應用于水上加油船的光儲柴一體化智能微電網的研究

潘少峰

(江蘇林洋新能源科技有限公司，南京 210004)

0 引言

隨著我國水上運輸業(yè)的蓬勃發(fā)展，為了方便船只的燃油補給，國內各石油公司也在重要航道中布局了水上加油站，由于水上加油站一般是設立在船上，因此其也被稱為水上加油船。比如，在長江的航道中就分布有數量眾多的水上加油船，這些水上加油船在長江中固定的位置停泊，方便過往的船只尋找。此種水上加油船的船體一般分為4層，從上往下依次為瞭望塔、生活區(qū)、加油區(qū)及裝柴油的船艙。

由于水上加油船遠離岸邊，無法通過電網進行供電，所以水上加油船所需電力主要是由船上安裝的柴油發(fā)電機提供。但此種發(fā)電機不能連續(xù)24 h開啟，且每天用于發(fā)電的柴油量是定額的。因此，柴油發(fā)電機只能在保證每天用于發(fā)電的柴油量不超限的前提下有計劃地啟動。

盡管由柴油發(fā)電機供電相對方便，但其存在發(fā)電效率低、帶載功率低、運行噪音大等缺點，而且柴油發(fā)電機排放的廢氣還會對環(huán)境造成污染。因此，為了提高柴油發(fā)電機對用于發(fā)電的定額柴油量的利用率，船上的用電設備一般需要集中使用，因此船上的工作人員在夜間或非工作時間只能盡量減少甚至不使用柴油發(fā)電機，導致船上的工作人員在日常生活中常處于少電或無電的不利環(huán)境中。為了改善這一不利狀況，同時積極開展節(jié)能減排工作，在加油船舶上應用新能源將成為綠色船舶未來發(fā)展的一個重要方向[1]。

袁成清等[2]研究分析了船用光伏組件的可靠性，提出了光伏發(fā)電可以作為船舶的電力來源之一。張彥等[3]研究了船用微電網的構建，提出在船上引入光伏發(fā)電系統、儲能電池系統和電能轉換設備，并與柴油發(fā)電機相結合，形成光儲柴船用微電網，這樣既能大幅減少柴油的消耗，提高節(jié)能減排的效果，又能增強船上的供電可靠性，改善船上人員的生產和生活用電環(huán)境。

上述文獻主要是通過調研或理論分析得出的結論，并無實際的應用案例?；诖?，本文以中石化江陰石油分公司在長江如皋段的水上加油船采用的光儲柴一體化智能微電網試點項目的應用為例，通過對該微電網的實際運行數據進行統計分析，探索了光儲柴一體化智能微電網在水上加油船應用的價值。

1 水上加油船光儲柴一體化智能微電網的介紹

中石化江陰石油分公司在長江如皋段的水上加油船長時間以船頭朝東、船尾朝西的狀態(tài)錨固停泊在長江如皋段航道中，通過對這些水上加油船進行調研后發(fā)現，船上的用電設備主要分為必保設備和非必保設備兩大類。必保設備是指必須優(yōu)先保障可靠用電的設備，主要是生產負載；非必保設備主要是生活負載，船員需根據生活需要適度用電。通過調研發(fā)現，水上加油船上的常見負載包括約18項，對負載的類型、每小時耗電量及日總耗電量等信息進行了統計，具體如表1所示。

表1 水上加油船的負載類型、每小時耗電量及日總耗電量情況Table 1 Type of load, electricity consumption per hour and total daily electricity consumption on refueling ship above water

從表1可以看出，必保設備的日總耗電量最大約為65 kWh，屬于必須優(yōu)先保證的設備；而非必保設備的日總耗電量約為116 kWh，因此水上加油船負載的最大日總耗電量約為181 kWh。

