楊璟，陸鵬飛，賴昌偉

（上海船舶研究設計院，上海 201203）

0 前 言

3 600 車雙燃料混合動力汽車運輸船是當前全球首艘LNG 雙燃料及電池混合動力的汽車運輸船，配有先進的船舶綜合管控系統(tǒng)， 其首制船AUTO ADVANCE 已于2021 年11 月順利交付運營， 各項指標均滿足要求。

該船運用了多種先進的綠色環(huán)保技術， 入級DNV船級社， 滿足無限航區(qū)要求， 總布置圖如圖1所示，主尺度和主要參數(shù)如下：

圖1 3 600 車汽車運輸船總圖

船 級 符 號：+1A，Car Carrier，MCDK，BIS，E0，TMON（Oil Lubricated），LCS，NAUT（NAV），Gas Fuelled，BWM-T，BWM-E（f），DG-（P），Recyclable，Battery（Safety）

電站設備除發(fā)電機外， 還配置1 套動力電池組，滿足船級社Battery（Safety）、無人機艙E0、一人橋樓NAUT（NAV）等附加標志的相關要求，電氣系統(tǒng)設計具有一定的難度。

1 電力系統(tǒng)

1.1 電站配置

常規(guī)汽車運輸船電站配置一般為3 臺主柴油發(fā)電機。 航行工況開1 臺發(fā)電機，進出港工況由于要使用首側推，3 臺發(fā)電機需要全部運行，此時電站無備用發(fā)電機。 若要保證電站在任何工況下留有1臺備機，則電站總裝機容量將增加約40%，經(jīng)濟性不高。綜合考慮電站運行的安全性和經(jīng)濟性，采用1套軸帶發(fā)電機和動力電池的配置方案替代1 臺主發(fā)電機，電站具體配置如下：

1）2 臺LNG 雙燃料主發(fā)電機，單機額定功率為1 065 kW；

2）1 臺永磁軸帶發(fā)電機，額定功率為1 000 kW；

3）1 組動力鋰電池，容量為510 kWh；

4）1 臺應急柴油發(fā)電機組，額定功率為150 kW。

電力負荷計算及電站使用工況如表1 所示，主發(fā)電機、軸帶發(fā)電機及動力電池均可以長期并網(wǎng)運行。 在航行工況下，動力電池不作為主電源使用，但掛在電網(wǎng)上可以起到削峰填谷、斷電恢復及峰值調(diào)節(jié)（Peak shaving）等功能。 在進出港工況下，動力電池組以1C 放電倍率進行放電，輸出功率為500 kW，減少發(fā)電機500 kW 的裝機容量； 在緊急情況下，動力電池組能夠以3C 放電倍率放電，輸出功率達到1 500 kW，可以起到備用電源的功能。 該電站配置不僅考慮了汽車運輸船的各種工況，還對動力電池的應用及配置進行了優(yōu)化，兼顧了船舶各工況下電源配置的靈活性、安全性及經(jīng)濟性。

表1 電力負荷計算表

1.2 配電系統(tǒng)設計

主配電板、 變頻柜、 應急配電板單線圖如圖2所示。 主配電板分左右2 段匯流排，包括發(fā)電機屏、AC 440 V 負載屏、組合起動屏、同步屏及變頻柜接入屏。 由于集控室空間有限，對于主配電板長度有一定的限制，因此單獨設置了主配電板AC 220 V 負載屏。

對配電系統(tǒng)進行設計優(yōu)化，沒有按常規(guī)設計對軸發(fā)、首側推設獨立的變頻器，對動力電池設獨立的變流模塊，而是設置1 套集成式變頻柜，將上述設備通過各變流模塊 （見圖2 中的AM1～AM5），連接到該變頻柜的直流母線上，減少了變流模塊的總數(shù)，節(jié)省了變頻器的布置空間，在降低制造成本的同時，還能夠減少電網(wǎng)的諧波源，降低電能損耗。

圖2 3 600 車汽車運輸船電力系統(tǒng)單線圖

變流模塊中的電力電子器件采用有源前端（AFE）技術，可以實現(xiàn)雙向供電功能。 變流模塊AM1及AM2 用于連接變頻柜及主配電板， 每個模塊按50%的容量進行設計，即使某一模塊出現(xiàn)故障，仍能保證50%的供電容量，提高了冗余性。 在航行工況軸發(fā)運行時， 變流模塊AM1 及AM2 工作在逆變模式，用于變頻柜向主配電板上負載供電；主發(fā)運行時，AM1 及AM2 工作在整流模式，用于主配電板向動力電池充電。 AM3 用于軸帶發(fā)電機，始終工作在整流模式。AM4 用于首側推，始終工作在逆變模式。

