船舶光伏发电并网及其关键技术的应用初探

许献岐

（天津海运职业学院，天津300350）

船舶光伏发电并网及其关键技术的应用初探

许献岐

（天津海运职业学院，天津300350）

随着船舶运输量的高需求，船舶数量的增加，船舶在运输过程中所释放的二氧化碳等污染气体以及船舶能源的消耗也与日俱增。为节能减排，将太阳能光伏发电技术应用到船舶是重要的手段之一。由于船舶运行环境及设备用电要求的特殊性，在太阳能光伏发电系统与船舶主电网构成并网供电系统中，运用MPPT控制模块技术的电导增量法及逆变器控制技术的主动调频方法是确保系统可靠运行的有效途径之一。

运输船舶；电力系统；光伏发电；技术；应用

海洋运输是国际、国内商品贸易交换中最重要的运输方式之一，船舶货物运输量大约占全部商品贸易交换货物的80%以上。我国沿海有许多优质的不冻港口，具有发展航海运输的有利条件。我国进出口货运总量的约90%都是利用海上运输，目前我国的港口货物吞吐量和集装箱吞吐量均已居世界第一位，已经成为了世界上最重要的海运大国之一。海洋运输船舶随着运输量的增加，船舶数量也与日俱增，据国际船舶网统计数据显示，2013年仅12月份全球新船订单1 628.98万载重吨，见图1［1］。

图1 2013年全球新船订单统计Fig.1 New ship order statistics in 2013

1 光伏系统在船舶上的应用

营运中的船舶在运行过程中要消耗大量的能量，船舶副机不仅为主机各系统的循环泵、锚机、舵机、无线通信、导航等设备提供着电量，而且担负着船员的生活用电。辅机运行中不仅消耗着能源，而且在燃油燃烧中会排放二氧化碳、一氧化碳、五氧化二氮等污染气体。为使船舶运行中节能、环保，世界造船业的主要研究方向开始集中在节能减排和探索新能源等方面，着手于大力发展船舶清洁可再生动力能源技术的研究。

太阳能是地球上资源最丰富、分布最广的可再生能源之一，太阳以光辐射的形式发射的能量中每年约1.8×l018kW·h的能量被地球接收。太阳能光伏发电作为当今世界开发利用可再生能源的主要形式之一，以其无污染、无噪音、维护简单等特点展示出无比广阔开发空间和应用前景，将是未来最重要的能源之一［2］。随着能源开发利用技术的进步和成本的降低，太阳能光伏发电已成为继水电、风电之后被世界各国大规模开发利用的新型清洁能源技术［3］。近年来，以太阳能为辅助电力能源的新型船舶获得广泛关注和研究，将环保、节能的光伏发电系统应用于船舶之上已逐渐成为航运行业、企业探寻节能减排解决方案之一。

1.1 船舶耗电负载及系统布置

船舶耗电负载包括主机用的冷却淡水泵、海水泵、鼓风机等；甲板机械中的锚机、舵机、起货机、起艇机、舷梯机、绞缆机等；舱室中的压载水泵、生活用水泵、消防泵、舱底泵、辅助锅炉等；机修机械中的车床、钻床、电焊机、盘车机等；冷藏通风设备中的空调装置、伙食冷库等各种辅助机械、通风机等；甲板、舱室照明设备、航行灯、信号灯、电风扇等；厨房设备中的电灶、电烤箱、电茶炉的辅助机械等；无线电通信、导航、船内通信等设备；自动化装置、蓄电池充放设备、艏侧推设备等等。根据这些负载能耗情况，将用电分为动力电、低压电、照明电、应急用电等，分别连接到主配电板，再连接至各分配电盘（如动力配电板、应急配电板、照明配电板和蓄电池充放电板等）［4］。

1.2 船舶电力系统结构

按照船舶供电要求，结合船舶运行的实际，船舶电力系统的结构布置如图2所示。在正常航行时，船舶供电由1台或2台船舶发电机供电；船舶靠港时，有时借助码头的电力系统为船舶供电；另外还靠蓄电池应急供电。

图2 船舶电力系统供电示意图Fig2Ship power system diagram

2 光伏发电系统的应用及问题

将光伏发电系统连接到图2所示的船舶电网，与整个船舶电网并联，同时像岸电系统一样，用开关来控制，这样形成一个分布式发电系统。无论采用何种供电方式，都能够保障船舶设备的正常用电。然而，光伏供电系统应用到船舶会存在以下问题。

