电池/发电机混合动力集装箱船CO2减排分析外文翻译资料

英语原文共 7 页

于2017年11月27日收到，2018年2月27日接受，出版日期：2018年3月20日，当前版本日期2018年4月4日。

数字编号10.1109/ACCESS.2018.2814635

电池/发电机混合动力集装箱船CO₂减排分析

KYUNGHWA KIM¹, KIDO PARK¹, JAEHOON LEE¹, KANGWOO CHUN¹, AND SEOK-HYUN LEE²

1未来技术研究团队，韩国釜山46762

2仁河大学电气工程系，韩国仁川22212

通讯作者:Kim Kyunghwa (kimkh@krs.co.kr)和Lee Seok-Hyun plasma@inha.ac.kr)

这项工作部分由韩国能源技术评价和规划研究所支持，部分由韩国贸易、工业和能源部资助20162010103990。

摘要：进入指定排放管制区的船舶，必须按照国际海事组织的规定或当地的政策，大幅度减少排放气体。因此，将传统发电机与锂离子电池相结合的混合动力系统作为一种储能系统(ESS)已应用于船舶。然而，这种混合概念一直集中在小型沿海船舶上，因为它们航程时间短或需要短时间的高峰值功率。此外，本文还进一步论证了中型远洋船舶混合动力系统的潜力。首先，选择一艘中型集装箱船作为目标船。定义了港口附近的电力负荷分布，以选择最优的ESS和发电机容量。然后，为了验证该系统的优越性，本文采用MATLAB/Simulink软件进行仿真。最后，二氧化碳的排放在提议的电力系统和仅使用发电机的传统能源之间进行比较。总体结果表明,根据船舶电力负荷条件,可以减少8.6%sim;20.7%二氧化碳排放。因此，混合动力系统可以为中型远洋船舶和小型沿海船舶提供环保解决方案。

关键词：混合动力系统，电池，空气污染，储能系统(ESS)，集装箱船

1 引言

今天，几乎所有的科学家都同意温室气体(GHGs)导致世界上一些地区的平均气温上升和严重的气候变化。大部分额外的二氧化碳(CO₂)是化石燃料(如石油、天然气和煤炭)燃烧的结果。在海洋工业中，排放问题同样被提出，并实施了更严格的规定。

一艘大中型集装箱船以70%的动力运行一天，使用3500ppm(3.5%)的燃油，平均每天排放的PM2.5(直径小于2.5微米的细颗粒物)相当于中国50万辆卡车一天的排放量^[1]。大约70%的船舶排放发生在海岸线400公里以内^[2],[3]。因此，潜在的健康风险增加，包括肺功能下降、心血管疾病、哮喘加重等，尤其是对于港口和沿海地区的居民。各区域的保健费用也相应增加。造成空气污染的主要原因是船舶燃烧重油(HFO)所排放的高浓度有害气体。

在这方面，国际海事组织(IMO)对指定沿海排放管制地区(欧洲共同体:波罗的海、北海和北美沿海地区等)的船舶所使用的燃油规定了硫氧化物(SO_X)和氮氧化物(NO_X)的限制。特别值得一提的是，SO_X的上限自2015年以来一直是0.10% m/m。它比之前1.0% m/m的限制严格了10倍，所有的主发动机、发电机发动机和锅炉都受到该规定的影响。因此，使用HFO的船舶在进入排放控制区域(ECAs)时必须采取行动。

为此，烟气后处理系统(SO_X洗涤器、选择性催化还原等)、替代燃料(液化天然气、甲醇、生物燃料等)的替代以及储能系统(ESS)的应用受到了海洋工业的重视，以提高作业效率，减少有害排放。

然而，ESS(即锂离子二次电池)的应用仅限于几种类型的船舶。对于航程较短的渡船和游轮，ESS是一种合适的动力源，因为它是无噪声、无振动的。在拖船的情况下，动态定位(DP)船舶在短时间内需要高电力，ESS可以在有限的时间内用于响应峰值作业^[4]。此外，ESS已成为小型沿海船舶用常规发电机替代的主要动力源。

对于一艘需要兆瓦级电力的远洋中型商船来说，用ESS完全替代发电机的主电源并不容易。因此，最好采用ESS与生成器相结合的混合概念。在这方面，进行了分析，以验证中型商品船混合策略的有效性。

本文分为三个部分。在第二章中，介绍了目标船，并给出了一些假设和局限性。在第3章和第4章中，使用MATLAB/Simulink软件对电池/发电机混合系统进行了仿真，基于两种场景:最低和最高的电力需求。第五章对常规电力系统和提出的系统的CO₂排放进行了比较。最后，本文给出了结束语。

