虛擬電站在船舶上的應(yīng)用

王侃

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203）

0 前言

二氧化碳排放量占全球總排放量2.89%的航運(yùn)業(yè)“脫碳”迫在眉睫［1］。目前船舶業(yè)在嘗試使用氨和生物甲醇等替代傳統(tǒng)化石燃料， 并且探索將風(fēng)能、潮汐能等可再生能源轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行利用。 但由于可再生能源的不穩(wěn)定性及船舶負(fù)載的多樣性等問(wèn)題，如何高效使用可再生能源及合理分配船舶電力能源是該領(lǐng)域研究的關(guān)鍵。

目前船舶供電系統(tǒng)采用的是簡(jiǎn)單的單向輸送形式，即從發(fā)電機(jī)發(fā)電至電網(wǎng)再由電網(wǎng)送電到負(fù)載端。 該供電系統(tǒng)的單向性特質(zhì)導(dǎo)致其無(wú)法滿足當(dāng)下更經(jīng)濟(jì)、更智能化的電能分配需求。 早年陸用輸配電系統(tǒng)也存在相同問(wèn)題，但隨著通信和控制技術(shù)的發(fā)展，以及可再生能源的推廣和送配電系統(tǒng)的智能化，陸用領(lǐng)域的配電形式得到了改善。 陸用領(lǐng)域這種以先進(jìn)的信息通信技術(shù)為依托，以分布式智能管控為手段，有機(jī)結(jié)合了可再生能源、燃料能源、儲(chǔ)能設(shè)備和可控負(fù)載的集合體被稱為虛擬電廠［2］。 虛擬電廠的發(fā)展，歐洲可以追溯至2007年，開(kāi)展以集成中小型分布式發(fā)電單元為主要目標(biāo)的虛擬電廠研究項(xiàng)目，參與的國(guó)家包括德國(guó)、英國(guó)、西班牙等［3］。 國(guó)內(nèi)在“十三五”期間，江蘇、上海等地也相繼開(kāi)展了虛擬電廠試點(diǎn)［4］。 虛擬電廠技術(shù)在陸用領(lǐng)域已經(jīng)較為成熟。

但在船舶領(lǐng)域，由于海洋環(huán)境的特殊性導(dǎo)致可再生能源利用率低和輸配電智能化程度弱等諸多問(wèn)題，陸用的設(shè)計(jì)理念和設(shè)備無(wú)法直接在船舶上得到有效的應(yīng)用。 為了解決船舶電能使用的經(jīng)濟(jì)性和有效性等問(wèn)題， 需要借鑒陸用虛擬電廠的技術(shù)基礎(chǔ)，結(jié)合船舶領(lǐng)域固有特點(diǎn)，探索和研究具有船舶特性的虛擬電廠，即船舶虛擬電站。

1 船舶虛擬電站的優(yōu)勢(shì)

現(xiàn)有船舶很少使用太陽(yáng)能、 風(fēng)能等可再生能源，原因是這些可再生能源不穩(wěn)定，缺乏可靠性，無(wú)法作為船舶電能的一部分持續(xù)供電。 早期技術(shù)不成熟和投資成本過(guò)高也是可再生能源在船舶領(lǐng)域未能推廣的原因之一。隨著可再生能源在陸用領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，其在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用也開(kāi)始受到關(guān)注。

解決可再生能源在船舶領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵在于儲(chǔ)能技術(shù)和智能管控技術(shù)。 通過(guò)船舶虛擬電站的儲(chǔ)能系統(tǒng)，可以有效地將可再生能源進(jìn)行儲(chǔ)存，實(shí)現(xiàn)可再生能源的穩(wěn)定利用；再通過(guò)船舶虛擬電站的智能管控系統(tǒng)，可以對(duì)可再生能源進(jìn)行儲(chǔ)電或放電的智能管控分配， 從而實(shí)現(xiàn)可再生能源的高效利用。圖1 為可再生能源的管控構(gòu)架圖。

