劉雨聲, 鄂 飛, 馮 昊, 李 勇

(上海ABB工程有限公司船舶技術(shù)部，上海 201319)

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破冰船電力推進(jìn)系統(tǒng)儲(chǔ)能容量的優(yōu)化配置

劉雨聲, 鄂 飛, 馮 昊, 李 勇

(上海ABB工程有限公司船舶技術(shù)部，上海 201319)

儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅是當(dāng)前電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，還應(yīng)用到了船舶領(lǐng)域之中。將配置適當(dāng)?shù)膬?chǔ)能系統(tǒng)與船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)相結(jié)合，不僅可為船舶正常運(yùn)行帶來(lái)諸多方便，還可獲得較高的投資回報(bào)率。在破冰船處于破冰航行狀態(tài)的工況下，從系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和燃料節(jié)省兩方面分析，以投資回報(bào)年限為優(yōu)化目標(biāo)，仿真計(jì)算得到儲(chǔ)能系統(tǒng)的最優(yōu)配置。仿真結(jié)果表明,該配置下的儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅滿足功率需求，還能減少燃油成本、改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。

儲(chǔ)能系統(tǒng)；最優(yōu)配置；破冰船

0 引 言

隨著電力電子技術(shù)快速發(fā)展及能源危機(jī)日益加劇，船舶推進(jìn)技術(shù)發(fā)生了巨大變化。電力推進(jìn)技術(shù)依靠其在機(jī)動(dòng)性、可靠性、運(yùn)行效率、布置靈活性、經(jīng)濟(jì)性和易于維護(hù)等方面的巨大優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于工程船、油船和豪華游船等船舶，電力推進(jìn)替代傳統(tǒng)的柴油機(jī)推進(jìn)成為不可阻擋的趨勢(shì)[1-2]。

但是,由于海洋環(huán)境復(fù)雜多變及船舶自身作業(yè)的需要，船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的負(fù)載總是在不斷變化，尤其是在負(fù)載短時(shí)間內(nèi)發(fā)生急劇變化時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、停車(chē)均需一定時(shí)間，導(dǎo)致系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力變差，且頻繁的啟停操作使得發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)成本增加[3]。

將儲(chǔ)能系統(tǒng)引入到船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中可很好地解決上述問(wèn)題，也滿足綠色船舶的要求，減少氮氧化物及硫化物的排放。儲(chǔ)能系統(tǒng)具有削峰填谷的能力，即在系統(tǒng)輕載時(shí)，將多余的能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，防止其對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊；在系統(tǒng)重載時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)釋放儲(chǔ)存的能量來(lái)滿足負(fù)載的需求[4]。儲(chǔ)能系統(tǒng)具有快速響應(yīng)的能力，在負(fù)載頻繁變化時(shí)可吸收負(fù)載高頻波動(dòng)，使得電力推進(jìn)系統(tǒng)得到更廣泛的應(yīng)用。

近年來(lái)，電力推進(jìn)系統(tǒng)生產(chǎn)廠商(如ABB，Siemens)已聯(lián)合儲(chǔ)能系統(tǒng)生產(chǎn)廠商(如Corvus Energy，Saft)將儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用于船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中。船舶混合電力推進(jìn)系統(tǒng)將是船舶電力推進(jìn)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)之一[5]。

但是，引入儲(chǔ)能系統(tǒng)的混合電力推進(jìn)系統(tǒng)并不適用于所有類(lèi)型的船舶。對(duì)于大部分時(shí)間都是以恒定速度運(yùn)行的遠(yuǎn)洋船舶(如大型集裝箱船、大型散貨船等)，沒(méi)有必要替換其現(xiàn)有的柴油機(jī)械式推進(jìn)系統(tǒng);對(duì)于破冰船、港口拖船和渡輪等船舶,非常適合使用混合電力推進(jìn)系統(tǒng)來(lái)減少燃料消耗和改善動(dòng)態(tài)性能[5-6]。對(duì)于特定類(lèi)型船舶，計(jì)算得到最優(yōu)配置的儲(chǔ)能系統(tǒng)是提高投資回報(bào)率的關(guān)鍵。因此，以投資回報(bào)率為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)破冰船破冰工況進(jìn)行分析，建立數(shù)學(xué)模型,并基于MATLAB環(huán)境模擬計(jì)算得到儲(chǔ)能系統(tǒng)的最優(yōu)配置。

