張澤宇，王幫奇

移動(dòng)式船用一體化離網(wǎng)儲(chǔ)能電源的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

張澤宇，王幫奇

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

本文設(shè)計(jì)了一種移動(dòng)式船用一體化離網(wǎng)儲(chǔ)能電源（船電寶），船電寶主要用于為船舶提供供電服務(wù)，既可為船舶日用負(fù)荷供電，也可很方便地在充電站補(bǔ)充電能或者采用船上的發(fā)電機(jī)組充電，船電寶具有集成度高、智能化、雙向供電充電等特點(diǎn)。本文介紹船電寶的組成以及各模塊的設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)。該設(shè)備的成功研制及其在某內(nèi)河船上船測(cè)試表明，該設(shè)備對(duì)于長(zhǎng)江等內(nèi)河經(jīng)濟(jì)帶的環(huán)境保護(hù)具有積極的作用。

船舶逆變電源鋰電池

0 引言

隨著內(nèi)河、湖泊、港口等領(lǐng)域排放要求的不斷提升，部分內(nèi)河湖泊生態(tài)保護(hù)區(qū)、內(nèi)河港口、航運(yùn)閘口的通過(guò)地，對(duì)排放也有了更高的要求。為滿足該要求，船舶會(huì)采用混合動(dòng)力系統(tǒng)。但部分已經(jīng)運(yùn)營(yíng)的船舶，改換裝經(jīng)濟(jì)性較低且由于船舶結(jié)構(gòu)等問(wèn)題，無(wú)法進(jìn)行改換裝，因此，采用移動(dòng)式船用一體化離網(wǎng)儲(chǔ)能電源（俗稱船電寶）為停靠在江心錨地船舶提供供電服務(wù)。船電寶通過(guò)逆變器將其儲(chǔ)能系統(tǒng)電能轉(zhuǎn)換為3AC380V電力。系統(tǒng)采用一體化設(shè)計(jì)，既能實(shí)現(xiàn)電源即插即充，又能實(shí)現(xiàn)負(fù)載即插即用。船電寶在充電站設(shè)置有專用充電裝置，充滿電后集中放置，再運(yùn)送上船。

1 船電寶的設(shè)計(jì)

船電寶主要由儲(chǔ)能系統(tǒng)、雙向變流器、控制系統(tǒng)組成。

一方面船電寶具有充電功能，船電寶可使用3AC380V（岸電或發(fā)電機(jī)組）充電，當(dāng)充電時(shí)，船電寶應(yīng)能具有電系統(tǒng)、變流器的保護(hù)功能。

另一方面，船電寶具有供電功能，其可為3AC380V船用日用負(fù)載供電，最大輸出能力50 kW，具備過(guò)載、短路、過(guò)溫、自檢等保護(hù)功能。船電寶的輸出電壓幅值、頻率、諧波必須滿足相應(yīng)要求，根據(jù)CCS規(guī)范對(duì)船舶電氣設(shè)備工作條件的要求，供電的輸出電壓總諧波畸變率（THDv）應(yīng)當(dāng)小于5%，供電的輸出電壓和頻率波動(dòng)滿足下表要求：

表1 供電的輸出電壓和頻率要求

同時(shí)，船電寶的控制系統(tǒng)對(duì)電池系統(tǒng)、變流器進(jìn)行控制，并具有以下功能：

1）人機(jī)監(jiān)測(cè)功能，可以在人機(jī)界面上動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鋰電池、逆變器的運(yùn)行狀態(tài)等，同時(shí)可以在線修改充電設(shè)置；

2）報(bào)警功能：對(duì)鋰電池、逆變器進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)故障報(bào)警監(jiān)測(cè)，并對(duì)故障進(jìn)行相應(yīng)的處理；

3）頁(yè)面顯示：含參數(shù)頁(yè)、報(bào)警頁(yè)，彈出當(dāng)前的報(bào)警信息小窗口。

船電寶主要由儲(chǔ)能系統(tǒng)、雙向變流器、控制系統(tǒng)組成，下面對(duì)其主要組成部分進(jìn)行介紹。

1.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)

儲(chǔ)能系統(tǒng)主要包括電池和控制系統(tǒng)，根據(jù)目前技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，船用電池主要有鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池四種類型[1]，各種電池的特點(diǎn)如下：

