融入光伏發(fā)電技術(shù)的大型船舶電力系統(tǒng)可行性實(shí)驗(yàn)研究

叢 巖，王笑虹，池華方，楊少龍

(1.大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連 116026；2.大連船舶重工集團(tuán)公司，遼寧 大連 116005)

0 引 言

在全球范圍內(nèi)節(jié)能減排要求越來(lái)越迫切的大環(huán)境下，降低大型船舶尾氣排放，倡導(dǎo)綠色船舶，已是大勢(shì)所趨[1]。將可再生能源引入大型營(yíng)運(yùn)船舶的能源系統(tǒng)，是現(xiàn)階段營(yíng)運(yùn)船舶提高能效指數(shù)、降低污染物排放的方法之一。在新船設(shè)計(jì)能效指數(shù)（EEDI）中非碳能源的利用也已作為單獨(dú)一項(xiàng)進(jìn)行核算[2]。陸地上，對(duì)可再生能源的利用，光伏發(fā)電的應(yīng)用較為成功[3]。但光伏技術(shù)應(yīng)用于大型遠(yuǎn)洋船舶方面，世界各國(guó)只展開(kāi)了小范圍的探索和嘗試。

2008年，日本郵船株式會(huì)社與新日本石油公司合作將旗下排水量為6萬(wàn)噸的汽車(chē)滾裝船“御夫座領(lǐng)袖”（Auriga Leader）號(hào)進(jìn)行了改裝。船上安裝使用的額定功率為40 kW的太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)采用離網(wǎng)輸出模式，可以滿(mǎn)足本船6.9%的照明需求或0.2%～0.3%的動(dòng)力需求。2010年，當(dāng)時(shí)世界上最大的全太陽(yáng)能動(dòng)力船 Turanor Planet Solar號(hào)在德國(guó)下水。船上安裝有額定功率為93 kW的純太陽(yáng)能電力系統(tǒng)。該船在582天的環(huán)球航行中實(shí)現(xiàn)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(chē)運(yùn)輸船Emerald Ace號(hào)投入運(yùn)營(yíng)。船上裝有額定功率達(dá)到160 kW的光伏發(fā)電系統(tǒng)。此船在靠港的時(shí)候所需的電力完全由航行時(shí)光伏存儲(chǔ)在電池組內(nèi)的電能提供，實(shí)現(xiàn)了港區(qū)停泊的廢氣零排放[4]。

國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域起步較晚，但具有后發(fā)優(yōu)勢(shì)。2014年，武漢理工大學(xué)承擔(dān)國(guó)家工業(yè)和信息化部高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目而設(shè)計(jì)的峰值功率為143 kW的離并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)被安裝到汽車(chē)運(yùn)輸船“中遠(yuǎn)騰飛”號(hào)上并投入運(yùn)行[5-6]。同年，對(duì)上海安吉汽車(chē)物流有限公司的“安吉204”輪也進(jìn)行了光伏發(fā)電系統(tǒng)的安裝改造。

對(duì)于光伏技術(shù)在大型船舶上的應(yīng)用，并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)不需要配備成本高昂的大容量電池，只需小容量?jī)?chǔ)能單元平抑輸出功率的波動(dòng)即可。并網(wǎng)逆變器輸出的電能并入船舶主電網(wǎng)，可由綜合電力管理系統(tǒng)在全船范圍內(nèi)統(tǒng)一調(diào)度，具有較高的能源利用效率[4-5]、可靠性和安全性。但并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)在大型船舶上的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外鮮有報(bào)道。本文利用陸上機(jī)艙中已有的融入了并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的大型船舶電力系統(tǒng)平臺(tái)。為適應(yīng)海船環(huán)境，對(duì)系統(tǒng)的軟、硬件進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)和改造。通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)光伏系統(tǒng)在逆變控制、最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）方法和儲(chǔ)能器效能等方面是否適用于大型海船。檢驗(yàn)這種由柴油發(fā)電機(jī)組和光伏并聯(lián)供電的大型船舶電力系統(tǒng)在穩(wěn)定性、可靠性、有效性、安全性和抗沖擊等方面是否符合相關(guān)規(guī)定。