考慮到清潔電力利用的最大化，并保證可滿足水上加油船的電力需求，該水上加油船的電力供應采用了光儲柴一體化智能微電網。該微電網集成了光伏發(fā)電系統、儲能系統、柴油發(fā)電機及智能微網管理系統，是一個能保證3天持續(xù)供電的船用智能微電網。該微電網可實現智能化運行，對供電實行智能化分級管理，在優(yōu)先保證必保設備可靠供電的同時，最大化地利用光伏發(fā)電給負載供電，以節(jié)省消耗柴油所產生的高額費用。因此在天氣晴好時，該微電網能保證水上加油船上所有電氣設備的用電；而在陰雨天，光伏發(fā)電量不足時，該微電網能自動切斷非必保設備的用電，從而保證必保設備的用電，實現了能源的合理分配和最大化利用。而且考慮到水上加油船的特殊應用場景，光儲柴一體化智能微電網在運維方面采用了免維護設計，能夠根據預設的控制策略自主運行，實現了在無人值守時仍能智能化運行。運維管理人員可以通過遠程能效監(jiān)控平臺在線實時監(jiān)測所有設備的運行數據及工作狀態(tài)。

2 光儲柴一體化智能微電網的各組成部分

可應用于水上加油船的光儲柴一體化智能微電網集成了光伏發(fā)電系統、儲能系統、柴油發(fā)電機、智能微網管理系統，主要由光伏組件、儲能電池、柴油發(fā)電機、光儲柴一體機、變壓器、智能開關及智能微網控制器等組成。光儲柴一體化智能微電網的結構圖及電氣接線圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 光儲柴一體化智能微電網的結構圖Fig. 1 Structure diagram of PV-storage energy-diesel oil integrated smart microgrid

圖2 光儲柴一體化智能微電網的電氣接線圖Fig. 2 Electrical wiring diagram of PV-storage energy-diesel oil integrated smart mircogrid

2.1 光伏發(fā)電系統

光儲柴一體化智能微電網中光伏發(fā)電系統的設計主要涉及光伏組件的選型與排布，以及光伏支架結構的選擇。

2.1.1 光伏組件

水上加油船的第1層和第2層甲板上適合鋪設光伏組件，且不會產生陰影遮擋?？紤]到水上加油船上設備的用電量較大，而船體可供鋪設光伏組件的面積卻有限，因此需要最大化設計光伏發(fā)電系統的裝機容量，而光伏組件則可以采用雙面單晶硅光伏組件。目前對于60片電池的雙面單晶硅光伏組件而言，其正面標稱功率可達310 Wp及以上，而60片電池的單面單晶硅光伏組件的最高標稱功率只有285 Wp，前者的標稱功率相較后者的提升了約8.8%。

此外，雙面光伏組件具有雙面發(fā)電特性，背景反射率越高，雙面光伏組件的背面發(fā)電量就越大，根據背景反射率的不同，雙面光伏組件可以增加10%～30%的發(fā)電量[4]，因此，此類光伏組件非常適合應用在水上加油船這種可供光伏組件安裝的面積有限的場景中。本光伏發(fā)電系統在綜合考慮裝機容量、風荷載影響、光伏組件的自清潔和免維護能力等因素后，決定選用型號為LYGF-QP60-310的雙面單晶硅光伏組件，其主要技術參數如表2所示。

表2 雙面單晶硅光伏組件的主要技術參數Table 2 Main technical parameters of bifacial monocrystalline silicon PV module

光伏組件均按照朝南方向排布，排除水上加油船船體廣告牌的陰影遮擋后，依據GB 50797-2012《光伏發(fā)電站設計規(guī)范》的要求，船體第1層和第2層甲板上可鋪設共154塊雙面單晶硅光伏組件，年均發(fā)電量約為53 MWh。水上加油船上雙面單晶硅光伏組件的排布情況如圖3所示。形式不同于其他常規(guī)光伏支架的形式，需要進行特殊設計。首先，該光伏支架需滿足GB 50017-2017《鋼結構設計規(guī)范》及GB 50009-2015《建筑結構荷載規(guī)范》等現行國家規(guī)范的相關要求；其次，需要考慮水上加油船的工作環(huán)境中光伏支架需要承受的基本風壓、雪壓及光伏組件荷載等關鍵參數；最后，還要結合船體自身結構及使用性能等進行光伏支架的整體設計，從而確保光伏支架的結構強度、支架傾角及光伏組件的安裝方式等滿足規(guī)范的要求。

