于全虎

(江蘇省船舶設計研究所有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

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長江車客渡船全電力推進關鍵技術研究

于全虎

(江蘇省船舶設計研究所有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

針對長江車客渡船采用全電力推進方式中的重點問題，通過對電站設計、諧波抑制、配電電壓、電能管理、儲能單元等關鍵性技術研究，提出了車客渡船電力推進系統(tǒng)各模塊的特點和選型原則，并分析了帶儲能單元電力推進系統(tǒng)的特點，認為現(xiàn)階段適宜采用技術成熟的柴-電推進形式，而帶有儲能單元的電力推進模式將是車客渡船未來的發(fā)展方向。

電力推進；汽車渡船；技術論證

0 引言

20世紀80年代末，我國第1艘對轉槳全回轉汽車渡船開始營運，從此，先進的全回轉舵槳取代了四槳八舵的常規(guī)推進方式，極大地提高了長江車客渡運的安全性和營運經(jīng)濟效益。30多年來，車客渡船的設計及設備制造水平有了持續(xù)提高，但推進方式仍舊采用柴油機機械推進形式。目前一些新型推進方式如電力推進隨著相關技術的逐步成熟，開始在內(nèi)河船舶上推廣使用，這也契合了當前船舶推進能源動力方式多樣化、倡導節(jié)能減排的大趨勢。長江車客渡船的基礎船型目前已趨于穩(wěn)定，采用電力推進技術替代傳統(tǒng)機械推進是進一步提升長江渡運業(yè)快速、安全、環(huán)保、節(jié)能、舒適性的重要方向。因此，需要通過全電力推進長江車客渡船關鍵技術研究，構建最適合的系統(tǒng)組成形式。

1 全回轉車客渡船傳統(tǒng)推進方式

目前較為先進的車客渡船推進方式基本上采用的是柴油機加長軸系驅動Z(L)型舵槳的形式，圖1是其中一種典型型式——單導管Z型舵槳[1]。

這種機械式Z型驅動方式由于軸系較長，且存在一定的角度布置，需要多組中間軸承及萬向聯(lián)軸器，因而機器處所布置要求較高，占用空間多，傳動損失較大，工作噪音、振動也很大。

2 全回轉電力推進器類型

全回轉車客渡船的航速要求一般不低于10 kn，電力驅動全回轉推進裝置主要有電動Z(L)型舵槳和吊艙式推進器(POD)。

圖1 機械驅動Z型全回轉舵槳

電動Z(L)型舵槳一般用于速度低于18 kn的低速船，雖然比POD的流體動力性能差，電力推進總效率較低，并且齒輪傳動的機械振動和齒輪艙與支架產(chǎn)生的空泡及渦流引起的振動、噪聲較大，但舵槳驅動已有多年的應用實踐，且和機械驅動式舵槳原理接近，維修方便，價格較POD低很多。

吊艙式推進系統(tǒng)由于完全取消了艙內(nèi)外的機械傳動裝置，減少了傳動環(huán)節(jié)，可節(jié)省機械傳動損耗約5%，且提高了推進的可靠性；其推進器位于船體外使艙室噪聲和振動都顯著降低，提高了艙容利用率；吊艙形式可以全功率倒車，應急倒車反應快，而Z(L)推形式由于受到齒輪反轉受力限制不能倒轉，須旋轉180°，反應慢；吊艙式推進系統(tǒng)的支架和螺旋槳組合體具有更好的流線，水動力特性好，水流阻礙小，水動力效率高；吊艙形式的推進電機由海水直接冷卻，故推進效率較需空氣-水冷卻的Z(L)推形式可提高約2%。吊艙式推進器[2]如圖2所示。

目前吊艙式推進器的功率范圍多用于大中型船舶，小型船舶因船體較小而不適合安裝，故實際應用很少，但是作為車客渡船推進裝置還是具有良好的發(fā)展前景的。

圖2 吊艙式推進器

3 全回轉車客渡船電力推進系統(tǒng)的特點

(1)操縱控制方便，起動加速性好，制動快，正反車速度切換快，推進電機轉速易于控制調(diào)節(jié)，正反轉各種轉速下都能提供恒定轉矩，因而能得到最佳工作特性，提高了渡船的操縱性。