1 融入并網(wǎng)型光伏發(fā)電技術(shù)的大型船舶電力系統(tǒng)可行性實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

陸上機(jī)艙實(shí)驗(yàn)室按中國(guó)船級(jí)社（CCS）《鋼制海船入級(jí)規(guī)范》建造，機(jī)艙中系統(tǒng)和設(shè)備按萬(wàn)噸級(jí)船舶設(shè)計(jì)和建造。

在已融入了光伏發(fā)電的船舶電力系統(tǒng)之上做了進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)和改造。如圖1所示，光伏系統(tǒng)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(fā)電機(jī)組、軸帶發(fā)電機(jī)并聯(lián)供電。

陸上機(jī)艙電力系統(tǒng)和設(shè)備基本情況如表1所示。

表1 機(jī)艙電力系統(tǒng)設(shè)備表Tab.1 Facilities and electric power system in engine room

船舶電網(wǎng)同實(shí)船一樣，為交流三相三線(xiàn)制電力系統(tǒng)。電網(wǎng)頻率為50 Hz。主配電板按實(shí)船設(shè)計(jì)分段保護(hù)，當(dāng)匯流排一段發(fā)生故障，可斷開(kāi)分段開(kāi)關(guān)以保證正常供電。如某段饋線(xiàn)故障會(huì)迅速跳開(kāi)分段開(kāi)關(guān)而減少饋線(xiàn)上的短路電流。

1.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

光伏電池板采用固定安裝方式[7]。在防腐蝕方面，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了防潮、防霉菌、防鹽霧的三防處理。設(shè)備在防護(hù)等級(jí)、防震抗搖等級(jí)等方面符合船級(jí)社和規(guī)范的要求。系統(tǒng)忽略了船舶低頻振動(dòng)對(duì)光伏組件性能的影響[8]。光伏系統(tǒng)為并網(wǎng)型，為避免因光伏的不穩(wěn)定輸出造成船舶電網(wǎng)大幅波動(dòng)，將光伏總?cè)萘吭O(shè)計(jì)為50 kW，小于船舶主電網(wǎng)容量（800 kW）的10%[9]。為補(bǔ)償和平抑輸出功率的小范圍、頻繁波動(dòng)，設(shè)置了儲(chǔ)能裝置。其額定輸出功率為5 kW。

為適應(yīng)船舶電網(wǎng)容量小、負(fù)載對(duì)的電網(wǎng)沖擊大而且頻繁的特點(diǎn)，逆變的控制系統(tǒng)基于數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）平臺(tái)搭建，同時(shí)使用復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）輔助控制，對(duì)其中的軟件和程序進(jìn)行了有針對(duì)性的優(yōu)化和完善。在逆變系統(tǒng)的并網(wǎng)方式、控制策略及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等方面做了進(jìn)一步的設(shè)計(jì)和改造。系統(tǒng)直接控制輸出電流實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。在調(diào)制方式上，采用空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）控制方式。設(shè)計(jì)了嚴(yán)密的硬件邏輯保護(hù)電路。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行更加可靠、平穩(wěn)。系統(tǒng)具備過(guò)/欠壓、過(guò)/欠頻、防孤島、過(guò)流、防反放電、過(guò)載等保護(hù)功能。

在MPPT方面，為盡量做到系統(tǒng)能快速準(zhǔn)確的跟蹤到最大功率點(diǎn)，減少在最大功率點(diǎn)處的振蕩，采用了改進(jìn)的可變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法。當(dāng)系統(tǒng)的運(yùn)行點(diǎn)遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)時(shí)采用較大步長(zhǎng)跟蹤，當(dāng)運(yùn)行點(diǎn)在最大功率點(diǎn)附近工作時(shí)選取小步長(zhǎng)跟蹤。

