船用微网发电系统的构建研究

2014-12-18张彦，宋昕，张天

中国修船 2014年5期

张彦，宋昕，张天

(武汉理工大学能源与动力工程学院，湖北武汉 430063)

当前，随着全球范围内石化能源逐渐减少，燃油价格持续上涨，如何进一步做好船舶节能，降低运输成本已迫在眉睫;同时，降低污染排放，加强环境保护已受到国际海事组织 (IMO)的高度重视，2011年7月15日，在伦敦闭幕的国际海事组织 (IMO)海洋环境保护委员会第62次会议，通过了“新船设计能效指数”和“船舶能效管理计划”2项标准，强制实施温室气体减排［1］。因此，在节能减排的巨大压力下，绿色船舶已成为未来船舶的发展方向，其中以风能、太阳能、燃料电池和海流能等为典型代表的清洁能源在船舶上的应用最具有革新性和代表性［2-3］。

国外在清洁能源技术实船应用方面已经有许多案例，如“Solar Sailor”号太阳能/风能混合动力双体客船、“Turanor Planet Solar”号全太阳能动力船、“Black Magic”号太阳能混合动力油船等。现有的实船案例大部分都是通过转换装置将清洁能源(风能、太阳能等)转换成电能后供给船舶电力设备。纵观现有的清洁能源技术应用实例，单一利用并非最为优化的模式，多种能源的综合利用已经成为重要发展方向［4］，而微网发电系统则是其中有效的利用形式之一。微网发电系统具有独立运行的能力，也可以与船舶电网并联运行，能够有效提高清洁能源的利用效率，进一步达到节能减排的效果。因此，进行船用微网发电系统的构建研究对于清洁能源在船舶上的运用具有十分重大的意义。

1 清洁能源在船舶上综合利用的现状

目前所有在船舶平台综合利用清洁能源的实例大都属于探索性研究，即仅从工程技术角度在原有船舶电力系统基础上进行按需改造，各发电系统与对应负载形成一个个封闭的个体，而不是从船舶整体能量管理和全系统运行控制的角度将多种清洁能源有机融入船舶能量系统之中。例如“Soliloquy Super-Green”号游艇、“Black Magic”号油船以及“Hornblower Hybrid”双体客船都采用了风能与太阳能的综合利用，风能采用风帆助航，太阳能采用离网的太阳能光伏系统。五体汽车渡船“E/S Orcelle”号采用了风能、太阳能、波浪能和燃料电池的综合利用，船体外部安装有3个巨型太阳能面板刚性帆、12个可将波浪能转化为电能的鳍，结合安装在船体内的燃料电池共同为船舶电力装置提供能量，多余的能量会存储在蓄电池中［4］。

2 船用微网发电系统的构建

据美国电气可靠性技术解决方案联合会CERTS给出的定义，微网发电系统是集分布式电源、储能装置、不同重要等级负荷及一系列相关控制与保护于一体的小型发配电系统。对外表现为单一的受控单元，满足用户对供电安全和电能质量的要求，可以并网运行，也可以独立运行［5-6］。而船舶电网本身是一个独立的小容量电网，冲击性和波动性负载较多，对于电能安全和电能质量较高，本身由2～3台发电机组独立或并车向电网提供电能［7］，结构与用电要求与微网优势十分相近。因此，可以认为微网发电系统符合多种清洁能源在船舶电力系统中使用的相关要求［8］。

构建船用微网发电系统，实际上就是将多种清洁能源、储能装置、能量变换装置以及负载等组成一个整体，构建一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与原有船舶电网联网运行，也可以孤立运行。源于船舶电力系统的特殊性，船用微网发电系统的设计思想及流程与陆上微网发电系统有所区别，所以在初始设计时必须对可能遇到的问题做出完整的分析，本文总结出一套构建流程，如图1。

