融入光伏發電技術的大型船舶電力系統可行性實驗研究

叢 巖，王笑虹，池華方，楊少龍

(1.大連海事大學 輪機工程學院，遼寧 大連 116026；2.大連船舶重工集團公司，遼寧 大連 116005)

0 引 言

在全球范圍內節能減排要求越來越迫切的大環境下，降低大型船舶尾氣排放，倡導綠色船舶，已是大勢所趨[1]。將可再生能源引入大型營運船舶的能源系統，是現階段營運船舶提高能效指數、降低污染物排放的方法之一。在新船設計能效指數（EEDI）中非碳能源的利用也已作為單獨一項進行核算[2]。陸地上，對可再生能源的利用，光伏發電的應用較為成功[3]。但光伏技術應用于大型遠洋船舶方面，世界各國只展開了小范圍的探索和嘗試。

2008年，日本郵船株式會社與新日本石油公司合作將旗下排水量為6萬噸的汽車滾裝船“御夫座領袖”（Auriga Leader）號進行了改裝。船上安裝使用的額定功率為40 kW的太陽能光伏系統采用離網輸出模式，可以滿足本船6.9%的照明需求或0.2%～0.3%的動力需求。2010年，當時世界上最大的全太陽能動力船 Turanor Planet Solar號在德國下水。船上安裝有額定功率為93 kW的純太陽能電力系統。該船在582天的環球航行中實現了燃油的零消耗和廢氣的零排放。2012年，三菱重工為商船三井建造的汽車運輸船Emerald Ace號投入運營。船上裝有額定功率達到160 kW的光伏發電系統。此船在靠港的時候所需的電力完全由航行時光伏存儲在電池組內的電能提供，實現了港區停泊的廢氣零排放[4]。

國內在該領域起步較晚，但具有后發優勢。2014年，武漢理工大學承擔國家工業和信息化部高技術船舶科研項目而設計的峰值功率為143 kW的離并網光伏發電系統被安裝到汽車運輸船“中遠騰飛”號上并投入運行[5-6]。同年，對上海安吉汽車物流有限公司的“安吉204”輪也進行了光伏發電系統的安裝改造。

對于光伏技術在大型船舶上的應用，并網型光伏系統不需要配備成本高昂的大容量電池，只需小容量儲能單元平抑輸出功率的波動即可。并網逆變器輸出的電能并入船舶主電網，可由綜合電力管理系統在全船范圍內統一調度，具有較高的能源利用效率[4-5]、可靠性和安全性。但并網型光伏系統在大型船舶上的應用，國內外鮮有報道。本文利用陸上機艙中已有的融入了并網型光伏發電系統的大型船舶電力系統平臺。為適應海船環境，對系統的軟、硬件進行進一步的優化設計和改造。通過實驗檢驗光伏系統在逆變控制、最大功率點跟蹤（MPPT）方法和儲能器效能等方面是否適用于大型海船。檢驗這種由柴油發電機組和光伏并聯供電的大型船舶電力系統在穩定性、可靠性、有效性、安全性和抗沖擊等方面是否符合相關規定。

1 融入并網型光伏發電技術的大型船舶電力系統可行性實驗

1.1 實驗平臺

陸上機艙實驗室按中國船級社（CCS）《鋼制海船入級規范》建造，機艙中系統和設備按萬噸級船舶設計和建造。

在已融入了光伏發電的船舶電力系統之上做了進一步的優化設計和改造。如圖1所示，光伏系統的電力送入配電板中的主匯流排，作為電源之一和船上的柴油發電機組、軸帶發電機并聯供電。

陸上機艙電力系統和設備基本情況如表1所示。

表1 機艙電力系統設備表Tab.1 Facilities and electric power system in engine room

船舶電網同實船一樣，為交流三相三線制電力系統。電網頻率為50 Hz。主配電板按實船設計分段保護，當匯流排一段發生故障，可斷開分段開關以保證正常供電。如某段饋線故障會迅速跳開分段開關而減少饋線上的短路電流。

1.2 光伏發電系統的優化設計

光伏電池板采用固定安裝方式[7]。在防腐蝕方面，對系統進行了防潮、防霉菌、防鹽霧的三防處理。設備在防護等級、防震抗搖等級等方面符合船級社和規范的要求。系統忽略了船舶低頻振動對光伏組件性能的影響[8]。光伏系統為并網型，為避免因光伏的不穩定輸出造成船舶電網大幅波動，將光伏總容量設計為50 kW，小于船舶主電網容量（800 kW）的10%[9]。為補償和平抑輸出功率的小范圍、頻繁波動，設置了儲能裝置。其額定輸出功率為5 kW。

