孫玉偉， 嚴(yán)新平， 袁成清， 湯旭晶， 邱爰超， 郭 暢

(武漢理工大學(xué) a.能源與動力工程學(xué)院； b.國家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心；c.交通運(yùn)輸部船舶動力工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗室，武漢 430063)

2017-04-18

工業(yè)和信息化部高技術(shù)船舶科研項目(工信部聯(lián)裝[2012]540號)

孫玉偉(1985—)，男，湖北十堰人，講師，博士，主要研究方向為船舶電力系統(tǒng)及自動化控制、綠色船舶應(yīng)用技術(shù)。

E-mail：ywsun@whut.edu.cn

1000-4653(2017)03-0025-05

離/并網(wǎng)一體光伏系統(tǒng)在5000PCTC遠(yuǎn)洋汽車滾裝船上的應(yīng)用

孫玉偉a,b,c， 嚴(yán)新平a,b,c， 袁成清a,b,c， 湯旭晶a,b,c， 邱爰超a， 郭 暢a

(武漢理工大學(xué) a.能源與動力工程學(xué)院； b.國家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心；c.交通運(yùn)輸部船舶動力工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗室，武漢 430063)

對比離網(wǎng)型太陽能光伏系統(tǒng)與并網(wǎng)型太陽能光伏系統(tǒng)在船舶電力系統(tǒng)中集成應(yīng)用上存在的技術(shù)差異，以5 000 PCTC汽車滾裝船為應(yīng)用對象，設(shè)計一套采用大容量鋰電池儲能的離/并網(wǎng)一體化船基太陽能光伏系統(tǒng)。實(shí)船測試結(jié)果表明：該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)在不同模式之間穩(wěn)定切換運(yùn)行，離/并網(wǎng)運(yùn)行條件下測定的逆變器交流端輸出電能的質(zhì)量滿足船級社相關(guān)規(guī)范的要求。

船舶；船舶電力系統(tǒng)；光伏系統(tǒng)；離網(wǎng)；并網(wǎng)

隨著能源消耗問題和氣體排放問題日益嚴(yán)重，國際法規(guī)帶來的壓力日益增大，世界各航運(yùn)大國開始不斷探索利用風(fēng)能、太陽能、核能、生物質(zhì)能和燃料電池等新能源技術(shù)開發(fā)新型節(jié)能環(huán)保的“綠色船舶”。[1-4]太陽能船舶(或稱應(yīng)用太陽能光伏技術(shù)的船舶)以在船舶電力系統(tǒng)中集成零污染、零排放的太陽能光伏系統(tǒng)為基本技術(shù)方案，在降低常規(guī)柴油同步發(fā)電機(jī)組設(shè)計功率的同時，通過在航行過程中最大程度地利用光伏電能，實(shí)現(xiàn)船舶燃油消耗量和溫室氣體排放量的顯著下降。當(dāng)前，太陽能船舶已發(fā)展成為最具節(jié)能減排潛力的綠色船舶之一。

這里首先對比分析離網(wǎng)型光伏系統(tǒng)和并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)在船舶電力系統(tǒng)中集成應(yīng)用的特點(diǎn)及關(guān)鍵環(huán)節(jié)；其次以5 000 PCTC遠(yuǎn)洋汽車滾裝船為改造對象，設(shè)計一套采用大容量鋰電池儲能的離/并網(wǎng)一體化船基太陽能光伏系統(tǒng)，結(jié)合實(shí)船改造工程，詳述該系統(tǒng)的4種設(shè)定運(yùn)行模式；最后通過岸基和船基光伏系統(tǒng)離/并網(wǎng)切換運(yùn)行測試，驗證該系統(tǒng)的功能是否達(dá)到設(shè)計要求，各項運(yùn)行參數(shù)是否滿足船級社電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1 離網(wǎng)和并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)分析

