自航式深遠海養(yǎng)殖網(wǎng)箱供配電系統(tǒng)配置研究

摘 要：近年來，隨著深海漁業(yè)的發(fā)展，深遠海養(yǎng)殖工程裝備需求旺盛，海洋經(jīng)濟發(fā)展新模式成為必然趨勢。海上風光互補發(fā)電技術(shù)被廣泛應用于漁業(yè)，但是由于海洋環(huán)境的多變，太陽能及風力發(fā)電不能完全滿足需求。鑒于此，以一型自航式深遠海網(wǎng)箱為研究對象，在風光互補發(fā)電技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出一種風光油多能互補的供配電系統(tǒng)，滿足新型深遠海養(yǎng)殖工程裝備的需求，同時為后續(xù)深遠海養(yǎng)殖工程裝備的發(fā)展提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：自航式；深遠海網(wǎng)箱；可再生能源；多能互補；能量管理

中圖分類號：TM73" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）06-0016-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.06.004

0" " 引言

近年來，隨著國家推動深遠海養(yǎng)殖發(fā)展，近海養(yǎng)殖水域飽和的問題得到有效緩解，海洋生態(tài)環(huán)境壓力逐漸減小，為漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了更好的條件[1]。目前深遠海養(yǎng)殖工程裝備主要有深海網(wǎng)箱、養(yǎng)殖平臺、養(yǎng)殖工船等[2]。自航式養(yǎng)殖網(wǎng)箱不僅具有深海網(wǎng)箱的功能，還具有自主航行能力，可根據(jù)需求游弋于合適的養(yǎng)殖水域，躲避臺風等自然災害侵襲，因此其供配電系統(tǒng)需滿足深海網(wǎng)箱的養(yǎng)殖需求，同時也要滿足規(guī)避惡劣海況時船舶快速移動的需求。

深海網(wǎng)箱屬于離岸設(shè)施，常采用一種持續(xù)、可靠的離岸供電技術(shù)，其中太陽能、風能這種清潔再生能源，被廣泛地應用于漁業(yè)領(lǐng)域，風光互補發(fā)電技術(shù)已成為未來可再生能源開發(fā)利用的新趨勢[3]。但是，其容量無法滿足快速移動規(guī)避臺風等惡劣海況的需求，因此需要研究出一種適合自航式深海養(yǎng)殖網(wǎng)箱的供配電系統(tǒng)[4]。

本文以一型自航式深遠海養(yǎng)殖網(wǎng)箱為研究載體，在風光互補發(fā)電技術(shù)的基礎(chǔ)上，引入柴油機發(fā)電形成多能互補，滿足該養(yǎng)殖網(wǎng)箱的各種工況，為后續(xù)深遠海養(yǎng)殖工程裝備提供借鑒。

1" " 總體設(shè)計思路

該自航式深遠海養(yǎng)殖網(wǎng)箱（后文簡稱“網(wǎng)箱”）的工作地點在南海，日照與風資源充足，可充分利用清潔可靠的風光發(fā)電為網(wǎng)箱提供能源，但風能和太陽能屬于間歇性和波動性較大的不可控自然資源，單獨的風光發(fā)電模式具有出力不穩(wěn)定、功率限制等特點，很難全天候提供穩(wěn)定的電能，以保證深遠海養(yǎng)殖網(wǎng)箱的日常持續(xù)用電和大功率負荷用電需求。

相較于風力發(fā)電和光伏發(fā)電，燃油發(fā)電機可以產(chǎn)生高效的電能，其輸出的電能穩(wěn)定、可靠、質(zhì)量高，不存在間歇發(fā)電，具有良好的可控制性。但燃油發(fā)電機發(fā)電燃油消耗量大，且會產(chǎn)生氣體污染環(huán)境。

蓄電池系統(tǒng)充放電操作可控，可存儲發(fā)電高峰或用電低谷時的多余電能，彌補風光資源不足時所缺電力，能有效調(diào)節(jié)風光發(fā)電間歇性。

因此，根據(jù)風光發(fā)電、燃油發(fā)電、蓄電池等系統(tǒng)的不同出力特性，融合為風光油蓄多能互補的能源總體配置方案，以滿足養(yǎng)殖網(wǎng)箱的多種運行工況需求。配置方案總體框圖如圖1所示。

2" " 多能互補系統(tǒng)配置

根據(jù)總體設(shè)計思路，多能互補電力系統(tǒng)應滿足如下工況的設(shè)計需求：

1）設(shè)計養(yǎng)殖工況（較好海洋環(huán)境下的養(yǎng)殖作業(yè)）。正常海況環(huán)境下，網(wǎng)箱在一定范圍水域內(nèi)以漂浮狀態(tài)進行養(yǎng)殖作業(yè)，推進系統(tǒng)和動力定位（DP）系統(tǒng)不運行，系統(tǒng)需給養(yǎng)殖設(shè)備、吊機、視頻監(jiān)控、通信、養(yǎng)殖人員生活用電設(shè)備等提供電源。