AM5 為DC/DC 雙向變流模塊， 用于控制動力電池的充放電。 通過上述變流模塊的設計，實現(xiàn)船舶電站在各工況下電源的靈活使用。

1.3 動力電池應用

設有1 套動力電池組，除了在進出港工況下可以為首側推供電外，在航行工況下可以用作輔助電源。 基于船舶電網(wǎng)的工作運行特點，對動力電池的應用策略做了一系列優(yōu)化，充分發(fā)揮動力電池的特性，提高電網(wǎng)經(jīng)濟性、安全性及可靠性，符合當今綠色環(huán)保的設計理念。

1.3.1 削峰填谷

船舶電網(wǎng)用電負荷通常分為連續(xù)性負荷及間歇性負荷，工程設計中電站負荷計算對于間歇性負荷會考慮同時使用系數(shù)。 但在實際使用過程中，大功率間歇性負荷如空壓機、空調(diào)壓縮機、艙底壓載泵等存在同時使用的可能性，此峰值工況電站總功率較大， 甚至可能超過當前在網(wǎng)發(fā)電機的總功率，此時電站管理單元將自動啟動備用發(fā)電機來共同承擔電站負荷。

動力電池作為電網(wǎng)的輔助電源：當負荷出現(xiàn)波動功率較大時，可以由發(fā)電機及動力電池并網(wǎng)運行來承擔短時的峰值工況負載功率，避免了備用發(fā)電機的頻繁起停；當電站在網(wǎng)負荷功率較小時，可以對動力電池進行充電，使發(fā)電機始終在效率最高點運行，提高電網(wǎng)的經(jīng)濟性。

1.3.2 斷電恢復

根據(jù)規(guī)范要求， 當船舶主電網(wǎng)斷電（Blackout）時，應在45 s 內(nèi)啟動備用發(fā)電機，恢復主電網(wǎng)供電。動力電池組可以通過3C 放電，最大輸出功率達到1 500 kW。當在網(wǎng)發(fā)電機出現(xiàn)故障時，動力電池可作為備用電源自動給船舶重要負載供電，同時電站管理單元將發(fā)出啟動備用發(fā)電機的命令。 由于動力電池響應時間低于發(fā)電機的啟動時間，電網(wǎng)的斷電時間將大大減短，提高船舶電網(wǎng)的供電連續(xù)性及安全性。

1.3.3 輔機峰值調(diào)節(jié)（Peak Shaving）

交流電網(wǎng)中的瞬態(tài)負荷 （如電動機啟動等）會對電網(wǎng)帶來一定的沖擊。 該船動力電池設有輔機峰值調(diào)節(jié)功能，其基本原理是動力電池通過變頻器向電網(wǎng)輸出或吸收有功電流來補償負載突變對電網(wǎng)頻率的影響。 當電網(wǎng)受到瞬態(tài)負荷的沖擊時，動力電池及電子電子器件比發(fā)電機的響應速度更快，可以有效減小發(fā)電機負荷的波動范圍，見圖3。該功能不僅可以起到降低發(fā)電機油耗的作用，還提高了電能質量，確保供電的可靠性。

圖3 輔機Peak Shaving 效果曲線

1.3.4 主機峰值調(diào)節(jié)（Peak Shaving）

船舶在航行工況下，若受到外部環(huán)境（例如大風、海浪等）的影響，會引起螺旋槳推進功率的變化。 當需要螺旋槳輸出更大的功率時，可以增加動力電池的輸出功率為船舶電網(wǎng)負載供電，減少軸帶發(fā)電機的實際功率，維持主機輸出功率不變，以提供更多的推進功率至螺旋槳。 這種方式可以有效地減少主機頻繁調(diào)節(jié)轉速，降低主機油耗，提高船舶航行的經(jīng)濟性。

1.4 動力電池布置

動力電池組選用的是三元鋰電池 （NCM Lithium-ion battery），動力電池組分為6 組，每組15 個模塊，總長度約5 200 mm，高度為1 800 mm，在船上設有獨立的動力電池間， 如圖4 所示， 滿足DNV 的Battery（Safety）符號要求。

