混合动力船舶能量管理发展

1、混合动力船舶能量管理发展综述摘要：考虑到能源和环境的问题日益突出，开发低能耗、低排放的绿色船舶成为当今船舶工业的首要任务，混合动力电动船舶对于纯电动船舶具有较好的续航能力，适用于航线较长且具有随机性的船舶工况。结合传统柴油发电机组，采用太阳能、风能、蓄电池等新能源构成的混合动力船舶越来越受到关注，作为其关键技术的多能源能量管理分配系统，成为其发展的核心内容。关键词：混合动力船舶；能量管理；电力推进系统Review on the development of the energy management system of hybrid electric shipAbstract: Conside

2、ring the energy and environmental problems being increasingly prominent, low energy consumption and emission of green ship and development have become the primary task of modern shipbuilding industry. Hybrid electric ship to pure electric ship has better endurance and could be used in a longer and u

3、nstable route operating condition. Combined with the traditional diesel generators, and the new energy such as solar energy, wind energy and battery hybrid ship has attracted more and more attentions. As the key technology, multi energy distribution management system becomes the core of the developm

4、ent of the hybrid electric ship.Key words: hybrid electric ship; energy management; electric propulsion system1引言二氧化碳的大量排放使全球变暖，世界各地极端气候频发。资料表明，全球航运业二氧化碳排放量大概占全球温室气体排放量的4%。此外，船舶排放也是空气中PM2.5的主要来源之一。由于船舶排放对环境的污染日趋严重，国际海事组织( IMO) 以及越来越多的国家和地区正积极采取各种有效措施以减少船舶排放。利用石化能源( 柴油、汽油) 、风能、太阳能及蓄电池储能混合供电的混合动力船舶电力推

5、进系统，不仅可节约燃油，还可以降低营运成本，是很有发展前景的能源综合优化利用系统，也是当前船舶节能减排领域的研究热点。这种新型环保型推进系统在注重提高经济性的同时，更注重减少对环境的影响，包括航行和停泊所带来的燃油污染、废气污染和噪声污染等。同时，混合动力船舶兼有柴电电力推进船舶和纯电动船舶的优点：相比于柴电电力推进船舶，可根据负荷大小选择供电模式，保证所有工况下的燃油经济性，且冗余性好；相比于纯电动船舶，初期投入成本低，且续航能力强。混合动力船舶电力推进系统的关键技术是能量管理及其控制策略，其目的是：在满足船舶动力性能的前提下，控制策略能够根据混合动力系统特性和实时运行工况，将多种能源合理分

6、配、协调控制，使各部件高效率运行，以达到最大的燃油经济性、最少的排放。混合动力船舶推进系统能利用柴电发电、风能、太阳能及蓄电池的储能，以节约燃油、降低营运成本，是极具发展前景的船舶能源综合优化利用系统，也是船舶节能减排领域的研究热点。目前，混合动力船舶主要有燃料电池/柴油混合动力船、超级电容/柴油混合动力船、LNG/柴油混合动力船、风翼/柴油机混合动力船以及储能电池柴电机组混合动力船等几种类型1-3。2 研究现状“混合动力船舶”可以定义为以两种或两种以上储能器、能量源或能量转换器作为动力源，其中至少有一种可以提供电能的船舶。2000年澳大利亚开发出世界第一艘商用的太阳能/风能混合动力双体客船“

7、Solar Sailor”号太阳能渡船。德国西门子公司向海军提供的潜水艇用固体高分子燃料电池，在潜艇上安装燃料电池和柴电动力组成的混合动力系统。 2010年1月，意大利和斯洛维尼亚联合研制了GREENLINE33混合动力游艇，该游艇混合了电池组、太阳能和柴油机动力。国内在混合动力船舶领域方面起步较晚，成功应用的例子并不多。在2010年上海世博会上亮相了中国第一艘混合动力船“尚德国盛”号游船，该船采用太阳能和柴油机组作为混合动力，速度约15km/h，节省电力和减排达30%以上。此船有柴油发电机组、动力锂离子电池、太阳能电池板3种动力源，拥有柴油发电机组电力推进、纯电池组电力推进和柴电机组与电池组