3 微网发电系统的关键技术

3.1 多种清洁能源的有效组合

微网发电系统使原有的单一电能分配转变为复合能源共同作用，可以有效解决清洁能源在外部环境作用下的使用局限性，提高能量利用的经济性、可靠性和安全性。但如果各清洁能源的类型、容量和接入点等不合适，不仅不能充分发挥复合能源的共同作用，反而可能会影响船舶电网的供电质量，给配电系统带来较大的负面影响［9］。为了充分发挥微网的优势，需要研究多种清洁能源的组合方式，其思路如图2所示。

图1 船用微网发电系统构建流程图

图2 多种清洁能源的组合思路图

依据清洁能源适用于船舶的特点，将其分为可控电源 (能快速响应负荷的变化且便于调度，例如燃料电池)和不可控电源 (出力的大小受气候的影响，无法随时根据负荷的需要进行改变，例如太阳能)。在船用微网发电系统容量设计时，由于不可控电源的容量具有不稳定性，因此可以采取不可控电源与可控电源容量配对设计来弥补这种不稳定性。

同时，进行组合时一定要充分考虑船舶运行环境可能带来的影响。对于远洋船舶来说，其运行的海洋环境中含有大量的盐分、水气及海风中夹杂的酸碱性物质，温差大、盐分大、湿度高［10］，会对清洁能源产生不同程度的影响。例如，海洋空气中的盐粒等会在太阳能电池板玻璃表面形成覆盖层，降低透射进入的太阳辐照强度，同时加剧腐蚀磨损;海水会对海流能发电装置过流部件产生腐蚀、冲击等。选用的清洁能源必须评估其实际使用的可靠性，保证电力输出的特性和物理损伤在允许的范围之内。

除此以外，各种不同船型彼此之间在结构、功能和适用航线等方面存在区别，在船舶上使用清洁能源技术显然不是任意选定一种船舶作为搭载平台就适宜的，需要考虑目标船舶的实际特点，确定搭载条件，分析船舶负载的电力需求和使用情况。在具体选择过程中还要考虑经济合理性，在分析投资成本、环境成本等经济性的基础上进行最优组合。

3.2 微网的控制系统

微网的控制系统是船用微网发电系统中最关键的部分，是系统可靠运行的基础。控制系统必须能够保证微网发电系统可以在并网和孤岛2种运行模式下切换工作［11］，实现微网发电系统的可靠并网与适时脱离船舶电网，稳定孤岛运行，从而确保电能质量。图3所示是一种船用微网发电系统的结构图。

图3 船用微网发电系统结构图

船用微网的控制系统除了能够实现并网与孤岛2种运行模式间的无缝转换以外，还能够实时监测微网的运行状态，对故障进行诊断定位与报警，确保船舶电力系统及相关设备的安全。

3.3 能量的优化管理

与常规的电力系统相比，微网中的可调节变量更加丰富。通过调节这些变量，在满足系统运行约束的前提下，可以实现微网发电系统的优化运行，保证最大限度地利用清洁能源。船用微网发电系统的能量管理指的是可以针对船舶各电力使用状态，对微网进行优化管理。

船用微网发电系统的能量管理必须具备清洁能源发电预测、实时功率平衡以及对重要负荷可靠供电等功能［12］，保证能量的可靠调度与控制，能量管理的构成如图4所示。

图4 船用微网发电系统的能量管理构成图

4 微网发电系统的节能和可靠性分析

船用微网发电系统的构建可以合理利用多种清洁能源，有效减少船舶电站柴油发电机组的容量，并使得柴油发电机长时间运行在经济转速下，降低燃油消耗，有效提高节能减排的效果。多种清洁能源的综合利用还可以有效避免单一清洁能源在外界因素影响下的使用局限性［13］。但微网发电系统相比传统船舶电力系统，设备数量和复杂性增强，在设备维护、电力系统稳定性等方面增加了许多待解决的问题，例如低电压穿越、电路谐波等电能质量问题。微网发电系统的可靠性分析可以认为是微网在船舶上使用的前提和关键所在。