船舶混合動力系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用研究

李忠杰

（海軍裝備部裝備項目管理中心，北京 100071）

隨著我國環(huán)境保護措施的不斷完善，各行各業(yè)對環(huán)保的重視和關(guān)注度不斷提高，船舶排放控制區(qū)域正逐步擴大，在一定程度上影響了柴油機等降低傳統(tǒng)船舶使用的環(huán)境污染程度，高耗能設(shè)備的應(yīng)用。船舶混合動力系統(tǒng)能夠借助新型船用清潔燃料，減少船舶動力能耗與污染，既能滿足長期航行和作業(yè)的續(xù)航力需求，又能實現(xiàn)污染零排放，從而促進船舶運輸產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)健、綠色發(fā)展。

1 船舶混合動力系統(tǒng)發(fā)展概況

通過對船舶混合動力系統(tǒng)發(fā)展過程的研究分析可知，最初始的船舶混動系統(tǒng)主要采用柴電混合系統(tǒng)，是20世紀(jì)70年代初期在發(fā)電機機組基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，其基本原理架構(gòu)圖,如圖1所示。當(dāng)該類船舶混合動力系統(tǒng)的實際負(fù)載參數(shù)值較小時，為了維持柴油機的最優(yōu)工作狀態(tài)，往往會使用混合系統(tǒng)的閉合軸帶動電機和齒輪之間的轉(zhuǎn)動離合器，促使柴油機發(fā)出多余的能量，借助其軸帶發(fā)動機轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為電能輸出至交流電系統(tǒng)中，使其供其他負(fù)荷運行使用。

圖1 初始船舶混動系統(tǒng)原理架構(gòu)圖

當(dāng)在某些工況條件下需要使用電力進行復(fù)合推進時，需要借助閉合輔助電機和軸帶電機之間的離合器，借助變頻設(shè)備的電力推進輔助電機快速加速至額定轉(zhuǎn)速參數(shù)，帶動軸帶電動機快速達到額定參數(shù)值，以此并入用電網(wǎng)模式，完成整個啟動過程。在借助交流電網(wǎng)完成取電目的后，軸帶電機快速運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)電機電動功能的變化。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，大功率全控技術(shù)以及模塊結(jié)構(gòu)的設(shè)置，加之?dāng)?shù)據(jù)信息處理器技術(shù)和脈沖調(diào)制技術(shù)等廣泛應(yīng)用，促使船舶混合動力系統(tǒng)得以快速發(fā)展，就以目前廣泛應(yīng)用的基于變頻軸帶的混合動力系統(tǒng)為例，整個系統(tǒng)中的軸帶電機不再被限制為相對恒速狀態(tài)，可以使變頻器調(diào)節(jié)得到恒頻和恒壓的交流電，轉(zhuǎn)化為變頻和變壓的參數(shù)信號，用以調(diào)節(jié)軸帶電動機快速啟動，帶電動機能夠在變速條件下快速運轉(zhuǎn)。

2 動力方案設(shè)計

由于運輸航船的實際工況條件復(fù)雜多變，且在不同作業(yè)工況條件下動力輸出參數(shù)值通常較大，為了兼顧航船在使用過程中的所有工況特征，需要船舶動力系統(tǒng)更具靈活多樣性。因此，為了保證混合動力系統(tǒng)的靈敏性，需要使用柴電混合推進系統(tǒng)，整個動力裝配,如圖2所示，系統(tǒng)包括柴油機主機、輸入輸入和單輸出的齒輪箱及軸帶異步電機、柴油發(fā)電機組等設(shè)備。在運行過程中，工況設(shè)計主要應(yīng)考慮船舶在常規(guī)航行條件下的工況、漁船捕撈使用工況和沿海專項工程工況等。

圖2 動力裝配圖

以常規(guī)航行條件下的工況為例，在船只常規(guī)航行過程中，船舶動力系統(tǒng)的工作原理,如圖3所示，由圖可知，主電機在正常運轉(zhuǎn)條件下能夠為船舶系統(tǒng)的螺旋槳提供相應(yīng)動能，從而帶動發(fā)電機作為其主供電系統(tǒng)，為整個船只提供航行所需要的復(fù)合用電，整個用電設(shè)備包括風(fēng)機、信號燈以及船員生活用電等，該條件下，船舶的電動液壓泵并不處于工作狀態(tài)，而僅僅為備用電源，為發(fā)電機提供充足的能量。