太陽能光伏系統(tǒng)作為一種基于電力電子技術(shù)的逆變電源，其有功-頻率變化特性、無功-電壓調(diào)節(jié)特性、頻率響應(yīng)特性、功角穩(wěn)定特性及故障響應(yīng)特性等電能質(zhì)量特征與逆變控制程序直接相關(guān)。[5-6]相對于擁有“大慣性”特性的常規(guī)同步發(fā)電機(jī)組，光伏系統(tǒng)可被視為一個“零慣性”的“脆性源”。[7-9]根據(jù)光伏系統(tǒng)容量與全船總負(fù)荷需求量之間的比例關(guān)系，太陽能船舶可分為太陽能光伏輔助供電型船舶和太陽能電力推進(jìn)型船舶2種；根據(jù)所適用船舶電力系統(tǒng)電制的不同，船基光伏系統(tǒng)有直流系統(tǒng)和交流系統(tǒng)2種集成方案；根據(jù)船舶負(fù)荷功率的需求和運(yùn)行工況的差異，可進(jìn)一步將光伏系統(tǒng)設(shè)計方案細(xì)化為離網(wǎng)型、并網(wǎng)型和離并網(wǎng)混合型等3種。[10]

離網(wǎng)型光伏系統(tǒng)在單獨(dú)帶載運(yùn)行時與船舶電網(wǎng)之間不存在直接的電能交匯，船舶電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性主要取決于在網(wǎng)同步發(fā)電機(jī)組的電力輸出特性，因此對整個電網(wǎng)的安全性和可靠性影響較小?？紤]到所接負(fù)載的日均能耗總量和盡可能地降低光伏電-船電切換頻率，通常需設(shè)置容量數(shù)倍于光伏組件總?cè)萘康膬δ苎b置，以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)的電能供需平衡。此外，離網(wǎng)逆變器的輸出功率受所接負(fù)載總功率的牽制，如所接負(fù)載長期在低功率水平運(yùn)行會造成已發(fā)出光伏電能的浪費(fèi)。

并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)僅需設(shè)置與光伏組件容量相同的儲能裝置即可實(shí)現(xiàn)動態(tài)的電能供需平衡，并網(wǎng)逆變器輸出的電能并入船舶主電網(wǎng)，由綜合電力管理系統(tǒng)在全船范圍內(nèi)統(tǒng)一調(diào)度，因此具有較高的能源利用效率。[11]與同步發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行過程相比，并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)運(yùn)行具有以下顯著特點(diǎn)：

1)直流側(cè)電氣量與交流側(cè)電氣量的控制關(guān)系顯著，因而不存在機(jī)組間小幅電壓差、頻率差及相位差產(chǎn)生的“環(huán)流”將待并機(jī)組拉入同步的情況。

2)并網(wǎng)逆變器對電網(wǎng)電壓不具有支撐作用，不能抵御電網(wǎng)上的大擾動沖擊。

3)為避免交流端電力輸出功率波動造成頻繁調(diào)節(jié)同步發(fā)電機(jī)組出力大小的問題，帶有儲能系統(tǒng)的并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)通常以設(shè)定的功率因數(shù)恒功率輸出，船舶工況波動全部由同步發(fā)電機(jī)組平衡。

4)在船舶電網(wǎng)某電能質(zhì)量參數(shù)(電壓、頻率、諧波和逆功率等)的瞬時波幅超出并網(wǎng)逆變器設(shè)定值之后，光伏系統(tǒng)陡停,進(jìn)一步加劇整個電力系統(tǒng)的振蕩。該過程相當(dāng)于降低了暫態(tài)過程中系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度,在極端情況下極易導(dǎo)致同步發(fā)電機(jī)失去同步、機(jī)組解列和電網(wǎng)失電。

隨著太陽能船舶不斷發(fā)展，應(yīng)用于各型船舶平臺上的太陽能光伏系統(tǒng)的容量得到不斷提升，其系統(tǒng)集成方案設(shè)計呈現(xiàn)出由離網(wǎng)型向并網(wǎng)型和混合型轉(zhuǎn)變的趨勢。[12]

