破冰船电力推进系统储能容量的优化配置

刘雨声, 鄂 飞, 冯 昊, 李 勇

(上海ABB工程有限公司船舶技术部，上海 201319)



破冰船电力推进系统储能容量的优化配置

刘雨声, 鄂 飞, 冯 昊, 李 勇

(上海ABB工程有限公司船舶技术部，上海 201319)

储能系统不仅是当前电动汽车领域的研究热点，还应用到了船舶领域之中。将配置适当的储能系统与船舶电力推进系统相结合，不仅可为船舶正常运行带来诸多方便，还可获得较高的投资回报率。在破冰船处于破冰航行状态的工况下，从系统动态性能和燃料节省两方面分析，以投资回报年限为优化目标，仿真计算得到储能系统的最优配置。仿真结果表明,该配置下的储能系统不仅满足功率需求，还能减少燃油成本、改善系统动态性能。

储能系统；最优配置；破冰船

0 引 言

随着电力电子技术快速发展及能源危机日益加剧，船舶推进技术发生了巨大变化。电力推进技术依靠其在机动性、可靠性、运行效率、布置灵活性、经济性和易于维护等方面的巨大优势广泛应用于工程船、油船和豪华游船等船舶，电力推进替代传统的柴油机推进成为不可阻挡的趋势[1-2]。

但是,由于海洋环境复杂多变及船舶自身作业的需要，船舶电力推进系统的负载总是在不断变化，尤其是在负载短时间内发生急剧变化时，发动机启动、停车均需一定时间，导致系统的动态响应能力变差，且频繁的启停操作使得发动机的维护成本增加[3]。

将储能系统引入到船舶电力推进系统中可很好地解决上述问题，也满足绿色船舶的要求，减少氮氧化物及硫化物的排放。储能系统具有削峰填谷的能力，即在系统轻载时，将多余的能量储存起来，防止其对电网产生冲击；在系统重载时，储能系统释放储存的能量来满足负载的需求[4]。储能系统具有快速响应的能力，在负载频繁变化时可吸收负载高频波动，使得电力推进系统得到更广泛的应用。

近年来，电力推进系统生产厂商(如ABB，Siemens)已联合储能系统生产厂商(如Corvus Energy，Saft)将储能系统应用于船舶电力推进系统中。船舶混合电力推进系统将是船舶电力推进技术发展的趋势之一[5]。

但是，引入储能系统的混合电力推进系统并不适用于所有类型的船舶。对于大部分时间都是以恒定速度运行的远洋船舶(如大型集装箱船、大型散货船等)，没有必要替换其现有的柴油机械式推进系统;对于破冰船、港口拖船和渡轮等船舶,非常适合使用混合电力推进系统来减少燃料消耗和改善动态性能[5-6]。对于特定类型船舶，计算得到最优配置的储能系统是提高投资回报率的关键。因此，以投资回报率为优化目标，对破冰船破冰工况进行分析，建立数学模型,并基于MATLAB环境模拟计算得到储能系统的最优配置。

1 破冰船的推进特性

1.1 混合电力推进系统

对于破冰船和冰区航行船等类型船舶，其负荷随时可能发生急剧变化，因此其电力推进系统必须具有非常好的动态性能，以免部件过载而出现意外跳闸现象。自20世纪80年代以来，绝大部分新建破冰船和冰区航行船都采用电力推进系统。根据破冰能力的不同，这类船舶的装机推进功率一般在5～55 MW[3]。

图1 破冰船混合电力推进系统结构示意

破冰船电力推进系统配备有3台推进电机(见图1)，其中2台是位于艉部的6.5 MW推进器，另一台是位于艏部的6 MW推进器。该船安装4台双燃料发动机以满足负载的需要，其中2台发动机功率为4 450 kW，另2台发动机功率为6 680 kW。船舶电站产生的所有电力直接回馈到交流母线，然后再配送到船上的各个推进负载中。储能系统(锂离子电池，超级电容)通过变频器和变压器连接到母线，可与母线之间进行能量的传递。储能系统连接到母线的方式因船舶的不同而有所变化[4]。

