船用微網發電系統的構建研究

張 彥，宋 昕，張 天

(武漢理工大學能源與動力工程學院，湖北武漢 430063)

當前，隨著全球范圍內石化能源逐漸減少，燃油價格持續上漲，如何進一步做好船舶節能，降低運輸成本已迫在眉睫;同時，降低污染排放，加強環境保護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)海洋環境保護委員會第62次會議，通過了“新船設計能效指數”和“船舶能效管理計劃”2項標準，強制實施溫室氣體減排［1］。因此，在節能減排的巨大壓力下，綠色船舶已成為未來船舶的發展方向，其中以風能、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用最具有革新性和代表性［2-3］。

國外在清潔能源技術實船應用方面已經有許多案例，如“Solar Sailor”號太陽能/風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。現有的實船案例大部分都是通過轉換裝置將清潔能源(風能、太陽能等)轉換成電能后供給船舶電力設備。縱觀現有的清潔能源技術應用實例，單一利用并非最為優化的模式，多種能源的綜合利用已經成為重要發展方向［4］，而微網發電系統則是其中有效的利用形式之一。微網發電系統具有獨立運行的能力，也可以與船舶電網并聯運行，能夠有效提高清潔能源的利用效率，進一步達到節能減排的效果。因此，進行船用微網發電系統的構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，即僅從工程技術角度在原有船舶電力系統基礎上進行按需改造，各發電系統與對應負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運行控制的角度將多種清潔能源有機融入船舶能量系統之中。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能與太陽能的綜合利用，風能采用風帆助航，太陽能采用離網的太陽能光伏系統。五體汽車渡船“E/S Orcelle”號采用了風能、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個可將波浪能轉化為電能的鰭，結合安裝在船體內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 船用微網發電系統的構建

據美國電氣可靠性技術解決方案聯合會CERTS給出的定義，微網發電系統是集分布式電源、儲能裝置、不同重要等級負荷及一系列相關控制與保護于一體的小型發配電系統。對外表現為單一的受控單元，滿足用戶對供電安全和電能質量的要求，可以并網運行，也可以獨立運行［5-6］。而船舶電網本身是一個獨立的小容量電網，沖擊性和波動性負載較多，對于電能安全和電能質量較高，本身由2～3臺發電機組獨立或并車向電網提供電能［7］，結構與用電要求與微網優勢十分相近。因此，可以認為微網發電系統符合多種清潔能源在船舶電力系統中使用的相關要求［8］。

構建船用微網發電系統，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載等組成一個整體，構建一個能夠實現自我控制、保護和管理的自治系統，既可以與原有船舶電網聯網運行，也可以孤立運行。源于船舶電力系統的特殊性，船用微網發電系統的設計思想及流程與陸上微網發電系統有所區別，所以在初始設計時必須對可能遇到的問題做出完整的分析，本文總結出一套構建流程，如圖1。

3 微網發電系統的關鍵技術

3.1 多種清潔能源的有效組合

微網發電系統使原有的單一電能分配轉變為復合能源共同作用，可以有效解決清潔能源在外部環境作用下的使用局限性，提高能量利用的經濟性、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，不僅不能充分發揮復合能源的共同作用，反而可能會影響船舶電網的供電質量，給配電系統帶來較大的負面影響［9］。為了充分發揮微網的優勢，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 船用微網發電系統構建流程圖

圖2 多種清潔能源的組合思路圖

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

同時，進行組合時一定要充分考慮船舶運行環境可能帶來的影響。對于遠洋船舶來說，其運行的海洋環境中含有大量的鹽分、水氣及海風中夾雜的酸堿性物質，溫差大、鹽分大、濕度高［10］，會對清潔能源產生不同程度的影響。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，降低透射進入的太陽輻照強度，同時加劇腐蝕磨損;海水會對海流能發電裝置過流部件產生腐蝕、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。

除此以外，各種不同船型彼此之間在結構、功能和適用航線等方面存在區別，在船舶上使用清潔能源技術顯然不是任意選定一種船舶作為搭載平臺就適宜的，需要考慮目標船舶的實際特點，確定搭載條件，分析船舶負載的電力需求和使用情況。在具體選擇過程中還要考慮經濟合理性，在分析投資成本、環境成本等經濟性的基礎上進行最優組合。

3.2 微網的控制系統

微網的控制系統是船用微網發電系統中最關鍵的部分，是系統可靠運行的基礎。控制系統必須能夠保證微網發電系統可以在并網和孤島2種運行模式下切換工作［11］，實現微網發電系統的可靠并網與適時脫離船舶電網，穩定孤島運行，從而確保電能質量。圖3所示是一種船用微網發電系統的結構圖。

圖3 船用微網發電系統結構圖

船用微網的控制系統除了能夠實現并網與孤島2種運行模式間的無縫轉換以外，還能夠實時監測微網的運行狀態，對故障進行診斷定位與報警，確保船舶電力系統及相關設備的安全。

3.3 能量的優化管理

與常規的電力系統相比，微網中的可調節變量更加豐富。通過調節這些變量，在滿足系統運行約束的前提下，可以實現微網發電系統的優化運行，保證最大限度地利用清潔能源。船用微網發電系統的能量管理指的是可以針對船舶各電力使用狀態，對微網進行優化管理。

船用微網發電系統的能量管理必須具備清潔能源發電預測、實時功率平衡以及對重要負荷可靠供電等功能［12］，保證能量的可靠調度與控制，能量管理的構成如圖4所示。

圖4 船用微網發電系統的能量管理構成圖

4 微網發電系統的節能和可靠性分析

船用微網發電系統的構建可以合理利用多種清潔能源，有效減少船舶電站柴油發電機組的容量，并使得柴油發電機長時間運行在經濟轉速下，降低燃油消耗，有效提高節能減排的效果。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］。但微網發電系統相比傳統船舶電力系統，設備數量和復雜性增強，在設備維護、電力系統穩定性等方面增加了許多待解決的問題，例如低電壓穿越、電路諧波等電能質量問題。微網發電系統的可靠性分析可以認為是微網在船舶上使用的前提和關鍵所在。

5 結束語

船用微網發電系統的構建基于船舶電網是一個移動且完全獨立的電力系統平臺這一前提，參照陸用微網發電系統的原理進行構建。船用微網發電系統的構建可以有效提高船用清潔能源的利用效率，增強節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展。

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