(2)取消了機械推進系統(tǒng)的長軸系，有利于提高機電設備布置的靈活性；減少了主甲板下艙室的通道開孔，可增加水密分隔空間數(shù)量，降低船舶的破艙概率，提高抗沉性；提高了機器處所在船舶總體布置中的靈活性，可以減少逃生出口的數(shù)量和主甲板的開口數(shù)量，增強船體強度和航行安全性。

(3)可根據(jù)推進工況要求來確定在網(wǎng)發(fā)電機臺數(shù)，使每臺發(fā)電機工作在較為理想的負荷空間，從而保證了柴油機燃燒效率使船舶更加綠色環(huán)保。

(4)柴油發(fā)電機采用彈性安裝底座，運行轉速恒定，與用電設備和船體無直接連接，減少了振動和噪聲，有利于控制、改善船舶的噪音和振動。

(5)需要經(jīng)過柴油機-發(fā)電機能量轉換，比傳統(tǒng)機械推進效率低，尤其是采用交-直-交變頻調(diào)速，需要2次電能轉換，效率會更低。額定工況下一般直接傳動效率約為98%，直流電力推進效率約為85%～90%，交流電機推進效率約為94%～95%。

(6)船舶建造成本較高，比機械推進所需成本費用一般高約25%。

(7)增加了大量電氣設備以及電站能量控制系統(tǒng)等，提高了電氣人員維修保養(yǎng)的技能要求。

4 全回轉車客渡船電力推進關鍵技術

柴-電形式的長江車客渡船電力推進系統(tǒng)由發(fā)電模塊(發(fā)電機組)、配供電模塊(配電柜)、推進模塊(推進變壓器、變頻器)、推進器模塊(電驅全回轉舵槳)、控制管理模塊(PMS、舵槳控制系統(tǒng)等)構成。其中重點是發(fā)電模塊的選型組合，難點則是確定消除電網(wǎng)諧波的適宜方法，并且需要根據(jù)船舶推進的總體性能要求做出性價比高的優(yōu)化方案。

4.1 電站設計及選擇

發(fā)電模塊由柴油發(fā)電機組構成，根據(jù)船舶的航速、型線等主要要素，結合阻力推進等水動力學核算，計算出船舶所需推進功率，根據(jù)電力推進系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的效率，可按(推進功率/0.915)計算所需發(fā)電功率。車客渡船除推進外的其他用電功率很小，主要是控制用電、燈具用電及艙室小型空調(diào)用電等，在設計考慮電站功率時應一并計入總發(fā)電容量，避免另設發(fā)電機組或是主電站功率偏小，給船舶供電帶來風險。

由于單臺發(fā)電機組超負荷時可能引發(fā)機組防過載保護系統(tǒng)啟動，造成電網(wǎng)失電，進而造成推進癱瘓風險，因此，要綜合考慮船舶操縱過程中對推進功率的變化幅度要求，確定發(fā)電機組的臺數(shù)，并制定出相應的并車、解列策略，既保證在網(wǎng)發(fā)電機組負荷率最優(yōu)化，燃燒效率較高，同時又可避免或降低電網(wǎng)失電的風險。

4.2 諧波抑制

4.2.1 諧波的主要來源

(1)由于發(fā)電機的三相繞組非絕對對稱，鐵芯也非絕對均勻，使得定子、轉子間的磁場成非正弦分布產(chǎn)生諧波，正常運行狀態(tài)下該部分諧波量一般在0.6%以下。

(2) 輸配電系統(tǒng)中的變壓器勵磁回路是非線性電感，鐵芯的飽和磁化曲線也是非線性的，而且一般變壓器的工作磁密選擇在磁化曲線的近飽和段上，從而產(chǎn)生諧波，正常工作狀態(tài)下此部分諧波的比例也比較小。

(3)船上用電設備包含大量非線性特性電氣設備，電源供給的是正弦波形電壓，但由于非線性電氣設備具有非線性電壓-電流特性，因而在電網(wǎng)中產(chǎn)生了大量諧波。這部分諧波的主要來源是變頻器，并且是電網(wǎng)中諧波的主要來源，需要重點抑制、治理。

4.2.2 諧波抑制和治理技術方案

諧波抑制的主要方法有主動和被動2大類型。

4.2.2.1 被動型諧波抑制技術

被動型諧波抑制技術是在交流電網(wǎng)側并聯(lián)LC濾波器來降低諧波電壓，又可分為無源濾波器方案和有源濾波器方案2種。LC無源濾波器投資少，但設備體積較大，并且濾除不同次數(shù)的諧波需要配套不同的無源濾波設備；有源濾波能夠實現(xiàn)動態(tài)抑制諧波，且反應迅速，用1臺裝置就能完成各次諧波的治理。被動式諧波抑制技術一般都是作為設計前期對電網(wǎng)分析不足的補救手段?，F(xiàn)在治理諧波的方案都是在設計階段就充分考慮諧波污染情況，從而完成相應的諧波治理。

