船舶光伏發(fā)電并網及其關鍵技術的應用初探

許獻岐

（天津海運職業(yè)學院，天津300350）

船舶光伏發(fā)電并網及其關鍵技術的應用初探

許獻岐

（天津海運職業(yè)學院，天津300350）

隨著船舶運輸量的高需求，船舶數量的增加，船舶在運輸過程中所釋放的二氧化碳等污染氣體以及船舶能源的消耗也與日俱增。為節(jié)能減排，將太陽能光伏發(fā)電技術應用到船舶是重要的手段之一。由于船舶運行環(huán)境及設備用電要求的特殊性，在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)與船舶主電網構成并網供電系統(tǒng)中，運用MPPT控制模塊技術的電導增量法及逆變器控制技術的主動調頻方法是確保系統(tǒng)可靠運行的有效途徑之一。

運輸船舶；電力系統(tǒng)；光伏發(fā)電；技術；應用

海洋運輸是國際、國內商品貿易交換中最重要的運輸方式之一，船舶貨物運輸量大約占全部商品貿易交換貨物的80%以上。我國沿海有許多優(yōu)質的不凍港口，具有發(fā)展航海運輸的有利條件。我國進出口貨運總量的約90%都是利用海上運輸，目前我國的港口貨物吞吐量和集裝箱吞吐量均已居世界第一位，已經成為了世界上最重要的海運大國之一。海洋運輸船舶隨著運輸量的增加，船舶數量也與日俱增，據國際船舶網統(tǒng)計數據顯示，2013年僅12月份全球新船訂單1 628.98萬載重噸，見圖1［1］。

圖1 2013年全球新船訂單統(tǒng)計Fig.1 New ship order statistics in 2013

1 光伏系統(tǒng)在船舶上的應用

營運中的船舶在運行過程中要消耗大量的能量，船舶副機不僅為主機各系統(tǒng)的循環(huán)泵、錨機、舵機、無線通信、導航等設備提供著電量，而且擔負著船員的生活用電。輔機運行中不僅消耗著能源，而且在燃油燃燒中會排放二氧化碳、一氧化碳、五氧化二氮等污染氣體。為使船舶運行中節(jié)能、環(huán)保，世界造船業(yè)的主要研究方向開始集中在節(jié)能減排和探索新能源等方面，著手于大力發(fā)展船舶清潔可再生動力能源技術的研究。

太陽能是地球上資源最豐富、分布最廣的可再生能源之一，太陽以光輻射的形式發(fā)射的能量中每年約1.8×l018kW·h的能量被地球接收。太陽能光伏發(fā)電作為當今世界開發(fā)利用可再生能源的主要形式之一，以其無污染、無噪音、維護簡單等特點展示出無比廣闊開發(fā)空間和應用前景，將是未來最重要的能源之一［2］。隨著能源開發(fā)利用技術的進步和成本的降低，太陽能光伏發(fā)電已成為繼水電、風電之后被世界各國大規(guī)模開發(fā)利用的新型清潔能源技術［3］。近年來，以太陽能為輔助電力能源的新型船舶獲得廣泛關注和研究，將環(huán)保、節(jié)能的光伏發(fā)電系統(tǒng)應用于船舶之上已逐漸成為航運行業(yè)、企業(yè)探尋節(jié)能減排解決方案之一。

1.1 船舶耗電負載及系統(tǒng)布置

船舶耗電負載包括主機用的冷卻淡水泵、海水泵、鼓風機等；甲板機械中的錨機、舵機、起貨機、起艇機、舷梯機、絞纜機等；艙室中的壓載水泵、生活用水泵、消防泵、艙底泵、輔助鍋爐等；機修機械中的車床、鉆床、電焊機、盤車機等；冷藏通風設備中的空調裝置、伙食冷庫等各種輔助機械、通風機等；甲板、艙室照明設備、航行燈、信號燈、電風扇等；廚房設備中的電灶、電烤箱、電茶爐的輔助機械等；無線電通信、導航、船內通信等設備；自動化裝置、蓄電池充放設備、艏側推設備等等。根據這些負載能耗情況，將用電分為動力電、低壓電、照明電、應急用電等，分別連接到主配電板，再連接至各分配電盤（如動力配電板、應急配電板、照明配電板和蓄電池充放電板等）［4］。

1.2 船舶電力系統(tǒng)結構

按照船舶供電要求，結合船舶運行的實際，船舶電力系統(tǒng)的結構布置如圖2所示。在正常航行時，船舶供電由1臺或2臺船舶發(fā)電機供電；船舶靠港時，有時借助碼頭的電力系統(tǒng)為船舶供電；另外還靠蓄電池應急供電。