圖3 常規(guī)航行工況下動力系統(tǒng)工作原理圖

在船舶專項作業(yè)工況條件下，由于作業(yè)條件受特殊地理環(huán)境影響，船舶的動力系統(tǒng),如圖4所示。以漁船為例，當(dāng)采用托網(wǎng)方式處理海產(chǎn)品時，需要保證產(chǎn)區(qū)內(nèi)所有工作人員的生產(chǎn)安全，也需要對產(chǎn)區(qū)內(nèi)的噪音進行一定限制，因此，在專項工作時，往往采用鋰電池為船只提供動力，機組主設(shè)備并不工作而僅僅作為應(yīng)急動力電源備用。在專項作業(yè)過程中，鋰電池組無須為船舶提供動力，而是在沿海地區(qū)捕撈海產(chǎn)品的過程中，由于船只的航行速度降低，所需動力從而降低，鋰電池的功率重新調(diào)整，其會為軸帶發(fā)電機的螺旋槳提供動力，會為船舶運行過程中的鋼腳電動液壓機提供電能。

圖4 專項作業(yè)工況下動力系統(tǒng)工作原理圖

3 典型架構(gòu)與運行模式

近年來,隨著儲能系統(tǒng)技術(shù)的飛速發(fā)展，基于儲能系統(tǒng)的船舶混合動力結(jié)構(gòu)得以應(yīng)用，其架構(gòu)示意圖，如圖5所示，包括柴油發(fā)電機、配電柜、主機結(jié)構(gòu)、發(fā)電機及齒輪箱控制系統(tǒng)、儲能結(jié)構(gòu)等。其中，混合動力系統(tǒng)的軸變頻器和儲能系統(tǒng)與常規(guī)船舶的動力結(jié)構(gòu)相比，具有一定的特殊性，其可以為船只提供更好的能量保障。儲能系統(tǒng)由電池和超級電容器結(jié)構(gòu)組成，通過雙向的DC設(shè)備連接到船舶的電網(wǎng)體系中，從而具備智能放電和智能充電的功能，且能夠快速響應(yīng)船舶的電能變化需求。電能管理模塊是在綜合考慮不同子模塊特征下，滿足國家現(xiàn)行法律法規(guī)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求的應(yīng)用模式。在加入儲能系統(tǒng)后，混合動力船舶能夠在不同的工作模式中，通過對電能管理信息系統(tǒng)的智能化控制，實現(xiàn)電能管理過程和船只變化的高效率匹配，利用儲能系統(tǒng)快速調(diào)整突發(fā)參數(shù)變量，以保證船舶在后續(xù)負(fù)荷較多時為主機和柴發(fā)機組的平穩(wěn)運行節(jié)省能量，從而有效降低船舶運行成本。

圖5 基于儲能系統(tǒng)的船舶混合動力架構(gòu)示意如圖

4 多能源系統(tǒng)的能量管理策略

在船舶混合動力系統(tǒng)應(yīng)用的過程中，多能源系統(tǒng)的能量管理主要包括基于規(guī)則的能量管理策略和基于優(yōu)化的能量管理策略。一般來說，基于規(guī)則的能量管理策略，在混合動力船舶中的應(yīng)用更加普遍，常見的能量管理模式包括恒溫器管理模式和功率跟隨管理模式。恒溫器管理模式，主要是通過對管理閾值的設(shè)置，以蓄電池的狀態(tài)結(jié)構(gòu)作為其能量管理的依據(jù)，當(dāng)蓄電池的能量充足時，超過蓄電池閾值最高點，則關(guān)閉發(fā)電機，依靠蓄電池的電能推動船舶繼續(xù)前行；當(dāng)蓄電池的能量不足，也就是低于蓄電池的閾值低點時，則啟動發(fā)電機，控制發(fā)電機的工作狀態(tài)，對輸入和輸出恒定功率進行合理調(diào)整，并借助剩余的功率為儲蓄電池充電。功率跟隨能量管理策略是在設(shè)置蓄電池閾值時，調(diào)整主機輸出功率上限值和下限值，借助恒溫器的能量管理策略，限定主機的實際輸出功率，允許主機在輸出功率后，使燃油經(jīng)濟性在較高的范圍內(nèi)波動。當(dāng)蓄電池的能量值高于閾值最高點時，則允許主機調(diào)整相應(yīng)的輸出功率，將輸出功率調(diào)整為較小值，而不是直接關(guān)閉主機，以此減少主機在運行過程中的開啟和關(guān)閉次數(shù)，從而提高能量的利用率。

5 結(jié)語

本文在研究船舶混合動力系統(tǒng)發(fā)展概況的基礎(chǔ)上，深入分析了船舶動力方案設(shè)計和典型架構(gòu)、運行模式等，最后針對性地提出了船舶混動系統(tǒng)這一多能源系統(tǒng)的能量管理策略，認(rèn)為能夠從基于規(guī)則的能量管理和基于優(yōu)化的能量管理策略出發(fā)，對船舶混合動力系統(tǒng)的用能過程進行優(yōu)化，以更好地促進我國船舶運輸產(chǎn)業(yè)的高效率、綠色可持續(xù)發(fā)展。