圖4 動力電池間電氣設備布置圖

由于該電池組的工作環(huán)境溫度不得超過20 ℃，動力電池間除了機械通風外， 還設有1 組空調(diào)，電池組上方設有空調(diào)送風風道，保證冷風均勻地到達各組電池，提高冷卻效果。 在電池間設有溫度傳感器，當溫度高于設定值時發(fā)出報警信號，提醒船員注意并采取措施。

動力電池組自身帶有封閉的外殼，內(nèi)部設有獨立的排氣系統(tǒng)。 電池內(nèi)部任何有毒、可燃、爆炸性氣體都可以通過該系統(tǒng)排至露天區(qū)域，保證不會進入動力電池間，確保該房間內(nèi)部屬于安全區(qū)域。

動力電池間與機艙之間采用A60 絕緣，內(nèi)設有感煙火災探測器。 電池組上方設有水基滅火裝置，可以手動釋放，也可以通過感煙、感焰探測器的失火信號自動釋放，進一步提高消防系統(tǒng)的安全性。

2 船舶綜合管控系統(tǒng)

設有1 套船舶自動化綜合管控系統(tǒng)，共7 個信號采集站，布置于機艙、集控室、駕駛室及風機控制室，系統(tǒng)總容量約4 800 個信號點。 在集控室、駕駛室均設有計算機工作站， 分別位于集控臺及駕控臺。該系統(tǒng)具有監(jiān)測報警、電站管理、遠程監(jiān)控等功能。

2.1 船舶信息監(jiān)測

除了常規(guī)的監(jiān)測報警系統(tǒng)需要采集的監(jiān)測點之外，該系統(tǒng)還包含了對船舶航行安全、船上設備參數(shù)的監(jiān)測功能。

船舶航行安全信息可以在駕駛室控制臺上計算機工作站顯示，主要供駕駛室內(nèi)駕駛員及時掌握船舶航行情況，包括船位、航向、航速、水深、風向、風力、船舶狀態(tài)（包括傾斜角度及吃水值等），便于船員根據(jù)上述參數(shù)對船舶航行及時做出調(diào)整，保證航行安全性。

船上設備參數(shù)主要包括主機、輔機、鍋爐的燃料消耗參數(shù)、推進軸功率、重要設備的功率、壓力及溫度等參數(shù)。 上述信息可以同時在集控臺及駕控臺工作站查看。 集控臺工作站主要供輪機員使用，可以根據(jù)監(jiān)測信息及時掌握設備運行狀況，為設備的使用、維護保養(yǎng)提供數(shù)據(jù)基礎。 駕控臺工作站可以給駕駛船員提供船舶的主機狀態(tài)及燃料消耗數(shù)據(jù)，為船員航速、航程的選擇及航行規(guī)劃提供輔助決策依據(jù)。

2.2 電站管理系統(tǒng)

常規(guī)船的電站管理系統(tǒng)一般位于主配電板內(nèi)部，相對比較獨立。 但本船由于動力源的選擇較多，包括軸發(fā)、 電池的混動系統(tǒng)以及雙燃料發(fā)電機，需要考慮的監(jiān)測、控制以及安全因素較多，同時動力電池的應用還牽涉到推進系統(tǒng)，因此將電站管理系統(tǒng)集成于船舶綜合管控系統(tǒng)內(nèi)。

在主配電板內(nèi)部設有信號采集站，將信號采集至系統(tǒng)內(nèi)并將控制指令反饋到主配電板內(nèi)部的執(zhí)行機構。 在主配電板同步屏設有液晶控制面板，該面板以及集控臺工作站均提供直觀、便捷的人機操作界面，用于實時監(jiān)測船舶電站的狀態(tài)，見圖5。

圖5 3 600 車電站管理系統(tǒng)人機界面

該界面可以一覽電站的整體運行狀態(tài)，直觀地讀出軸發(fā)、主發(fā)的功率等參數(shù)，也可以清楚地讀出電池的剩余電量。 對于電站上重要用電負載，按功能類別設置了功率互感器，可以分別顯示例如冷卻系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)等用電負荷的實時功率，便于統(tǒng)一管理。

