海上多能源高效互補(bǔ)智能供電系統(tǒng)技術(shù)研究

趙淑莉，王冬海，郭明瑞，趙茁

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司電子科學(xué)研究院，北京 100043）

1 研究背景

1.1 研究背景

面對(duì)海域信息監(jiān)測(cè)與防御問(wèn)題、常規(guī)能源日益枯竭與經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展之間的矛盾加劇，以及常規(guī)能源造成的環(huán)境污染、成本高昂等問(wèn)題，開(kāi)發(fā)、推廣高效、環(huán)保的可再生能源發(fā)電技術(shù)迫在眉睫，世界各國(guó)開(kāi)始重視可再生能源的開(kāi)發(fā)與利用。海洋幅員遼闊，覆蓋地球表面近71 %的面積，蘊(yùn)含著巨大的能量，因此，海洋能發(fā)電作為海上新型清潔能源，成為可再生能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1]。

因此，需要大力開(kāi)發(fā)海洋可再生能源，海洋能包括波浪能、潮流能、潮汐能、鹽差能、溫差能、海上風(fēng)能、太陽(yáng)能等。由于海洋環(huán)境復(fù)雜、施工條件的限制，適合在海上開(kāi)發(fā)利用的海洋可再生能源一般有海上風(fēng)能、海上太陽(yáng)能、波浪能和潮流能[2]，但是上述能源存在間歇性與不穩(wěn)定性等問(wèn)題，采用單一能源很難提供穩(wěn)定持續(xù)的電能，借鑒陸上多能互補(bǔ)發(fā)電經(jīng)驗(yàn)，采用海洋能多能互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)，對(duì)于解決能源供給與維護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用。

1.2 海上多能源高效互補(bǔ)智能供電系統(tǒng)提出的意義

本文提出海上多能源高效互補(bǔ)智能供電系統(tǒng)，重點(diǎn)研究多種電源綜合使用、綜合電源控制管理、太陽(yáng)能電池板效率控制、蓄電池充放電管理和應(yīng)急保障等功能，并根據(jù)上級(jí)管控指令或系統(tǒng)剩余電量進(jìn)行全任務(wù)、值班、降級(jí)、休眠等工作模式切換。

海上多能源高效互補(bǔ)智能供電系統(tǒng)的建立可以解決海洋能發(fā)電遇到的技術(shù)瓶頸，推動(dòng)我國(guó)海洋能的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，具有很大的意義。首先，利用多種能源的互補(bǔ)特性，可獲得比單一能源發(fā)電更穩(wěn)定的輸出，提高供電可靠性與穩(wěn)定性；其次，海上多能源高效互補(bǔ)智能供電系統(tǒng)具有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以在無(wú)人值守的情況下遠(yuǎn)程監(jiān)控海洋能發(fā)電裝置工作狀態(tài)、發(fā)電量、轉(zhuǎn)換效率等指標(biāo)；第三，通過(guò)海上多能源高效互補(bǔ)智能供電系統(tǒng)安裝與長(zhǎng)期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累，進(jìn)行探討與總結(jié)，為后續(xù)在惡劣工況下安裝海洋能發(fā)電裝置提供借鑒方法，解決安裝困難與經(jīng)濟(jì)成本降低等問(wèn)題。

1.3 主要研究?jī)?nèi)容

本文重點(diǎn)研究海上多能源高效互補(bǔ)智能供電技術(shù)，分為以下兩部分。

第一，多能源互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)，離網(wǎng)系統(tǒng)研究主要面向多種能源的互補(bǔ)供電控制策略、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控、安全性要求、環(huán)境適應(yīng)性能力和蓄電池選型等方面，并針對(duì)目前市面上的光伏、風(fēng)能、波浪能、潮流能、柴油機(jī)、各類(lèi)蓄電池和離網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)備的功能、性能及應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分析，為海洋能高效多能源互補(bǔ)與智能供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

第二，高效的能源效率控制研究，能源效率控制研究主要包括發(fā)電效率控制研究和轉(zhuǎn)換效率控制研究。發(fā)電效率控制研究主要針對(duì)光伏系統(tǒng)、風(fēng)能系統(tǒng)和柴油機(jī)系統(tǒng)、波浪能發(fā)電裝置、潮流能發(fā)電裝置不同的接入電路進(jìn)行分析，通過(guò)調(diào)整接入電路實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)和風(fēng)能系統(tǒng)最大輸出功率的自動(dòng)跟蹤以及油機(jī)發(fā)電、波浪能、潮流能等效率控制；轉(zhuǎn)換效率控制研究主要根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)的發(fā)電設(shè)備、儲(chǔ)能設(shè)備和負(fù)載的電氣接口特性，合理配置母線類(lèi)型和電壓，控制系統(tǒng)內(nèi)AC/DC和DC/DC轉(zhuǎn)換次數(shù)和效率，達(dá)到滿(mǎn)足系統(tǒng)供電需求的情況下系統(tǒng)損耗最低的要求[3]。