圖2 船舶電力系統(tǒng)供電示意圖Fig2Ship power system diagram

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的應用及問題

將光伏發(fā)電系統(tǒng)連接到圖2所示的船舶電網，與整個船舶電網并聯(lián)，同時像岸電系統(tǒng)一樣，用開關來控制，這樣形成一個分布式發(fā)電系統(tǒng)。無論采用何種供電方式，都能夠保障船舶設備的正常用電。然而，光伏供電系統(tǒng)應用到船舶會存在以下問題。

2.1 船舶的運行環(huán)境的影響

船舶航行于大海中，為滿足企業(yè)運輸的需要，每艘船的航線是不固定的，不同的航線其地理位置不同，同一航線各點所處的地理位置也不相同，地理位置不同，氣候存在很大差異。同時船舶在一年四季航行中，季節(jié)不同，氣候也不同。因此，在不同的氣候中，其光輻射的強度、氣溫不同；另外，船舶在運行中，正常航行與離靠港時，啟用設備的數量是不同的，其耗電量也就不同。而船用電氣設備的運行可靠性等級要求也高于陸用設備［5］，設備的運行受到發(fā)電系統(tǒng)電壓、電量的影響，所以船舶運行時依靠光伏發(fā)電供電，其供電的電壓、電量必須滿足設備的要求。

2.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的缺陷

光伏發(fā)電系統(tǒng)并網存在“孤島效應”，光伏并網系統(tǒng)開關自主或意外斷開，并網發(fā)電系統(tǒng)與本地網絡仍舊形成孤島運行，由此會產生一系列危害：

1）電網系統(tǒng)中的電壓、頻率產生波動，致使船用電氣設備運行受到危害，當電壓、頻率過高時使設備燒毀，當過低時難以保障設備的正常運行；

2）部分線路未斷電，檢修人員因不了解狀態(tài)，其人身會遭到危害；

3）配電系統(tǒng)的保護開關動作程序受到影響；

4）可能由于因孤島效應所產生的故障（如接地故障）不能清除或由于產生的沖擊電流等，致使電網系統(tǒng)中的設備損壞，電網系統(tǒng)不能恢復。

3 關鍵技術的應用

3.1 MPPT控制模塊技術的應用

光伏發(fā)電受外界環(huán)境的影響較大，光發(fā)電的功率、電流和電壓隨著環(huán)境溫度和光照強度的變化而不同，通過實驗，光伏發(fā)電單元—光伏電池所發(fā)出功率和電壓、電流為非線性關系。同時，光伏發(fā)電系統(tǒng)開路電壓和短路電流不穩(wěn)定，致使光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率降低，如將光伏系統(tǒng)的電力引入船舶電站進行并網運行設備工作的可靠性降低，因此，在任何情況下都能保持光伏發(fā)電系統(tǒng)最大輸出功率，確保電壓輸出的波形、幅值及相位與船舶副機發(fā)電系統(tǒng)一致是船舶光伏發(fā)電并網的關鍵。應用MPPT控制技術是解決問題的途徑之一［6］。

光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏電池的能量轉換效率與光伏電池的內部結構特性有關，MPPT控制技術通過不斷地檢測光伏發(fā)電系統(tǒng)中電池的輸出功率，運用控制算法來估算當前情況下系統(tǒng)輸出的最大功率，通過調整當前的負載阻抗匹配來實現最大功率輸出。這樣就可以在光伏發(fā)電系統(tǒng)因氣溫升高而使得陣列輸出功率降低時，仍可以保證整個系統(tǒng)在當前工況下運行于最佳的匹配狀態(tài)。MPPT的控制算法包括電導增量法、最優(yōu)梯度法、電壓跟蹤法、功率反饋法等［7］。其中，電導增量法具有能量損耗小、響應速度快、控制精度高的特點。在變化無常的船舶運行的環(huán)境中，采用電導增量法控制系統(tǒng)能夠使光伏電池能以穩(wěn)定的方式跟蹤其變化。它通過對光伏發(fā)電系統(tǒng)的電壓和電流進行采樣，比較光伏電池的電導增量和瞬時電導改變控制信號，以達到最大輸出功率的條件［8］。一般光伏組件輸出的功率與電壓的P-V圖如圖3所示。

