3 600 車雙燃料混合動力汽車運輸船電氣設計

楊璟，陸鵬飛，賴昌偉

（上海船舶研究設計院，上海 201203）

0 前 言

3 600 車雙燃料混合動力汽車運輸船是當前全球首艘LNG 雙燃料及電池混合動力的汽車運輸船，配有先進的船舶綜合管控系統， 其首制船AUTO ADVANCE 已于2021 年11 月順利交付運營， 各項指標均滿足要求。

該船運用了多種先進的綠色環保技術， 入級DNV船級社， 滿足無限航區要求， 總布置圖如圖1所示，主尺度和主要參數如下：

圖1 3 600 車汽車運輸船總圖

船 級 符 號：+1A，Car Carrier，MCDK，BIS，E0，TMON（Oil Lubricated），LCS，NAUT（NAV），Gas Fuelled，BWM-T，BWM-E（f），DG-（P），Recyclable，Battery（Safety）

電站設備除發電機外， 還配置1 套動力電池組，滿足船級社Battery（Safety）、無人機艙E0、一人橋樓NAUT（NAV）等附加標志的相關要求，電氣系統設計具有一定的難度。

1 電力系統

1.1 電站配置

常規汽車運輸船電站配置一般為3 臺主柴油發電機。 航行工況開1 臺發電機，進出港工況由于要使用首側推，3 臺發電機需要全部運行，此時電站無備用發電機。 若要保證電站在任何工況下留有1臺備機，則電站總裝機容量將增加約40%，經濟性不高。綜合考慮電站運行的安全性和經濟性，采用1套軸帶發電機和動力電池的配置方案替代1 臺主發電機，電站具體配置如下：

1）2 臺LNG 雙燃料主發電機，單機額定功率為1 065 kW；

2）1 臺永磁軸帶發電機，額定功率為1 000 kW；

3）1 組動力鋰電池，容量為510 kWh；

4）1 臺應急柴油發電機組，額定功率為150 kW。

電力負荷計算及電站使用工況如表1 所示，主發電機、軸帶發電機及動力電池均可以長期并網運行。 在航行工況下，動力電池不作為主電源使用，但掛在電網上可以起到削峰填谷、斷電恢復及峰值調節（Peak shaving）等功能。 在進出港工況下，動力電池組以1C 放電倍率進行放電，輸出功率為500 kW，減少發電機500 kW 的裝機容量； 在緊急情況下，動力電池組能夠以3C 放電倍率放電，輸出功率達到1 500 kW，可以起到備用電源的功能。 該電站配置不僅考慮了汽車運輸船的各種工況，還對動力電池的應用及配置進行了優化，兼顧了船舶各工況下電源配置的靈活性、安全性及經濟性。

表1 電力負荷計算表

1.2 配電系統設計

主配電板、 變頻柜、 應急配電板單線圖如圖2所示。 主配電板分左右2 段匯流排，包括發電機屏、AC 440 V 負載屏、組合起動屏、同步屏及變頻柜接入屏。 由于集控室空間有限，對于主配電板長度有一定的限制，因此單獨設置了主配電板AC 220 V 負載屏。

對配電系統進行設計優化，沒有按常規設計對軸發、首側推設獨立的變頻器，對動力電池設獨立的變流模塊，而是設置1 套集成式變頻柜，將上述設備通過各變流模塊 （見圖2 中的AM1～AM5），連接到該變頻柜的直流母線上，減少了變流模塊的總數，節省了變頻器的布置空間，在降低制造成本的同時，還能夠減少電網的諧波源，降低電能損耗。

圖2 3 600 車汽車運輸船電力系統單線圖

變流模塊中的電力電子器件采用有源前端（AFE）技術，可以實現雙向供電功能。 變流模塊AM1及AM2 用于連接變頻柜及主配電板， 每個模塊按50%的容量進行設計，即使某一模塊出現故障，仍能保證50%的供電容量，提高了冗余性。 在航行工況軸發運行時， 變流模塊AM1 及AM2 工作在逆變模式，用于變頻柜向主配電板上負載供電；主發運行時，AM1 及AM2 工作在整流模式，用于主配電板向動力電池充電。 AM3 用于軸帶發電機，始終工作在整流模式。AM4 用于首側推，始終工作在逆變模式。

AM5 為DC/DC 雙向變流模塊， 用于控制動力電池的充放電。 通過上述變流模塊的設計，實現船舶電站在各工況下電源的靈活使用。

1.3 動力電池應用

設有1 套動力電池組，除了在進出港工況下可以為首側推供電外，在航行工況下可以用作輔助電源。 基于船舶電網的工作運行特點，對動力電池的應用策略做了一系列優化，充分發揮動力電池的特性，提高電網經濟性、安全性及可靠性，符合當今綠色環保的設計理念。