2.1 船舶的运行环境的影响

船舶航行于大海中，为满足企业运输的需要，每艘船的航线是不固定的，不同的航线其地理位置不同，同一航线各点所处的地理位置也不相同，地理位置不同，气候存在很大差异。同时船舶在一年四季航行中，季节不同，气候也不同。因此，在不同的气候中，其光辐射的强度、气温不同；另外，船舶在运行中，正常航行与离靠港时，启用设备的数量是不同的，其耗电量也就不同。而船用电气设备的运行可靠性等级要求也高于陆用设备［5］，设备的运行受到发电系统电压、电量的影响，所以船舶运行时依靠光伏发电供电，其供电的电压、电量必须满足设备的要求。

2.2 光伏发电系统的缺陷

光伏发电系统并网存在“孤岛效应”，光伏并网系统开关自主或意外断开，并网发电系统与本地网络仍旧形成孤岛运行，由此会产生一系列危害：

1）电网系统中的电压、频率产生波动，致使船用电气设备运行受到危害，当电压、频率过高时使设备烧毁，当过低时难以保障设备的正常运行；

2）部分线路未断电，检修人员因不了解状态，其人身会遭到危害；

3）配电系统的保护开关动作程序受到影响；

4）可能由于因孤岛效应所产生的故障（如接地故障）不能清除或由于产生的冲击电流等，致使电网系统中的设备损坏，电网系统不能恢复。

3 关键技术的应用

3.1 MPPT控制模块技术的应用

光伏发电受外界环境的影响较大，光发电的功率、电流和电压随着环境温度和光照强度的变化而不同，通过实验，光伏发电单元—光伏电池所发出功率和电压、电流为非线性关系。同时，光伏发电系统开路电压和短路电流不稳定，致使光伏发电系统的效率降低，如将光伏系统的电力引入船舶电站进行并网运行设备工作的可靠性降低，因此，在任何情况下都能保持光伏发电系统最大输出功率，确保电压输出的波形、幅值及相位与船舶副机发电系统一致是船舶光伏发电并网的关键。应用MPPT控制技术是解决问题的途径之一［6］。

光伏发电系统中，光伏电池的能量转换效率与光伏电池的内部结构特性有关，MPPT控制技术通过不断地检测光伏发电系统中电池的输出功率，运用控制算法来估算当前情况下系统输出的最大功率，通过调整当前的负载阻抗匹配来实现最大功率输出。这样就可以在光伏发电系统因气温升高而使得阵列输出功率降低时，仍可以保证整个系统在当前工况下运行于最佳的匹配状态。MPPT的控制算法包括电导增量法、最优梯度法、电压跟踪法、功率反馈法等［7］。其中，电导增量法具有能量损耗小、响应速度快、控制精度高的特点。在变化无常的船舶运行的环境中，采用电导增量法控制系统能够使光伏电池能以稳定的方式跟踪其变化。它通过对光伏发电系统的电压和电流进行采样，比较光伏电池的电导增量和瞬时电导改变控制信号，以达到最大输出功率的条件［8］。一般光伏组件输出的功率与电压的P-V图如图3所示。

图3 光伏组件输出功率-电压Fig3P-V characteristics cure of PV array

由图3的变化可知，最大输出功率点的斜率为零。由于光伏组件的瞬时功率P=IU，考虑到曲线斜率的关系，所以将公式两边求导得出：

式（2）说明了电导增量与获取最大功率点的关系。

表1 光伏组件的输出功率与电压增量关系Tab.1 The PV array output power and volage incremental relations

电导增量控制方法，能够精确地控制光伏电池所产生的电流、电压幅值、波形、电压及相位与船舶副机的发电系统一致性。

3.2 逆变器控制技术

船舶电力系统采用的是分布式供电结构，因此，其“孤岛效应”的检测需采用逆变器控制的自我检测（local detection）［9］。为了达到对电能质量影响小、稳定性高、检测时间短、盲区小或无盲区的检测效果，孤岛检测功能集成在逆变器内部。采取对逆变器输出的电压电流等电量实施扰动及监测电路响应情况的监测方法，来判断逆变器是否与电网相连。该技术较普遍采用的方法有：