圖3 光伏組件輸出功率-電壓Fig3P-V characteristics cure of PV array

由圖3的變化可知，最大輸出功率點的斜率為零。由于光伏組件的瞬時功率P=IU，考慮到曲線斜率的關系，所以將公式兩邊求導得出：

式（2）說明了電導增量與獲取最大功率點的關系。

表1 光伏組件的輸出功率與電壓增量關系Tab.1 The PV array output power and volage incremental relations

電導增量控制方法，能夠精確地控制光伏電池所產生的電流、電壓幅值、波形、電壓及相位與船舶副機的發(fā)電系統(tǒng)一致性。

3.2 逆變器控制技術

船舶電力系統(tǒng)采用的是分布式供電結構，因此，其“孤島效應”的檢測需采用逆變器控制的自我檢測（local detection）［9］。為了達到對電能質量影響小、穩(wěn)定性高、檢測時間短、盲區(qū)小或無盲區(qū)的檢測效果，孤島檢測功能集成在逆變器內部。采取對逆變器輸出的電壓電流等電量實施擾動及監(jiān)測電路響應情況的監(jiān)測方法，來判斷逆變器是否與電網相連。該技術較普遍采用的方法有：

1）采取對逆變器輸出電路的阻抗變化進行監(jiān)測的方法。在歐盟的EN 50330—1標準中規(guī)定：光伏發(fā)電系統(tǒng)中的阻抗變化1 ?時即可認為形成孤島。需要在5 s內切斷電網。在電網斷開后，公共點頻率偏離正常范圍。

2）采用對輸出電壓正反饋（sandia voltage shift，SVS）的方法。其做法是對逆變器所輸出電流有效值或有功調節(jié)環(huán)施加正反饋，使電網斷開后，公共點電壓能很快地偏離正常范圍，從而檢測出孤島狀態(tài)。該方法不影響電能質量，但會造成功率損失，且由于擾動周期比較長，孤島檢測時間較慢。

3）采用無功補償檢測（reactive power compensation）的方法。對同時輸出有功和無功的逆變器，隨時檢測并網運行時的負載無功需求，對負載作部分無功補償或波動無功補償以打破無功平衡，使電網斷開后，公共點頻率能很快地偏離正常范圍。此方法基于功率控制，控制策略比較復雜。

4）采用主動頻率（frequency techniques）的方法。逆變器對輸出電流的頻率做正反饋擾動，在電網斷開后，將公共點頻率快速推離正常范圍。該方法具有對電能質量影響小、易于實現等優(yōu)點，多機并網系統(tǒng)中同樣有效。該技術的檢測盲區(qū)主要集中在負載品質因數Qf（quality factor）較高時，高Qf的諧振電路將阻止逆變器的輸出頻率偏離諧振頻率，Qf越大，其阻尼作用越強。

由于船舶設備的運行可靠性的要求要比陸地上高，同時船舶電網具有多機并網的特點，而且頻率檢測比電壓檢測靈敏有效，所以船舶光伏發(fā)電并網的孤島檢測采用主動頻率的方法作為監(jiān)測技術。

4 結論

太陽能光伏發(fā)電在船舶上的應用目前處于研究階段，在大型遠洋船舶上的應用較少。隨著科學技術的進步，光伏發(fā)電技術的日益成熟，光伏發(fā)電系統(tǒng)并入船舶電力系統(tǒng)勢在必行。然而為保障船舶設備運行的可靠性，采用MPPT控制模塊技術及逆變器控制技術將是最有效的途徑之一。

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［2］岳鵬，王伶，張浩.國內外太陽能光伏政策研究［J］.綠色建筑，2011（5）：58-60.

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［5］孫玉偉.船用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設計及性能評估［D］.武漢：武漢理工大學，2010.

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Exploration into Grid?connected PV Power Generation and the Application of Crucial Technology on Vessels

XU Xian?qi
（Tianjin Maritime College，Tianjin 300350，China）

With the high demand of transportation volume and the increasing number of vessels，the pollutant gases are released in the course of transportation，like carbon dioxide，and the energy consumption on the vessel are also gradually becoming more.Applying solar photovoltaic power generation technology to the transportation of vessels is one of the most important measures to save energy and reduce the emission of pollutants.Because of the particularity of vessel transportation and the requirements for power equipment，the incremental conductance method using the maximum power point tracking（MPPT）control module technology and the inverter control technology of active frequency method are effective ways to ensure the reliability of the system，which is the grid?connected power generation system composed of solar photovoltaic power generation system and the main grid of the vessel.

transport vessels；power system；photovoltaic power generation；technology；application

U665.1

A

2015-01-29

修改稿日期：2015-07-27

許獻岐（1968-）男，碩士，副教授，Email：xianqixu@163.com