8、混合电力推进3种不同推进模式，是目前世界上推进模式最多，功率等级最大的多模混合动力船舶4。3 混合动力技术3.1混合动力技术的分类柴油机余热混合式推进系统：船舶节能主要在淘汰老旧船、提高船舶制造技术、最佳的航行状态以及余热利用等方面采取了措施，尤其是后者大有潜力可挖。众所周知，当前优良的柴油机热效率一般约为45%至50%，而排出的冷却水热量约在20%至25%，废气带走的热量约在25%至30%，输出功率为几万千瓦的大型主柴油机其余热利用的裕度是非常广阔的，尤其是大量废气的高温犹如高电势，具有很大做功的潜力，其不仅可以用作加热、制造淡水，更可以利用蒸汽涡轮机或动力透平进行发电。太阳能电力混合动力推

9、进系统：太阳能电力混合动力船采用太阳能、锂电池及柴油机发电机组多种能源混合推进的船舶。其智能化混合动力管理系统是游船的最大亮点。在不同的日照情况下，船体行驶所使用的动力可通过计算机在太阳能和柴油机组间进行自动调配，节省电力和减少排放均达到30以上。基于超级电容混合动力推进系统：基于超级电容混合动力的船舶电力推进系统包括：混合供电电源、充电系统、驾驶操作控制系统、推进系统、控制系统。此系统中的超级电容相对于蓄电池其充电速度快，可以在短时间内完成，并具有无排放，无污染，利于环保，同时具有噪音小，可以提高船舶内舱舒适度。发动机联合工作的联合动力推进系统：该类系统通常用于军用舰艇，包括：汽轮机动力装置

10、+燃气轮机加速装置（COSOG或COSAG）；全工况燃气轮机+加速燃气轮机装置 （COGAG或COGOG）；柴油机+燃气轮机联合（CODOG或CODAG）。3.2混合动力技术的原理及应用研究柴油机混合式推进系统原理：组成：混合式推进装置主要由主机、轴带发电机/电动机、废气锅炉、动力透平/蒸汽透平发电机、电站管理系统（PMS）、主机离合器等组成。排气热能的回收：动力、热媒、冷媒三联产技术（下简称三联产技术）。该技术是利用船舶主机、发电机组在生产动力和电能时柴油机的废热生产蒸汽（或其它热媒介质）和空调用冷媒水，从而达到跟有效地利用资源、节省燃料消耗的目的。燃油在柴油机内释放的能量一部分转变成机械能

11、从主轴上输出，变成船舶所需的推力和电力；一部分转变为烟气的内能，经废气锅炉生产饱和水蒸气。该蒸汽除少数用于全船生活外，绝大多数用作溴化锂吸收式冷水机组的热源，生产7的空调用冷媒水；还有一部分转变为主机冷却介质的热能，视需求可用于全船加热和单效溴化锂吸收式冷水机组。太阳能电力混合动力推进系统：太阳能动力船舶船体平台的研究，包括适用的船舶类型分析论证、船型方案论证设计及其水动力性能研究太阳能动力系统的布置等。氢燃料电池可以说是太阳能动力船最有前途的储能装置，而氢燃料电池是以氢为燃料、氧为氧化剂，通过化学反应而产生电流的储能装置。太阳能制氢技术有热解水制氢、直接分解水制氢、光伏发电分解水制氢等多种方

12、法；储氢需要采用耐压容器或氢化合物。“太阳能氢能”系统工作原理，制氢与储氢装置在太阳能接受装置和耗能装置之间起到了一个桥梁作用，可有效的客服太阳能能量密度低，有时间性和地域性限制的特点。基于超级电容混合动力推进系统：基于超级电容混合动力的船舶电力推进系统，其特征在于，包括控制系统和分别与其相连的混合供电电源、充电系统和推进系统，以及与控制系统通过网络通讯的驾驶操作控制系统。混合供电电源包括超级电容组和电池堆，用作系统储能，以满足船舶运行需要的动力；充电系统包括相连的地面充电站整流驱动装置、智能化自适应控制装置，用于完成对所述超级电容组的充电，其中：地面充电站整流驱动装置用于当所述超级电容组需要