2）文旅養(yǎng)殖工況。在設(shè)計養(yǎng)殖工況的基礎(chǔ)上，增加文旅功能，即空調(diào)、娛樂、廚房等生活用電需求顯著增加。

3）遷移工況（從一個養(yǎng)殖地點轉(zhuǎn)移到另一個養(yǎng)殖地點）。投喂、運輸、養(yǎng)殖光控等養(yǎng)殖設(shè)備暫停運行，需要給推進系統(tǒng)、視頻監(jiān)控、養(yǎng)殖人員生活用電設(shè)備等提供電源。

4）沉浮工況（調(diào)整船舶姿態(tài)）。投喂、運輸、養(yǎng)殖光控等養(yǎng)殖設(shè)備暫停運行，推進系統(tǒng)不工作，壓載系統(tǒng)、視頻監(jiān)控、通信系統(tǒng)等持續(xù)運行，生活用電僅需滿足養(yǎng)殖人員需求。

5）DP養(yǎng)殖工況（較惡劣海洋環(huán)境下的養(yǎng)殖作業(yè)）。海況惡劣情況下，網(wǎng)箱通過動力定位系統(tǒng)保持在一定范圍水域內(nèi)執(zhí)行養(yǎng)殖作業(yè)任務(wù)，推進系統(tǒng)、壓載系統(tǒng)、投喂、運輸、養(yǎng)殖光控等系統(tǒng)均正常運行。

6）應急工況（正常電源失效下的應急供電）。主電源失效時，應急發(fā)電機自動啟動，以滿足照明、航行通信、火災報警、監(jiān)控系統(tǒng)等用電需求。

因此，構(gòu)建如圖2所示的電力系統(tǒng)單線圖，其中電源系統(tǒng)主要由主發(fā)電機組、應急發(fā)電機組、光伏發(fā)電系統(tǒng)、風力發(fā)電機組、蓄電池組、690 V主配電板（MSB）、400 V/230 V主配電板（SMSB）及各級變壓器等組成。

4臺主發(fā)電機組分別引入到690 V主配電板（MSB），通過主配電板一期饋線屏向推進系統(tǒng)供電。主配電板二期饋線屏通過690 V/400 V主變壓器向400 V/230 V主配電板（SMSB）供電。

光伏/風力發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)由直流配電板后逆變接入AC400 V配電板，作為一個并網(wǎng)型光伏/風力電源，可以實現(xiàn)余電上網(wǎng)。

當直流配電系統(tǒng)發(fā)生供電不足時，主發(fā)電機組自動啟動，4臺主發(fā)電機可以長期并聯(lián)運行，通過主配電板供電至本平臺海水泵、照明、空調(diào)、制冷、文娛、生活等全部負載。當主電源系統(tǒng)發(fā)生失電時，應急發(fā)電機組自動啟動并向應急發(fā)電機室內(nèi)的應急配電板供電。系統(tǒng)設(shè)計要求運行可靠，能夠完成不停電電源的轉(zhuǎn)換。

2.1" " 光伏/風力發(fā)電系統(tǒng)

如圖2所示，本網(wǎng)箱設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)一套，提供總裝機容量約200 kW的太陽能供電。同時設(shè)置風力發(fā)電系統(tǒng)6套，每套功率約20 kW，提供總裝機容量約120 kW的風能供電。系統(tǒng)配置并網(wǎng)型控制器到AC400 V交流母排，塔架強度滿足網(wǎng)箱的環(huán)境條件。

2.2" " 磷酸鐵鋰儲能蓄電池

本網(wǎng)箱采用磷酸鐵鋰電池，其總電量為1 064 kW·h，作為輔助能源給日常負載供電。

磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)主要由電池包、管理系統(tǒng)（分模塊級和系統(tǒng)級）、電纜以及附件等組成。儲能蓄電池間帶溫度監(jiān)測系統(tǒng)。

本網(wǎng)箱鋰電池系統(tǒng)共有6個電池簇，每個電池簇通過高壓匯流箱接入直流匯流排，任意一簇電池失效不會影響整船功率輸出。

電池系統(tǒng)通過DC/DC并聯(lián)，采用共直流母線方式充電，由BMS系統(tǒng)控制DC/DC模塊分別給對應的電池組進行充電，充電電流由DC/DC控制。

