孫 林

(上海瀚順船舶設計有限公司，上海 200135)

0 引言

目前，航運業(yè)正向節(jié)能減排、綠色航運的方向轉(zhuǎn)型。全球范圍的硫排放限制區(qū)和中國近海及內(nèi)河航道的硫排放限制要求，都對目前使用燃燒傳統(tǒng)化石能源的柴油機進行推進的船舶提出了挑戰(zhàn)。對此，營運船舶都在采用燃燒低硫燃油、安裝脫硫裝置或使用生物燃料LNG的方式進行應對[1]。而國際海事組織(IMO)海上環(huán)境保護委員會于2019年5月17日在倫敦召開了會議，結(jié)合之前在全球范圍內(nèi)設置的硫排放限制區(qū)，會議不僅討論了將制定更加嚴格的硫排放規(guī)則，同時提出了到2050年在2008年基礎上減少溫室氣體排放50%的長期目標。因此，要切實降低溫室氣體排放，勢必要降低柴油機的運行時間。而現(xiàn)階段，對安裝鋰電池、超級電容等儲能元件，或者燃料電池等新能源的混合推進船舶的研究，無疑是一重要的發(fā)展方向。本文提出了一種適用于頻繁在內(nèi)河航道低速航行的成品油船的直流配電電力推進系統(tǒng)，電源為異步變速發(fā)電機和鋰動力電池，對雙繞組低速永磁同步電機供電驅(qū)動螺旋槳。該配電系統(tǒng)可以有效降低溫室氣體排放，且能接駁岸電用于船舶卸貨，實現(xiàn)港口停泊時的零排放。

1 混合推進模式

以儲能元件鋰動力電池為例，適用于電池-柴油機混合推進的模式一般有兩種：(1) 推進柴油機和電池驅(qū)動的推進電機共同驅(qū)動螺旋槳；(2) 柴油發(fā)電機和電池共同對推進電機供電驅(qū)動螺旋槳。兩種推進方式見圖1。

圖1 混合推進模式

第1種模式令推進電機在PTO/PTI模式下切換實現(xiàn)減排[2]：推進功率富余時，電機在PTO模式下作為發(fā)電機供電。由于推進柴油機工作在高負荷率區(qū)域，油耗較低，通過減少柴油發(fā)電機的使用頻率來降低排放；進入排放限制較高的區(qū)域時，電機在PTI模式下作為推進電機由鋰電池供電驅(qū)動螺旋槳，通過減少推進柴油機的使用降低排放。這種模式涉及推進電機和推進柴油機之間的機械配合，復雜且存在較多損耗。

第2種模式簡化了柴油機的數(shù)量，船舶變成純電力推動，各動力能源之間僅有電氣連接，簡化了系統(tǒng)。鋰動力電池作為儲能單元可以隨時介入船舶電網(wǎng)，無疑是更可靠有效的推進模式。

因此，本文設計的配電系統(tǒng)基于第2種柴油發(fā)電機和動力電池結(jié)合的混合推進模式。

2 推進電機選型

對于需要在國際范圍內(nèi)進行成品油貨品的運輸，同時又頻繁在內(nèi)河各成品油碼頭進行貨物接駁的化學品成品油船，其航速特性一般為：在外海航行時一般排放限制要求較低，航速較高，為12～13 kn，推進電機負荷率較高；而在近海內(nèi)河航行時一般排放限制要求較高，航速較低，為8～9 kn，推進電機負荷率較低。表1為某6 500 載重噸化學品船的航速預估報告，以此為依據(jù)，結(jié)合此類船舶的航速特點，進行推進電機的選型。

表1 某6 500載重噸化學品船航速預估報告

首先，出于節(jié)能的考慮，在推進電機的選擇上須選擇效率更高的電機。相較于傳統(tǒng)的交流同步電機(ASM)，永磁同步電機(PMSM)有更高的效率。電機效率比較見圖2。從圖中看出，在高負荷率的狀態(tài)下約有2%的差距。由于船舶所用的推進電機功率較大，以表1中13 kn航速下的功率1 535 kW為例，則ASM和PMSM的功率損耗會有30.7 kW的差距。考慮供電線路和器件的損耗，反應在發(fā)電機和電池側(cè)，此差距會更大。同時PMSM有著更小的體積利于船內(nèi)布置，因此本文選擇更高效節(jié)能的PMSM作為推進電機。

圖2 電機效率比較

同時，加大電機的極對數(shù)，降低電機的額定轉(zhuǎn)速。使用例如32極的電機，可以使電機的額定轉(zhuǎn)速降至112 r/min，適用于低轉(zhuǎn)速的螺旋槳，從而在軸系中省去齒輪箱的損耗，進一步提升效率。

通過對表1的分析可知，當船舶低速航行(航速8～9 kn)時螺旋槳收到功率為高速航行(航速12～13 kn)時的50%甚至更小。以航速9 kn為例，推進電機負荷率僅為航速13 kn滿負荷時的31%。通過圖2中電機負荷率與電機效率的關系曲線，可知對PMSM而言，低負荷率時電機效率也會隨之降低。因此，為了保持電機的高效運行，選擇圖3的雙繞組PMSM。高速航行時啟用2套繞組在100%額定功率運行；低速時啟用1套繞組，以50%額定功率運行，提升電機的負荷率從而提升電機效率，進一步減少電能損耗。