2 實(shí)船離/并網(wǎng)一體光伏系統(tǒng)

以2012年投入營運(yùn)的5 000 PCTC汽車滾裝船“中遠(yuǎn)騰飛”輪為應(yīng)用對象，采用離網(wǎng)模式與并網(wǎng)模式一體化集成設(shè)計的基本思想，設(shè)計一套采用大容量鋰電池儲能裝置的船基光伏系統(tǒng)。該系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計、運(yùn)行模式設(shè)定和實(shí)船安裝如下。

2.1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計

作為在營船舶光伏系統(tǒng)改造項目，綜合評估船舶規(guī)范、船舶結(jié)構(gòu)安全和離網(wǎng)負(fù)載功率等因素設(shè)定光伏系統(tǒng)的裝機(jī)容量、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及運(yùn)行模式。中國船級社在《太陽能光伏系統(tǒng)在船舶上使用的技術(shù)要求(2013)》中采用靜態(tài)頻率調(diào)節(jié)特性計算方法反推出電網(wǎng)頻率降低幅度不超過限制值條件下的光伏發(fā)電裝機(jī)容量與在網(wǎng)發(fā)電機(jī)組容量的比例系數(shù)，即光伏滲透率應(yīng)≤23.1%；實(shí)測“中遠(yuǎn)騰飛”輪在不進(jìn)行甲板改造的情況下無遮蔽面積約為900 m2，允許光伏系統(tǒng)設(shè)計容量在150 kWp左右(光伏滲透率為12.5%～16.2%)，以日均5 h等效照射時間計算，忽略直流電纜損耗、蓄電池充放電損耗、交流配電電纜損耗等因素，日均輸出電能約為750 kW·h。在離網(wǎng)運(yùn)行模式下基本可保證總功率約為30 kW的負(fù)載24 h不間斷供電；在并網(wǎng)模式下僅考慮光伏系統(tǒng)輸出交流電的電制與船舶電網(wǎng)電制相同即可。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，設(shè)計離/并網(wǎng)一體光伏系統(tǒng)。圖1為該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，主要由太陽能電池陣列、光伏控制器、鋰離子蓄電池組、電池管理系統(tǒng)(Battery Management System，BMS)、離/并網(wǎng)一體逆變器和交流配電柜等主要組成設(shè)備。各組成設(shè)備的主要功能有:

1)太陽能電池陣列將太陽輻照能轉(zhuǎn)換為直流電并輸出。

2)帶有最大功率跟蹤控制和限壓限流功能的太陽能光伏控制器對光伏陣列的實(shí)時輸出電壓及電流進(jìn)行控制，以使太陽輻照能的應(yīng)用最大化，其輸出端與BMS和離/并網(wǎng)一體逆變器的輸入端為同電位共直流端。

3)具有過充過放互鎖保護(hù)功能的BMS通過實(shí)時檢測蓄電池的端電壓和光伏控制器的輸出電壓，動態(tài)改變蓄電池組的充放電狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)光伏電能在直流端和交流段的動態(tài)平衡。

圖1 5 000 PCTC離/并網(wǎng)一體光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4)離/并網(wǎng)一體逆變器將直流電逆變?yōu)?50 V/60 Hz的三相交流電，通過切換主控電路板中DSP的逆變控制程序，由同一套絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)逆變橋完成離網(wǎng)模式和并網(wǎng)模式輸電切換功能，具有極性反接、短路、孤島、過熱及過載保護(hù)等功能。

5)通過改變交流配電柜上的離網(wǎng)-并網(wǎng)運(yùn)行手動機(jī)械互鎖開關(guān)，在離網(wǎng)模式下降壓至230 V/60 Hz向4L～9L分電箱供電，在并網(wǎng)模式下直接向船舶主配電屏供電。