圖3 水上加油船上雙面單晶硅光伏組件的排布情況Fig. 3 Arrangement of bifacial monocrystalline silicon PV modules on refueling ship above water

本光伏發(fā)電系統中的光伏支架采用固定式支架設計，支架主體結構采用Q235B熱鍍鋅鋼材，螺栓采用鍍鋅防腐處理，光伏組件壓塊采用EPDM材質的雙面光伏組件專用壓塊。根據水上加油船作業(yè)時的船身姿態(tài)及光伏組件的排布效果，支架傾角設置為5°。

此光伏支架的基本受力形式為：光伏組件的長邊通過壓塊栓連于支架檁條上，支架檁條的兩端鉸接于主鋼架梁上，主鋼架梁落于鋼立柱上，鋼立柱柱腳與加油船瞭望臺甲板上的鋼天棚棚頂焊接；在鋼立柱柱頂節(jié)點處縱橫2個方向設置斜撐，用于連接主鋼架梁與鋼立柱，以保證光伏支架平臺的整體穩(wěn)定性。水上加油船用光伏支架的結構示意圖如圖4所示。

2.2 儲能系統

本儲能系統的設計主要涉及儲能電池與光儲柴一體機的選型，以及可保障儲能電池安全使用的設備的配置。

2.2.1 儲能電池的選型

水上加油船必保設備的日總耗電量最大約為65 kWh，但為保證這些設備的用電量，此處取70 kWh，而且考慮到陰雨天光伏發(fā)電不足等情況，需要儲備連續(xù)3天的耗電量，即210 kWh；而船上負載的日總耗電量最大約為181 kWh。因此在兩者中選較大值作為儲能電池的容量設計輸入。

目前，電化學儲能電池的主流技術有鉛酸電池、鋰電池、鉛炭電池等。1)鉛酸電池商業(yè)化最早，價格低廉，但是容易出現正極活性材料腐蝕和負極活性材料硫酸鹽化的問題，導致該類電池的循環(huán)充放電壽命縮短。2)鋰電池依靠鋰離子來存儲和釋放能量，具有比能量高、充放電效率高的特點，但需要解決安全性和成本高的問題[5]。3)鉛炭電池是在鉛酸電池的基礎上將碳材料加入到電池的負極板，屬于新研發(fā)和工藝改良后的產品，具有更好的安全性能和更長的循環(huán)壽命，是可實現深循環(huán)、儲能應用的新一代、高性能蓄電池，非常適合作為分布式光伏發(fā)電系統及智能微電網等的儲能電池[6]。

由于水上加油船屬于燃油存放場所，需要排除火災及爆炸隱患，因此綜合考慮上述3類儲能電池的循環(huán)壽命及安全性后，選擇以鉛炭電池作為本儲能系統的儲能電池，其主要技術參數如表3所示。

表3 鉛炭電池的主要技術參數Table 3 Main technical parameters of lead-carbon battery

依據鉛炭電池的技術參數，考慮能量轉換損耗，按70%的放電深度綜合計算后發(fā)現，本儲能系統共需要174塊規(guī)格為2 V/1000 Ah的鉛炭電池，這些電池的總容量約為348 kWh。

2.2.2 光儲柴一體機的選型

光儲柴一體機是本光儲柴一體化智能微電網中能量控制和能量轉換的關鍵設備。常規(guī)的光儲控制一體機主要是外接光伏組件、儲能電池和用電設備，同時若設置有市電接口就接入市電，以提供電能補充[7]。而本光儲柴一體化智能微電網中的光儲柴一體機除了可對光伏發(fā)電系統、儲能系統的能量進行控制和轉換外，還增加了對外接的柴油發(fā)電機的控制。該光儲柴一體機的功能特點包括：