為適應船舶電網容量小、負載對的電網沖擊大而且頻繁的特點，逆變的控制系統基于數字信號處理器（DSP）平臺搭建，同時使用復雜可編程邏輯器件（CPLD）輔助控制，對其中的軟件和程序進行了有針對性的優化和完善。在逆變系統的并網方式、控制策略及拓撲結構等方面做了進一步的設計和改造。系統直接控制輸出電流實現并網。在調制方式上，采用空間矢量脈寬調制（SVPWM）控制方式。設計了嚴密的硬件邏輯保護電路。整個系統運行更加可靠、平穩。系統具備過/欠壓、過/欠頻、防孤島、過流、防反放電、過載等保護功能。

在MPPT方面，為盡量做到系統能快速準確的跟蹤到最大功率點，減少在最大功率點處的振蕩，采用了改進的可變步長電導增量法。當系統的運行點遠離最大功率點時采用較大步長跟蹤，當運行點在最大功率點附近工作時選取小步長跟蹤。

光伏發電系統如圖2所示。光伏電池陣列產生的直流電首先送入具有防雷功能的直流匯流箱中。經匯流箱匯成一路送入單級隔離型并網逆變器中。逆變器將直流電能轉化成與電網同頻、同相位的交流電，經變壓器后去交流配電箱。然后，一路接入主匯流排，一路經儲能變流器給儲能器充電。在光伏輸出功率低于設定值的情況下，儲能器中的電能經變流器輸出到電網中以平抑輸出功率的小幅波動，實現光伏系統恒功率輸出。

逆變系統如圖3所示。

1.3 實驗方法

考慮到實船因柴油機的磨損而導致的輸出功率下降，電網消耗，因發電機原動機機型不同對系統的功率儲備要求不同（裝備了重油柴油的發電機，功率儲備較?。┮约安裼桶l電機的額定功率和機艙負載設備的實際情況，實驗中最大負荷定為340 kW。

起動柴油發電機組，投入電網運行。起動部分負載，模擬船舶處于定速航行的狀態。起動光伏發電系統，在儲能器滿電的情況下，將光伏發電系統并入電網，同柴油發電機并聯供電。模擬船舶定速航行時，天氣晴朗，光伏投入運行。

進行大負荷的突加和突減實驗，模擬突發狀況，船舶進出港口或通過狹窄水道等情況下的機動航行狀態。檢驗電力系統在穩定性和可靠性方面能否滿足大型海船的要求，是否符合《鋼制海船入級規范》和船級社的規定。

在相同的時間、相同的環境下，對優化的可變步長電導增量法、電導增量法和恒壓法之間進行切換和比較，驗證最佳的MPPT方式。重點檢驗系統在改進的可變步長電導增量法模式下工作時直流側的輸出功率和效率。

在光伏同柴油發電機組并聯供電時，將柴油發電機組從電網上解列，模擬極端情況下全船失電。對光伏系統進行孤島實驗，檢驗系統的保護功能是否可靠、響應是否迅速[10]。

手動調節逆變器輸出，模擬因天氣等外界環境變化造成的輸出波動。檢驗儲能裝置能否及時響應，能否可靠、有效、穩定地工作，能否有效抑制輸出功率的小幅頻繁波動。

2 結果與分析

根據中國船級社《鋼制海船入級規范》（2015第四分冊），船舶電氣設備應能在表2規定的電壓和頻率偏離額定值的波動情況下可靠工作。

表2 船舶電網電壓和頻率波動規定Tab.2 Regulations of voltage and frequency fluctuation for ship power system

2.1 大負載的突加和突減

實驗中同時起動主空壓機、主海水泵、壓載泵等大功率設備。將總負載從170 kW突然加到最大值340 kW。觀察這一過程中，光伏發電系統的工作狀態和船舶電力系統電能質量的變化。表3所示為突加負載的實驗過程中電網參數變化。

經觀察發現，在突加負載時，電網電壓在允許的范圍內突然下降，但在調壓器的作用下以非常短的時間（1 s內）迅速恢復正常并保持穩定。電網頻率在允許的范圍內突然下降，經過較短時間波動后（波動時間最大不超過4 s），迅速恢復正常并保持穩定。