4.2.2.2 主動型諧波抑制技術

主動型諧波抑制技術常用多相整流、有源前端(AFE)等技術。

(1)多相整流系統(tǒng)主要是采用移相制造出多脈沖整流方案，移相角=180°/N，N為脈沖數(shù)。脈沖越多，波形越接近正弦波，電路結構也越復雜，最常用的為6脈沖、12脈沖、24脈沖方案。

多相整流技術變頻器中的整流器采用不可控二極管整流裝置，一般為三相全控整流，即6脈沖整流；可以在變頻器前面加上移相變壓器組成12脈沖、24脈沖的結構，12 脈沖總諧波量可減少 50%,24脈沖總諧波量可減少80%～90%。圖3給出了幾種整流變壓器解決方案的連接方式和對應的電流波形[3]，圖4給出了幾種諧波抑制解決方案的諧波分布情況[3]。

(2)有源前端(AFE)技術是在整流輸入端采用可控型電子器件IGBT，利用 PWM整流器實現(xiàn)AC/DC 的電能變換。AFE變頻器取消了移相變壓器，保證了船舶電網(wǎng)的電能質量更為純凈，總電壓諧波失真更低，但目前價格較高。表1給出了多相整流和AFE技術特點的比較[4]。

圖3 多相整流電路特性圖

圖4 諧波分布圖

4.2.2.3 其他諧波抑制技術

(1)采用脈沖電壓調(diào)制技術抑制諧波。

(2)通過提高主變壓器內(nèi)阻抗限制諧波和短路電流。

(3)采用電動機驅動發(fā)電機組的方式構建非推進負荷電網(wǎng)，隔離推進負荷電網(wǎng)對其他電網(wǎng)的諧波污染。

表1 多相整流和AFE技術特點比較

(4)采用雙重電抗器組，將發(fā)電模塊的推進負荷母線與非推進負荷母線進行隔離，使非推進負荷配電網(wǎng)的諧波分量處于較低水平。

長江車客渡船的電力推進系統(tǒng)功率較小，非推進用電設備也較少，尤其不需考慮高精密電氣控制設備對電網(wǎng)諧波抑制的要求。

4.2.3 船舶規(guī)范對諧波抑制的要求

中國船級社(CCS)規(guī)范規(guī)定，內(nèi)河柴油發(fā)電機組電力推進船舶在配電系統(tǒng)各處(包括主配電板、分電力配電板、電力推進專用匯流排等處)的電壓波形的總諧波失真(THD)不超過5%。

6脈沖和12脈沖在主母線上的THD值超出5%的要求，24脈沖運行期間的總諧波失真畸變率可滿足要求。車客渡船電力推進系統(tǒng)應選擇主動型諧波抑制，盡可能地選擇24高脈沖方案或有源前端(AFE)技術，但也需綜合考慮投資成本及回收期等經(jīng)濟指標。

4.3 配電電壓

柴油機機械推進車客渡船電網(wǎng)電壓一般采用380 V的低壓電力系統(tǒng)。電力推進船舶常用的電網(wǎng)電壓還有中壓系統(tǒng)，即額定頻率為60 Hz的中壓額定值有2.3、4.16、6.6 kV等級，而額定頻率為50 Hz的中壓額定值有3.3、6.0、6.6、10 kV等級。較高的電壓可以減少輸電導線的橫截面積和輸電損耗。是否采用中壓標準的傳統(tǒng)功率值分界點是450 kW，車客渡船的推進功率一般為440 kW或更小，主電網(wǎng)電壓選擇低壓系統(tǒng)有利于系統(tǒng)構成和設備選型。

4.4 電能管理系統(tǒng)

長江車客渡船的自動化控制系統(tǒng)一般包括發(fā)電機組、配電控制系統(tǒng)、電站功率管理系統(tǒng)(PMS)及推進裝置控制系統(tǒng)。PMS是電力推進船舶的關鍵控制系統(tǒng)之一，主要完成發(fā)電機組控制和能量管理等功能，保障供電系統(tǒng)為船舶電力推進系統(tǒng)及其他用電設備提供可靠、穩(wěn)定的電力供應。

