張 彥，宋 昕，張 天

(武漢理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，湖北武漢 430063)

當(dāng)前，隨著全球范圍內(nèi)石化能源逐漸減少，燃油價格持續(xù)上漲，如何進(jìn)一步做好船舶節(jié)能，降低運輸成本已迫在眉睫;同時，降低污染排放，加強環(huán)境保護(hù)已受到國際海事組織 (IMO)的高度重視，2011年7月15日，在倫敦閉幕的國際海事組織 (IMO)海洋環(huán)境保護(hù)委員會第62次會議，通過了“新船設(shè)計能效指數(shù)”和“船舶能效管理計劃”2項標(biāo)準(zhǔn)，強制實施溫室氣體減排［1］。因此，在節(jié)能減排的巨大壓力下，綠色船舶已成為未來船舶的發(fā)展方向，其中以風(fēng)能、太陽能、燃料電池和海流能等為典型代表的清潔能源在船舶上的應(yīng)用最具有革新性和代表性［2-3］。

國外在清潔能源技術(shù)實船應(yīng)用方面已經(jīng)有許多案例，如“Solar Sailor”號太陽能/風(fēng)能混合動力雙體客船、“Turanor Planet Solar”號全太陽能動力船、“Black Magic”號太陽能混合動力油船等?，F(xiàn)有的實船案例大部分都是通過轉(zhuǎn)換裝置將清潔能源(風(fēng)能、太陽能等)轉(zhuǎn)換成電能后供給船舶電力設(shè)備?？v觀現(xiàn)有的清潔能源技術(shù)應(yīng)用實例，單一利用并非最為優(yōu)化的模式，多種能源的綜合利用已經(jīng)成為重要發(fā)展方向［4］，而微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)則是其中有效的利用形式之一。微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具有獨立運行的能力，也可以與船舶電網(wǎng)并聯(lián)運行，能夠有效提高清潔能源的利用效率，進(jìn)一步達(dá)到節(jié)能減排的效果。因此，進(jìn)行船用微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)建研究對于清潔能源在船舶上的運用具有十分重大的意義。

1 清潔能源在船舶上綜合利用的現(xiàn)狀

目前所有在船舶平臺綜合利用清潔能源的實例大都屬于探索性研究，即僅從工程技術(shù)角度在原有船舶電力系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行按需改造，各發(fā)電系統(tǒng)與對應(yīng)負(fù)載形成一個個封閉的個體，而不是從船舶整體能量管理和全系統(tǒng)運行控制的角度將多種清潔能源有機融入船舶能量系統(tǒng)之中。例如“Soliloquy Super-Green”號游艇、“Black Magic”號油船以及“Hornblower Hybrid”雙體客船都采用了風(fēng)能與太陽能的綜合利用，風(fēng)能采用風(fēng)帆助航，太陽能采用離網(wǎng)的太陽能光伏系統(tǒng)。五體汽車渡船“E/S Orcelle”號采用了風(fēng)能、太陽能、波浪能和燃料電池的綜合利用，船體外部安裝有3個巨型太陽能面板剛性帆、12個可將波浪能轉(zhuǎn)化為電能的鰭，結(jié)合安裝在船體內(nèi)的燃料電池共同為船舶電力裝置提供能量，多余的能量會存儲在蓄電池中［4］。

2 船用微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)建

據(jù)美國電氣可靠性技術(shù)解決方案聯(lián)合會CERTS給出的定義，微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是集分布式電源、儲能裝置、不同重要等級負(fù)荷及一系列相關(guān)控制與保護(hù)于一體的小型發(fā)配電系統(tǒng)。對外表現(xiàn)為單一的受控單元，滿足用戶對供電安全和電能質(zhì)量的要求，可以并網(wǎng)運行，也可以獨立運行［5-6］。而船舶電網(wǎng)本身是一個獨立的小容量電網(wǎng)，沖擊性和波動性負(fù)載較多，對于電能安全和電能質(zhì)量較高，本身由2～3臺發(fā)電機組獨立或并車向電網(wǎng)提供電能［7］，結(jié)構(gòu)與用電要求與微網(wǎng)優(yōu)勢十分相近。因此，可以認(rèn)為微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)符合多種清潔能源在船舶電力系統(tǒng)中使用的相關(guān)要求［8］。

