式——单导管Z型舵桨[1]。

这种机械式Z型驱动方式由于轴系较长，且存在一定的角度布置，需要多组中间轴承及万向联轴器，因而机器处所布置要求较高，占用空间多，传动损失较大，工作噪音、振动也很大。

2 全回转电力推进器类型

全回转车客渡船的航速要求一般不低于10 kn，电力驱动全回转推进装置主要有电动Z(L)型舵桨和吊舱式推进器(POD)。

图1 机械驱动Z型全回转舵桨

电动Z(L)型舵桨一般用于速度低于18 kn的低速船，虽然比POD的流体动力性能差，电力推进总效率较低，并且齿轮传动的机械振动和齿轮舱与支架产生的空泡及涡流引起的振动、噪声较大，但舵桨驱动已有多年的应用实践，且和机械驱动式舵桨原理接近，维修方便，价格较POD低很多。

吊舱式推进系统由于完全取消了舱内外的机械传动装置，减少了传动环节，可节省机械传动损耗约5%，且提高了推进的可靠性；其推进器位于船体外使舱室噪声和振动都显著降低，提高了舱容利用率；吊舱形式可以全功率倒车，应急倒车反应快，而Z(L)推形式由于受到齿轮反转受力限制不能倒转，须旋转180°，反应慢；吊舱式推进系统的支架和螺旋桨组合体具有更好的流线，水动力特性好，水流阻碍小，水动力效率高；吊舱形式的推进电机由海水直接冷却，故推进效率较需空气-水冷却的Z(L)推形式可提高约2%。吊舱式推进器[2]如图2所示。

目前吊舱式推进器的功率范围多用于大中型船舶，小型船舶因船体较小而不适合安装，故实际应用很少，但是作为车客渡船推进装置还是具有良好的发展前景的。

图2 吊舱式推进器

3 全回转车客渡船电力推进系统的特点

(1)操纵控制方便，起动加速性好，制动快，正反车速度切换快，推进电机转速易于控制调节，正反转各种转速下都能提供恒定转矩，因而能得到最佳工作特性，提高了渡船的操纵性。

(2)取消了机械推进系统的长轴系，有利于提高机电设备布置的灵活性；减少了主甲板下舱室的通道开孔，可增加水密分隔空间数量，降低船舶的破舱概率，提高抗沉性；提高了机器处所在船舶总体布置中的灵活性，可以减少逃生出口的数量和主甲板的开口数量，增强船体强度和航行安全性。

(3)可根据推进工况要求来确定在网发电机台数，使每台发电机工作在较为理想的负荷空间，从而保证了柴油机燃烧效率使船舶更加绿色环保。

(4)柴油发电机采用弹性安装底座，运行转速恒定，与用电设备和船体无直接连接，减少了振动和噪声，有利于控制、改善船舶的噪音和振动。

(5)需要经过柴油机-发电机能量转换，比传统机械推进效率低，尤其是采用交-直-交变频调速，需要2次电能转换，效率会更低。额定工况下一般直接传动效率约为98%，直流电力推进效率约为85%～90%，交流电机推进效率约为94%～95%。

(6)船舶建造成本较高，比机械推进所需成本费用一般高约25%。

(7)增加了大量电气设备以及电站能量控制系统等，提高了电气人员维修保养的技能要求。

4 全回转车客渡船电力推进关键技术

柴-电形式的长江车客渡船电力推进系统由发电模块(发电机组)、配供电模块(配电柜)、推进模块(推进变压器、变频器)、推进器模块(电驱全回转舵桨)、控制管理模块(PMS、舵桨控制系统等)构成。其中重点是发电模块的选型组合，难点则是确定消除电网谐波的适宜方法，并且需要根据船舶推进的总体性能要求做出性价比高的优化方案。

4.1 电站设计及选择

发电模块由柴油发电机组构成，根据船舶的航速、型线等主要要素，结合阻力推进等水动力学核算，计算出船舶所需推进功率，根据电力推进系统各环节的效率，可按(推进功率/0.915)计算所需发电功率。车客渡船除推进外的其他用电功率很小，主要是控制用电、灯具用电及舱室小型空调用电等，在设计考虑电站功率时应一并计入总发电容量，避免另设发电机组或是主电站功率偏小，给船舶供电带来风险。

由于单台发电机组超负荷时可能引发机组防过载保护系统启动，造成电网失电，进而造成推进瘫痪风险，因此，要综合考虑船舶操纵过程中对推进功率的变化幅度要求，确定发电机组的台数，并制定出相应的并车、解列策略，既保证在网发电机组负荷率最优化，燃烧效率较高，同时又可避免或降低电网失电的风险。

4.2 谐波抑制

4.2.1 谐波的主要来源

(1)由于发电机的三相绕组非绝对对称，铁芯也非绝对均匀，使得定子、转子间的磁场成非正弦分布产生谐波，正常运行状态下该部分谐波量一般在0.6%以下。

(2) 输配电系统中的变压器励磁回路是非线性电感，铁芯的饱和磁化曲线也是非线性的，而且一般变压器的工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，从而产生谐波，正常工作状态下此部分谐波的比例也比较小。