2.2運(yùn)行模式設(shè)定

根據(jù)航線上的太陽能輻照強(qiáng)度、負(fù)載功率需求、經(jīng)濟(jì)性和安全性要求，該光伏系統(tǒng)能在4種設(shè)定模式之間切換運(yùn)行。

1)離網(wǎng)運(yùn)行模式。逆變器離網(wǎng)運(yùn)行輸出功率隨負(fù)載的改變而改變，所需電能由光伏電池和蓄電池共同分擔(dān)。光伏控制器輸出功率與逆變器輸出功率之間的波動差由BMS改變蓄電池的充放電狀態(tài)來平衡。逆變器輸出的三相交流電經(jīng)交流配電柜內(nèi)的變壓器降壓后直接向照明負(fù)載供電(三相負(fù)載需平衡)。

2)并網(wǎng)運(yùn)行模式。逆變器并網(wǎng)運(yùn)行的輸出功率恒定，光伏電池經(jīng)控制器輸出功率的波動由蓄電池BMS進(jìn)行動態(tài)平衡。逆變器輸出的三相交流電并入船舶主配電屏，并設(shè)置一套防逆流裝置以避免能量倒灌。

3)光伏出力不足時的船電供電模式。當(dāng)光伏系統(tǒng)電力長期出力不足，且蓄電池剩余容量不足以支撐負(fù)載功耗時，切換至船電旁路供電，船電經(jīng)光伏系統(tǒng)的交流配電柜向照明負(fù)載供電。當(dāng)太陽輻照強(qiáng)度持續(xù)升高，光伏系統(tǒng)向蓄電池充電至其恢復(fù)放電電壓節(jié)點(diǎn)時，自動切回離網(wǎng)/并網(wǎng)供電模式。

4)光伏系統(tǒng)停機(jī)維修時的船電供電模式。光伏系統(tǒng)停機(jī)維修時，斷開光伏逆變器與主配電屏之間的開關(guān)以完全切離光伏系統(tǒng)，經(jīng)交流配電柜上的船電-光伏電手動互鎖開關(guān)切換至由船舶主變壓器向照明負(fù)載供電。

2.3實(shí)船安裝

以系統(tǒng)建模仿真、技術(shù)分析和安全性評估工作積累的經(jīng)驗及數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研發(fā)完成5 000 PCTC“中遠(yuǎn)騰飛”輪離/并網(wǎng)一體光伏系統(tǒng)設(shè)備并先后通過出廠檢驗和岸基聯(lián)調(diào)測試2個環(huán)節(jié)。實(shí)船改造工程于2016年3月完成，太陽能電池陣列、電氣設(shè)備間和蓄電池間的安裝結(jié)構(gòu)布局及相應(yīng)設(shè)備見圖2。

太陽能電池的單塊峰值功率為265 W，采用18串30并連接，輸出電壓設(shè)定為384 V DC；光伏控制器內(nèi)設(shè)有3個DC/DC模塊，每個模塊連接10組并聯(lián)光伏陣列完成MPPT和限壓限流控制，設(shè)定輸入電壓的范圍為350～780 V DC，最大輸入電流為150 A；磷酸鐵鋰蓄電池單體電池額定電壓為 3.2 V，額定容量為100 A·h，采用120串17并連接，總?cè)萘?34.4 kW·h；BMS采用1主3從控制單元對17組并聯(lián)的蓄電池進(jìn)行分組管理,以實(shí)現(xiàn)充放電狀態(tài)為的無縫切換；離/并網(wǎng)一體逆變器采用正弦脈寬調(diào)制(Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM)技術(shù)，在離/并網(wǎng)模式下均為純凈正弦波輸出，功率因數(shù)≈1。為保證系統(tǒng)安全、可靠地運(yùn)行，在系統(tǒng)硬件設(shè)備平臺的基礎(chǔ)上集成一套具有環(huán)境參數(shù)采集、電力系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測與顯示、發(fā)電量統(tǒng)計、故障報警和節(jié)能減排效能估算等功能的太陽能電力管理系統(tǒng)。