圖3 串聯(lián)式雙繞組電機結(jié)構(gòu)

因此，本文選用雙繞組低速永磁同步電機作為此類型船舶的推進電機，適合其使用工況，同時滿足節(jié)能的相關要求。

3 配電母線選型

對于使用傳統(tǒng)交流配電母線的純電力推進船舶，作為主電源的柴油發(fā)電機一般為交流同步發(fā)電機，并車運行對交流配電母線供電，而推進電機經(jīng)變頻器由母線供電驅(qū)動。作為直流電源的鋰動力電池需經(jīng)逆變器和變壓器與母線連接供電，其配電結(jié)構(gòu)見圖4(a)。這種配電方式存在著低負荷率時柴油發(fā)電機效率、低油耗高，電池與柴油發(fā)電機并車復雜等缺陷。

采用圖4(b)所示的直流配電母線結(jié)構(gòu)，將變頻器單元的AC/DC整流模塊和DC/AC逆變模塊進行拆分，所有的整流和逆變模塊都共用直流母線，避免了交流配電系統(tǒng)中存在的各變頻器單元在母排上產(chǎn)生的諧波污染。同時，并聯(lián)運行的發(fā)電機組都經(jīng)過整流器整流接至直流母排，因此無需考慮并聯(lián)運行需電壓頻率一致的問題，可以選用交流異步變速發(fā)電機組。

交流異步變速發(fā)電機組的特點是：當與交流同步發(fā)電機工作在同一功率點時，異步變速發(fā)電機可以工作在其他燃油消耗率更低的轉(zhuǎn)速下，不必像同步發(fā)電機一樣恒速運行，從而達到節(jié)能的效果。另外，儲能元件如電池的標準輸出一般為直流電，使用直流母排，更利于儲能元件接入配電系統(tǒng)，節(jié)省了器件。因此，本文選用直流配電母線，以異步變速發(fā)電機為主電源的配電系統(tǒng)服務于此類型船舶。

4 配電系統(tǒng)

結(jié)合分析和選型，設計的新型直流配電推進船舶的配電系統(tǒng)見圖5。

主推進電機的2個繞組分別由2臺逆變器供電：一臺逆變器可在船舶靠泊碼頭時兼用于驅(qū)動艏側(cè)推電機；另一臺逆變器驅(qū)動主推進電機的1組繞組，實現(xiàn)船舶的機動操縱。

船舶上AC380 V/2.21 kW/50 Hz的工作及生活用電由母排經(jīng)逆變器、濾波單元和變壓器供給，保證交流母排上的諧波量不超過規(guī)定值。用于船舶卸貨的貨油泵電機經(jīng)相應的逆變器由直流母排供電。

由岸電接駁至船上的岸電可經(jīng)由其中1臺發(fā)電機的整流器對直流母排供電。電能可以用于鋰動力電池組的充電、船舶在港時的工作及生活用電，以及卸貨時貨油泵電機的運行，從而實現(xiàn)了船舶在港時的零排放。同時，由于整流器的存在，當船舶靠泊國外港口時，岸電規(guī)格為AC440 V/2.21 kW/50 Hz時，也不影響使用，具有更廣泛的適用性。

5 節(jié)能減排

6 500 載重噸化學品船，依據(jù)圖5的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計了配電系統(tǒng)。主電源為2臺異步變速柴油發(fā)電機組，規(guī)格為AC690 V/1 020 kW；輔助電源約為1 000 kWh的鋰動力電池組。船舶螺旋槳由1臺雙繞組低速永磁同步電機驅(qū)動，規(guī)格為AC690 V/29.9 Hz/112(r·min-1)/(1 000 kW×2)。配電母線為1 000 V的直流配電母線，與相應容量的整流和逆變器件均安裝在直流配電板內(nèi)。

設置船舶的運行工況為在內(nèi)河以9 kn航行，船舶所需功率約700 kW，船舶航行10 h，則航程所需總電量約為7 000 kWh。在此工況下優(yōu)先使用1 000 kWh的鋰動力電池單獨供電驅(qū)動船舶，則柴油機的運行時間降低了1.4 h。

6 結(jié)論

(1)減少了柴油機的溫室氣體排放。靈活的直流配電網(wǎng)絡和作為儲能元件的鋰動力電池的介入供電，降低了柴油發(fā)電機的在網(wǎng)功率和時間，切實降低了排放。

(2)損耗的降低。選用PMSM電機提升了電機效率；低速電機減少了軸系損耗；雙繞組提升了低負荷工況下的電機效率。因而從推進的角度整體提升了供電效率，降低了損耗。

(3)有著優(yōu)良的擴展性。目前新型的儲能元件如鋰電池和超級電容等，以及新能源如燃料電池等，其輸出的電制大都為直流電，直流母排對新能源的支持，為未來船舶電站進一步提升新能源比重，降低傳統(tǒng)能源比重設置了良好的升級能力。