1.2 破冰船工况

图2为破冰船在破冰工况下的实测负载功率曲线。从图2中可看出，由于冰层厚度和硬度不同，负载存在巨大且快速的波动。该破冰船总推进功率为19 MW，负载功率在20%～80%总推进功率范围内波动，负载功率最大波动可达到60 s内变化60%。

在破冰船航行过程中，推进控制方法为恒功率控制[7]。但有时冰层负荷太大，转矩达到最大值时会使推进器功率发生波动，该功率的波动会很快作用在发电机组上。在图1所示的电力推进系统中，若没有储能系统，则发动机便不能高效运行;在最坏的情况下，发动机组的动态特性不能满足负载的快速变化会导致船舶不能正常运行。

2 系统建模

2.1 混合电力推进系统建模

2.1.1 发动机

发动机模型是基于双燃料发电柴油机建立的。双燃料发动机可运行在燃气模式或燃油模式下，其加载特性见图3[8]。在燃气模式或燃油模式下，加载曲线“预热模式”均为发动机的默认加载曲线，“燃气最大能力模式”为发动机在燃气模式下的最大加载能力。该计算模型中，发动机工作在燃气模式下，加载曲线为“燃气最大能力模式”。

2.1.2 储能系统

在各种储能单元中，锂离子电池和超级电容器应用于船舶电力推进系统中的前景最被看好，其共同特点是寿命长、循环性能好、体积小且无污染。此外，锂离子电池有很高的能量密度，可维持较长时间的放电或充电状态，有着良好的稳态性能；超级电容器有较高的功率密度，可在单位时间内输出较高的功率，有着良好的动态性能。将锂电池与超级电容器结合起来，可使储能单元系统同时具有良好的动态特性和稳态特性。

图2 破冰船在破冰工况下的实测负载功率曲线

图3 双燃料发动机加载特性

该电池储能系统由多个电池组构成，各个电池组的充电速率为1 C，放点速率为2 C，额定容量为137 kW·h。电容储能系统由多个标准超级电容箱构成，各个超级电容箱的额定功率为1 MW，额定容量为34 kW·h。

计算模型中，储能系统模型采用通用的功率流模型。

(1)

(2)

(3)

(4)

2.1.3 功率能量管理系统

功率能量管理系统(Power Energy Management System,PEMS)的作用是确保船舶在实际运行条件下具有充足的电力，通过对负荷、发电机组、储能系统和电力系统的状态进行检测达到该目的。PEMS的主要功能可归类为发电管理、负荷管理及配电管理。

在建立PEMS模型时，选取负载功率为变量，忽略功率损耗，发电机组、储能系统及负载的功率矢量和为零。PEMS根据负载功率的变化进行功率调节，以投资回报年限为优化结果，计算得到储能系统的最优配置。PEMS流程见图4。

图4 PEMS流程图

2.2 建立目标函数

将储能系统加入到电力推进系统中后，为达到节省燃料的目的，PEMS调节发动机组，使其运行在最优的运行区域。当负载过大时，储能单元释放能量，提供系统所需的额外能量；当负载过小时，电站提供的能量一部分通过直流母线提供给负载电机，另一部分用来给储能单元充电。这样可使柴油发电机始终维持在最佳的工作状态，提高能源利用率，节省成本。

图5为双燃料发动机的油耗曲线(不考虑瞬态燃油消耗)及电力成本[9]。从图5中可看出：当负载>80%时，发动机的燃油效率最高;当负载减小时，燃油消耗快速增加。

a) 油耗曲线

b) 电力成本

在加入储能系统之前，船舶电力推进系统双燃料发动机运行在燃油模式下，其输出功率严格跟随破冰船负载工况，则得到发动机1个工况周期内的燃油消耗为

(5)

(6)

式(5)和式(6)中:CFCO为没有储能系统时1个工况周期(1 500 s)内的燃油成本；CFC1s为每秒燃油成本；COP1s为每秒输出功率；CUP为燃油单价。

在加入储能系统之后，船舶电力推进系统双燃料发动机运行在燃气模式下，其输出功率不再跟随破冰船负载工况，而是维持为一定范围内的1个恒定值。该恒定值的设定也会影响到储能系统配置和投资回报。在模拟计算时，PEMS会根据最优的投资回报计算出该恒定值。