1.3.1 削峰填谷

船舶電網用電負荷通常分為連續性負荷及間歇性負荷，工程設計中電站負荷計算對于間歇性負荷會考慮同時使用系數。 但在實際使用過程中，大功率間歇性負荷如空壓機、空調壓縮機、艙底壓載泵等存在同時使用的可能性，此峰值工況電站總功率較大， 甚至可能超過當前在網發電機的總功率，此時電站管理單元將自動啟動備用發電機來共同承擔電站負荷。

動力電池作為電網的輔助電源：當負荷出現波動功率較大時，可以由發電機及動力電池并網運行來承擔短時的峰值工況負載功率，避免了備用發電機的頻繁起停；當電站在網負荷功率較小時，可以對動力電池進行充電，使發電機始終在效率最高點運行，提高電網的經濟性。

1.3.2 斷電恢復

根據規范要求， 當船舶主電網斷電（Blackout）時，應在45 s 內啟動備用發電機，恢復主電網供電。動力電池組可以通過3C 放電，最大輸出功率達到1 500 kW。當在網發電機出現故障時，動力電池可作為備用電源自動給船舶重要負載供電，同時電站管理單元將發出啟動備用發電機的命令。 由于動力電池響應時間低于發電機的啟動時間，電網的斷電時間將大大減短，提高船舶電網的供電連續性及安全性。

1.3.3 輔機峰值調節（Peak Shaving）

交流電網中的瞬態負荷 （如電動機啟動等）會對電網帶來一定的沖擊。 該船動力電池設有輔機峰值調節功能，其基本原理是動力電池通過變頻器向電網輸出或吸收有功電流來補償負載突變對電網頻率的影響。 當電網受到瞬態負荷的沖擊時，動力電池及電子電子器件比發電機的響應速度更快，可以有效減小發電機負荷的波動范圍，見圖3。該功能不僅可以起到降低發電機油耗的作用，還提高了電能質量，確保供電的可靠性。

圖3 輔機Peak Shaving 效果曲線

1.3.4 主機峰值調節（Peak Shaving）

船舶在航行工況下，若受到外部環境（例如大風、海浪等）的影響，會引起螺旋槳推進功率的變化。 當需要螺旋槳輸出更大的功率時，可以增加動力電池的輸出功率為船舶電網負載供電，減少軸帶發電機的實際功率，維持主機輸出功率不變，以提供更多的推進功率至螺旋槳。 這種方式可以有效地減少主機頻繁調節轉速，降低主機油耗，提高船舶航行的經濟性。

1.4 動力電池布置

動力電池組選用的是三元鋰電池 （NCM Lithium-ion battery），動力電池組分為6 組，每組15 個模塊，總長度約5 200 mm，高度為1 800 mm，在船上設有獨立的動力電池間， 如圖4 所示， 滿足DNV 的Battery（Safety）符號要求。

圖4 動力電池間電氣設備布置圖

由于該電池組的工作環境溫度不得超過20 ℃，動力電池間除了機械通風外， 還設有1 組空調，電池組上方設有空調送風風道，保證冷風均勻地到達各組電池，提高冷卻效果。 在電池間設有溫度傳感器，當溫度高于設定值時發出報警信號，提醒船員注意并采取措施。

動力電池組自身帶有封閉的外殼，內部設有獨立的排氣系統。 電池內部任何有毒、可燃、爆炸性氣體都可以通過該系統排至露天區域，保證不會進入動力電池間，確保該房間內部屬于安全區域。

動力電池間與機艙之間采用A60 絕緣，內設有感煙火災探測器。 電池組上方設有水基滅火裝置，可以手動釋放，也可以通過感煙、感焰探測器的失火信號自動釋放，進一步提高消防系統的安全性。

2 船舶綜合管控系統

設有1 套船舶自動化綜合管控系統，共7 個信號采集站，布置于機艙、集控室、駕駛室及風機控制室，系統總容量約4 800 個信號點。 在集控室、駕駛室均設有計算機工作站， 分別位于集控臺及駕控臺。該系統具有監測報警、電站管理、遠程監控等功能。

2.1 船舶信息監測

除了常規的監測報警系統需要采集的監測點之外，該系統還包含了對船舶航行安全、船上設備參數的監測功能。

船舶航行安全信息可以在駕駛室控制臺上計算機工作站顯示，主要供駕駛室內駕駛員及時掌握船舶航行情況，包括船位、航向、航速、水深、風向、風力、船舶狀態（包括傾斜角度及吃水值等），便于船員根據上述參數對船舶航行及時做出調整，保證航行安全性。

船上設備參數主要包括主機、輔機、鍋爐的燃料消耗參數、推進軸功率、重要設備的功率、壓力及溫度等參數。 上述信息可以同時在集控臺及駕控臺工作站查看。 集控臺工作站主要供輪機員使用，可以根據監測信息及時掌握設備運行狀況，為設備的使用、維護保養提供數據基礎。 駕控臺工作站可以給駕駛船員提供船舶的主機狀態及燃料消耗數據，為船員航速、航程的選擇及航行規劃提供輔助決策依據。