1 破冰船的推進(jìn)特性

1.1 混合電力推進(jìn)系統(tǒng)

對(duì)于破冰船和冰區(qū)航行船等類(lèi)型船舶，其負(fù)荷隨時(shí)可能發(fā)生急劇變化，因此其電力推進(jìn)系統(tǒng)必須具有非常好的動(dòng)態(tài)性能，以免部件過(guò)載而出現(xiàn)意外跳閘現(xiàn)象。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，絕大部分新建破冰船和冰區(qū)航行船都采用電力推進(jìn)系統(tǒng)。根據(jù)破冰能力的不同，這類(lèi)船舶的裝機(jī)推進(jìn)功率一般在5～55 MW[3]。

圖1 破冰船混合電力推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

破冰船電力推進(jìn)系統(tǒng)配備有3臺(tái)推進(jìn)電機(jī)(見(jiàn)圖1)，其中2臺(tái)是位于艉部的6.5 MW推進(jìn)器，另一臺(tái)是位于艏部的6 MW推進(jìn)器。該船安裝4臺(tái)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)以滿足負(fù)載的需要，其中2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)功率為4 450 kW，另2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)功率為6 680 kW。船舶電站產(chǎn)生的所有電力直接回饋到交流母線，然后再配送到船上的各個(gè)推進(jìn)負(fù)載中。儲(chǔ)能系統(tǒng)(鋰離子電池，超級(jí)電容)通過(guò)變頻器和變壓器連接到母線，可與母線之間進(jìn)行能量的傳遞。儲(chǔ)能系統(tǒng)連接到母線的方式因船舶的不同而有所變化[4]。

1.2 破冰船工況

圖2為破冰船在破冰工況下的實(shí)測(cè)負(fù)載功率曲線。從圖2中可看出，由于冰層厚度和硬度不同，負(fù)載存在巨大且快速的波動(dòng)。該破冰船總推進(jìn)功率為19 MW，負(fù)載功率在20%～80%總推進(jìn)功率范圍內(nèi)波動(dòng)，負(fù)載功率最大波動(dòng)可達(dá)到60 s內(nèi)變化60%。

在破冰船航行過(guò)程中，推進(jìn)控制方法為恒功率控制[7]。但有時(shí)冰層負(fù)荷太大，轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值時(shí)會(huì)使推進(jìn)器功率發(fā)生波動(dòng)，該功率的波動(dòng)會(huì)很快作用在發(fā)電機(jī)組上。在圖1所示的電力推進(jìn)系統(tǒng)中，若沒(méi)有儲(chǔ)能系統(tǒng)，則發(fā)動(dòng)機(jī)便不能高效運(yùn)行;在最壞的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性不能滿足負(fù)載的快速變化會(huì)導(dǎo)致船舶不能正常運(yùn)行。

2 系統(tǒng)建模

2.1 混合電力推進(jìn)系統(tǒng)建模

2.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)

發(fā)動(dòng)機(jī)模型是基于雙燃料發(fā)電柴油機(jī)建立的。雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)可運(yùn)行在燃?xì)饽Ｊ交蛉加湍Ｊ较?，其加載特性見(jiàn)圖3[8]。在燃?xì)饽Ｊ交蛉加湍Ｊ较?，加載曲線“預(yù)熱模式”均為發(fā)動(dòng)機(jī)的默認(rèn)加載曲線，“燃?xì)庾畲竽芰δＪ健睘榘l(fā)動(dòng)機(jī)在燃?xì)饽Ｊ较碌淖畲蠹虞d能力。該計(jì)算模型中，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在燃?xì)饽Ｊ较?，加載曲線為“燃?xì)庾畲竽芰δＪ健薄?/p>