圖1 船舶虛擬電站的可再生能源智能管控構(gòu)架圖

由圖1 可見(jiàn)：通過(guò)船舶虛擬電站，根據(jù)可再生能源的發(fā)電量和船舶負(fù)載情況，可再生能源可以給船舶電網(wǎng)供電， 也可以供儲(chǔ)能電池進(jìn)行電能儲(chǔ)備；另外， 在特定情況下還可以直接供負(fù)載端用電，比如船舶在港停泊時(shí)，可再生能源可以不通過(guò)母排直接供電給居住區(qū)負(fù)載，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高效的可再生能源利用。

1.1 電網(wǎng)削峰填谷

傳統(tǒng)電站在船舶航行過(guò)程中，由于大功效負(fù)載的短時(shí)運(yùn)行、 廚房和加熱器等間歇性設(shè)備的使用，發(fā)電機(jī)輸出功率起伏頻繁，無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)油耗區(qū)間內(nèi)，造成發(fā)電機(jī)油耗過(guò)高。 利用船舶虛擬電站的可再生能源技術(shù)和儲(chǔ)能技術(shù)，結(jié)合船舶虛擬電站的能源管理系統(tǒng)可對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行有效的削峰填谷，使發(fā)電機(jī)維持在經(jīng)濟(jì)油耗范圍內(nèi)長(zhǎng)期運(yùn)行。 圖2 為船舶虛擬電站削峰填谷示意圖。

圖2 船舶虛擬電站削峰填谷示意圖

根據(jù)發(fā)電機(jī)的特性曲線，在船舶虛擬電站的智能管控平臺(tái)上事先設(shè)定發(fā)電機(jī)的經(jīng)濟(jì)油耗區(qū)間。 當(dāng)電站所需電量高于經(jīng)濟(jì)區(qū)間范圍時(shí)，使用可再生能源轉(zhuǎn)換的電能或儲(chǔ)能電池已存?zhèn)涞碾娔軄?lái)進(jìn)行補(bǔ)電；當(dāng)電站所需電量低于這個(gè)區(qū)間范圍時(shí)，將多余電量提供給儲(chǔ)能電池進(jìn)行儲(chǔ)存，從而將發(fā)電機(jī)的運(yùn)行長(zhǎng)期維持在經(jīng)濟(jì)油耗范圍內(nèi)，提高船舶經(jīng)濟(jì)性。

1.2 優(yōu)化能效管理

傳統(tǒng)的船舶電站管理系統(tǒng)，大多針對(duì)船舶設(shè)備安全和船舶運(yùn)維安全管理，很少涉及船舶電能的能效管理。

通過(guò)虛擬電站的智能管控系統(tǒng)，利用先進(jìn)的通信技術(shù)將供電端和負(fù)載端進(jìn)行實(shí)時(shí)的信息交互，在控制平臺(tái)內(nèi)導(dǎo)入電量分配邏輯公式和計(jì)算方式，對(duì)供電端和用電端進(jìn)行安全、高效、合理的智能管控。虛擬電站的智能管控既要滿足供電端的需要，又要兼顧供電的反饋，如圖3 所示。 供電端按性能分層管理可分為發(fā)電機(jī)供電、可再生能源供電和儲(chǔ)能電池供等供電方式；負(fù)載端按需求進(jìn)行控制，可分為連續(xù)重要負(fù)載、非連續(xù)重要負(fù)載和非重要負(fù)載等負(fù)載，做到對(duì)整個(gè)送配電系統(tǒng)精細(xì)化管控。

圖3 船舶虛擬電站電能能效管理構(gòu)架圖

在一般情況下，供電端優(yōu)先使用可再生能源供電、其次是儲(chǔ)能電池、最后是發(fā)電機(jī)供電，負(fù)載端優(yōu)先滿足連續(xù)重要負(fù)載、 其次是非連續(xù)重要負(fù)載、最后是非重要負(fù)載。 通過(guò)船舶虛擬電站來(lái)優(yōu)化船舶電能使用效率，提高船舶電站經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