電站管理系統(tǒng)不僅包括常規(guī)的自動電站功能，例如發(fā)電機的自動控制、同步及并車、非重要負載優(yōu)先脫扣、重載問詢及斷電后重要負載順序啟動等，還結合本船的特點設置了一些特殊功能。 對于航行、進出港、裝卸貨、停泊等工況，均設置了一鍵切換功能，按鍵后可自動轉換至預先程序設定好的電源類型運行模式，便于船員進行轉換操作。 車輛艙風機數(shù)量較多，若同時啟動對電網(wǎng)沖擊較大，因此風機采用延時逐個啟動方式，還設置了重載問詢功能。

2.3 設備綜合控制系統(tǒng)

所有風機、油泵、水泵均可以在位于集控室及駕駛室的綜合管控系統(tǒng)工作站進行遠程監(jiān)測及控制，實現(xiàn)統(tǒng)一管理。

機艙通風系統(tǒng)、海水冷卻系統(tǒng)采用變頻控制方案。 對機艙溫度、風壓，冷卻海水的溫度、壓力進行實時監(jiān)控，通過變頻技術進行調(diào)節(jié)及控制，起到節(jié)能效果。

車輛艙風機在航行工況下每小時換氣10 次，在裝卸貨工況下每小時換氣20 次， 不同工況運行的車輛艙風機數(shù)量不同，因此控制系統(tǒng)設置了不同工況一鍵切換功能，便于船員進行操作。

2.4 LNG 安全及監(jiān)控

主機、輔機、鍋爐均支持LNG 及柴油雙燃料模式。綜合管控系統(tǒng)不僅可以對LNG 供氣系統(tǒng)的運行參數(shù)進行實時監(jiān)控，還能夠對船上LNG 相關環(huán)境狀態(tài)進行監(jiān)測，如通風狀態(tài)、可燃氣體探測、火災探測、氣鎖區(qū)狀態(tài)等。 一旦出現(xiàn)緊急狀況，可能危害到船舶航行安全的情況，及時地切斷供氣系統(tǒng)并轉換至燃油模式，實現(xiàn)供氣系統(tǒng)的安全連鎖，提高船舶航行的安全性。

3 橋樓設計

按照DNV 船級社一人橋樓符號NAUT（NAV）附加符號設計并入級， 同時滿足LR 船級社附加橋樓符號NAV1 的要求。 為了提高系統(tǒng)可靠性及船員駕駛操作的便捷性，不僅配備滿足SOLAS 要求的常規(guī)導航設備，還額外配置了部分導航設備。

駕控臺上除了雷達、電子海圖的4 臺顯示器外，在駕控臺中部還設置了CONNING 多功能顯示器。設置2 套電羅經(jīng)，自動舵帶有軌跡控制TCS 功能，計程儀配置了多普勒及衛(wèi)星2 種形式，S 波段雷達采用固態(tài)雷達。 該船的導航設備配置處于技術領先水平。

駕控臺的功能分為3 個區(qū)域：右側為航行操作區(qū)，左側為監(jiān)測區(qū)，中間為操舵區(qū)。 根據(jù)規(guī)范，當駕駛員位于上述區(qū)域時，不僅能觀測到相應的航行設備信息，對于需要駕駛員進行操作的航行設備應處于伸手可及的范圍。 船級社對此范圍作了詳細的定義，對航行操作區(qū)及監(jiān)測區(qū)，該范圍還分為站立狀態(tài)及坐姿狀態(tài)兩種情況，如圖6 所示。

圖6 駕控臺面板設備布置圖

對駕控臺上設備面板布置做了相應的優(yōu)化設計，將橋樓值班報警按鈕、甚高頻通信電話、霧笛模式燈控制及雨刮器控制均布置在駕控臺中間各區(qū)域交界處。 為了在航行操作區(qū)也能夠操作舵機和首側推，將舵機控制板、主機控制板及首側推控制板布置在靠近航行操作區(qū)和操舵區(qū)的交界處，便于船員操作。

為了滿足船東操船習慣， 橋翼控制臺面向船中方向，如圖7 所示，控制臺上設有主機轉速表、舵角指示器等多功能分顯示器，可以顯示各類航行信息。

圖7 橋翼控制臺外形圖

4 結 語

3 600 車汽車運輸船采用混合動力（Hybrid）系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含雙燃料主發(fā)電機、軸帶發(fā)電機及動力電池，對于全船配電及控制系統(tǒng)的設計帶來一定挑戰(zhàn)。 依托先進的電池控制策略及綜合管控系統(tǒng)，同時利用直流母線技術，完成了包含動力電池變流模塊的配電系統(tǒng)設計，實現(xiàn)了混動系統(tǒng)在汽車運輸船上的應用。