圖2 電池陣列、電氣設(shè)備間和蓄電池間實(shí)船布置圖

3 實(shí)船光伏系統(tǒng)運(yùn)行試驗

3.1離網(wǎng)模式

離網(wǎng)模式運(yùn)行測試采用定負(fù)載和變負(fù)載工況交叉進(jìn)行的方式，著重測定系統(tǒng)在陡增負(fù)載和陡降負(fù)載情況下的穩(wěn)定性。圖3～圖6為重復(fù)對比試驗中的一組運(yùn)行數(shù)據(jù)，設(shè)定測試條件為：

1)空載至滿負(fù)荷150 kW運(yùn)行階段，各階段定負(fù)荷測試時間為5 min，逐級增加三相負(fù)荷15 kW。

圖3 離網(wǎng)-逆變器AB線電壓

圖4 離網(wǎng)-逆變器A相電流

圖5 離網(wǎng)-逆變器輸出頻率

圖6 離網(wǎng)-三相電壓&相角差

2)滿負(fù)荷降至空載運(yùn)行階段，各階段定負(fù)荷測試時間為5 min，逐級卸載負(fù)荷30 kW。

結(jié)果表明：線電壓均穩(wěn)定在440.0 V AC(手動降低負(fù)載功率的速度較快，存在線電壓瞬時波動問題，但幅度<±9%)，頻率穩(wěn)定在60 Hz(波幅<±0.01 Hz)，THD值穩(wěn)定在2.5%以下，相角差穩(wěn)定。

3.2并網(wǎng)模式

并網(wǎng)模式運(yùn)行測試在船舶?？看a頭裝卸貨工況下進(jìn)行，重復(fù)對比試驗項目包括：定負(fù)荷和變負(fù)荷工況下的穩(wěn)定性、系統(tǒng)陡增和陡降并網(wǎng)輸出功率及陡停對電網(wǎng)電能質(zhì)量的沖擊，結(jié)果見圖7～圖11。

圖7 并網(wǎng)-逆變器A相電壓

圖8 并網(wǎng)-逆變器A相電流

圖9 并網(wǎng)-三相有功功率、三相無功功率和功率因數(shù)

圖10 并網(wǎng)-逆變器輸出頻率

圖11 并網(wǎng)-逆變器A相電壓THD

結(jié)果表明：逆變器自啟動運(yùn)行至停機(jī)輸出的相電壓和線電壓能始終保持在260 V AC及450 V AC，頻率穩(wěn)定在59.999 Hz左右(在重復(fù)對比試驗中采用Fluke435II型電能質(zhì)量分析儀先后測定頻率和功率參數(shù)，因此標(biāo)定時間有差異)THD值穩(wěn)定在2.4%以下(船級社規(guī)范要求<5%)；逆變器功率因數(shù)隨著設(shè)定并網(wǎng)輸出功率的變化而變化，在額定輸出功率150 kW下達(dá)到1；自啟動并網(wǎng)運(yùn)行瞬時至達(dá)到額定輸出功率的過程中，輸出功率的增長率為1 kW/s；自停機(jī)至額定輸出功率降為零的過程中，輸出功率變化率為5 kW/s；在并網(wǎng)運(yùn)行和停機(jī)過程中，光伏系統(tǒng)對船舶主電網(wǎng)的電能質(zhì)量無顯著影響。

4 結(jié)束語

在5 000 PCTC“中遠(yuǎn)騰飛”輪上完成的離/并網(wǎng)一體太陽能光伏系統(tǒng)改造項目形成的一系列設(shè)計方案、項目協(xié)調(diào)經(jīng)驗、施工方案和運(yùn)行調(diào)試經(jīng)驗可作為其他船舶進(jìn)行太陽能光伏系統(tǒng)改造工程的參考案例。通過對該系統(tǒng)離/并網(wǎng)聯(lián)調(diào)運(yùn)行測試數(shù)據(jù)、實(shí)船運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)(往返中—?dú)W和中—美航線)及船員反饋信息進(jìn)行總結(jié)，得到以下結(jié)論：