表3 突加負荷電網參數變化Tab.3 Influence of sudden load incharge on power 0 grid performance

結果表明，系統在遇到突加負荷的情況時，能夠快速響應，迅速恢復到正常狀態。光伏發電系統持續穩定并網供電，輸出50 kW的功率不變。整個電力系統工作穩定、正常。柴油發電機經短暫的波動后承擔了290 kW的負荷。系統的波動范圍和響應時間，調節并恢復正常的時間符合《鋼制海船入級規范》和中國船級社（CCS）的要求。

在此基礎上突然卸掉170 kW的負載，觀察電網的波動情況和系統的運行狀況。表4為突減負載的實驗過程中參數變化

表4 突卸負荷電網參數變化Tab.4 Influence of sudden load discharge on power grid performance

經觀察，系統在突卸負荷后，電網電壓突然上升。在非常短的時間（1 s）內電網電壓迅速恢復正常，然后穩定在400 V不變。電網的頻率突然升高（幅度在允許范圍內），經過最大不超過4 s的短暫的波動后，頻率很快恢復正常并穩定在50 Hz不變。發電機組轉速經過短暫的波動后恢復正常。電力系統的波動程度和波動時間符合《鋼制海船入級規范》和CCS的要求。

實驗表明融入了并網型光伏發電系統的船舶電力系統在遇到大負荷的突加和突卸沖擊時，能夠迅速響應，將頻率、電壓等調節到正常值并維持穩定。其穩定性符合《鋼制海船入級規范》和CCS的要求。在此過程中，光伏系統持續穩定并網工作，向電網恒功率輸出。負載的波動由柴油發電機組來調節。

2.2 多種MPPT方法比較

海洋環境變化劇烈、波動頻繁、條件惡劣。應用于海船的光伏系統不但要有較好的光電轉換效率，在MPPT方面還要具備較好的動態響應特性和平滑的穩態特性。避免在穩定性、多峰值和誤跟蹤等方面的問題。實驗中，同時間段、同條件下在幾種不同的MPPT方式中轉換。通過比較發現：在經過優化的可變步長電導增量法模式下工作時，逆變器直流側輸出功率總是比在其它模式下工作的大。表明在同樣條件下，改進的可變步長電導增量法在MPPT方面具有相對的優勢。

2.3 孤島效應

船舶電力系統工況惡劣。極端情況下，系統會崩潰而全船失電。孤島實驗中，能量管理系統（PMS）發出警報。同時，光伏系統逆變柜監控屏發出報警，系統切斷電力輸出、自動停機。這表明在遇到全船失電這樣的極端情況時，PMS和并網逆變器的孤島效應檢測系統能夠有效的工作。能及時的切斷光伏系統的電力輸出并使其停機，保護系統和避免危害的發生。

2.4 儲能裝置效能實驗

手動多次地調節逆變器參數，但不改變光伏系統總輸出功率的設定值。模擬因天氣頻繁突變或船舶航向變化造成的光伏輸出功率的頻繁小幅度波動。表5為實驗過程中參數的變化。

表5 光伏及儲能器輸出參數變化Tab.5 Output parameters of photovoltaic system and energy accumulator

通過觀察配電板及逆變柜上各個控制屏顯示的參數變化，發現只要輸出功率波動在儲能器補償能力范圍內，光伏發電系統都會恒功率輸出。如表中所提取的數據顯示，光伏輸出因人為原因在5 kW的范圍內快速頻繁變化，儲能單元的輸出功率隨之發生改變，光伏發電系統的總輸出功率維持在50 kW穩定不變。輸出的波動被儲能單元有效補償。結果表明：儲能裝置在劇烈波動的外界環境中運行比較可靠、有效。

3 結 語

經過軟、硬件的優化改造后，融入了并網型光伏發電技術的大型船舶電力系統適應大型海船環境。在受到大負荷沖擊時，頻率在5 s內、電壓在1.5 s內能迅速恢復正常并保持穩定，船舶電力系統的波動符合要求。系統的保護功能有效，響應迅速。光伏系統能在一定程度上平抑輸出波動，實現恒功率輸出，系統中負載的波動由柴油發電機組承擔。在MPPT方法上，經過改良后的可變步長電導增量法具有相對的優勢。電力系統在穩定性和可靠性上滿足《鋼制海船入級規范》和CCS的技術要求。為進一步應用于實船提供了參考依據。

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