(3)船上用电设备包含大量非线性特性电气设备，电源供给的是正弦波形电压，但由于非线性电气设备具有非线性电压-电流特性，因而在电网中产生了大量谐波。这部分谐波的主要来源是变频器，并且是电网中谐波的主要来源，需要重点抑制、治理。

4.2.2 谐波抑制和治理技术方案

谐波抑制的主要方法有主动和被动2大类型。

4.2.2.1 被动型谐波抑制技术

被动型谐波抑制技术是在交流电网侧并联LC滤波器来降低谐波电压，又可分为无源滤波器方案和有源滤波器方案2种。LC无源滤波器投资少，但设备体积较大，并且滤除不同次数的谐波需要配套不同的无源滤波设备；有源滤波能够实现动态抑制谐波，且反应迅速，用1台装置就能完成各次谐波的治理。被动式谐波抑制技术一般都是作为设计前期对电网分析不足的补救手段。现在治理谐波的方案都是在设计阶段就充分考虑谐波污染情况，从而完成相应的谐波治理。

4.2.2.2 主动型谐波抑制技术

主动型谐波抑制技术常用多相整流、有源前端(AFE)等技术。

(1)多相整流系统主要是采用移相制造出多脉冲整流方案，移相角=180°/N，N为脉冲数。脉冲越多，波形越接近正弦波，电路结构也越复杂，最常用的为6脉冲、12脉冲、24脉冲方案。

多相整流技术变频器中的整流器采用不可控二极管整流装置，一般为三相全控整流，即6脉冲整流；可以在变频器前面加上移相变压器组成12脉冲、24脉冲的结构，12 脉冲总谐波量可减少 50%,24脉冲总谐波量可减少80%～90%。图3给出了几种整流变压器解决方案的连接方式和对应的电流波形[3]，图4给出了几种谐波抑制解决方案的谐波分布情况[3]。

(2)有源前端(AFE)技术是在整流输入端采用可控型电子器件IGBT，利用 PWM整流器实现AC/DC 的电能变换。AFE变频器取消了移相变压器，保证了船舶电网的电能质量更为纯净，总电压谐波失真更低，但目前价格较高。表1给出了多相整流和AFE技术特点的比较[4]。

图3 多相整流电路特性图

图4 谐波分布图

4.2.2.3 其他谐波抑制技术

(1)采用脉冲电压调制技术抑制谐波。

(2)通过提高主变压器内阻抗限制谐波和短路电流。

(3)采用电动机驱动发电机组的方式构建非推进负荷电网，隔离推进负荷电网对其他电网的谐波污染。

表1 多相整流和AFE技术特点比较

(4)采用双重电抗器组，将发电模块的推进负荷母线与非推进负荷母线进行隔离，使非推进负荷配电网的谐波分量处于较低水平。

长江车客渡船的电力推进系统功率较小，非推进用电设备也较少，尤其不需考虑高精密电气控制设备对电网谐波抑制的要求。

4.2.3 船舶规范对谐波抑制的要求

中国船级社(CCS)规范规定，内河柴油发电机组电力推进船舶在配电系统各处(包括主配电板、分电力配电板、电力推进专用汇流排等处)的电压波形的总谐波失真(THD)不超过5%。

6脉冲和12脉冲在主母线上的THD值超出5%的要求，24脉冲运行期间的总谐波失真畸变率可满足要求。车客渡船电力推进系统应选择主动型谐波抑制，尽可能地选择24高脉冲方案或有源前端(AFE)技术，但也需综合考虑投资成本及回收期等经济指标。

4.3 配电电压

柴油机机械推进车客渡船电网电压一般采用380 V的低压电力系统。电力推进船舶常用的电网电压还有中压系统，即额定频率为60 Hz的中压额定值有2.3、4.16、6.6 kV等级，而额定频率为50 Hz的中压额定值有3.3、6.0、6.6、10 kV等级。较高的电压可以减少输电导线的横截面积和输电损耗。是否采用中压标准的传统功率值分界点是450 kW，车客渡船的推进功率一般为440 kW或更小，主电网电压选择低压系统有利于系统构成和设备选型。

4.4 电能管理系统

长江车客渡船的自动化控制系统一般包括发电机组、配电控制系统、电站功率管理系统(PMS)及推进装置控制系统。PMS是电力推进船舶的关键控制系统之一，主要完成发电机组控制和能量管理等功能，保障供电系统为船舶电力推进系统及其他用电设备提供可靠、稳定的电力供应。

PMS的基础功能有：

(1) 通过配电装置对船舶电量进行分配。根据在网发电机组的负荷情况，按设定程序选择发电机组并车和解列的数量，以合理调节在网发电机组的负荷率，最大限度地利用电站的功率。

(2) 待备用发电机组启动入网运行后才允许大功率负载启动或推进功率快速上升，以保护发电机组和电站系统，保证供电质量。

(3)在保证船舶电力系统安全的前提下最大限度的节省能源，提高船舶经济性。

(4) 对推进控制单元的负荷状态进行监控，防止发电机组超载，避免发生全船停电危险。

5 带储能单元的电力推进系统

近年来，陆用电动车辆储能技术获得了快速发展，已达到了实用阶段，车客渡船单次航渡距离和总续航力均较小，推进功率一般也在600 kW或更小。因此，探索将车用储能技术应用到车客渡船上，采用混合电力推进或纯储电式电力推进技术也是车客渡船电力推进关键技术研究的重要方向。