13、充电时，将交流电进行整流，转变为直流电对超级电容实施充电；智能化自适应控制装置用于对所述超级电容组进行充电时，实现快速的联接，并保证连接可靠，保证对超级电容供电的电路畅通；驾驶操作控制系统包括驾驶控制器、分别与该驾驶控制器相连的速度给定装置和显示器，以实现对船舶操作及运行状况的监控；推进系统包括依次相连的变频器驱动装置、交流电动机和推进装置，变频器驱动装置，它将所述混合供电电源的能量转换为交流电动机需要的电源，从而保证电动机会根据船舶驾驶者的操作指令进行运行，驱动船舶推进装置运动；控制系统包括电堆控制装置和与之相连的系统控制器，采用现场总线方式将所述驾驶操作控制系统和现场控制系统协调起来，保证

14、根据不同工况下实现整个混合动力系统供电的优化控制处理，使其正常运行。发动机联合工作的联合动力推进系统：汽轮机动力装置+燃气轮机加速装置（COSOG 或COSAG），此种装置由于汽轮机装置的一系列优点，与燃气轮机装置联合后，能适用于功率较大的轻型舰艇，蒸汽装置保证在80%全速以下的航行（即全功率的50%左右），燃气装置在紧急启动和全速航行情况下使用，以使经济性及重量尺寸最为有利。全工况燃气轮机+加速燃气轮机装置（COGAG或COGOG），这类装置中，巡航燃气轮机装置可采用复式线路（带中间冷却器及回热装置）工作的开式燃气轮机或按闭式循环的燃气轮机。前者具有蒸燃联合动力装置的大部分优点，燃料消耗和重

15、量尺寸都可以减小；后者在巡航是能保证较高的热效率，部分负荷时性能良好。柴油机+燃气轮机联合（CODOG或CODAG），这类装置中，柴油机作为巡航机，与燃气轮机两者都通过离合器与主减速器相联，采用顺倒离合器或调距桨实现倒车。这类装置通常被小型舰艇使用，它的常用功率一般小于全功率的50%全功率仅占服役时间的1%左右5。4能量管理系统4.1 能量管理系统 能量管理系统（power management system,PMS）是混合动力船舶的关键控制系统之一，是在综合电力系统船舶出现后，根据综合电力系统船舶的实际需求而逐渐出现对船舶电能供给、调度、消耗的新型控制与管理系统。目前国外大中型船舶电站监控系

16、统已经集监控、智能管理、船舶集成管理系统为一体。相关产品基本上都采用分布控制、集中管理的模式，通过以太网和现场总线将能量管理系统、推进控制系统及其他重要负载系统( 如动力定位系统)综合集成在一个平台管理系统中，实现信息互联共享、协调控制和集中管理。但是目前国内外对于能量管理系统的发展仍处于起步阶段，对于其组成、结构还有较多争论，以Siemens产品为例，能量管理系统将供电与推进进行一体化的考虑，将能量作为一种流动的整体资源进行考虑，比直接通过设备功能划分出模块来切割能量的流动似乎更为合适6。4.2能量管理系统的结构组成在传统的自动化程度比较低的机舱，控制系统是集中在一个控制处理单元中，和分布在

17、不同舱室的一定数量的现场控制单元。主要的控制台一般和控制处理单元位于相同的地方，如机舱或驾驶台。现今的混合动力船舶自动化程度越来越高，通常的概念是采用分布式能量管理系统结构，这种结构广泛应用过程控制站（PCS，PCU）、现场总线和信息网络，控制作为一种信息手段，已经不局限于集中式控制，从而实现了信息分散化、控制分散化，各PCS 之间可以进行有限的信息交换，这样不但可以减少信息处理量，快速的实现反馈控制，而且使得控制的可靠性、灵活性得到提高。过程控制站或者遥控处理单元采用PLC 控制。所有在PMS 中的PMS 子站或PCS 都具备接收其所处总线位置的信息进行计算，它们也能通过总线与其它PMS 子

