船舶脉冲负载与储能技术概述

张小海

●（海军驻上海七○四所军事代表室，上海 200031）

船舶脉冲负载与储能技术概述

张小海

●（海军驻上海七○四所军事代表室，上海 200031）

分析介绍了船舶脉冲负载的相关标准，总结了国内外脉冲负载的主要类型。着重介绍了由脉冲负载所推进的船舶储能技术的发展，比较了电池、超级电容和飞轮储能三种储能方式的各自优缺点，提出了根据实际需求使用多方式混合储能的建议。

脉冲负载；储能技术；超级电容

1 脉冲负载及相关标准

狭脉冲负载是指在很短的时间里（几毫秒至几秒）消耗很大功率的负载，它往往还具有另一个特征，即在一定的频率范围内间歇性工作。

1.1 传统脉冲负载

船舶传统脉冲负载的瞬时容量一般都不会超过系统容量，往往可以直接从船舶电网取电。

对于这类脉冲负载，美国的ASTM A 1008标准[1,2]、国外开展的研究[1,2]都是以投入脉冲负载后能满足相关电力界面品质作为准则，换句话说，就是投入脉冲负载后造成的电压波动应小于2%，频率波动应小于0.5%。上述准则并不能直观地确定一个脉冲负载是否能够满足系统要求，实际操作时需要判断脉冲负载的两个特征，脉冲负载的功率因数和脉冲负载容量占在网机组容量的比值。ASTM A 1008标准将上述两个特征量化后（通过假设发电机暂态电抗标幺值约为 0.3），给出了两个限制条件：1）电压波动限制条件为：Q脉冲<0.065S系统；2）频率波动限制条件为：P脉冲<0.25S系统。

根据这两个限制条件可以得到系统对于脉冲负载限制条件的示意图，如图1所示。

图1 国外1008标准中对脉冲负载的限制

不难发现，上述这些标准都没有考虑脉冲负载的工作时间、工作频率、系统参数及带载情况等因素，仅仅提供了对于脉冲负载限制的粗略估计方法。实际上，文献[1]在综合考虑各种因素之后得到的研究结论和标准的预期结果相差还是很大的，即使脉冲负载满足标准的限制，也不能保证电力界面品质能够达到预期的要求。

1.2 未来大容量脉冲负载

随着船舶装备系统不断发展，将出现一些需要在短时消耗极高功率的用电设备[3,4]。为了这类脉冲负载而增加船舶上发电设备的容量既是在造价上不经济，也是在空间上不现实的。可见，这类大容量脉冲负载的正常工作，必然需要配套储能设备。

2 船舶储能技术

2.1 储能的作用

对于传统脉冲负载，储能主要是为了提高供电品质[5-8]；对于大容量脉冲负载，储能则是其功能实现的必然需要。船舶储能的作用并不仅仅局限于这两点，合理利用储能技术，对船舶供电的连续性、经济性也有很多好处。

利用储能技术提高船舶供电的连续性，是指当船舶电网中有机组因故障而退出运行时，可以投入储能设备，暂时弥补电网中缺失的功率，直至备用机组投入电网，从而不需要对负载进行不必要的卸载操作[9]。利用储能装置，一方面可以减少电网的备用容量；另一方面，通过对储能装置的充放电操作，调整发电机组的发电功率，可以使其在效率更高的状态下运行，从而进一步提高船舶供电的经济性[10]。

2.2 储能技术的种类

船舶储能技术的相关研究主要都是围绕着三种储能形式展开的，这三种形式分别为电池、超级电容以及飞轮储能。三种储能方式的功率密度和能量密度对比如图2[11]所示。

图2 三种储能方式的功率密度和能量密度对比

2.2.1 电池

电池在三种储能方式中具有最高的能量密度（200Wh/kg），其能量密度几乎达到了其他两种储能方式的10倍。但电池的功率密度同时也是最低的，其功率密度远小于其他两种储能方式（相差两个数量级）。电池高能量密度的特点使其能够维持较长（5min～480min）的工作时间，使其成为船用中长期备用电源的最佳选择；但由于功率密度较低，难以满足未来大容量脉冲负载的需要。

