混合能源技术在船舶上应用研究概述

杨路明

（大连船舶重工集团 大连116005）

引 言

随着人类的发展和全球经济快速增长，煤炭、石油等传统能源正在急剧消耗，作为不可再生能源的化石燃料日渐枯竭，同时在利用化石燃料的过程中产生了大量污染物及温室气体，对环境造成日益严重且不可逆转的污染。作为贸易运输的主要方式，船舶航运导致的废气排放以及能源结构变化严重影响着自然环境（尤其是港口区域及船舶密集航行水域），船舶排放的废气（含SOX、NOX、CO2和固体颗粒物等有害物质）是主要空气污染源之一。欧美发达国家通过设立船舶排放控制区、制定排放激励政策等措施对船舶排放进行控制，取得良好的区域空气治理效果。我国交通运输主管部门积极推进我国排放控制区限制标准同国际标准接轨，制定有针对性的区域减排机制，充分发挥政府主管部门引领、法规约束和企业主动参与的多轨并举船舶节能减排机制，实现区域空气质量持续改善。

1 混合能源技术的发展及其应用意义

倡导低碳经济是应对以上问题的方法。其一方面通过开发和研究风能、太阳能等新能源的应用，实现高能效、低能耗、多种新能源供给和少污染的可持续发展。20世纪80年代初，丹麦提出风能、太阳能、储能设备混合能源系统，随后前苏联通过概率统计方法对混合能源系统中的风力发电、太阳能发电的发电量进行估算，后续研究人员对系统中的整体容量优化配置、储能模块优化配置和系统整体控制策略进行了相关研究。澳大利亚人于21世纪初研制出太阳能/风能混合动力双体客船，通过控制太阳能翼帆角度，捕捉风能并采集太阳光能，共同为船舶提供动力能源，标志着清洁新能源船舶研究进入了一个新阶段。另一方面，结合船舶使用工况，通过柴电混合动力系统实现船舶动力源经济、高效的综合利用，在保证推进效率的前提下，既提高燃油经济性又降低废气污染，从而达到全工况经济性优化的目标。

由柴油机和PTO/PTI可逆电机组成的PTO/PTI柴电混合动力推进系统是一种新兴的动力系统型式。PTO（Power take out） 和 PTI（Power take in），分别指以发电机模式和电动机模式运行的轴带电机，电机可以通过与主机连接的齿轮箱或主机自由端来输入或输出，正常航行时，主机驱动螺旋桨的同时带动轴带电机以PTO模式发电，以替代或部分替代柴油发电机组供电，从而提升主机负荷区间、降低整体燃油消耗，提高动力系统运行经济性，低速航行时或主机故障时，通过柴油发电机组（或其他轴系轴带电机）供电，轴带电机以PTI模式驱动螺旋桨推进，提高动力系统冗余性和船舶运行可靠性，特殊工况时，轴带电机以PTI模式运行与主机合排实现柴电混合推进，提高船舶运行的快速性。

直流微电网技术的出现实现了新能源及能源存储单元的方便接入，比如：太阳能，燃料电池、超级电容、动力电池等新能源生产方式和存储单元，通过与柴电混合动力系统组合使用，电能存储单元可以存储多余的电能，也可在必要时提供电能，改善燃油消耗指标的同时增加了冗余功能。存储单元对任何一种基础能源（比如：柴油机、双燃料主机等）的运行提供支持和改善作用，随时可以立即使用，改善低响应特性主机在紧急情况时的动态运行特性，也可以减轻正常运行期间的速度突变现象，使船舶在运行中大幅减少传统能源使用量和温室气体排放量。

2 混合能源系统构成

混合能源电力系统由电能产生部分、电能存储部分、电能转换部分以及包含主柴油发电机组和应急柴油发电机组的船舶电力一次、二次供电网络组成［1］。电能产生部分由PTO/PTI轴带电机和太阳能发电构成；电能存储部分由动力电池和超级电容构成；电能转换部分采用直流微电网及四象限变频器技术。

PTO/PTI轴带电机工作在PTO模式下，根据船舶营运中不同工况条件下的电气负荷需求迥异，可以单独提供电网电能或通过四象限IGBT变频器与主柴油发电机组并联运行提供船上工作设备所需电力，在电力系统负荷轻载时，利用存储单元将多余的能量存储起来，防止能量对电网冲击，电力系统负荷过载时，储能单元释放能量满足负载需求，利用储能单元克服功率波动对船舶电力系统的影响，同时，太阳能光伏发电可作为辅助电能介入减少柴油机出功，在主/辅柴油机均停止工作时可继续为储能装置充电。

作为能量型储能原件的动力电池具有能量密度大、响应时间长、充放电次数少以及功率密度小等特点，作为功率型储能原件的超级电容具有功率密度大、充放电次数多、响应速度快以及能量密度小等特点，单一能量型和功率型储能装置无法兼顾电力负荷瞬时波动和持续稳定用电需求，集成动力电池和超级电容构成储能单元，使其同时具有蓄电池的高能量密度、超级电容的高功率密度［2］。

电能转换部分基于直流微电网，PTO/PTI轴带电机通过IGBT整流器与公共直流母线连接，与公共直流母线连接的太阳能发电整流器通过太阳能板控制开关与太阳能板连接在一起，储能单元通过整流器与公共母线连接，与公共母线连接的IGBT逆变器通过隔离变压器与船舶电力一次网络连接，直流微电网整体构成混合能源系统，可等效视为混合能源发电机组，可与柴油发电机组并网运行向电力一次、二次电网负载供电。

