大型滚装船船电-光伏并网系统构建及电能质量分析

袁成清， 张 彦， 孙玉伟， 汤旭晶， 严新平

(1.武汉理工大学 能源与动力工程学院， 武汉 430063； 2.武汉理工大学 船舶动力工程技术交通行业重点实验室， 武汉 430063)

大型滚装船船电-光伏并网系统构建及电能质量分析

袁成清1,2， 张 彦1,2， 孙玉伟1,2， 汤旭晶1,2， 严新平1,2

(1.武汉理工大学 能源与动力工程学院， 武汉 430063； 2.武汉理工大学 船舶动力工程技术交通行业重点实验室， 武汉 430063)

随着绿色船舶和新型船体设计概念不断被推广，将光伏系统与船舶电力系统进行并网运行成为未来船舶发展的方向。为了给大型远洋船舶光伏并网发电系统的设计和应用提供依据，以适宜搭建光伏阵列的大型滚装船为研究对象，构建一种船电-光伏并网系统，对该系统的构建流程和系统结构进行详细阐述,并根据大型滚装船船电-光伏并网系统的特点，对电能质量问题及影响因素进行分析。研究成果可为大型远洋船舶光伏并网发电系统的设计和应用提供参考依据。

船舶工程;大型滚装船舶；光伏系统；并网；电能质量

在全球化石能源供给状况日趋紧张、国际海事组织环保要求日渐严格、进一步做好船舶节能减排已迫在眉睫的大环境下，太阳能光伏发电在船舶上的应用引起了船舶科研人员的高度重视。从小型游船到大型远洋运输船，太阳能光伏系统的应用有着广泛而深远的意义。[1]随着绿色船舶和新型船体设计概念不断被推广，面向远洋的大型太阳能船舶中光伏能源的比重将显著提高。

太阳能光伏发电系统一般根据使用模式可分为离网、并网和混合3种方式，目前在水路运输业(船舶)中已有实船应用案例，例如瑞士太阳能船“太阳21”号、日本滚装船“御夫座领袖(Auriga Leader)”号、世界最大的全太阳能动力船“Turanor Planet Solar”号、五体汽车渡船“E/S Orcelle”号、美国双体轮渡客船“Hornblower Hybrid”号以及国内的“Sun Cat 23”号游艇、“001”号太阳能旅游船、“尚德国盛”号太阳能动力游船等。不过，这些船舶在应用太阳能光伏发电时基本上都运用离网模式，而基于技术可靠性的观点，将光伏系统与船舶常规电站进行并网运行才是提高整体能源利用效率的有效途径。目前，国内外对于该类并网模式的研究仅处于试验阶段。

光伏系统很容易受光照、温度等外界环境的影响，当外界环境发生较大改变时，其电能输出会出现间歇性和随机性。此外，与陆用电网相比，船舶电网是一个独立的小容量电网，冲击性和波动性负载较多，在运行过程中会产生大量的谐波[2]，光伏系统并入船舶电网将会对电网的电能质量产生诸多影响。因此，构建大型远洋船舶光伏并网系统并分析其电能质量问题，对光伏发电技术在船舶上的实际运用而言具有重要意义。

1 大型滚装船船电-光伏并网系统的构建

1.1大型滚装船搭建光伏阵列的可行性

不同类型船舶在结构、功能和适用航线上存在着差异，因此，在大型远洋船舶上开发利用新能源技术不是随意选定一种船舶作为搭载平台就适宜的，必须选定目标船型并加以评估分析。设计安装大功率的太阳能光伏系统时，必须先考虑大面积光伏阵列的布置问题。大型滚装船的主甲板、附属甲板上机械设备较少，拥有较大的可利用空间，同时其基本不存在易燃易爆性物质，安全防护等级较低，因此适宜搭建光伏阵列。[3]

1.2大型滚装船搭建光伏阵列的利弊

太阳能属于清洁可再生能源，在大型滚装船上搭建光伏阵列可以有效降低化石能源的使用，从而能够做到在节能减排、保护环境的基础上降低船舶的运行费用。但是，将太阳能光伏发电系统与船舶常规电站并网也会带来一些新的问题，最主要的是在常规电站设计容量和船舶电网可靠性两方面。由于太阳能光伏发电系统发电量的随机性与间歇性，从装有船电-光伏并网系统的大型滚装船常规电站的设计容量来说，应急发电机组的容量一般不降低，而主发电机组可以降低光伏系统额定功率乘以一个可靠性系数的值。额定功率乘以一个可靠性系数，以避免主发电机组运行在不经济区域。此外，太阳能光伏发电系统可能给船舶电网带来的谐波潮流等电能质量问题会严重影响系统的可靠性。

1.3大型滚装船船电-光伏并网系统的构建流程

在大型滚装船上搭建船电-光伏并网系统，其设计思想及流程与陆上并网光伏系统有所区别[4]，这主要是由于船舶为一个移动且完全独立的电力系统平台，在初始设计时必须对可能遇到的问题作出完整的分析，总结出一套构建流程(见图1)。