1)可將光伏組件的直流電逆變成交流電后供水上加油船上的負載使用；

2)可將光伏組件輸出的直流電充入儲能電池；

3)可將柴油發(fā)電機的交流電轉換為直流后充入儲能電池；

4)可將儲能電池內的電量逆變成交流電供水上加油船上的負載使用；

5)當光伏電力和儲能電池的電能都用完后，切換至柴油發(fā)電機供電，光儲系統輸出與柴油發(fā)電機輸出之間的切換時間在10 ms以內。

綜合考慮光伏發(fā)電系統的裝機容量、儲能電池的容量、負載工作時的功率及柴油發(fā)電機的功率以后，選用了容量為60 kVA的光儲柴一體機，其主要技術參數如表4所示。

此外，水上加油船使用的光儲柴一體機還應具備短路、過溫、過流、過欠壓、過欠頻、相序異常等保護功能；同時該光儲柴一體機還應具有維修旁路的模式，能確保光儲柴一體機在不停機的情況下可進行檢修。

2.2.3儲能電池保障設備

考慮到儲能系統的運行安全，儲能電池應統一放置在船體中獨立的電池室內，并安裝空調來保證室內的環(huán)境溫度控制在20～30 ℃，這樣有利于延長電池的使用壽命。電池室的墻壁上應裝貼防火防爆棉，同時在電池室內裝配動環(huán)設備，如水浸探測器、溫濕感探測器、紅外對射儀器、煙感探測器等，對電池室內的環(huán)境變量實施實時在線監(jiān)測，一旦發(fā)現故障及時蜂鳴報警，提示船上人員采取必要的措施解決故障問題，從而可顯著提高儲能系統的維護質量。

表4 光儲柴一體機的主要技術參數Table 4 Main technical parameters of PV-storage energydiesel oil integrated machine

2.3 柴油發(fā)電機的配置

本文所述水上加油船配置有2臺功率分別為50 kW和75 kW的柴油發(fā)電機，其輸出電壓均為380 Vac的三相三線電壓。根據船舶用電規(guī)范，船舶配電系統必須采用三相三線的方式供電，以保證船上工作人員的用電安全；生活負載通過變壓器可獲得220 V的交流電。

2.4 智能微網管理系統的構成

智能微網管理系統是對微電網進行數據采集、設備監(jiān)控和調度的自動化管理系統。其主要由智能微網控制器和遠程能效監(jiān)控平臺組成。管理系統對光伏組件、光儲柴一體機、儲能電池、柴油發(fā)電機及船上負載等設備的運行數據和工作狀態(tài)進行采集，實現光儲系統發(fā)電與柴油發(fā)電機供電的智能切換，對整個電力系統進行遠程管控，使其運行更高效、經濟、安全、可靠。智能微網管理系統的架構如圖5所示。

圖5 智能微網管理系統的架構Fig. 5 Architecture of smart microgrid management system

2.4.1 智能微網控制器

智能微網控制器是智能微網管理系統的控制中心，通過運行預設的自動化控制策略實現對整個微電網的智能化管控。智能微網控制器實時監(jiān)測光伏發(fā)電系統的發(fā)電狀態(tài)、儲能系統的電量狀態(tài)及柴油發(fā)電機的運行狀態(tài)，在優(yōu)先使用光伏發(fā)電的原則下，按照以下控制策略進行工作：

1)平時柴油發(fā)電機不工作，僅由光伏發(fā)電系統提供電力給水上加油船上的負載使用，余電給儲能電池充電。

2)在陰雨天或夜晚時，釋放儲能電池中的電量給船上負載使用；同時設定儲能電池的保障電量預警值Q，當儲能電池電量低于該值時，發(fā)出警報提醒船上工作人員關閉非重要的大功率負載，比如空調等，以確保必保設備的用電正常。

3)當儲能電池放電到生活負載需要全部關閉的電量預警值Q1時，智能微網控制器會下發(fā)指令給智能開關，直接斷開生活負載。

4)當儲能電池放電到最低電量預警值Q2時，智能微網控制器會自動啟動柴油發(fā)電機。當柴油發(fā)電機達到穩(wěn)定運行狀態(tài)時，智能微網控制器會追蹤柴油發(fā)電機的輸出波形，以及光儲柴一體機與柴油發(fā)電機之間的相位差，當這二者的相位一致時，智能微網控制器會快速切換電源，負載由柴油發(fā)電機供電。