構(gòu)建船用微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，實際上就是將多種清潔能源、儲能裝置、能量變換裝置以及負(fù)載等組成一個整體，構(gòu)建一個能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護(hù)和管理的自治系統(tǒng)，既可以與原有船舶電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運行，也可以孤立運行。源于船舶電力系統(tǒng)的特殊性，船用微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計思想及流程與陸上微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)有所區(qū)別，所以在初始設(shè)計時必須對可能遇到的問題做出完整的分析，本文總結(jié)出一套構(gòu)建流程，如圖1。

3 微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 多種清潔能源的有效組合

微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)使原有的單一電能分配轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)合能源共同作用，可以有效解決清潔能源在外部環(huán)境作用下的使用局限性，提高能量利用的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和安全性。但如果各清潔能源的類型、容量和接入點等不合適，不僅不能充分發(fā)揮復(fù)合能源的共同作用，反而可能會影響船舶電網(wǎng)的供電質(zhì)量，給配電系統(tǒng)帶來較大的負(fù)面影響［9］。為了充分發(fā)揮微網(wǎng)的優(yōu)勢，需要研究多種清潔能源的組合方式，其思路如圖2所示。

圖1 船用微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)建流程圖

圖2 多種清潔能源的組合思路圖

依據(jù)清潔能源適用于船舶的特點，將其分為可控電源 (能快速響應(yīng)負(fù)荷的變化且便于調(diào)度，例如燃料電池)和不可控電源 (出力的大小受氣候的影響，無法隨時根據(jù)負(fù)荷的需要進(jìn)行改變，例如太陽能)。在船用微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)容量設(shè)計時，由于不可控電源的容量具有不穩(wěn)定性，因此可以采取不可控電源與可控電源容量配對設(shè)計來彌補這種不穩(wěn)定性。

同時，進(jìn)行組合時一定要充分考慮船舶運行環(huán)境可能帶來的影響。對于遠(yuǎn)洋船舶來說，其運行的海洋環(huán)境中含有大量的鹽分、水氣及海風(fēng)中夾雜的酸堿性物質(zhì)，溫差大、鹽分大、濕度高［10］，會對清潔能源產(chǎn)生不同程度的影響。例如，海洋空氣中的鹽粒等會在太陽能電池板玻璃表面形成覆蓋層，降低透射進(jìn)入的太陽輻照強度，同時加劇腐蝕磨損;海水會對海流能發(fā)電裝置過流部件產(chǎn)生腐蝕、沖擊等。選用的清潔能源必須評估其實際使用的可靠性，保證電力輸出的特性和物理損傷在允許的范圍之內(nèi)。

除此以外，各種不同船型彼此之間在結(jié)構(gòu)、功能和適用航線等方面存在區(qū)別，在船舶上使用清潔能源技術(shù)顯然不是任意選定一種船舶作為搭載平臺就適宜的，需要考慮目標(biāo)船舶的實際特點，確定搭載條件，分析船舶負(fù)載的電力需求和使用情況。在具體選擇過程中還要考慮經(jīng)濟(jì)合理性，在分析投資成本、環(huán)境成本等經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上進(jìn)行最優(yōu)組合。

3.2 微網(wǎng)的控制系統(tǒng)

微網(wǎng)的控制系統(tǒng)是船用微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分，是系統(tǒng)可靠運行的基礎(chǔ)?？刂葡到y(tǒng)必須能夠保證微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)可以在并網(wǎng)和孤島2種運行模式下切換工作［11］，實現(xiàn)微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的可靠并網(wǎng)與適時脫離船舶電網(wǎng)，穩(wěn)定孤島運行，從而確保電能質(zhì)量。圖3所示是一種船用微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

圖3 船用微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

船用微網(wǎng)的控制系統(tǒng)除了能夠?qū)崿F(xiàn)并網(wǎng)與孤島2種運行模式間的無縫轉(zhuǎn)換以外，還能夠?qū)崟r監(jiān)測微網(wǎng)的運行狀態(tài)，對故障進(jìn)行診斷定位與報警，確保船舶電力系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備的安全。