从近些年储能技术的发展来看，超级电容和锂电池技术将是船用电能储存系统的重要发展方向。未来很可能除柴-电推进形式以外，长江车客渡船还会采用岸基充电桩补充电力的能源提供方式，即带储能单元的混合电力推进或纯储能单元供电的电力推进系统。

5.1 储能单元的类型

5.1.1 超级电容器技术

超级电容是一种拥有高能量密度的电化学电容器。超级电容器特点有：

(1)电流容量高，可以经受很高的电流，以电池做不到的速度迅速充放电。

(2)使用寿命长，保养容易，充放电循环次数可以达到数十万次，且不会损害性能，没有存储效应，基本上不需要保养，不存在放电过量的情况，长时间放置基本不会对其性能造成影响，能够在额定电压或低于额定电压的情况下工作。

(3)温度范围广，可以在-40～+65 ℃内正常工作。

(4)能量密度低。超级电容的能量密度为1～10 Wh/ kg，为锂电池的1/10。

(5)端电压变化较大，并在充放电过程中不断变化，需要增设调压装置才能保持负荷侧电压稳定，增加了成本，价格昂贵，为锂电池的数十倍。

5.1.2 锂电池技术

锂电池是一种可充电电池，它主要依靠Li+离子在正极和负极之间移动来工作。其特点有：

(1)能量密度高，体积能量密度和质量能量密度分别可达450 Wh/dm3和150 Wh/kg，而且还在不断提高中。

(2)单体电压高，充满电压和终止放电电压一般为4.2～2.5 V。

(3)自放电率仅为每月5%～10%，不到镍镉电池和镍氢电池的一半，并且没有记忆效应，循环性能优越。

(4)输出功率大。

(5)温度范围广，在-20～60 ℃之间正常工作。

(6)必须有特殊的保护电路，以防止过充或过放现象发生。

从目前陆用电动车辆的使用情况来看，超级电容储能系统往往只用于站点密集，2次充电时间间隔很短的城市公交车辆，充分利用了超级电容可大流量充电而又不损伤性能的优点。由于2次充电时间间隔很短，因此所需电容容量、体积可以较小，价格可以控制在较低的水平。但是对于续航力要求较高的车辆还是使用锂电池作为储能单元。从车客渡船的推进功率及临时在岸时间、续航力的要求来看，锂电池是比较好的储能单元选择方案。

当前的主流陆用电动车主要搭载磷酸铁锂电池和三元材料电池。磷酸铁锂电池属于锂离子二次电池，具有较安全、热稳定性高、环保、原料无毒、价格便宜等优势，但也存在导电性差、密度较低等问题。磷酸铁锂电池理论能量密度约为160 Wh/kg，现阶段磷酸铁锂电池技术的单体电池能量密度仅110～120 Wh/kg，组合成电池包的能量密度还不到90 Wh/kg。国内目前电池组总成能量密度大多在60～100 Wh/kg。

三元材料是指3种电极材料共融而成的复合电极材料，目前最常见的是镍钴铝酸锂(NCA)和镍钴锰酸锂(NCM)。钴酸锂电池能量密度可达150～200 Wh/kg，结构稳定、容量比高、综合性能突出，但其劣势在于安全性差而且成本高，主要用于标称电压3.7 V的中小型号电芯。三元材料电池技术质量能量密度目前普遍在150～180 Wh/kg，特斯拉公司的NCA电池质量能量密度已经达到200 Wh/kg。

特斯拉电动车的电池[5]如图5所示。采用了松下提供的NCA系列(镍钴铝体系)18 650钴酸锂电池，单颗电池容量为3 100 mA·h。特斯拉采用电池组的战略，大量18 650锂电池组成单体电池包，再由电池包组成电池组，并由16组电池组构成电池板，其中解决了很多连接和散热的问题。特斯拉电池技术成功解决了钴酸锂电池的安全性问题。特斯拉电池通过管理系统(BMS)对电池组进行安全监控及有效管理，提高电池使用效率是其核心技术。

图5 特斯拉电动车电池结构及BMS系统示意图

5.2 带储能单元的电力推进系统类型

5.2.1 可岸电充能的混合电力推进系统

可由岸电充能的混合动力船舶电力推进系统如图6所示，其动力源同时设置柴-电机组和动力电池组2种方式。柴油发电机组输出电源接入交-直-交变频器的交流输入端；动力电池组通过双向DC/DC变换器接入交-直-交变频器的直流母线，再通过DC/AC逆变单元将直流逆变为交流电供给推进电机M，船舶非推进用电设备通过小型DC/AC逆变器接在动力电池组的输出端。船舶靠岸期间由岸电给动力电池组充电；低速航行或停泊时使用动力电池组供电；正常航行时由柴-电机组供电并同时给动力电池组充电，也可使用柴-电机组与动力电池组一起供电。