5)當柴油發(fā)電機輕載時，智能微網控制器按照預設的控制策略控制柴油發(fā)電機給負載供電，剩余電能給儲能電池充電。

6)當儲能電池電量恢復至Q1時，智能微網控制器自動關閉柴油發(fā)電機，繼續(xù)由儲能電池供電，以提高柴油機的發(fā)電效率并延長其使用壽命。

2.4.2 遠程能效監(jiān)控平臺

由于水上加油船長期固定在長江中，因此實時登船檢測較為困難，為方便運維人員及時發(fā)現運行設備的故障，遠程能效監(jiān)控平臺是行之有效的工具。智能微網管理系統對光伏組件、鉛炭電池、柴油發(fā)電機、光儲柴一體機、用電負載等設備的運行數據進行采集，對這些設備的工作狀態(tài)進行監(jiān)控，再通過GPRS無線通信方式上傳到遠程能效監(jiān)控平臺，就可以實現實時在線監(jiān)測系統的運行狀態(tài)，統計分析系統的運行數據，及時發(fā)現系統故障，增強系統的穩(wěn)定運行可靠性。綜合考慮水上加油船運維管理的需求，本光儲柴一體化智能微電網的遠程能效監(jiān)控平臺需具備以下功能：

1)數據采集及處理功能。對光伏發(fā)電系統、儲能電池、柴油發(fā)電機、光儲柴一體機進行電力信息的采集、統計、分析，同時對設備進行狀態(tài)監(jiān)測。這些電力信息包括上述設備的發(fā)電量、輸出功率、輸出電壓及輸出電流等數據。

2)圖形顯示功能。主要包括光伏發(fā)電系統的電壓、電流及發(fā)電量，負載的耗電量，柴油發(fā)電機的電壓、電流及發(fā)電量，光儲柴一體機的工作電壓、電流，以及儲能電池的充、放電電流等的曲線或柱狀圖顯示。

3)告警和告警記錄功能。對各種數字量變位及故障自診斷事件、異常事件進行實時告警，提示運維人員及時處理。告警記錄包括實時告警窗口和歷史事件檢索窗口。

4)歷史數據記錄功能。記錄并保存采集到的數字量歷史數據，以供調用與分析。

5)報表管理功能。包括報表編輯、報表瀏覽和報表服務等，支持報表的導入、導出、自動生成和自動打印等功能。

6)數據收發(fā)功能。支持通過以太網/GPRS協議收發(fā)本地數據，以實現遠程集中監(jiān)控功能。

7)系統管理功能。包括系統參數配置、用戶及權限管理、系統自診斷和自恢復、系統備份和還原等。

3 光儲柴一體化智能微電網的實際運行效果評估及分析

在該水上加油船采用光儲柴一體化智能微電網項目正常運行后，利用遠程能效監(jiān)控平臺對該微電網的實際運行效果進行評估與分析。

3.1 晴天時微電網的運行效果

選取2020年1月19日作為測試日期，測試當天的天氣晴朗，監(jiān)測到晴天時該微電網的運行狀態(tài)曲線如圖6所示。

圖6 晴天時微電網的運行狀態(tài)曲線Fig. 6 Operating state curve of microgrid in sunny day

從圖6中可以看出，09:00～15:00，光伏發(fā)電量明顯大于負載用電量，此時多余的光伏電力將給儲能電池充電；16:00之后，光伏發(fā)電量開始低于負載用電量，此時儲能電池也將從充電模式改為放電模式，為負載提供電力。