光伏發(fā)電系統(tǒng)如圖2所示。光伏電池陣列產(chǎn)生的直流電首先送入具有防雷功能的直流匯流箱中。經(jīng)匯流箱匯成一路送入單級(jí)隔離型并網(wǎng)逆變器中。逆變器將直流電能轉(zhuǎn)化成與電網(wǎng)同頻、同相位的交流電，經(jīng)變壓器后去交流配電箱。然后，一路接入主匯流排，一路經(jīng)儲(chǔ)能變流器給儲(chǔ)能器充電。在光伏輸出功率低于設(shè)定值的情況下，儲(chǔ)能器中的電能經(jīng)變流器輸出到電網(wǎng)中以平抑輸出功率的小幅波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)恒功率輸出。

逆變系統(tǒng)如圖3所示。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

考慮到實(shí)船因柴油機(jī)的磨損而導(dǎo)致的輸出功率下降，電網(wǎng)消耗，因發(fā)電機(jī)原動(dòng)機(jī)機(jī)型不同對(duì)系統(tǒng)的功率儲(chǔ)備要求不同（裝備了重油柴油的發(fā)電機(jī)，功率儲(chǔ)備較?。┮约安裼桶l(fā)電機(jī)的額定功率和機(jī)艙負(fù)載設(shè)備的實(shí)際情況，實(shí)驗(yàn)中最大負(fù)荷定為340 kW。

起動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組，投入電網(wǎng)運(yùn)行。起動(dòng)部分負(fù)載，模擬船舶處于定速航行的狀態(tài)。起動(dòng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，在儲(chǔ)能器滿(mǎn)電的情況下，將光伏發(fā)電系統(tǒng)并入電網(wǎng)，同柴油發(fā)電機(jī)并聯(lián)供電。模擬船舶定速航行時(shí)，天氣晴朗，光伏投入運(yùn)行。

進(jìn)行大負(fù)荷的突加和突減實(shí)驗(yàn)，模擬突發(fā)狀況，船舶進(jìn)出港口或通過(guò)狹窄水道等情況下的機(jī)動(dòng)航行狀態(tài)。檢驗(yàn)電力系統(tǒng)在穩(wěn)定性和可靠性方面能否滿(mǎn)足大型海船的要求，是否符合《鋼制海船入級(jí)規(guī)范》和船級(jí)社的規(guī)定。

在相同的時(shí)間、相同的環(huán)境下，對(duì)優(yōu)化的可變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法、電導(dǎo)增量法和恒壓法之間進(jìn)行切換和比較，驗(yàn)證最佳的MPPT方式。重點(diǎn)檢驗(yàn)系統(tǒng)在改進(jìn)的可變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法模式下工作時(shí)直流側(cè)的輸出功率和效率。

在光伏同柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)供電時(shí)，將柴油發(fā)電機(jī)組從電網(wǎng)上解列，模擬極端情況下全船失電。對(duì)光伏系統(tǒng)進(jìn)行孤島實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)系統(tǒng)的保護(hù)功能是否可靠、響應(yīng)是否迅速[10]。

手動(dòng)調(diào)節(jié)逆變器輸出，模擬因天氣等外界環(huán)境變化造成的輸出波動(dòng)。檢驗(yàn)儲(chǔ)能裝置能否及時(shí)響應(yīng)，能否可靠、有效、穩(wěn)定地工作，能否有效抑制輸出功率的小幅頻繁波動(dòng)。

2 結(jié)果與分析

根據(jù)中國(guó)船級(jí)社《鋼制海船入級(jí)規(guī)范》（2015第四分冊(cè)），船舶電氣設(shè)備應(yīng)能在表2規(guī)定的電壓和頻率偏離額定值的波動(dòng)情況下可靠工作。