图1 大型滚装船船电-光伏并网系统构建流程

1.4大型滚装船船电-光伏并网系统的构建方案

基于大型滚装船电力系统的固有特点，在充分考虑能源效率、电能质量和电磁兼容等诸多因素[3,5-6]的基础上，对船用负载进行准确的评估，优化光伏发电系统在船舶电网中所占的比例，构建适宜的大型滚装船船电-光伏并网系统。系统结构图见2，并网图见图3。

图2 大型滚装船船电-光伏并网系统结构图

2 大型滚装船船电-光伏并网系统的关键技术

2.1光伏阵列的可靠性

大型滚装船航行的海洋环境中含有大量盐分、水气及酸碱性物质，同时航行中会受到纵倾、横摇、振动、冲击等，为保证光伏阵列的光学可靠性及工作可靠性，需对太阳能电池板的玻璃盖片进行涂层处理[7]，并对光伏支架进行防腐处理。此外，光伏阵列布置到大型滚装船上时，需依据美观性、太阳辐射量、电缆长度及实际布置区域情况进行优化设计[8]。

图3 大型滚装船舶船电-光伏并网系统并网图

2.2并网逆变器的控制策略

所构建的大型滚装船船电-光伏并网系统采用两级式，前后分为DC/DC 和DC/AC 2个环节。在DC/DC环节中，将检测到的太阳能电池输出电压信号和输出电流信号输送到控制器中，通过DC/DC变换器调整太阳能电池阵列的输出电压，以达到最大功率点跟踪的目的。DC/AC并网逆变器将太阳能电池输出的直流电变换成交流电。[9]两级式容易实现直流侧电压升高以及逆变器输入稳定，有利于提高系统逆变器的转换效率，适合在滚装船上使用。

第一级DC/DC环节，DC/DC变换器和最大功率跟踪算法一起接入到控制系统中，实现整个并网光伏系统的最大功率点跟踪。为保证能够稳定地进行最大功率点跟踪，DC/DC变换器选择Boost变换电路，最大功率点跟踪算法采用电导增量法。

第二级DC/AC环节，并网逆变器将直流电转化为与电网同频、同相位的交流电后并入船舶电网。并网逆变器选择全桥逆变电路，输出电流控制采用电流滞环比较的方式，实时、精确地跟踪船舶电网电压，使逆变器输出的电流与发电机输出的电网侧的电压同频、同相位，实现与船舶电网的锁相功能，做到以单位功率因数并网。同时，采集直流侧的电压、电流，逆变部分输出的电压、电流以及发电机输出侧电网的电压、电流，通过软件保护模块实现对系统的过/欠压、过/欠流、过/欠频及孤岛保护等的保护功能。控制结构见图4。

图4 大型滚装船船电-光伏并网系统控制策略

3 大型滚装船船电-光伏并网系统的电能质量特点

3.1大型滚装船船电-光伏并网系统的电能质量基本概念

大型滚装船船电-光伏并网系统的电能质量描述的是光伏系统向船舶电网发送的交流电能的品质。对于并网光伏系统而言，保证电能质量是其正常运行的关键。大型滚装船船电-光伏并网系统的电能质量应受控制，在电压偏差、频率、谐波和功率因数方面应满足实用要求并符合标准[10]。

目前针对船舶电网的并网光伏系统，船舶行业还未明确制定相关标准，参照《光伏系统并网技术要求》[11]的相关内容，列举大型滚装船船电-光伏并网系统的主要电能质量参数，包括并网电压、电流、频率、谐波、逆变器的效率、功率因数等(见表1)。

表1 并网运行时对电能质量的要求

3.2大型滚装船船电-光伏并网系统的电能质量影响因素

大型滚装船船电-光伏并网系统的电能质量影响因素主要包括系统外部环境以及系统内部结构两部分。

大型滚装船船电-光伏并网系统与陆用并网光伏系统相比,其外部环境有很大的不同，对电能质量的影响更为复杂，海洋环境与船舶电网的特殊性是最主要的2个方面。

1) 海洋环境极为复杂，除了温差大、湿度高、光照不稳定以外，还含有大量的盐分、水气及酸碱性物质, 这些都将使得光伏阵列电力输出出现间歇性和随机性，从而会影响整个系统的输出，导致并入电网的电压发生波动。[7]

2) 船舶电网不同于陆地配电网，其是一个孤立的小容量电网，由设有2～4台同容量、同型号的发电机组的船舶电站向其供电，整个电网输电距离短、线路阻抗低、各处短路电流大，故而整个电网的电能质量具有以下几个特点[6]：

(1) 船舶电站发电机的转速和电压的变化会直接影响电网的频率和电压；

(2) 在整个电网运行过程中，功率因数较低；

(3) 负载的投入和切除会影响电网的频率和电压，特别是突加和突卸负载时会引起电网频率和电压产生较大的波动；

(4) 使用大功率负载，合闸会带动多台发电机并联运行，产生的次瞬态电抗对谐波的影响较大。

大型滚装船船电-光伏并网系统内部结构对电能质量的影响要比外部环境的影响大得多，构建的并网光伏系统合理,可以有效降低外部环境对电能质量的不利影响。基于对大型滚装船船电-光伏并网系统的构建模式，列举系统内部结构对电能质量的影响因素(见表2)。