3.2 陰雨天時微電網的運行效果

2020年1月25-27日這3天為連續(xù)陰雨天，選取1月27日時微電網的運行狀態(tài)曲線進行分析，具體如圖7所示。

圖7 陰雨天時微電網的運行狀態(tài)曲線Fig. 7 Operating state curve of microgrid in rainy day

從圖7可以看出，由于受連續(xù)陰雨天的影響，1月27日這天的光伏發(fā)電量基本沒有余電可以給儲能電池充電；在01:00～07:00和18:00～24:00時段，均由儲能電池釋放電量為負載供電，同時也驗證了所選儲能電池完全可以滿足連續(xù)3個陰雨天時為水上加油船的必保設備供電。

3.3 項目經濟性分析

水上加油船未安裝光儲柴一體化智能微電網之前，船上用電只能通過柴油發(fā)電機來提供，用電成本非常高。以船上配置的50 kW柴油發(fā)電機為例，其1 h的耗油量約為13 L，有效發(fā)電量約為10 kWh；根據2020年4月30日的柴油價格5.07元/L計算，可以得出水上加油船上柴油發(fā)電機的度電成本為6.59元/kWh。而水上加油船上負載的日總耗電量約為181 kWh，年耗電量約為66065 kWh，因此為水上加油船供電的柴油年投入成本約為43.5萬元。

而水上加油船安裝了光伏儲柴一體化智能微電網后，船上的供電能力顯著增強，“光伏發(fā)電系統+儲能系統”的年均發(fā)電量約為53000 kWh，可供船上所有負載使用；當船上用電不足時再由柴油發(fā)電機來補充電力，有效降低了柴油消耗量。該水上加油船光儲柴一體化智能微電網項目采用以節(jié)省的柴油費用支付項目總成本的節(jié)能投資方式，包括光伏發(fā)電系統和儲能系統在內，整個項目的總投資為113萬元。若“光伏發(fā)電系統+儲能系統”的年均發(fā)電量仍由柴油發(fā)電機來提供，則每年花費的柴油費用約為34.93萬元；而該微電網運行后，就節(jié)省了這部分費用，即節(jié)省的柴油費用就是項目節(jié)能的收益來源；經過計算，實際只需要3.23年，節(jié)省的總柴油費用就可以完全支付本項目的全部投資成本，經濟性優(yōu)異?？紤]到微電網運行后可為船上帶來24 h的可靠電力，還可以降低由柴油燃燒產生的廢氣污染，其社會效益和環(huán)境效益同樣很高。

4 應用前景

對于在船舶上安裝光伏發(fā)電系統供電，國內外均已有示范應用項目，但項目以旅游觀光船為主，光伏電力為船用動力設備或船用照明設備供電，同時光伏發(fā)電系統的構成也較為簡單。對目前已有的船舶安裝光伏發(fā)電系統供電的項目進行了匯總，具體如表5所示。

表5 已有的船舶安裝光伏發(fā)電系統供電的項目Table 5 Existing projects of ships are installed with PV power generation system for power supply

中石化江陰石油分公司在長江如皋段的水上加油船采用的光儲柴一體化智能微電網試點項目，有效集成了光伏發(fā)電系統、儲能系統、柴油發(fā)電機及智能微網管理系統，截至2020年5月，該微電網已安全運行將近半年，是在水上加油船的首次成功應用。目前我國的水上加油船約有3000多艘，按每條船的光伏發(fā)電系統裝機容量50 kW計算，潛在裝機容量將近150 MW，可節(jié)約柴油用量約17.76萬t；對于安裝一套光儲柴一體化智能微電網，按每條船投入資金約113萬元計算，預計可有將近33.9億的市場投資規(guī)模，隨著水上加油船每年規(guī)模、數量的不斷擴大，光儲柴一體化智能微電網的市場應用前景也將愈發(fā)廣闊。

5 結論

本文對中石化江陰石油分公司在長江如皋段的水上加油船采用的光儲柴一體化智能微電網的構成、經濟性及運行效果進行了分析，結果顯示，該微電網能有效減少柴油用量，同時可提升船上電力系統的穩(wěn)定性，有效改善了船上人員的生產、生活用電條件，在具備經濟效益的同時也有顯著的環(huán)境效益和社會效益。這也為在船舶上利用新能源，做好船舶的節(jié)能減排工作提供了全新的應用模式。