图1 混合能源电力系统单线图

3 混合能源系统关键技术

太阳能发电主要涉及三个方面的关键技术：

（1）太阳能电池板光伏转换效率问题，有待于新型光电转换材料的研发和市场化；

（2）在面积有限的甲板上安装尽可能多的光伏电池板组件，针对不同船型需要专门研究解决；

（3）通过最大功率点跟踪（MPPT）技术，精确预测及控制系统发电量。

PTO/PTI轴带电机［3］从经济型、安全性方面主要考虑发电模式和电动模式这两种运行方式，主要涉及七个方面的关键技术：

（1）可逆轴带电机本体及相关励磁控制系统的设计技术；

（2）可逆轴带电机起动控制技术；

（3）可逆轴带电机不同模式之间的切换控制技术；

（4）可逆轴带电机不同工况安全保护技术；

（5）可逆轴带电机与PMS、配电系统等相关设备（系统）的逻辑控制技术；

（6）满足可逆轴带电机使用要求的齿轮箱离合器的选型设计及相关电气接口设计；

（7）结合可逆PTO/PTI轴带电机不同工况需求的整个主推进控制系统设计。

储能单元［4］主要涉及三个方面的关键技术：

（1）储能变流器（PCS）控制，在监控与调度系统的调配下，实施有效和安全的储电和放电管理；

（2）电池管理系统（BMS），负责对储能电池组进行电压、温度、电流、容量等信息的采集，实时状态监测和故障分析，同时通过CAN总线与PCS、监控与调度系统联机通信，实现对电池进行优化的充放电管理控制；

（3） 监控与调度管理系统是储能单元的能量调度、管理中心，包含中央控制系统（MGCC）和能量管理系统（EMS），负责收集全部电池管理系统数据、储能变流器数据及配电柜数据，向各个部分发出控制指令，控制整个储能系统的运行，合理安排储能变流器工作。

直流微电网［5］主要涉及五个方面的关键技术：

（1）高效可靠、模块化、智能化即插即用型多功能变流器接口或电能变换器；

（2）综合考虑系统网络架构设计、 电源-网络-负载-储能优化配置及运行与规划紧密耦合；

（3）提高设备级控制系统自治性能及系统级控制系统可靠性、灵活性和扩展性，且能综合协调运行控制技术和智能保护技术；

（4）具备更快开断速度、更高开断容量和更高效可靠的直流断路器以及基于故障限流的新型直流配电用保护技术；

（5）提供微电网通讯系统的带宽、可靠性和兼容性。

4 混合能源技术在船舶上的应用情况

电机，负荷率81%；

（6）停泊，使用1台双燃料主发电机，1台双燃料主发电机和轴带发电机备用，负荷率36%。

该船型采用混合能源发电技术，与传统技术相比优点在于：在船舶正常航行时，当主动力系统功率大于动力负载功率，则主动力系统将剩余功率对储能单元进行充电；当动力负载的功率大于主动力系统的功率，则储能单元放电，与主动力系统一同为动力负载提供电能。在船舶停泊或加注作业期间，太阳能电池通过整流器对储能单元充电。储能单元的充放电对柴油机功率起到削峰填谷作用，电网所需峰值功率由发电机组、太阳能电池及储能单元共同提供，减小柴油机容量和体积。本船型应用混合能源技术预计将节省燃料约20%，减少NOX排放量近90%，减少CO2排放量25%～30%，SOX和颗粒物排放几乎可以忽略不计。

国外某船东7 500 m3LNG加注船型开发设计方案，主电站采用混合能源发电技术，主机采用Wartsila 6L34DF四冲程双燃料发动机，通过齿轮箱连接PTO轴带电机1 800 kW，两台四冲程双燃料主发电机1 065 kW，1台四冲程柴油应急发电机130 kW，1套小型太阳能发电装置，1套储能单元包括动力电池、超级电容。PTO轴带电机的IGBT整流器、太阳能发电装置的整流器、储能单元的整流器分别与直流微电网公共母线连接，最终通过与公共母线连接的IGBT逆变器及隔离变压器构成混合能源主电源，可与2台双燃料主发电机组并网运行向电力一次、二次电网负载供电。

该船型有如下6种设计工况：

（1）正常航行，使用轴带发电机，2台双燃料主发电机备用，负荷率30%；

（2）正常航行（深冷装置），使用轴带发电机，2台双燃料主发电机备用，负荷率82%；

（3）进出港（深冷装置），使用轴带发电机和2台双燃料主发电机，负荷率69%；

（4）装卸载，使用2台双燃料主发电机，轴带发电机备用，负荷率51%；

（5）加注，使用轴带发电机和2 台双燃料主发

5 结 语

综上所述，新能源作为船舶电力系统未来发展方向，采用几种新能源（比如：风能、太阳能、生物质能等）发电方式组成混合能源系统，利用各类新型能源的不同特性，通过多种新型能源及储能装置的有效混合配置，克服单一能源供电的不稳定性，实现各类能源的优势互补与效率提升。混合能源技术为应对日益严苛的环境保护要求和减排强制性法规，推动和拓展绿色船舶技术在实船上的应用提供了有效的解决方案。