2.1.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)

在各種儲(chǔ)能單元中，鋰離子電池和超級(jí)電容器應(yīng)用于船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中的前景最被看好，其共同特點(diǎn)是壽命長(zhǎng)、循環(huán)性能好、體積小且無(wú)污染。此外，鋰離子電池有很高的能量密度，可維持較長(zhǎng)時(shí)間的放電或充電狀態(tài)，有著良好的穩(wěn)態(tài)性能；超級(jí)電容器有較高的功率密度，可在單位時(shí)間內(nèi)輸出較高的功率，有著良好的動(dòng)態(tài)性能。將鋰電池與超級(jí)電容器結(jié)合起來(lái)，可使儲(chǔ)能單元系統(tǒng)同時(shí)具有良好的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性。

圖2 破冰船在破冰工況下的實(shí)測(cè)負(fù)載功率曲線

圖3 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)加載特性

該電池儲(chǔ)能系統(tǒng)由多個(gè)電池組構(gòu)成，各個(gè)電池組的充電速率為1 C，放點(diǎn)速率為2 C，額定容量為137 kW·h。電容儲(chǔ)能系統(tǒng)由多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)超級(jí)電容箱構(gòu)成，各個(gè)超級(jí)電容箱的額定功率為1 MW，額定容量為34 kW·h。

計(jì)算模型中，儲(chǔ)能系統(tǒng)模型采用通用的功率流模型。

(1)

(2)

(3)

(4)

2.1.3 功率能量管理系統(tǒng)

功率能量管理系統(tǒng)(Power Energy Management System,PEMS)的作用是確保船舶在實(shí)際運(yùn)行條件下具有充足的電力，通過(guò)對(duì)負(fù)荷、發(fā)電機(jī)組、儲(chǔ)能系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)達(dá)到該目的。PEMS的主要功能可歸類(lèi)為發(fā)電管理、負(fù)荷管理及配電管理。

在建立PEMS模型時(shí)，選取負(fù)載功率為變量，忽略功率損耗，發(fā)電機(jī)組、儲(chǔ)能系統(tǒng)及負(fù)載的功率矢量和為零。PEMS根據(jù)負(fù)載功率的變化進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，以投資回報(bào)年限為優(yōu)化結(jié)果，計(jì)算得到儲(chǔ)能系統(tǒng)的最優(yōu)配置。PEMS流程見(jiàn)圖4。

圖4 PEMS流程圖

2.2 建立目標(biāo)函數(shù)

將儲(chǔ)能系統(tǒng)加入到電力推進(jìn)系統(tǒng)中后，為達(dá)到節(jié)省燃料的目的，PEMS調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)組，使其運(yùn)行在最優(yōu)的運(yùn)行區(qū)域。當(dāng)負(fù)載過(guò)大時(shí)，儲(chǔ)能單元釋放能量，提供系統(tǒng)所需的額外能量；當(dāng)負(fù)載過(guò)小時(shí)，電站提供的能量一部分通過(guò)直流母線提供給負(fù)載電機(jī)，另一部分用來(lái)給儲(chǔ)能單元充電。這樣可使柴油發(fā)電機(jī)始終維持在最佳的工作狀態(tài)，提高能源利用率，節(jié)省成本。

圖5為雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗曲線(不考慮瞬態(tài)燃油消耗)及電力成本[9]。從圖5中可看出：當(dāng)負(fù)載>80%時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率最高;當(dāng)負(fù)載減小時(shí)，燃油消耗快速增加。

a) 油耗曲線

b) 電力成本

在加入儲(chǔ)能系統(tǒng)之前，船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在燃油模式下，其輸出功率嚴(yán)格跟隨破冰船負(fù)載工況，則得到發(fā)動(dòng)機(jī)1個(gè)工況周期內(nèi)的燃油消耗為