1)太陽能光伏系統(tǒng)在大型遠(yuǎn)洋船舶電力系統(tǒng)中應(yīng)用能起到拓展船舶可利用能源范圍的作用。

2)該系統(tǒng)在離/并網(wǎng)運(yùn)行時輸出的電能質(zhì)量滿足船級社相關(guān)規(guī)范的要求，并能在不同運(yùn)行模式下安全、可靠地切換運(yùn)行，特別是并網(wǎng)運(yùn)行時陡增和陡降輸出功率對船舶電網(wǎng)無顯著的沖擊性影響。

3)太陽能電力管理系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對全系統(tǒng)的安全監(jiān)控、故障延伸報警及保護(hù)，可有效減少船員日常維護(hù)的工作量。

[1] CHU S., MAJUMDAR A. Opportunities and Challenges for a Sustainable Energy Future [J]. Nature, 2012, 488: 294-303.

[2] United Nations Conference on Trade and Development. Review of Maritime Transport 2013[S]. 2013.

[3] 許倫輝, 魏艷楠. 交通領(lǐng)域碳足跡研究綜述[J]. 交通信息與安全, 2014, 32(6):1-7.

[4] 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.

[5] XUE H Y, POPOV M. Analysis of Switching Transient Over-Voltages in the Power System of Floating Production Storage and Offloading Vessel[J]. Electric Power Systems Research, 2014,115:3-10.

[6] BIALASIEWICZ J T. Renewable Energy Systems with Photovoltaic Power Generators: Operation and Modeling [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2008, 55(7): 2752-2758.

[7] RAHMAN M S, MAHMUD M A, POTA H R, et al. A Multi-Agent Approach for Enhancing Transient Stability of Smart Grids[J]. International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 2015, 67: 488-500.

[8] SHARIFIAN A, SHARIFIAN S. A New Power System Transient Stability Assessment Method Based on Type-2 Fuzzy Neural Network Estimation[J]. International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 2015,64: 71-87.

[9] GU X P, LI Y, JIA J H. Feature Selection for Transient Stability Assessment Based on Kernelized Fuzzy Rough Sets and Memetic Algorithm[J]. International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 2015, 64: 664-670.

[10] 袁成清,張彥,孫玉偉,等.大型滾裝船船電-光伏并網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)建及電能質(zhì)量分析[J].中國航海, 2014, 37(3): 21-24.

[11] 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.

[12] LEE K J, SHIN D, YOO D W, et al. Hybrid Photovoltaic/Diesel Green Ship Operating in Standalone and Grid-Connected Mode-Experimental Investigation[J]. Energy, 2013,49(1):475-483.

ApplicationofHybridPhotovoltaicSystemon5000PCTCRo-RoShipwithIntegrationofStand-AloneandGrid-ConnectedMode

SUNYuweia,b,c,YANXinpinga,b,c,YUANChengqinga,b,c,TANGXujinga,b,c,QIUYuanchaoa,GUOChanga

(a. School of Energy and Power Engineering; b. National Engineering Research Center for Water Transport Safety; c. Key Laboratory of Marine Power Engineering & Technology (Ministry of Transport), Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

The technical differences between the solar photovoltaic system configurations of off-grid and grid-connected is compared. A hybrid PV system with large-capacity lithium battery energy storage device is designed for a 5 000 PCTC ro-ro ship for illustration. The system is installed and tested. The test results show that the switchover between the modes is smooth and the quality of inverter output meets the regulatory requirements under both stand-alone mode and grid-connected mode.

ship; ship power system; photovoltaic system; stand-alone; grid-connected

U665.1

A