3.3 能量的優(yōu)化管理

與常規(guī)的電力系統(tǒng)相比，微網(wǎng)中的可調(diào)節(jié)變量更加豐富。通過調(diào)節(jié)這些變量，在滿足系統(tǒng)運行約束的前提下，可以實現(xiàn)微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化運行，保證最大限度地利用清潔能源。船用微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的能量管理指的是可以針對船舶各電力使用狀態(tài)，對微網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化管理。

船用微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的能量管理必須具備清潔能源發(fā)電預(yù)測、實時功率平衡以及對重要負(fù)荷可靠供電等功能［12］，保證能量的可靠調(diào)度與控制，能量管理的構(gòu)成如圖4所示。

圖4 船用微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的能量管理構(gòu)成圖

4 微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的節(jié)能和可靠性分析

船用微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)建可以合理利用多種清潔能源，有效減少船舶電站柴油發(fā)電機組的容量，并使得柴油發(fā)電機長時間運行在經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速下，降低燃油消耗，有效提高節(jié)能減排的效果。多種清潔能源的綜合利用還可以有效避免單一清潔能源在外界因素影響下的使用局限性［13］。但微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)相比傳統(tǒng)船舶電力系統(tǒng)，設(shè)備數(shù)量和復(fù)雜性增強，在設(shè)備維護(hù)、電力系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面增加了許多待解決的問題，例如低電壓穿越、電路諧波等電能質(zhì)量問題。微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的可靠性分析可以認(rèn)為是微網(wǎng)在船舶上使用的前提和關(guān)鍵所在。

5 結(jié)束語

船用微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)建基于船舶電網(wǎng)是一個移動且完全獨立的電力系統(tǒng)平臺這一前提，參照陸用微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的原理進(jìn)行構(gòu)建。船用微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)建可以有效提高船用清潔能源的利用效率，增強節(jié)能減排的效果和船舶供電的可靠性，有效推動我國綠色船舶的發(fā)展。

［1］俞士將.綠色船舶的最新發(fā)展 ［J］.中國船檢，2010(11):44-47.

［2］嚴(yán)新平.新能源在船舶上的應(yīng)用進(jìn)展及展望 ［J］.船海工程，2010，39(6):111-115.

［3］趙江濱，王立明，袁成清，等.一種基于主導(dǎo)風(fēng)向的風(fēng)帆偏航控制系統(tǒng) ［J］.交通信息與安全，2010(6):95-97.

［4］嚴(yán)新平，徐立，袁成清.船舶清潔能源技術(shù) ［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2012.

［5］ Hatziargyriou N，Asano A，ravani R.Microgrids［J］.IEEE Power Energy Magazine，2007，5(4):78-94.

［6］ Venkataramanan G，Marnay C.A larger role for microgrids［J］.IEEE Power Energy Magazine，2008，3(6):78-82.

［7］史際昌.船舶電氣設(shè)備及系統(tǒng) ［M］.大連:大連海事大學(xué)出版社，1998.

［8］孫玉偉，嚴(yán)新平，袁成清，等.基于多層面同構(gòu)的船舶智能電網(wǎng)理論體系研究 ［J］.船舶工程，2013，35(1):52-56.

［9］林珊.微網(wǎng)中分布式電源最優(yōu)容量組合研究 ［D］.北京:華北電力大學(xué)，2012.

［10］袁成清，趙亮亮，孫玉偉，等.船用太陽能電池可靠性分析 ［J］.船海工程，2010，39(6):129-131.

［11］ Faisal A.Mohamed.Microgrid Modelling and Online Management［R］.Helsinki University of Technology Control Engineering.2008.

［12］張建華，蘇玲，陳勇，等.微網(wǎng)的能量管理及其控制策略 ［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2011，35(7):24-28.

［13］許曉彥.船舶多模式電站與船舶電網(wǎng)電能質(zhì)量研究［D］.上海:上海海事大學(xué)，2007.