得到发动机在一个工况周期内的燃料节省成本为

(7)

式(7)中:CFCW为加入储能系统时1个工况周期(1 500 s)内的燃油成本；CFS为1个工况周期内节省的燃油成本。

在满足功率能量需求的前提下，储能系统达到最优配置时，投资回报年限会达到最小值。

(8)

式(8)中:tPY为投资回报年限；CB为电池储能系统投资成本；CC为超级电容储能系统投资成本；nCN为一年内负载工况周期数。

3 计算结果及分析

3.1 储能系统最优配置计算结果

图6为设定不同的发动机输出功率恒定值时的投资回报年限。从图6中可看出，发动机的输出功率维持在额定功率70%～80%内，可得到最小的投资回报年限。此时储能系统的配置为：电池储能系统容量822 kW·h；超级电容储能系统容量68 kW·h。

图6 投资回报年限结果

3.2 系统动态特性

引入储能系统不仅可节省燃料，还可改善船舶电力推进系统的动态特性，尤其对于破冰船船型而言，加入上述计算得到的储能系统配置后，仿真后系统的动态特性得到较大改善(见图7)。

图7 系统动态特性曲线

双燃料发动机工作在燃气模式时，虽然加载特性比工作在燃油模式时差，但是液化天然气的价格远低于船用柴油。此外,从图7中可知，加入储能系统后，系统的动态特性也得到改善。发动机不需要严格跟随负载的功率变化，尤其是发生急剧变化时(图7 180 s处，840 s处)，发动机的功率输出更加平稳，使得维护成本随之降低。

4 结 语

对破冰船的工况进行分析，建立电力推进系统数学模型;以投资回报年限为优化目标，模拟计算得到最优的储能容量配置。计算结果表明:该储能系统的配置在满足功率需求的同时，还可减少燃油成本和改善系统动态性能。当然,实际将储能系统加入到船舶电力推进系统中时，除了要满足功率需求外，还要考虑储能系统自身的因素，如充电状态、放电深度、充放电速率及寿命等。

[1] MCCOY T J. Trends in Ship Electric Propulsion [C]. Power Engineering Society Summer Meeting, 2002:343-346.

[2] CLAYTON D H, SUDHOFF S D, GRATER G F. Electric Ship Drive and Power System [C]. Power Modulator Symposium, 2000.

[3] AUNANES A K. Maritime Electric Installation and Diesel Electric Propulsion [M]. ABB As Marine, 2003.

[4] LINDTJORN J O, WENDT F, GUNDERSEN B, et al. Demonstrating the Benefits of Advanced Power Systems and Energy Storage for DP Vessels [C]. Dynamic Positioning Conference, 2014.

[5] PESTANA H. Future Trends of Electrical Propulsion and Implications to Ship Design [C]. Proceeding of MARTECH 2014, Conference on Maritime Technology and Engineering.

[6] HANSEN J F, WENDT F. History and State of the Art in Commercial Electric Ship Propulsion, Integrated Power Systems and Future Trends [J]. Proceeding of the IEEE,2015,103(12):1-14.

[7] ADNANES A K. A Survey of Concepts for Electric Propulsion in Conventional and Ice Breaking OSVs [C]. Propulsion & Emissions Conference, 2008.

Optimal Capacity of Energy Storage System for Icebreaker Vessel

LIU Yusheng， E Fei， FENG Hao， LI Yong

(ABBEngineeringShanghaiCo.,Ltd.,MarineTechnologyDepartment,Shanghai201319,China)

The energy storage system(ESS) can support the marine electric propulsion system on vessels with high ROI. This paper looks into the contribution of ESS on icebreakers in icebreaking mode in terms of system dynamic performances and fuel saving. The capacity of the ESS is optimized for the investment recovery period. The optimal results are verified through simulation tests.

ESS； optimal dimension； cebreaker vessel

2016-05-24

刘雨声(1988—)，男，河北廊坊人,工程师,从事船舶储能和船舶直流电网研究。

1674-5949(2016)03-0047-05

U664.3;U674.21

A