表2 船舶電網(wǎng)電壓和頻率波動(dòng)規(guī)定Tab.2 Regulations of voltage and frequency fluctuation for ship power system

2.1 大負(fù)載的突加和突減

實(shí)驗(yàn)中同時(shí)起動(dòng)主空壓機(jī)、主海水泵、壓載泵等大功率設(shè)備。將總負(fù)載從170 kW突然加到最大值340 kW。觀察這一過(guò)程中，光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作狀態(tài)和船舶電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的變化。表3所示為突加負(fù)載的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電網(wǎng)參數(shù)變化。

經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，在突加負(fù)載時(shí)，電網(wǎng)電壓在允許的范圍內(nèi)突然下降，但在調(diào)壓器的作用下以非常短的時(shí)間（1 s內(nèi)）迅速恢復(fù)正常并保持穩(wěn)定。電網(wǎng)頻率在允許的范圍內(nèi)突然下降，經(jīng)過(guò)較短時(shí)間波動(dòng)后（波動(dòng)時(shí)間最大不超過(guò)4 s），迅速恢復(fù)正常并保持穩(wěn)定。

表3 突加負(fù)荷電網(wǎng)參數(shù)變化Tab.3 Influence of sudden load incharge on power 0 grid performance

結(jié)果表明，系統(tǒng)在遇到突加負(fù)荷的情況時(shí)，能夠快速響應(yīng)，迅速恢復(fù)到正常狀態(tài)。光伏發(fā)電系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定并網(wǎng)供電，輸出50 kW的功率不變。整個(gè)電力系統(tǒng)工作穩(wěn)定、正常。柴油發(fā)電機(jī)經(jīng)短暫的波動(dòng)后承擔(dān)了290 kW的負(fù)荷。系統(tǒng)的波動(dòng)范圍和響應(yīng)時(shí)間，調(diào)節(jié)并恢復(fù)正常的時(shí)間符合《鋼制海船入級(jí)規(guī)范》和中國(guó)船級(jí)社（CCS）的要求。

在此基礎(chǔ)上突然卸掉170 kW的負(fù)載，觀察電網(wǎng)的波動(dòng)情況和系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。表4為突減負(fù)載的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中參數(shù)變化

表4 突卸負(fù)荷電網(wǎng)參數(shù)變化Tab.4 Influence of sudden load discharge on power grid performance

經(jīng)觀察，系統(tǒng)在突卸負(fù)荷后，電網(wǎng)電壓突然上升。在非常短的時(shí)間（1 s）內(nèi)電網(wǎng)電壓迅速恢復(fù)正常，然后穩(wěn)定在400 V不變。電網(wǎng)的頻率突然升高（幅度在允許范圍內(nèi)），經(jīng)過(guò)最大不超過(guò)4 s的短暫的波動(dòng)后，頻率很快恢復(fù)正常并穩(wěn)定在50 Hz不變。發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速經(jīng)過(guò)短暫的波動(dòng)后恢復(fù)正常。電力系統(tǒng)的波動(dòng)程度和波動(dòng)時(shí)間符合《鋼制海船入級(jí)規(guī)范》和CCS的要求。

實(shí)驗(yàn)表明融入了并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的船舶電力系統(tǒng)在遇到大負(fù)荷的突加和突卸沖擊時(shí)，能夠迅速響應(yīng)，將頻率、電壓等調(diào)節(jié)到正常值并維持穩(wěn)定。其穩(wěn)定性符合《鋼制海船入級(jí)規(guī)范》和CCS的要求。在此過(guò)程中，光伏系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定并網(wǎng)工作，向電網(wǎng)恒功率輸出。負(fù)載的波動(dòng)由柴油發(fā)電機(jī)組來(lái)調(diào)節(jié)。

