新能源船舶混合储能系统关键技术问题综述

摘要
电力电子变换技术的不断进步为风能、太阳能和燃料电池等新能源技术在船舶中的应用起到了积极的推 动 作 用 ，为 平 抑 分 布 式 发 电 装 置 间 歇 性 和 随 机 性 电 能 输 出 与 不 同运 行 工 况 下船 舶 电 气 负荷 持 续 稳 定电 能 需 求 之 间 的 矛 盾 ，储 能 系 统 在 新 能 源 船 舶 电 力 系 统 的 电 源 能 量 中 继 和 功 耗 动 态 平 衡 过 程 中的 调 控 作 用显 得 尤 为 重 要 。特 别 是 ，储 能 系 统 必 须 同 时 具 备 高 功 率 密 度 和 高 能 量 密 度 的 特 点 ，才能满 足船 舶电 力 系统 中大 功 率异 步 电 机 频 繁 启 动 和 电 气 负 荷 长 时 间 不 间 断 运 行 的 需 求 。论 文 介 绍 了 典 型 储 能 技 术 的 技 术 特 点 ，着重 探 讨 集 成 蓄 电 池 - 超级 电容 的 典 型琨 合储 能 系统 ，对 比 分 析 了 无 源 式 和 有 源 式 混 合 储 能 系 统 结 构 的 技 术 差 异 ；从适用电网 的 不 同 运 行 模 式 （离网型和并网型）和 不 同 优 化 策 略 （目标和方法）的角度，分别论述了混合储能系统的容 量 优 化 配 置 问 题 的 解 决 途 径 ；在 此 基 础 上 ，从 能 量 型 与 功 率型 储 能 元 件的 匹 配 控 制环 节 和 变 流器 的 运行 控 制 环 节 ，解析了混合储能系统的协调运行控制技术发展现状。
孙 玉 伟 I’2,3，胡 克 容 1，严新 平 ”’2’3，汤 旭 晶 I’2,3,袁 成 清 I，2’3，潘 鹏 程 1 ( 1.武汉理工大学能源与动力工程学院，武 汉 430063;
2. 武汉理工大学国家水运安全工程技术研究中心，武 汉 430063; 3. 武汉理工大学交通部船舶动力工程技术交通行业重点实验室，武 汉 430063)
孙玉伟，等：新能源船舶混合储能系统关键技术问题综述
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置电力供给与电力负荷需求矛盾、解决电能在船舶电网中的灵活调度配给问题，提供了有效手段和适 用方案因而受到广泛关注。
目前， 电力储能主要有以蓄电池为代表的能量型储能和以超级电容器为代表的功率型储能2种方 式 。能量型储能元件具有能量密度大、响应时间长、充放电次数少以及功率密度小等特点，其中以锂 电池的能量密度和综合循环效率最高；功率型储能源具有功率密度大、充放电次数多、响应速度快以 及 能 量 密 度 小 等 特 点 ，此 储 能 装 置 以 超 级 电 容 器 、飞 轮 、超 导 等 为 主 [8],几 种 典 型 储 能 技 术 的 特 点 对 比如表1所列。由于单一能量型和功率型储能装置难以兼顾电力负荷瞬时大功率启动（波 动 ）和持续稳 定工况用电需求，相关研究工作逐渐聚焦到采用蓄电池/超级电容混合储能系统（Hybrid Energy Storage System，H E S S ) 的方向[9]，其核心技术问题涉及混合储能系统的拓扑构架、容量优化配置以及协调控 制等。然而， 目前国内外针对新能源船舶中混合储能系统的相关研究工作尚不全面，总体处于基础理 论研究与试验探索阶段[1(^ 11]。为此本文以上述三个方面的问题为着眼点，通过对相关机构研究工作的 梳理和对比分析，探讨了新能源船舶混合储能系统的技术发展趋势、研究方法以及解决方案。
5 9 卷 第 1 期 （总 第 2 2 5 期) 2018年 03月
文 章 编 号 ： 1000-4882 (2018) 01-0226-11
中
国造船
SHIPBUILDING OF CHINA
Vol.59 No.l (Serial No. 225) Mar.2018
新能源船舶混合储能系统关键技术问题综述
收 稿 日 期 ：2017 - 1 2 - 1 1 ; 修 改 稿 收 稿 日 期 ：2018-03-25 基金项 目 ：工 信 部 高 技 术 船 舶 科 研 项 目 （工信部装函[2017]614号）；国 家 自 然 科 学 基 金 （51422507)
5 9 卷 第 1 期 （总 第 225期 ）
________________________________________ 表 1 典型储能技术的特点_______________________________________
Hale Waihona Puke Baidu项目
铅酸电池
锂电池
飞轮储能
超导储能
超级电容
应用规模
lkW ~50MW
关 键 词 ：新能源船舶；混合储能；系统构架；容量配置；协调控制
中图分类号：U 665.1
文 献 标 识 码 ：A
〇 引言
为应对全球范围内日益严苛的环境保护要求和减排强制性法规，各国航运企业不断推动和拓展绿 色船舶技术在实船上的应用，其中以集成应用太阳能、风能和燃料电池等新能源发电装置的应用案例 最具有革新性和代表性W 。将新能源作为一种典型电源引入船舶电力系统中，通 过 等 效 折 减 （或降低） 常规柴油发电机组装机容量(或输出功率)的技术途径，能够在降低船舶能效设计指数(Energy Efficiency Design Index, EEDI) 和减少废气排放量方面起到显著的作用[2]。然而，新能源发电装置所具有的间歇 性 和 随 机 性 特 点 又 将 直 接 影 响 到 整 个 船 舶 电 力 系 统 的 暂 态 和 稳 态 运 行 特 性 。首 先 ，太阳能和风能采用 电力电子变换技术可以实现秒级能量形式的转换和利用，但是受天气/气候影响其转换输出的电能具有 显著的间歇性、波动性和不确定性[3_ ' 其 次 ，燃料电池虽具有动态响应快、能量转换效率高和电能输 出稳定的特点，但是其启动过程缓慢且在髙温环境下的使用寿命和稳定性不够理想；第 三 ，船舶营运 中在不同工况条件下的电气负荷需求迥异，大功率动力负载投切对船舶电网电压和频率的扰动作用明 显 ，要求船舶电源能够快速响应并持续稳定供电[5_6]。储能技术的快速发展，为平衡船舶新能源发电装