PMS的基礎功能有：

(1) 通過配電裝置對船舶電量進行分配。根據(jù)在網(wǎng)發(fā)電機組的負荷情況，按設定程序選擇發(fā)電機組并車和解列的數(shù)量，以合理調(diào)節(jié)在網(wǎng)發(fā)電機組的負荷率，最大限度地利用電站的功率。

(2) 待備用發(fā)電機組啟動入網(wǎng)運行后才允許大功率負載啟動或推進功率快速上升，以保護發(fā)電機組和電站系統(tǒng)，保證供電質量。

(3)在保證船舶電力系統(tǒng)安全的前提下最大限度的節(jié)省能源，提高船舶經(jīng)濟性。

(4) 對推進控制單元的負荷狀態(tài)進行監(jiān)控，防止發(fā)電機組超載，避免發(fā)生全船停電危險。

5 帶儲能單元的電力推進系統(tǒng)

近年來，陸用電動車輛儲能技術獲得了快速發(fā)展，已達到了實用階段，車客渡船單次航渡距離和總續(xù)航力均較小，推進功率一般也在600 kW或更小。因此，探索將車用儲能技術應用到車客渡船上，采用混合電力推進或純儲電式電力推進技術也是車客渡船電力推進關鍵技術研究的重要方向。

從近些年儲能技術的發(fā)展來看，超級電容和鋰電池技術將是船用電能儲存系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。未來很可能除柴-電推進形式以外，長江車客渡船還會采用岸基充電樁補充電力的能源提供方式，即帶儲能單元的混合電力推進或純儲能單元供電的電力推進系統(tǒng)。

5.1 儲能單元的類型

5.1.1 超級電容器技術

超級電容是一種擁有高能量密度的電化學電容器。超級電容器特點有：

(1)電流容量高，可以經(jīng)受很高的電流，以電池做不到的速度迅速充放電。

(2)使用壽命長，保養(yǎng)容易，充放電循環(huán)次數(shù)可以達到數(shù)十萬次，且不會損害性能，沒有存儲效應，基本上不需要保養(yǎng)，不存在放電過量的情況，長時間放置基本不會對其性能造成影響，能夠在額定電壓或低于額定電壓的情況下工作。

(3)溫度范圍廣，可以在-40～+65 ℃內(nèi)正常工作。

(4)能量密度低。超級電容的能量密度為1～10 Wh/ kg，為鋰電池的1/10。

(5)端電壓變化較大，并在充放電過程中不斷變化，需要增設調(diào)壓裝置才能保持負荷側電壓穩(wěn)定，增加了成本，價格昂貴，為鋰電池的數(shù)十倍。

5.1.2 鋰電池技術

鋰電池是一種可充電電池，它主要依靠Li+離子在正極和負極之間移動來工作。其特點有：

(1)能量密度高，體積能量密度和質量能量密度分別可達450 Wh/dm3和150 Wh/kg，而且還在不斷提高中。

(2)單體電壓高，充滿電壓和終止放電電壓一般為4.2～2.5 V。

(3)自放電率僅為每月5%～10%，不到鎳鎘電池和鎳氫電池的一半，并且沒有記憶效應，循環(huán)性能優(yōu)越。

(4)輸出功率大。

(5)溫度范圍廣，在-20～60 ℃之間正常工作。

(6)必須有特殊的保護電路，以防止過充或過放現(xiàn)象發(fā)生。

從目前陸用電動車輛的使用情況來看，超級電容儲能系統(tǒng)往往只用于站點密集，2次充電時間間隔很短的城市公交車輛，充分利用了超級電容可大流量充電而又不損傷性能的優(yōu)點。由于2次充電時間間隔很短，因此所需電容容量、體積可以較小，價格可以控制在較低的水平。但是對于續(xù)航力要求較高的車輛還是使用鋰電池作為儲能單元。從車客渡船的推進功率及臨時在岸時間、續(xù)航力的要求來看，鋰電池是比較好的儲能單元選擇方案。

當前的主流陸用電動車主要搭載磷酸鐵鋰電池和三元材料電池。磷酸鐵鋰電池屬于鋰離子二次電池，具有較安全、熱穩(wěn)定性高、環(huán)保、 原料無毒、價格便宜等優(yōu)勢，但也存在導電性差、密度較低等問題。磷酸鐵鋰電池理論能量密度約為160 Wh/kg，現(xiàn)階段磷酸鐵鋰電池技術的單體電池能量密度僅110～120 Wh/kg，組合成電池包的能量密度還不到90 Wh/kg。國內(nèi)目前電池組總成能量密度大多在60～100 Wh/kg。