2.2 多種MPPT方法比較

海洋環(huán)境變化劇烈、波動(dòng)頻繁、條件惡劣。應(yīng)用于海船的光伏系統(tǒng)不但要有較好的光電轉(zhuǎn)換效率，在MPPT方面還要具備較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和平滑的穩(wěn)態(tài)特性。避免在穩(wěn)定性、多峰值和誤跟蹤等方面的問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)中，同時(shí)間段、同條件下在幾種不同的MPPT方式中轉(zhuǎn)換。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)：在經(jīng)過(guò)優(yōu)化的可變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法模式下工作時(shí)，逆變器直流側(cè)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(jìn)的可變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法在MPPT方面具有相對(duì)的優(yōu)勢(shì)。

2.3 孤島效應(yīng)

船舶電力系統(tǒng)工況惡劣。極端情況下，系統(tǒng)會(huì)崩潰而全船失電。孤島實(shí)驗(yàn)中，能量管理系統(tǒng)（PMS）發(fā)出警報(bào)。同時(shí)，光伏系統(tǒng)逆變柜監(jiān)控屏發(fā)出報(bào)警，系統(tǒng)切斷電力輸出、自動(dòng)停機(jī)。這表明在遇到全船失電這樣的極端情況時(shí)，PMS和并網(wǎng)逆變器的孤島效應(yīng)檢測(cè)系統(tǒng)能夠有效的工作。能及時(shí)的切斷光伏系統(tǒng)的電力輸出并使其停機(jī)，保護(hù)系統(tǒng)和避免危害的發(fā)生。

2.4 儲(chǔ)能裝置效能實(shí)驗(yàn)

手動(dòng)多次地調(diào)節(jié)逆變器參數(shù)，但不改變光伏系統(tǒng)總輸出功率的設(shè)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(dòng)。表5為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中參數(shù)的變化。

表5 光伏及儲(chǔ)能器輸出參數(shù)變化Tab.5 Output parameters of photovoltaic system and energy accumulator

通過(guò)觀察配電板及逆變柜上各個(gè)控制屏顯示的參數(shù)變化，發(fā)現(xiàn)只要輸出功率波動(dòng)在儲(chǔ)能器補(bǔ)償能力范圍內(nèi)，光伏發(fā)電系統(tǒng)都會(huì)恒功率輸出。如表中所提取的數(shù)據(jù)顯示，光伏輸出因人為原因在5 kW的范圍內(nèi)快速頻繁變化，儲(chǔ)能單元的輸出功率隨之發(fā)生改變，光伏發(fā)電系統(tǒng)的總輸出功率維持在50 kW穩(wěn)定不變。輸出的波動(dòng)被儲(chǔ)能單元有效補(bǔ)償。結(jié)果表明：儲(chǔ)能裝置在劇烈波動(dòng)的外界環(huán)境中運(yùn)行比較可靠、有效。

3 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)過(guò)軟、硬件的優(yōu)化改造后，融入了并網(wǎng)型光伏發(fā)電技術(shù)的大型船舶電力系統(tǒng)適應(yīng)大型海船環(huán)境。在受到大負(fù)荷沖擊時(shí)，頻率在5 s內(nèi)、電壓在1.5 s內(nèi)能迅速恢復(fù)正常并保持穩(wěn)定，船舶電力系統(tǒng)的波動(dòng)符合要求。系統(tǒng)的保護(hù)功能有效，響應(yīng)迅速。光伏系統(tǒng)能在一定程度上平抑輸出波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)恒功率輸出，系統(tǒng)中負(fù)載的波動(dòng)由柴油發(fā)電機(jī)組承擔(dān)。在MPPT方法上，經(jīng)過(guò)改良后的可變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法具有相對(duì)的優(yōu)勢(shì)。電力系統(tǒng)在穩(wěn)定性和可靠性上滿(mǎn)足《鋼制海船入級(jí)規(guī)范》和CCS的技術(shù)要求。為進(jìn)一步應(yīng)用于實(shí)船提供了參考依據(jù)。

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