(5)

(6)

式(5)和式(6)中:CFCO為沒(méi)有儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)1個(gè)工況周期(1 500 s)內(nèi)的燃油成本；CFC1s為每秒燃油成本；COP1s為每秒輸出功率；CUP為燃油單價(jià)。

在加入儲(chǔ)能系統(tǒng)之后，船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在燃?xì)饽Ｊ较?，其輸出功率不再跟隨破冰船負(fù)載工況，而是維持為一定范圍內(nèi)的1個(gè)恒定值。該恒定值的設(shè)定也會(huì)影響到儲(chǔ)能系統(tǒng)配置和投資回報(bào)。在模擬計(jì)算時(shí)，PEMS會(huì)根據(jù)最優(yōu)的投資回報(bào)計(jì)算出該恒定值。

得到發(fā)動(dòng)機(jī)在一個(gè)工況周期內(nèi)的燃料節(jié)省成本為

(7)

式(7)中:CFCW為加入儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)1個(gè)工況周期(1 500 s)內(nèi)的燃油成本；CFS為1個(gè)工況周期內(nèi)節(jié)省的燃油成本。

在滿足功率能量需求的前提下，儲(chǔ)能系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)配置時(shí)，投資回報(bào)年限會(huì)達(dá)到最小值。

(8)

式(8)中:tPY為投資回報(bào)年限；CB為電池儲(chǔ)能系統(tǒng)投資成本；CC為超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)投資成本；nCN為一年內(nèi)負(fù)載工況周期數(shù)。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)最優(yōu)配置計(jì)算結(jié)果

圖6為設(shè)定不同的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率恒定值時(shí)的投資回報(bào)年限。從圖6中可看出，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率維持在額定功率70%～80%內(nèi)，可得到最小的投資回報(bào)年限。此時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的配置為：電池儲(chǔ)能系統(tǒng)容量822 kW·h；超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)容量68 kW·h。

圖6 投資回報(bào)年限結(jié)果

3.2 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性

引入儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅可節(jié)省燃料，還可改善船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，尤其對(duì)于破冰船船型而言，加入上述計(jì)算得到的儲(chǔ)能系統(tǒng)配置后，仿真后系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性得到較大改善(見(jiàn)圖7)。

圖7 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性曲線

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)工作在燃?xì)饽Ｊ綍r(shí)，雖然加載特性比工作在燃油模式時(shí)差，但是液化天然氣的價(jià)格遠(yuǎn)低于船用柴油。此外,從圖7中可知，加入儲(chǔ)能系統(tǒng)后，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性也得到改善。發(fā)動(dòng)機(jī)不需要嚴(yán)格跟隨負(fù)載的功率變化，尤其是發(fā)生急劇變化時(shí)(圖7 180 s處，840 s處)，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出更加平穩(wěn)，使得維護(hù)成本隨之降低。

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)破冰船的工況進(jìn)行分析，建立電力推進(jìn)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型;以投資回報(bào)年限為優(yōu)化目標(biāo)，模擬計(jì)算得到最優(yōu)的儲(chǔ)能容量配置。計(jì)算結(jié)果表明:該儲(chǔ)能系統(tǒng)的配置在滿足功率需求的同時(shí)，還可減少燃油成本和改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。當(dāng)然,實(shí)際將儲(chǔ)能系統(tǒng)加入到船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中時(shí)，除了要滿足功率需求外，還要考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)自身的因素，如充電狀態(tài)、放電深度、充放電速率及壽命等。

[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

劉雨聲(1988—)，男，河北廊坊人,工程師,從事船舶儲(chǔ)能和船舶直流電網(wǎng)研究。

1674-5949(2016)03-0047-05

U664.3;U674.21

A