2 海上多能源互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1 可再生能源的特點(diǎn)

太陽(yáng)能、風(fēng)能、潮流能、波浪能等海洋可再生能源，雖然取之不盡、用之不竭，但是，具備分布不連續(xù)、不穩(wěn)定性、間歇性等特點(diǎn)。

2.2 多能源互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

我國(guó)島礁主權(quán)爭(zhēng)議區(qū)域、我軍潛艇活動(dòng)海域目前迫切需要進(jìn)行長(zhǎng)期綜合監(jiān)管和安全防護(hù)，但是受限于電能供應(yīng)不足，大功率監(jiān)視探測(cè)設(shè)備均無(wú)法長(zhǎng)期布放于中遠(yuǎn)海域。同時(shí)，在電網(wǎng)無(wú)法覆蓋的海島地區(qū)，電能的短缺嚴(yán)重制約當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生活。充分利用海上可再生能源豐富的特點(diǎn)，將風(fēng)能、太陽(yáng)能和潮流能等發(fā)電方式互補(bǔ)與配合運(yùn)行，充分利用各自的優(yōu)點(diǎn)，補(bǔ)充其短板，克服單一發(fā)電裝置運(yùn)行所帶來(lái)的電能輸出穩(wěn)定性差和供給不足等問(wèn)題，并由控制系統(tǒng)統(tǒng)一管理和維護(hù)，具備運(yùn)行成本低、能源利用效率高、電能輸出穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 多能源互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)的研究現(xiàn)狀和趨勢(shì)

目前，國(guó)外對(duì)多能源高效互補(bǔ)智能供電技術(shù)的研究主要致力于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和容量的優(yōu)化設(shè)計(jì)、穩(wěn)定供電等。美國(guó)和澳大利亞學(xué)者對(duì)互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能方式的實(shí)現(xiàn)以及性能進(jìn)行了研究；在小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行成本、可靠性和擴(kuò)容方面，加拿大進(jìn)行了研究；在以成本最小為目標(biāo)對(duì)互補(bǔ)發(fā)電場(chǎng)的容量進(jìn)行優(yōu)化配置方面，希臘進(jìn)行了研究[4]。

當(dāng)前我國(guó)多能源高效互補(bǔ)智能供電技術(shù)的研究多集中在系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及監(jiān)控管理等方面。我國(guó)在位于長(zhǎng)江源自然保護(hù)站的兩套小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電站最早采用了互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)；第一個(gè)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行的多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是廣東南澳島并網(wǎng)運(yùn)行大型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)。

綜上所述，目前多能源高效互補(bǔ)智能供電技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)，是提升系統(tǒng)效率、降低成本、提高可靠性與穩(wěn)定性及系統(tǒng)使用壽命，同時(shí)還需要增強(qiáng)能源管控研究，提升電能輸出的質(zhì)量。

3 海上多能源高效互補(bǔ)智能供電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

海上多能源高效互補(bǔ)智能供電系統(tǒng)通過(guò)太陽(yáng)能、海上風(fēng)能、波浪能、潮流能、柴油發(fā)電機(jī)和蓄電池多種供電結(jié)合的方法進(jìn)行供電，通過(guò)多能互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)與高效能源效率控制關(guān)鍵技術(shù)研究，可提供持續(xù)穩(wěn)定的供電電壓。

3.1 多能源互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)

離網(wǎng)系統(tǒng)研究主要面向多種能源的互補(bǔ)供電控制策略、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控、安全性要求、環(huán)境適應(yīng)性能力和蓄電池選型等方面，并針對(duì)目前市面上的光伏、風(fēng)能、潮汐能、海水電池、柴油機(jī)、各類(lèi)蓄電池和離網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)備的功能、性能及應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分析，為錨泊浮臺(tái)信息系統(tǒng)能源設(shè)備設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