電池系統(tǒng)采用分布式測量方案，在電池包內(nèi)測量每個蓄電池單體電壓與電池單元包溫度，并通過信號線傳輸至電池簇與電池組控制器。通過數(shù)據(jù)分析，判斷電池狀態(tài)，將數(shù)據(jù)及電池狀態(tài)上傳至電池組監(jiān)測組件。

2.3" " 柴油發(fā)電機系統(tǒng)

根據(jù)總體設(shè)計思路，柴油發(fā)電機系統(tǒng)需作為風光兩種能量的補充，并且還需要滿足遷移工況、沉浮工況、DP工況以及應急工況的需求，是本網(wǎng)箱的主要電力來源，因此配置了4臺2 500 kW的發(fā)電機組，其參數(shù)如表1所示。

2.4" " 配電系統(tǒng)

如圖2所示，本網(wǎng)箱配置1套690 V主配電板和1套400 V/230 V主配電板，均采用分斷母線供電的方式，通過儲能配電開關(guān)實現(xiàn)柴油機與風光儲能系統(tǒng)的雙向切換。

3" " 多能互補智能能量管理系統(tǒng)

如前文所述，該網(wǎng)箱采用風光油多能互補系統(tǒng)，但其并不是簡單地將這三者相加就可以了，三者的互補發(fā)電技術(shù)，關(guān)鍵是綜合配置能力。為了實現(xiàn)能量的智能管理，本網(wǎng)箱配置了一套智能能量管理系統(tǒng)，這是一個集成了數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、分析和控制等功能的軟件系統(tǒng)，通過實時監(jiān)控和優(yōu)化電力系統(tǒng)的運行，提高能源利用效率，降低能源消耗，增強電力系統(tǒng)的可靠性和安全性。其主要界面如圖3所示，主要功能模塊如下。

3.1" " 數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控

電力管理系統(tǒng)通過與電力設(shè)備和傳感器進行連接，實時采集和監(jiān)控船舶電力系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)，包括電壓、電流、功率、能耗等。這些數(shù)據(jù)可以通過圖表、表格等形式展示，幫助了解船舶電力系統(tǒng)的實時運行情況。

3.2" " 數(shù)據(jù)分析和預測

電力管理系統(tǒng)可以對采集到的數(shù)據(jù)進行分析和處理，通過算法和模型，預測電力系統(tǒng)的負荷需求、能源消耗等。這些預測結(jié)果可以幫助做出合理的決策，優(yōu)化船舶電力系統(tǒng)的運行。

3.3" " 能源管理和優(yōu)化

電力管理系統(tǒng)可以根據(jù)實時數(shù)據(jù)和預測結(jié)果，對電力系統(tǒng)進行優(yōu)化管理。它可以自動調(diào)整設(shè)備的運行狀態(tài)、控制負荷的分配、優(yōu)化能源的使用等，以提高能源利用率，降低能源消耗。

3.4" " 故障診斷和報警

電力管理系統(tǒng)可以監(jiān)測電力系統(tǒng)的異常情況和故障，并及時發(fā)出警報。它可以根據(jù)故障的類型和嚴重程度，提供相應的故障診斷和處理建議，幫助船舶操作人員快速解決問題，減少停電時間和損失。

3.5" " 遠程控制和操作

電力管理系統(tǒng)可以通過遠程控制和操作，對電力設(shè)備進行遠程監(jiān)控。船舶業(yè)主可以通過電腦、手機等終端設(shè)備，隨時隨地對電力系統(tǒng)進行監(jiān)控和操作，提高運維效率和靈活性。

3.6" " 數(shù)據(jù)存儲和報表生成

電力管理系統(tǒng)可以將采集到的數(shù)據(jù)進行存儲和管理，并生成各種報表和分析結(jié)果。船舶業(yè)主可以通過這些報表和分析結(jié)果，了解電力系統(tǒng)的歷史運行情況和趨勢，為決策提供依據(jù)。

4" " 結(jié)束語

本文以自航式深遠海養(yǎng)殖網(wǎng)箱為依托，搭建綠色能源船舶電力系統(tǒng)，對太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)、風力發(fā)電系統(tǒng)、柴油機發(fā)電系統(tǒng)、鋰電池儲能系統(tǒng)多能互補的電力系統(tǒng)進行研究，通過多能互補，實現(xiàn)對綠色船舶能量管理系統(tǒng)的系統(tǒng)科學合理配置，構(gòu)建綠色船舶能量管理系統(tǒng)總體架構(gòu)，可為后續(xù)深遠海養(yǎng)殖工程裝備的發(fā)展提供一定的借鑒。

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收稿日期：2024-12-03

作者簡介：朱文博（1984—），男，湖北恩施人，碩士研究生，正高級工程師，研究方向：自動化、機械設(shè)計。