2 船舶虛擬電站的組成

船舶虛擬電站主要由可再生能源系統(tǒng)、電池儲(chǔ)能系統(tǒng)及虛擬電站智能管控系統(tǒng)構(gòu)成。

2.1 可再生能源系統(tǒng)

太陽(yáng)能光伏和風(fēng)能技術(shù)是目前較成熟的可再生能源，可作為船舶虛擬電站的可再生能源的主要來(lái)源。 此外，還處于研究階段的振動(dòng)發(fā)電和溫差發(fā)電等技術(shù)，今后也可逐步應(yīng)用于船舶領(lǐng)域。

2.1.1 太陽(yáng)能光伏

太陽(yáng)能光伏所使用的半導(dǎo)體材料目前主要分為晶硅組件和非晶硅薄膜組件兩類，晶硅組件又可分為多晶硅和單晶硅。 在材料能量轉(zhuǎn)換效率方面，晶硅組件高于薄膜組件， 其中， 單晶硅最高可達(dá)24.9%，多晶硅最高可達(dá)18%；在造價(jià)方面，晶硅組件高于薄膜組件， 其中單晶硅制作成本最為昂貴；在生產(chǎn)耗能方面，晶硅組件高于薄膜組件，其中單晶硅生產(chǎn)能耗最高。 太陽(yáng)能光伏材料具體性能比較如表1 所示。［5］

表1 太陽(yáng)能光伏材料性能比較表

綜合考慮能量轉(zhuǎn)換效率、初始投資、設(shè)備生命周期等因素，目前多晶硅組件作為船用太陽(yáng)能光伏組件材料是較為合適的。

在系統(tǒng)構(gòu)建上，船舶虛擬電站系統(tǒng)選用離網(wǎng)型光伏供電系統(tǒng)供電方式，將太陽(yáng)能電池組件提供的直流電通過(guò)光伏控制器直接給直流負(fù)載供電，還可以通過(guò)光伏逆變器將電能變換成交流電為交流負(fù)載供電［6］。

在布置設(shè)計(jì)方面， 除了需要選擇露天甲板等無(wú)遮擋且光照條件充足的區(qū)域外， 布置位置應(yīng)避免海水易達(dá)到及易被腐蝕的區(qū)域。 某汽車運(yùn)輸船在駕駛室甲板后部區(qū)域布置多晶硅組件太陽(yáng)能光伏板，如圖4 所示，是太陽(yáng)能光伏在船舶上實(shí)際應(yīng)用案例。

圖4 汽車運(yùn)輸船的太陽(yáng)能光伏板布置圖

2.1.2 風(fēng)能發(fā)電

風(fēng)能發(fā)電與太陽(yáng)能光伏相比，優(yōu)勢(shì)是不受日照影響。 在陸用領(lǐng)域，不論在沿?；騼?nèi)陸，理論上常年風(fēng)速達(dá)到3 m/s 及以上的地區(qū)就可以安裝風(fēng)能發(fā)電裝置進(jìn)行發(fā)電。 一般風(fēng)能發(fā)電裝置的風(fēng)機(jī)形式有水平軸和豎直軸兩種。 陸用風(fēng)能發(fā)電設(shè)備多選用長(zhǎng)度為6～20 m 的三葉式水平軸風(fēng)機(jī)。 在船舶領(lǐng)域，由于布置空間局限性，以及船體振動(dòng)和船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等影響無(wú)法直接應(yīng)用陸用的水平軸風(fēng)力發(fā)電設(shè)備。 此外，在船舶風(fēng)能發(fā)電裝置設(shè)計(jì)安裝時(shí)，既要考慮最大程度利用風(fēng)能，也要兼顧減少風(fēng)對(duì)船舶帶來(lái)的阻力。 因此，船用風(fēng)能發(fā)電裝置與陸用風(fēng)能裝置存在很大差異。 綜合船舶結(jié)構(gòu)、船舶振動(dòng)和船舶風(fēng)阻等因素，船舶更適宜選用豎直軸風(fēng)機(jī)作為風(fēng)能發(fā)電裝置［7］。MORING CRYSTAL 號(hào)船舶上安裝的豎直軸風(fēng)能發(fā)電裝置， 設(shè)備參數(shù)如圖5 所示， 當(dāng)風(fēng)速大于8 m/s 時(shí)，豎直軸風(fēng)機(jī)比水平軸風(fēng)機(jī)更有優(yōu)勢(shì)。