18、站进行信息共享。当船舶必须持续运行在分段模式下时（即电力系统母线被分成两段或更多段子系统），每段子系统将拥有其单独的PMS子站，并且具备自治单元。这个系统不依赖中央电脑，这样就能实现控制系统的高度冗余7。4.3能量管理系统功能模块PMS 系统一般主要包括发电管理子系统、负载管理子系统和配电管理子系统。发电管理系统：提供全船动力、设备和生活用电。原动机的监测、控制和安全系统集成到PMS 子站中，这将消除传统的控制方式的时间延时，同时能提供更加灵活的功能配置。 PMS 控制柴油机启动停止次序，预报警功能用于防止柴油机的突然停机。如果有一台机运行过程中快接近停机限值而要引起停机时，预报警应该能够自动

19、触发启动下一台可用机组的信号。PMS 控制调速器调节柴油机速度，以达到预设负荷输出。管理发电机运行模式，控制同步、并车及负载分配，对频率偏差进行补偿等。配电管理：控制母线分段的联接和断开。在出现故障情况时，如：短路，能快速断开母联开关，隔离故障分段。控制所有低压分配电板的变压器断路器，进行低压用电设备的电力分配。负载系统管理：主要对推进器及大功率用电设备的功率管理和负载限制。PMS 根据可用功率的大小，管理推进的功率分配，对其功率输出进行限制控制。对重载询问做出反应，在可用功率不满足要求的情况下，自动启动发电机组，提供充足的功率需求8。5能量管理策略混合动力船舶动力系统，推进系统由发电部分(包

20、括柴油发电机、燃料电池(fuel cell，FC) 组)、推进部分( 包括变频器、推进电机和螺旋桨)、负载部分，以及能量管理系统组成。由于燃料电池价格昂贵，且大功率燃料电池为系统供电时，系统通常处在低效率加载运行状态。此外，由于燃料电池动态响应速度慢及不能很好跟踪负荷的波动，因此单独FC系统不能完全满足船舶的电力需求。此外，负载需求波动会损害FC组和减少其生命周期。如果FC系统单独供应所有的电力需求，这将增加FC系统的大小和成本以及氢消费。因此，船舶以柴油发动机提供全船的基础载荷(基载)，并辅以FC组组成的混合动力结构。当船舶所需功率高于基载时，柴油发动机处在最高效率点运行，超出的部分则由燃料

21、电池进行负荷补偿，并通过能量管理系统进行优化管理；当船舶负载低于基础负载时柴油发动机跟随负载运行。这样的混合动力系统的优点在于：在进行设计时，柴油发动机功率不需要选择很大，而且柴油发动机可以长时间在效率最高点运行，节省能源；避免单独使用柴油发动机，即在船舶负荷随通航环境改变或在船用负载突然加大时，造成柴油燃烧不充分而产生黑烟的现象，这不仅降低能耗，改善环境污染，而且延长了发动机的使用寿命；通过制定合理的能量管理控制策略，可以让柴油发动机和燃料电池保持良好的工作状态，提高系统的整体稳定性。混合动力船舶电力系统，燃料电池组和柴油机的输出功率由船舶的实时功率需求以及能量管理策略决定。采用简单的逻辑门

22、限制控制策略，其工作过程是：首先检测船舶当前的瞬时需求功率P，与设定的基载P0相比较( 基载一般选择发电机组的额定功率)。当PP0时，柴油发电机为全船供电，此时柴油发动机跟随着负载运行；当P0PP0+ PFC1时，柴油发电机与燃料电池1工作，此时柴油发动机将在最高效率点运行，另一部分功率PP0则由燃料电池提供；当P0+PFC1P 时，柴油发电机、燃料电池1和燃料电池2一起工作9-12。6总结与展望本文在能量管理系统与策略方面，主要是针对的是燃料电池/柴油混合动力船，船舶能量管理系统在系统自动化、电力控制方面占有举足重轻的地位，而对于船舶混合动力系统能量管理而言，这又是一个比较新的研究领域。船舶混合动力能量管理系统的任务是在满全足船