2 目标船舶

仿真目标船是一艘集装箱船，通常在航行过程中访问多个港口。它被称为转运，即从一艘船上卸下一些集装箱(通常在一个枢纽港)，然后把它们装上另一艘船，再进一步运到卸货港。在本案例研究中，假设一艘5000个20英尺当量单元(TEU)集装箱船在一个枢纽港卸下500个TEU集装箱进行转运。

并针对港口运行情况进行了仿真。港口时间一般分为三种模式，这三种模式随船型和港口设施的不同而不同。而集装箱船舶的重型电气用户则因作业方式的不同而有所不同(如下所示)^[5]。如果船舶运输冷藏集装箱，最重的电力负荷主要是冷藏集装箱:

• 港口进/出（接近/离开港口）：船首推力器、主机辅机鼓风机、系泊绞车电机等。
• 港口(等候):机舱通风机、船上生活必备设备等。
• 港口集装箱装卸:防倾泵、压载泵等。

以上端口的进/出模式分为两部分:

• 船首推力器不工作(在领航员上船后低速进入港口)。
• 船首推力器工作(低速接近港口以完成进近)。

据报道，船首推力器在一个港口使用约20 ~ 40分钟。港口(等待)模式包括货物装卸开始前的准备时间，以及货物装卸完毕后的安排时间。在这段时间，岸上的电力连接或断开，为船舶供电。它被称为替代海上力量(AMP)行动。装卸方式是指货物装卸作业从开始到结束的实际时间。

为进行分析而作出的假设或限制的详情如下:

• 船型:5000 TEU集装箱船(含350 reefer集装箱)
• 岸上连接/断开时间:1小时^[6]
• 500 TEU(不含冷藏集装箱)卸货时间:5小时^[7]
• ESS型号:锂离子电池，放电深度80% (DoD)
• 集线器端口具有用于电池充电的AMP设备

冷藏箱的实际耗电量因其运行状态，特别是温度的不同而有所不同。在本案例研究中，假设一个冷藏集装箱利用约7千瓦的电力负荷，可以运输香蕉^[8].

图一所示：简化电力系统布局。(a)常规电力系统。(b)拟议的混合动力系统。

3 提出的混合动力系统

传统的电力系统有四个发电机，但提出的混合系统结合发电机和ESS供电方式如下：

前：PG_t = PG₁ PG₂ PG₃ PG₄ [kW] （1）

后：PG_t = (PG₁ PG₂ PG′₃) (PB₁ PB₂)[kw] （2）

其中PG_t为总发电功率，PG_X为No.3发电机的发电功率，PG′₃为缩小后的3号发电机的发电功率，PB_X为No.X ESS发电机的发电功率。因此，传统电力系统和提出的混合动力系统如图1所示。

图二所示：集装箱船的简化载荷剖面。(a)场景1(没有冷藏集装箱-最低电力需求条件)。(b)场景2(全冷藏集装箱-最大的电力需求条件)。

在本文中，根据如下端口的负载情况选择了两种场景，简化的负载概要如图2所示。

• 场景1：无冷藏集装箱(最低电力需求条件)
• 场景2：满载冷藏集装箱(最大电力需求条件)

考虑到发电机(G1、G2、G3′)在满载冷藏集装箱的正常海运模式下，有85%的运行道路系数，确定了G3′的容量。

ESS的容量是基于最大的电源条件，端口在进/出模式与全冷藏集装箱。这是根据技术标准IEEE Std. 485^[9]计算的，具体如下。假设电池工作在80%放电深度(DoD) - 10 - 90%荷电状态(SOC)下，其对电池(Ed)的最高需求能量(Ed)为1,195千瓦时，在港口进/出模式与全冷藏集装箱。(见表1(b)):

E_d=2,390kWtimes;0.5hour=1,195kWh (3)

C_min=(E_dtimes;k_atimes;k_ctimes;k_t)/(V_dctimes;k_dodtimes;k_e)

=(E_d/(V_dctimes;k_dod))times;k

=(1,195kWh/(440Vtimes;0.8))times;1.2cong;4,074Ah (4)

B_required=4,074Ahtimes;440V=1,793kVAhlt;2MWh (5)

C_min哪里最低电池容量(啊),直流是名义上的电池电压(V), k_dod电池国防部(%),k_a电池老化因子(%),k_c是额定容量的因素(%),k_t的温度校正系数(%),柯是系统效率(%),和B_required所需的电池容量(kVAh)。k (k_a, k_c, k_t, k_e)之和为1.2，因为目前还没有锂离子电池的标准行业实践。因此，考虑到10%的安全裕度，所需要的电池容量确定在2 MWh左右，为冗余起见，将该容量分为1 MWh的两部分。

图三所示：仿真模型的配置

表一：(a)场景1(没有冷藏集装箱)。(b)场景2(完全冷藏集装箱)。

(a)场景1(没有冷藏集装箱)

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