三元材料是指3種電極材料共融而成的復合電極材料，目前最常見的是鎳鈷鋁酸鋰(NCA)和鎳鈷錳酸鋰(NCM)。鈷酸鋰電池能量密度可達150～200 Wh/kg，結構穩(wěn)定、容量比高、綜合性能突出，但其劣勢在于安全性差而且成本高，主要用于標稱電壓3.7 V的中小型號電芯。三元材料電池技術質量能量密度目前普遍在150～180 Wh/kg，特斯拉公司的NCA電池質量能量密度已經(jīng)達到200 Wh/kg。

特斯拉電動車的電池[5]如圖5所示。采用了松下提供的NCA系列(鎳鈷鋁體系)18 650鈷酸鋰電池，單顆電池容量為3 100 mA·h。特斯拉采用電池組的戰(zhàn)略，大量18 650鋰電池組成單體電池包，再由電池包組成電池組，并由16組電池組構成電池板，其中解決了很多連接和散熱的問題。特斯拉電池技術成功解決了鈷酸鋰電池的安全性問題。特斯拉電池通過管理系統(tǒng)(BMS)對電池組進行安全監(jiān)控及有效管理，提高電池使用效率是其核心技術。

圖5 特斯拉電動車電池結構及BMS系統(tǒng)示意圖

5.2 帶儲能單元的電力推進系統(tǒng)類型

5.2.1 可岸電充能的混合電力推進系統(tǒng)

可由岸電充能的混合動力船舶電力推進系統(tǒng)如圖6所示，其動力源同時設置柴-電機組和動力電池組2種方式。柴油發(fā)電機組輸出電源接入交-直-交變頻器的交流輸入端；動力電池組通過雙向DC/DC變換器接入交-直-交變頻器的直流母線，再通過DC/AC逆變單元將直流逆變?yōu)榻涣麟姽┙o推進電機M，船舶非推進用電設備通過小型DC/AC逆變器接在動力電池組的輸出端。船舶靠岸期間由岸電給動力電池組充電；低速航行或停泊時使用動力電池組供電；正常航行時由柴-電機組供電并同時給動力電池組充電，也可使用柴-電機組與動力電池組一起供電。

圖6 可由岸電充能的混合動力船舶電力推進系統(tǒng)構架

5.2.2 純儲能單元電力推進系統(tǒng)

純儲能單元電力推進系統(tǒng)采用動力電池組作為船舶電力系統(tǒng)的供電單元，船舶靠岸期間由岸電給動力電池組充電，航行或停泊時可以使用動力電池組供電。

純電池供電推進方案由于徹底不需燃油而采用岸基充電的方式，無論是從節(jié)能減排、綠色環(huán)保的角度，還是從營運成本的角度看，都是非常值得發(fā)展應用的電力推進方式，但其續(xù)航能力受電池容量、大容量電池價格昂貴等的限制。

6 結語

(1)車客渡船電力推進系統(tǒng)的關鍵技術點是電站設計、諧波抑制、配電電壓、電能管理、儲能單元技術等，通過這些內(nèi)容的研究為系統(tǒng)成套和設備選型提供了依據(jù)。

(2)柴-電推進作為目前船舶上最常應用的電力推進方式，是長江車客渡船的推進升級方案中技術風險較小的首選方案。此方案優(yōu)點是在電力推進系統(tǒng)各種方案中初始投資較小，技術相對成熟，但是節(jié)能效益提升較低，并且發(fā)電機組并網(wǎng)延遲會影響到船舶的機動性。

(3)帶儲能單元的混合電力推進系統(tǒng)雖然通過電池組回收發(fā)電機組多余電能的方式進一步提高了節(jié)能效益，也彌補了電站功率與推進功率提升的時間差問題，并且進一步提高了電網(wǎng)供電的可靠性，但是系統(tǒng)更加復雜，投資更高。

(4)采用三元材料電池作為儲能單元，靠岸基充電樁補充電能的方式或將是未來車客渡船電力推進系統(tǒng)的發(fā)展方向，也是后期維護、耗能成本最低，最節(jié)能環(huán)保的推進方式。

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2016-04-22

于全虎(1974—)，男，高級工程師，從事船舶科研與設計工作。

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