2.2 電站管理系統

常規船的電站管理系統一般位于主配電板內部，相對比較獨立。 但本船由于動力源的選擇較多，包括軸發、 電池的混動系統以及雙燃料發電機，需要考慮的監測、控制以及安全因素較多，同時動力電池的應用還牽涉到推進系統，因此將電站管理系統集成于船舶綜合管控系統內。

在主配電板內部設有信號采集站，將信號采集至系統內并將控制指令反饋到主配電板內部的執行機構。 在主配電板同步屏設有液晶控制面板，該面板以及集控臺工作站均提供直觀、便捷的人機操作界面，用于實時監測船舶電站的狀態，見圖5。

圖5 3 600 車電站管理系統人機界面

該界面可以一覽電站的整體運行狀態，直觀地讀出軸發、主發的功率等參數，也可以清楚地讀出電池的剩余電量。 對于電站上重要用電負載，按功能類別設置了功率互感器，可以分別顯示例如冷卻系統、通風系統、燃油系統等用電負荷的實時功率，便于統一管理。

電站管理系統不僅包括常規的自動電站功能，例如發電機的自動控制、同步及并車、非重要負載優先脫扣、重載問詢及斷電后重要負載順序啟動等，還結合本船的特點設置了一些特殊功能。 對于航行、進出港、裝卸貨、停泊等工況，均設置了一鍵切換功能，按鍵后可自動轉換至預先程序設定好的電源類型運行模式，便于船員進行轉換操作。 車輛艙風機數量較多，若同時啟動對電網沖擊較大，因此風機采用延時逐個啟動方式，還設置了重載問詢功能。

2.3 設備綜合控制系統

所有風機、油泵、水泵均可以在位于集控室及駕駛室的綜合管控系統工作站進行遠程監測及控制，實現統一管理。

機艙通風系統、海水冷卻系統采用變頻控制方案。 對機艙溫度、風壓，冷卻海水的溫度、壓力進行實時監控，通過變頻技術進行調節及控制，起到節能效果。

車輛艙風機在航行工況下每小時換氣10 次，在裝卸貨工況下每小時換氣20 次， 不同工況運行的車輛艙風機數量不同，因此控制系統設置了不同工況一鍵切換功能，便于船員進行操作。

2.4 LNG 安全及監控

主機、輔機、鍋爐均支持LNG 及柴油雙燃料模式。綜合管控系統不僅可以對LNG 供氣系統的運行參數進行實時監控，還能夠對船上LNG 相關環境狀態進行監測，如通風狀態、可燃氣體探測、火災探測、氣鎖區狀態等。 一旦出現緊急狀況，可能危害到船舶航行安全的情況，及時地切斷供氣系統并轉換至燃油模式，實現供氣系統的安全連鎖，提高船舶航行的安全性。

3 橋樓設計

按照DNV 船級社一人橋樓符號NAUT（NAV）附加符號設計并入級， 同時滿足LR 船級社附加橋樓符號NAV1 的要求。 為了提高系統可靠性及船員駕駛操作的便捷性，不僅配備滿足SOLAS 要求的常規導航設備，還額外配置了部分導航設備。

駕控臺上除了雷達、電子海圖的4 臺顯示器外，在駕控臺中部還設置了CONNING 多功能顯示器。設置2 套電羅經，自動舵帶有軌跡控制TCS 功能，計程儀配置了多普勒及衛星2 種形式，S 波段雷達采用固態雷達。 該船的導航設備配置處于技術領先水平。

駕控臺的功能分為3 個區域：右側為航行操作區，左側為監測區，中間為操舵區。 根據規范，當駕駛員位于上述區域時，不僅能觀測到相應的航行設備信息，對于需要駕駛員進行操作的航行設備應處于伸手可及的范圍。 船級社對此范圍作了詳細的定義，對航行操作區及監測區，該范圍還分為站立狀態及坐姿狀態兩種情況，如圖6 所示。

圖6 駕控臺面板設備布置圖

對駕控臺上設備面板布置做了相應的優化設計，將橋樓值班報警按鈕、甚高頻通信電話、霧笛模式燈控制及雨刮器控制均布置在駕控臺中間各區域交界處。 為了在航行操作區也能夠操作舵機和首側推，將舵機控制板、主機控制板及首側推控制板布置在靠近航行操作區和操舵區的交界處，便于船員操作。

為了滿足船東操船習慣， 橋翼控制臺面向船中方向，如圖7 所示，控制臺上設有主機轉速表、舵角指示器等多功能分顯示器，可以顯示各類航行信息。

圖7 橋翼控制臺外形圖

4 結 語

3 600 車汽車運輸船采用混合動力（Hybrid）系統，該系統包含雙燃料主發電機、軸帶發電機及動力電池，對于全船配電及控制系統的設計帶來一定挑戰。 依托先進的電池控制策略及綜合管控系統，同時利用直流母線技術，完成了包含動力電池變流模塊的配電系統設計，實現了混動系統在汽車運輸船上的應用。