供配電系統(tǒng)配有蓄電池、太陽(yáng)能電池板和船載柴油發(fā)電機(jī)、潮流能、波浪能等多種電源供電，并通過(guò)蓄電池進(jìn)行供電，太陽(yáng)能電池板可同時(shí)為系統(tǒng)供電和給蓄電池充電，當(dāng)蓄電池電量不足時(shí)可通過(guò)船載柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)行充電，具備供電過(guò)壓過(guò)流保護(hù)，保證對(duì)外提供多種安全工作電壓。

3.2 高效的能源效率控制研究

能源效率控制研究主要包括發(fā)電效率控制研究和轉(zhuǎn)換效率控制研究。發(fā)電效率控制研究主要針對(duì)光伏系統(tǒng)、風(fēng)能系統(tǒng)、波浪能、潮流能、柴油機(jī)系統(tǒng)不同的接入電路進(jìn)行分析，通過(guò)調(diào)整接入電路實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)和風(fēng)能系統(tǒng)最大輸出功率的自動(dòng)跟蹤以及油機(jī)發(fā)電的效率控制；轉(zhuǎn)換效率控制研究主要根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)的發(fā)電設(shè)備、儲(chǔ)能設(shè)備和負(fù)載的電氣接口特性，合理配置母線類(lèi)型和電壓，控制系統(tǒng)內(nèi)AC/DC和DC/DC轉(zhuǎn)換次數(shù)和效率，達(dá)到滿(mǎn)足系統(tǒng)供電需求的情況下系統(tǒng)損耗最低的要求。

海上多能源高效互補(bǔ)智能供電系統(tǒng)中電源控制管理功能主要包括負(fù)載電源遠(yuǎn)程遙控開(kāi)關(guān)控制、油機(jī)遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)、通風(fēng)、照明電路自動(dòng)控制，油機(jī)整流模塊自動(dòng)開(kāi)關(guān)機(jī)控制，太陽(yáng)能整流模塊自動(dòng)開(kāi)關(guān)機(jī)控制，鋰電池過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流、短路、過(guò)溫、電池均衡電路自動(dòng)控制和供配電系統(tǒng)狀態(tài)上報(bào)功能。會(huì)按前期設(shè)定好的開(kāi)機(jī)順序，依次為各設(shè)備打開(kāi)電源，具有接收上級(jí)控制指令功能，可根據(jù)下發(fā)指令對(duì)各設(shè)備進(jìn)行開(kāi)關(guān)電源操作，并上報(bào)各設(shè)備電源開(kāi)關(guān)狀態(tài)。具有監(jiān)測(cè)蓄電池電量和遙控開(kāi)關(guān)船載柴油發(fā)電機(jī)功能，當(dāng)太陽(yáng)能電池?zé)o法正常供電，蓄電池電量即將耗盡時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)船載柴油發(fā)電機(jī)，蓄電池電量充滿(mǎn)后自動(dòng)關(guān)閉船載柴油發(fā)電機(jī)。具有狀態(tài)上報(bào)功能，系統(tǒng)會(huì)定時(shí)將監(jiān)測(cè)到的系統(tǒng)當(dāng)前剩余油量、蓄電池電量、太陽(yáng)能輸出功率和狀態(tài)、各個(gè)蓄電池狀態(tài)、分系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備狀態(tài)、油機(jī)開(kāi)關(guān)狀態(tài)和輸出功率、其它分系統(tǒng)各設(shè)備功耗情況和電源開(kāi)關(guān)狀態(tài)等信息上報(bào)數(shù)據(jù)匯聚處理分系統(tǒng)。當(dāng)檢測(cè)到系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)異常、蓄電池電量過(guò)低和柴油箱油料嚴(yán)重不足時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成告警信息上報(bào)。

太陽(yáng)能電池板的功率輸出特性是非線性的，且易受溫度、光照強(qiáng)度、負(fù)載等多種因素影響，由此，為了提升利用效率，需要對(duì)太陽(yáng)能電池板的最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤（MPPT）[5]，通過(guò)加電壓擾動(dòng)的方式檢測(cè)當(dāng)前光照和溫度條件下太陽(yáng)能電池板最大輸出功率電壓。并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)當(dāng)前太陽(yáng)能電池板輸出電壓進(jìn)行調(diào)整，保證太陽(yáng)能電池板具有最好的供電效率。