圖5 船舶風(fēng)能發(fā)電裝置圖

2.2 電池儲(chǔ)能

由于太陽(yáng)能光伏和風(fēng)能發(fā)電等可再生能源無(wú)法穩(wěn)定、可持續(xù)地輸送電能，所以船舶虛擬電站設(shè)計(jì)需要配置一套可靠的儲(chǔ)能系統(tǒng)。 現(xiàn)有儲(chǔ)能技術(shù)主要分為，物理儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能（即電池儲(chǔ)能）和化學(xué)儲(chǔ)能等3 類。 目前從儲(chǔ)能技術(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，船舶應(yīng)用可行性較高的是電池儲(chǔ)能技術(shù)。 電池儲(chǔ)能技術(shù)主要依托鎳氫電池、鋰電池和超級(jí)電容等二次電池技術(shù)的發(fā)展［8］。 表2 為各類主流二次電池比較表。

表2 各類主流二次電池比較表

從標(biāo)稱電壓、能量密度、使用次數(shù)和環(huán)保性等綜合考慮，目前鋰電池是最適合被用于船舶儲(chǔ)能技術(shù)的電池，并且鋰電池作為船舶動(dòng)力電池已經(jīng)擁有較多應(yīng)用案例和成熟經(jīng)驗(yàn)［9］。

儲(chǔ)能電池用于電力調(diào)峰和臨時(shí)補(bǔ)電等場(chǎng)景較多，一般需要電池具有短時(shí)放電能力，因此選擇合適的充放電倍率的鋰電池尤為重要。 此外在電池管理系統(tǒng)（BMS）、能量管理系統(tǒng)（EMS）等系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)也需要根據(jù)該船舶實(shí)際場(chǎng)景來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.3 船舶虛擬電站智能管控系統(tǒng)

船舶虛擬電站構(gòu)架如圖6 所示，其中核心部分是船舶虛擬電站智能管控系統(tǒng)。

圖6 船舶虛擬電站構(gòu)架

虛擬電站智能管控系統(tǒng)是連接供電端和負(fù)載端的中樞， 需要具備數(shù)字化信息顯示記錄功能、智能管控功能、制定周期性送配電策略能力。

2.3.1 數(shù)字化信息顯示記錄功能

數(shù)字化可視功能是指通過(guò)可靠的、精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)收集技術(shù)和安全穩(wěn)定的通信技術(shù)，將發(fā)電機(jī)、儲(chǔ)能電池、可再生能源和各類負(fù)載數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至虛擬電站智能管控平臺(tái)。 操作人員可以通過(guò)人機(jī)界面，準(zhǔn)確地讀取供電端和負(fù)載端各個(gè)設(shè)備信息，也可以通過(guò)查詢平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)了解各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行歷史記錄，并按需生成個(gè)性化報(bào)表，通過(guò)準(zhǔn)確的數(shù)字化信息顯示記錄功能，為制定精確、高效的發(fā)電-儲(chǔ)電-用電的管控策略提供支撐。

2.3.2 智能管控功能

智能管控功能通過(guò)船舶虛擬電站智能管控平臺(tái)協(xié)調(diào)發(fā)電、儲(chǔ)電、用電三者之間的平衡，根據(jù)事先設(shè)計(jì)的管控策略對(duì)電源和負(fù)載實(shí)現(xiàn)有效管理和高效調(diào)配［10］。