1）鉛酸電池：低溫性能差，現(xiàn)有的生產(chǎn)維護(hù)設(shè)備完善，回收利用率高；

2）鎳鎘電池：生產(chǎn)維護(hù)設(shè)備完善，高溫性能差，回收困難且費(fèi)用高，重金屬有害；

3）鎳氫電池：高溫時(shí)電壓特性軟，自放電率高，需要散熱系統(tǒng)，制造成本高[2]；

4）鋰離子電池：高溫時(shí)周期壽命下降，嚴(yán)格禁止過(guò)充過(guò)放，安全性要求很高。

實(shí)際應(yīng)用中，鉛酸蓄電池和鋰離子電池使用最為廣泛，鉛酸蓄電池的比能量較低，使用壽命較短，在船舶領(lǐng)域正在逐步被鋰離子電池所取代。

目前船用鋰離子電池主要為磷酸鐵鋰電池，電池系統(tǒng)在大容量電池組在船舶上的應(yīng)用，應(yīng)該以提高安全性為主，不必過(guò)多追求高能量密度。該動(dòng)力電池主要包含鋰電池和電池管理系統(tǒng)（BMS），電池系統(tǒng)采用單體90 Ah的電芯，由3個(gè)電池箱和1個(gè)高壓箱組成，具體參數(shù)如下：

電池箱由60個(gè)磷酸鐵鋰90 Ah的電芯串聯(lián)而成，額定電壓192 V，額定能量20 kWh，電池箱內(nèi)部設(shè)計(jì)有滅火防護(hù)模塊，如果電池發(fā)生熱失控的情況下可以起到阻燃的作用。

圖1 電池包外形圖

電池系統(tǒng)包含一套電池管理系統(tǒng)，電池管理系統(tǒng)采用分層級(jí)構(gòu)架，BMS可實(shí)現(xiàn)以下功能：具備系統(tǒng)上電自檢功能，充電、放電、溫度、電流等多重保護(hù)功能，管理整個(gè)充放電過(guò)程功能，電池組總電壓、總電流、溫度、單體電池電壓等測(cè)量功能，電池組及各單體電池SOC等功能，電池系統(tǒng)相關(guān)運(yùn)行信息存儲(chǔ)記錄功能，全系統(tǒng)RS485或CAN總線通訊功能。

1.2 雙向變流器

雙向變流器具有兩方面作用，一方面其作為儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電裝置，一方面作為逆變電源為船舶交流負(fù)荷供電。當(dāng)作為儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電裝置時(shí)，其作為有源整流裝置，將岸電或發(fā)電機(jī)組的3AC380V整流為直流電，并根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)的要求，控制輸出電壓的幅值和電流為儲(chǔ)能系統(tǒng)充電。當(dāng)作為逆變電源時(shí)，變流器將直流電逆變成三相交流后通過(guò)隔離變壓器向交流負(fù)荷供電，此時(shí)電源品質(zhì)良好，滿足全船日用負(fù)荷的需求，逆變電源能滿足CCS規(guī)范對(duì)日用負(fù)荷供電品質(zhì)的要求，具有直流母線欠壓、輸出短路、過(guò)載、過(guò)流、三相輸出不平衡等保護(hù)功能。

在三相逆變器拓?fù)渲?，?yīng)用最廣的是三相橋式逆變器，如圖2所示，三相橋式逆變拓?fù)溆扇齻€(gè)相臂組成，具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、所用功率器件少等優(yōu)點(diǎn)[3]。由于功率模塊容量限制，采用單個(gè)功率模塊構(gòu)成的逆變電源功率有限，為提高逆變電源容量，通過(guò)模塊直接并聯(lián)或逆變單元并聯(lián)可提高整機(jī)輸出功率，以及提高輸入輸出電壓等級(jí)。

圖2 三相橋式逆變拓?fù)?/p>

若要求逆變電源具有并網(wǎng)功能，可以采用L型濾波器，也可以采用LCL型濾波器。L型濾波器不存在諧振點(diǎn)，因此逆變電源在控制算法上相對(duì)簡(jiǎn)單，但是濾波效果相對(duì)較差，通常需要較大的濾波電感才能獲得低諧波的輸出電流，若交流電網(wǎng)短路容量較小，采用L型濾波電感的逆變電源容易引起并網(wǎng)側(cè)電壓畸變[4]。LCL型濾波器濾波效果相對(duì)較好，但是由于存在諧振點(diǎn)，在控制算法的實(shí)現(xiàn)上相對(duì)不易。對(duì)于不需要并網(wǎng)工作的逆變電源，通常采用LC型濾波器。

在Matlab中搭建了雙向逆變器的模型，并對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證，驗(yàn)證證明，該雙向逆變器可滿足技術(shù)要求，既可作為有源整流裝置為儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行充電，又可作為逆變電源為日用負(fù)荷供電。

圖3 雙向逆變器模型

1.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)管理船電寶各種模式的切換，包括充電模式、放電模式、待機(jī)模式的切換和各信號(hào)狀態(tài)的采集。