3.3 多能高效互補(bǔ)智能供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

海上多能高?；パa(bǔ)智能供電系統(tǒng)是一個(gè)微型離網(wǎng)智慧發(fā)電系統(tǒng)，如圖1所示，為海洋內(nèi)孤立存在的平臺(tái)而設(shè)計(jì)的可自主運(yùn)行的能源電站系統(tǒng)。系統(tǒng)采用太陽(yáng)能、波浪能、潮流能、油機(jī)和蓄電池互補(bǔ)方式發(fā)電。系統(tǒng)發(fā)電優(yōu)先供應(yīng)設(shè)備使用，超出的功率用于給儲(chǔ)能系統(tǒng)充電。同時(shí)具有儲(chǔ)能、能源控制管理功能。蓄電部分充滿(mǎn)時(shí)，可滿(mǎn)足系統(tǒng)正常用電需求；能源控制管理可對(duì)能源分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息采集、故障判斷、故障報(bào)警、系統(tǒng)保護(hù)等，保證能源系統(tǒng)正常運(yùn)行。

供配電系統(tǒng)發(fā)電部分采用太陽(yáng)能電池板、風(fēng)能、波浪能、潮流能、船用柴油發(fā)電機(jī)、岸電等多種方式為蓄電池充電，具備同時(shí)為系統(tǒng)供電和蓄電池充電的能力，供配電系統(tǒng)可通過(guò)外加電壓擾動(dòng)的方式檢測(cè)當(dāng)前光照和溫度條件下太陽(yáng)能電池板最大輸出功率，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)當(dāng)前太陽(yáng)能電池板輸出功率進(jìn)行調(diào)整，保證太陽(yáng)能電池板最大功率輸出。蓄電部分具有具有蓄電池保護(hù)能力，包括：電壓欠壓保護(hù)，電壓過(guò)壓保護(hù)，充電過(guò)流保護(hù)，放電過(guò)流保護(hù)，充放電高溫保護(hù)，充放電低溫保護(hù)，電池容量低告警、電池過(guò)流告警、電池短路告警。負(fù)載供電可對(duì)外提供AC 220 V和DC +48 V、DC+24 V、DC+12 V多種供電，并具備供電過(guò)壓過(guò)流保護(hù)能力，具有遠(yuǎn)程接收上級(jí)控制指令功能，可根據(jù)下發(fā)指令對(duì)各設(shè)備的供電電源模塊進(jìn)行開(kāi)關(guān)電源操作，具備狀態(tài)上報(bào)，能上報(bào)太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備和油機(jī)的輸出電壓、電流和功率，以及發(fā)電設(shè)備的運(yùn)行、告警狀態(tài)；能上報(bào)當(dāng)前儲(chǔ)電設(shè)備的剩余電量狀態(tài)、電池容量狀態(tài)、電池單元的工作狀態(tài)等。當(dāng)電量低于系統(tǒng)設(shè)置的底線可上報(bào)警示信息；具有監(jiān)測(cè)油箱剩余油量，并能上報(bào)油箱內(nèi)當(dāng)前油量；能上報(bào)當(dāng)前系統(tǒng)各路電源模塊輸出的電流、電壓。具有監(jiān)控管理功能，且控制方式具有自動(dòng)和手動(dòng)兩種模式，具備電池溫度補(bǔ)償、電池監(jiān)測(cè)、電源系統(tǒng)異常運(yùn)行時(shí)異常情況處理等功能；具有告警和故障檢測(cè)、設(shè)置功能，當(dāng)下級(jí)設(shè)備產(chǎn)生告警信息，監(jiān)控單元根據(jù)所存儲(chǔ)的設(shè)置數(shù)據(jù)進(jìn)行告警級(jí)別識(shí)別，發(fā)出告警信息，系統(tǒng)具備能夠?qū)Ξa(chǎn)生告警信息的設(shè)備進(jìn)行故障檢測(cè)和修復(fù)功能，并且所有的告警級(jí)別都可以手動(dòng)設(shè)置和取消。

圖 1 海上高效多能源互補(bǔ)智能供電系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

4 結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)中遠(yuǎn)海域信息監(jiān)測(cè)與防御設(shè)備的能源自保障與海島供電，需具備多種能源供電，并提高能源的利用效率，通過(guò)海上多能源高效互補(bǔ)智能供電與控制關(guān)鍵技術(shù)研究，研制可實(shí)現(xiàn)中遠(yuǎn)海地區(qū)海域信息覆蓋的海上信息節(jié)點(diǎn)能源系統(tǒng)。該能源系統(tǒng)可提供5 kW常態(tài)輸出，最高可提供10 kW的功率輸出，在陰雨天等惡劣天氣下可連續(xù)工作，通過(guò)蓄電池組提供不間斷供電能力，并由柴油發(fā)電機(jī)在電能不足的情況下進(jìn)行補(bǔ)充，滿(mǎn)足不同工作模式下的能源供給。