在船舶公約和規(guī)范允許的前提下，管控策略遵循以下幾個(gè)原則：

1） 當(dāng)可再生能源發(fā)電時(shí)，優(yōu)先考慮使用再生能源。 可再生能源可以直接給負(fù)載供電，也可根據(jù)負(fù)載需求和供電端電量將多余的電量?jī)?chǔ)存到儲(chǔ)能電池內(nèi)。

2） 盡量保持發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)油耗功率區(qū)間內(nèi)，避免短時(shí)的負(fù)載突加突減。 當(dāng)發(fā)電機(jī)功率高于經(jīng)濟(jì)油耗功率區(qū)間時(shí)，啟動(dòng)儲(chǔ)能電池或限制當(dāng)下不需要的非重要負(fù)載運(yùn)行（在規(guī)范允許的前提下限制部分設(shè)備使用）； 當(dāng)發(fā)電機(jī)功率低于經(jīng)濟(jì)油耗功率區(qū)間時(shí)，可以對(duì)儲(chǔ)能電池進(jìn)行充電或者提前運(yùn)行一部分負(fù)載（比如提前給壓縮空氣瓶加氣、抽取艙底水或提前運(yùn)行居住區(qū)空調(diào)壓縮機(jī)等）。

3） 負(fù)載管控。 負(fù)載類型分為連續(xù)重要負(fù)載、非連續(xù)重要負(fù)載和非重要負(fù)載等3 類。 按照船舶運(yùn)行工況，合理地管控3 類負(fù)載，實(shí)現(xiàn)高效的電能分配。

2.3.3 制定并實(shí)施船舶周期性送配電策略能力

周期性送配電策略能力，是指基于船舶虛擬電站自身的設(shè)備運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，并結(jié)合外部系統(tǒng)的相關(guān)信息，根據(jù)操作人員的指令，通過(guò)強(qiáng)大的信息分析能力和高速計(jì)算能力的計(jì)算機(jī)對(duì)未來(lái)航行狀態(tài)下各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)以及可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行模擬和演算，制定出一套安全、經(jīng)濟(jì)、合理的周期性船舶送配電策略的能力，并且將其準(zhǔn)確執(zhí)行。 其中，與智能管控平臺(tái)相關(guān)的外部信息是指船舶航行數(shù)據(jù)、海洋情況和天氣預(yù)報(bào)等。

因此，船舶虛擬電站智能管控平臺(tái)需要與船舶其他外部系統(tǒng)有信息交互能力，并且在平臺(tái)界面上能夠讀取外部系統(tǒng)的相關(guān)信息。 此外，智能管控系統(tǒng)還應(yīng)具有自學(xué)習(xí)能力，能對(duì)復(fù)雜的送配電系統(tǒng)進(jìn)行有效的全局控制并具有較強(qiáng)的糾錯(cuò)能力，從船舶整體能效和運(yùn)維功能來(lái)綜合考量，以實(shí)現(xiàn)船舶整體節(jié)能減排的目標(biāo)。

3 結(jié)語(yǔ)

船舶虛擬電站主要由可再生能源系統(tǒng)、電池儲(chǔ)能系統(tǒng)及虛擬電站智能管控系統(tǒng)構(gòu)成，根據(jù)虛擬電站在陸用領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)， 研究再生能源技術(shù)、儲(chǔ)能技術(shù)和智能電站管控技術(shù)在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用，解決陸用虛擬電站的局限性、特殊性以及轉(zhuǎn)為船用帶來(lái)的相應(yīng)問(wèn)題， 探索構(gòu)建船舶虛擬電站系統(tǒng)，開(kāi)展船舶虛擬電站應(yīng)用可行性分析，實(shí)現(xiàn)提高能效、節(jié)能減排的目標(biāo)，為未來(lái)船舶電站設(shè)計(jì)提供一種綜合解決方案。