1）采取对逆变器输出电路的阻抗变化进行监测的方法。在欧盟的EN 50330—1标准中规定：光伏发电系统中的阻抗变化1 Ω时即可认为形成孤岛。需要在5 s内切断电网。在电网断开后，公共点频率偏离正常范围。

2）采用对输出电压正反馈（sandia voltage shift，SVS）的方法。其做法是对逆变器所输出电流有效值或有功调节环施加正反馈，使电网断开后，公共点电压能很快地偏离正常范围，从而检测出孤岛状态。该方法不影响电能质量，但会造成功率损失，且由于扰动周期比较长，孤岛检测时间较慢。

3）采用无功补偿检测（reactive power compensation）的方法。对同时输出有功和无功的逆变器，随时检测并网运行时的负载无功需求，对负载作部分无功补偿或波动无功补偿以打破无功平衡，使电网断开后，公共点频率能很快地偏离正常范围。此方法基于功率控制，控制策略比较复杂。

4）采用主动频率（frequency techniques）的方法。逆变器对输出电流的频率做正反馈扰动，在电网断开后，将公共点频率快速推离正常范围。该方法具有对电能质量影响小、易于实现等优点，多机并网系统中同样有效。该技术的检测盲区主要集中在负载品质因数Qf（quality factor）较高时，高Qf的谐振电路将阻止逆变器的输出频率偏离谐振频率，Qf越大，其阻尼作用越强。

由于船舶设备的运行可靠性的要求要比陆地上高，同时船舶电网具有多机并网的特点，而且频率检测比电压检测灵敏有效，所以船舶光伏发电并网的孤岛检测采用主动频率的方法作为监测技术。

4 结论

太阳能光伏发电在船舶上的应用目前处于研究阶段，在大型远洋船舶上的应用较少。随着科学技术的进步，光伏发电技术的日益成熟，光伏发电系统并入船舶电力系统势在必行。然而为保障船舶设备运行的可靠性，采用MPPT控制模块技术及逆变器控制技术将是最有效的途径之一。

［1］陈刚，姬鸿，王勇.太阳能光伏发电系统设计［J］.智能建筑电气技术，2011，5（2）：11-15.

［2］岳鹏，王伶，张浩.国内外太阳能光伏政策研究［J］.绿色建筑，2011（5）：58-60.

［3］林伯强，姚昕，刘希颖.节能和碳排放约束下的中国能源结构战略调整［J］.中国社会科学，2010（1）：58-71.

［4］中国海事服务中心组织船舶电气与自动化（船舶电气）［M］.大连海事大学出版社，人民交通出版社，2013.

［5］孙玉伟.船用太阳能光伏发电系统设计及性能评估［D］.武汉：武汉理工大学，2010.

［6］Ralf Muenster.电源优化器技术：集中式与分布式MPPT的分析和比较［J］.电子设计应用，2009（9）：63-64.

［7］徐鹏威，刘飞，刘邦银，等.几种光伏系统MPPT方法的分析比较及改进［J］.电力电子技术，2007，41（5）：3-5.

［8］Wang Nian Chun，Sun Zuo，Yu ki ta K，et al.Research of PV Model and MPPT Methods in Matlab［C］//Power and Energy Engineering Conference（APPEEC），2010 Asia-αacific，2010.

［9］吴炤岑.光伏并网系统孤岛效应检测方法的研究［D］.锦州：辽宁工业大学，2013.

Exploration into Grid⁃connected PV Power Generation and the Application of Crucial Technology on Vessels

XU Xian⁃qi
（Tianjin Maritime College，Tianjin 300350，China）

With the high demand of transportation volume and the increasing number of vessels，the pollutant gases are released in the course of transportation，like carbon dioxide，and the energy consumption on the vessel are also gradually becoming more.Applying solar photovoltaic power generation technology to the transportation of vessels is one of the most important measures to save energy and reduce the emission of pollutants.Because of the particularity of vessel transportation and the requirements for power equipment，the incremental conductance method using the maximum power point tracking（MPPT）control module technology and the inverter control technology of active frequency method are effective ways to ensure the reliability of the system，which is the grid⁃connected power generation system composed of solar photovoltaic power generation system and the main grid of the vessel.

transport vessels；power system；photovoltaic power generation；technology；application

U665.1

A

2015-01-29

修改稿日期：2015-07-27

许献岐（1968-）男，硕士，副教授，Email：xianqixu@163.com