充電模式：在充電站（碼頭或供電躉船上），通過(guò)3AC380V交流充電；

放電模式：在船舶上，為船舶的3AC380V日用負(fù)荷供電；

待機(jī)模式：船電寶既沒(méi)充電，也沒(méi)放電，處于充電和放電模式的中間狀態(tài)。

圖4 船電寶切換模式

1）充電到待機(jī)

在充電站充滿電后，通過(guò)船電寶上的開(kāi)關(guān)機(jī)按鈕停止充電，斷開(kāi)外部充電設(shè)備開(kāi)關(guān)，將充放電一體插座脫開(kāi)船電寶，此時(shí)船電寶進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

2）待機(jī)到放電

船電寶被運(yùn)送到船舶上，將充放電一體插頭插入船電寶，通過(guò)船電寶上的開(kāi)關(guān)機(jī)按鈕使船電寶放電，船電寶進(jìn)入放電工況。

3）放電到待機(jī)

船電寶使用完畢（或無(wú)電）后，通過(guò)船電寶上的開(kāi)關(guān)機(jī)按鈕停止放電，將充放電一體插頭脫開(kāi)船電寶，船電寶進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

4）待機(jī)到充電

船電寶達(dá)到充電站后，將充放電一體插頭插入船電寶，啟動(dòng)外部充電設(shè)備的開(kāi)關(guān)，通過(guò)船電寶上的開(kāi)關(guān)按鈕使船電寶充電，船電寶進(jìn)入充電狀態(tài)。

2 船電寶實(shí)船測(cè)試

船電寶目前已成功運(yùn)用于某型內(nèi)河工程船上，當(dāng)船舶處于通航等待區(qū)和待閘時(shí)，船上不見(jiàn)了柴油發(fā)電機(jī)開(kāi)動(dòng)時(shí)的黑煙，此時(shí)采用船電寶為船舶日用負(fù)荷供電，供電時(shí)間可達(dá)8 h左右，當(dāng)船舶通過(guò)閘口或航行出保護(hù)區(qū)之后，可開(kāi)啟柴發(fā)機(jī)組為日用負(fù)荷供電，同時(shí)為船電寶補(bǔ)充電能，也可在航行靠港后，船員將電纜線接入岸電樁，即可采用岸電為全船停泊工況下的日用負(fù)荷供電，同時(shí)可為船電寶補(bǔ)充電能。船電寶的推廣應(yīng)用，將顯著改善在長(zhǎng)江等內(nèi)河經(jīng)濟(jì)帶的環(huán)境，尤其是對(duì)內(nèi)河或者湖泊中的生態(tài)保護(hù)區(qū)、過(guò)閘等待區(qū)等的保護(hù)具有顯著的效應(yīng)，在新能源船舶領(lǐng)域具有很好的適用性。

4 小結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種移動(dòng)式船用一體化離網(wǎng)儲(chǔ)能電源（船電寶），船電寶主要用于為船舶提供供電服務(wù)，既可為船舶日用負(fù)荷供電，也可很方便的在充電站補(bǔ)充電能或者采用船上的發(fā)電機(jī)組充電，船電寶具有集成度高、智能化、雙向供電充電等特點(diǎn)。該設(shè)備的研制成功，為我國(guó)船舶清潔能源的實(shí)現(xiàn)提供了新的思路，對(duì)于長(zhǎng)江等內(nèi)河經(jīng)濟(jì)帶的環(huán)境保護(hù)具有積極的作用。

[1] 祝斌. 動(dòng)力電池技術(shù)與應(yīng)用[J]. 船電技術(shù), 2015, 4:30-34.

[2] 佟歡, 張蓓. 化學(xué)電源的發(fā)展歷程及未來(lái)方向[J]. 儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù), 2018,1:8-16.

[3] 葉穎. 三相光伏并網(wǎng)逆變電源的研制. 山東大學(xué), 碩士學(xué)位論文, 2008.

[4] 王要強(qiáng). LCL濾波的并網(wǎng)逆變系統(tǒng)及其適應(yīng)復(fù)雜電網(wǎng)環(huán)境的控制策略. 哈爾濱工業(yè)大學(xué),博士學(xué)位論文, 2013.

Design and Implementation of Mobile Integrated Off-gridEnergy Storage Power Supply for Ship

Zhang Zeyu, Wang Bangqi

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM728

A 文獻(xiàn)分類號(hào)：1003-4862（2021）06-0059-03

2020-10-20作者簡(jiǎn)介：張澤宇(1989-)，碩士，高級(jí)工程師。研究方向：船舶電力推進(jìn)。E-mail: 18995619539@qq.com