2.2.2 超级电容

超级电容在三种储能方式中具有最高的功率密度，其快速高功率充放电的特性满足了大容量脉冲负载的需要。与同样具有高功率密度的飞轮储能相比，超级电容具有更好的稳定性和安全性，其能量损耗（0.2%）也远远小于飞轮储能（2%），考虑到船舶的全寿命至少在10年以上，节约的燃料费用会相当可观。

美国目前采用超级电容方式实现储能，电容的体积能量密度约为2.5MJ/m3，质量能量密度约为1.4kJ/kg（参考Aerovox埃罗福克斯公司LM型电容参数，见图3[4]）。如果为64MJ的船舶设备提供能量，考虑损耗等因素，实际需要储存的能量约为64MJ，储能电容至少需要占用64m3的空间（4m×4m×4m）和114.3×103kg的质量，进而考虑相关附属后，储能装置则一共需要占用约140m3的空间和210×103kg的质量[3]。

图3 Aerovox埃罗福克斯公司LM型电容参数

2.2.3 飞轮储能

通过查阅船舶储能相关文献可以发现，有关飞轮储能的文献是最多的，说明形成了一个研究热点。飞轮储能技术将电能转化为高速旋转装置的动能，技术简单，成熟度最高，与电池和超级电容相比，在充放电循环寿命上具有很大的优势。

2.3 储能的用法

使用储能技术为脉冲负载供电有两种主流形式，它们的区别在于储能装置是否能够将能量回馈电网。

以飞轮储能为例，通过飞轮储能为脉冲负载供电有两种实现方法。第1种（图4）[6]由一组单向变换器、一台储能电动机、一台飞轮机构和一台储能发电机构成，脉冲负载从储能发电机输出端取点，这种形式实现了脉冲负载和电网的隔离，大大减小了脉冲负载对电网供电品质的影响；第2种（图5）[13]由一组双向变换器，一台电动及发电两用电机和一台飞轮机构构成，脉冲负载连接在电网上，储能装置可以向电网回馈电能。第2种用法增加了变换器控制策略的复杂度，但较第1种用法相比优势为：1）在实现储能功能的同时，兼具无功补偿和有源滤波的功能；2）通过错开多台脉冲负载的用电时刻，可以实现一套飞轮储能机构同时为多台脉冲负载供电[14]；3）储能装置故障并不不会直接影响脉冲负载的使用，脉冲负载仍可以从电网取电，此时电网的供电质量会受到脉冲负载的影响[8]。

图4 通过飞轮储能为脉冲负载供电（能量不回馈电网）

图5 通过飞轮储能为脉冲负载供电（能量可回馈电网）

3 结论

目前国内外与船舶脉冲负载有关的标准相当粗略，参考价值有限，更多的时候需要具体问题具体分析；未来大容量脉冲负载的需求推动了船舶储能技术的发展和应用，同时储能技术在船舶电网中的其他作用也值得进一步探索；电池、超级电容、飞轮储能三种储能方式各有优劣，具体应用时应跟据实际需求的特点进行选择，通过取长补短，使用多方式混合储能或许更具优势[11,15]。

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Overview of Pulse Load and Energy Storage Technology for Ship

ZHANG Xiao-hai
(Navy Representative Office in No.704 Research Institute, Shanghai 200031, China)

The correlative standards of the pulse load for ship were analyzed and the main types of the pulse load at home and abroad were summarized. The development of the energy storage technologies for ship propelled by the pulse load was mainly introduced. Moreover, the advantages and disadvantages of the three technologies: battery, super capacitor, and flywheel were compared. At last, it gives the suggestions that the multimode hybrid energy storages are used according to the actual requirements.

pulse load; energy storage technology; super capacitor

U665.12

A

张小海（1981-），男，博士。主要研究方向：船舶机电工程、寿命周期费用分析。