表2大型滚装船船电-光伏并网系统内部结构对电能质量的影响因素

类别影响因素主要影响因素最大功率点跟踪算法升压电路并网逆变器电路参数取值并网逆变控制环节次要影响因素直流侧电压取值电网电压幅值与频率孤岛效应检测的算法

4 大型滚装船船电-光伏并网系统的电能质量影响因素分析

4.1Boost变换电路对电能质量的影响

Boost变换电路中，电感和电容的取值会在一定程度上影响光伏阵列输出电压启动过程的调节时间、峰值及稳态并网电能的质量。电感主要影响DC/DC环节的输出电压，随着取值减小，输出电压由非振荡启动转为振荡启动，振荡时间减小,增加了电压跟随设定值的速度、达到稳态的时间，振荡峰值也随电感的减小而增大。电容主要影响启动过程的振荡时间和稳态电压波动幅度，取值越大，输出电压的波动就越小，有利于DC/AC环节的直流母线电压稳定，但会使启动时的振荡过程变久而降低跟随速度。

4.2电导增量法对电能质量的影响

电导增量法是根据功率极值点的倒数为0来跟踪最大功率点，原理上不存在控制误差，也不会受输出功率非单调性变化的影响。相比恒电压法和扰动观察法，电导增量法在跟踪到最大功率点后，输出电压和功率不存在持续扰动，具有较高的稳定性[13]，适宜于大型滚装船船电-光伏并网系统。然而，该方法在实际决定最大功率点时还存在一定的误差，同时其控制相对复杂，对系统性能要求较高，若不采用高速处理器体现不出其优势。

4.3并网逆变器电路参数取值对电能质量的影响

并网逆变器电路参数主要有直流侧电压、电容以及滤波电感等。直流侧电压波动会直接增加并网谐波的含量，一般所带负荷越大，直流侧电压也就越大。若直流侧电容的取值太小，会增大电压波动，降低并网电流跟踪效果；若过大，又会降低动态响应速度，增加电容造价和物理体积，进而在滚装船有限的空间里产生较大的影响。滤波电感影响着并网光伏系统的动态响应性能，同时制约着输出功率因数和直流电压稳定性，为降低低频输出阻抗，取值应尽量小，但要避免增大电路谐波电流。[9]

4.4电流滞环比较对电能质量的影响

电流滞环比较法中滞环宽度与开关频率是影响电能质量的2个主要方面。滞环宽度太大会降低并网电流的跟踪精度，使电流THD值增大；宽度太小又会使开关频率过高。而开关频率的波动性过大会造成并网电流频谱较宽，增加并网电流谐波。[11]

4.5改善电能质量的建议

对于改善电能质量,可以通过有源滤波器以及无功功率补偿装置进行，也可以充分发挥并网逆变器在结构及功能上的潜在优势，将滤波及无功补偿功能直接融入其中，通过有源滤波器，实现有功并网谐波抑制及无功补偿多功能复用。

此外，针对电能质量的影响因素，可逐一采取改进措施，减小影响程度。例如，优化MPPT算法的控制方法和相应参数；升压电路的电感、电容选择最优值；选择与改进并网控制算法滞环比较控制、三角波比较控制或无差拍控制等。

5 结 语

随着绿色船舶和新型船体设计概念被不断推广，面向远洋的大型太阳能船舶中光伏能源的比重逐步提高，把光伏系统与船舶电力系统并网运行将是提高整体能源利用效率的有效途径。以适宜搭建光伏阵列的大型滚装船作为研究对象，构建了一种船电-光伏并网系统，对该系统的构建流程和系统结构进行了详细阐述，并根据大型滚装船船电-光伏并网系统的特点，对电能质量问题及影响因素进行了初步分析。研究成果可为大型远洋船光伏并网发电系统的设计与应用提供一定的参考依据。

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DesignofGrid-ConnectedPVSystemforLargeRo-RoShipsanditsPowerQualityAnalysis

YUANChengqing1,2,ZHANGYan1,2,SUNYuwei1,2,TANGXujing1,2,YANXinping1,2

(1. School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China; 2. Key Laboratory of Marine Power Engineering amp; Technology (Ministry of Transport), Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

Following the development of the green ships concept and new technologies, the use of marine grid-connected photovoltaic system represents the direction in future large ocean-going ships. The design of a photovoltaic grid-connected system for large ro-ro ships is presented, which has appropriate room for installing solar panels. The design process and structure of the system are described in detail and the power quality problems and the influencing factors are analyzed. The knowledge gained in this study is instructive to the practical application of photovoltaic grid-connected system in large ro-ro ship.

ship engineering; large ro-ro ship; photovoltaic system; grid-connected; power quality

2014-04-02

工信部高技术船舶专项(工信部联装[2012]540号);湖北省自然科学基金杰出青年基金项目(2010CDA085)

袁成清(1976—)，男，湖北巴东人，教授，博士生导师，主要从事船舶动力系统可靠性与绿色技术等方面的研究。

E-mail: ycq@whut.edu.cn

1000-4653(2014)03-0021-04

U665.1

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