离/并网一体光伏系统在5 000 PCTC远洋汽车滚装船上的应用

孙玉伟， 严新平， 袁成清， 汤旭晶， 邱爰超， 郭 畅

(武汉理工大学 a.能源与动力工程学院； b.国家水运安全工程技术研究中心；c.交通运输部船舶动力工程技术交通行业重点实验室，武汉 430063)

2017-04-18

工业和信息化部高技术船舶科研项目(工信部联装[2012]540号)

孙玉伟(1985—)，男，湖北十堰人，讲师，博士，主要研究方向为船舶电力系统及自动化控制、绿色船舶应用技术。

E-mail：ywsun@whut.edu.cn

1000-4653(2017)03-0025-05

离/并网一体光伏系统在5000PCTC远洋汽车滚装船上的应用

孙玉伟a,b,c， 严新平a,b,c， 袁成清a,b,c， 汤旭晶a,b,c， 邱爰超a， 郭 畅a

(武汉理工大学 a.能源与动力工程学院； b.国家水运安全工程技术研究中心；c.交通运输部船舶动力工程技术交通行业重点实验室，武汉 430063)

对比离网型太阳能光伏系统与并网型太阳能光伏系统在船舶电力系统中集成应用上存在的技术差异，以5 000 PCTC汽车滚装船为应用对象，设计一套采用大容量锂电池储能的离/并网一体化船基太阳能光伏系统。实船测试结果表明：该系统能实现在不同模式之间稳定切换运行，离/并网运行条件下测定的逆变器交流端输出电能的质量满足船级社相关规范的要求。

船舶；船舶电力系统；光伏系统；离网；并网

随着能源消耗问题和气体排放问题日益严重，国际法规带来的压力日益增大，世界各航运大国开始不断探索利用风能、太阳能、核能、生物质能和燃料电池等新能源技术开发新型节能环保的“绿色船舶”。[1-4]太阳能船舶(或称应用太阳能光伏技术的船舶)以在船舶电力系统中集成零污染、零排放的太阳能光伏系统为基本技术方案，在降低常规柴油同步发电机组设计功率的同时，通过在航行过程中最大程度地利用光伏电能，实现船舶燃油消耗量和温室气体排放量的显著下降。当前，太阳能船舶已发展成为最具节能减排潜力的绿色船舶之一。

这里首先对比分析离网型光伏系统和并网型光伏系统在船舶电力系统中集成应用的特点及关键环节；其次以5 000 PCTC远洋汽车滚装船为改造对象，设计一套采用大容量锂电池储能的离/并网一体化船基太阳能光伏系统，结合实船改造工程，详述该系统的4种设定运行模式；最后通过岸基和船基光伏系统离/并网切换运行测试，验证该系统的功能是否达到设计要求，各项运行参数是否满足船级社电能质量标准的要求。

1 离网和并网型光伏系统分析

太阳能光伏系统作为一种基于电力电子技术的逆变电源，其有功-频率变化特性、无功-电压调节特性、频率响应特性、功角稳定特性及故障响应特性等电能质量特征与逆变控制程序直接相关。[5-6]相对于拥有“大惯性”特性的常规同步发电机组，光伏系统可被视为一个“零惯性”的“脆性源”。[7-9]根据光伏系统容量与全船总负荷需求量之间的比例关系，太阳能船舶可分为太阳能光伏辅助供电型船舶和太阳能电力推进型船舶2种；根据所适用船舶电力系统电制的不同，船基光伏系统有直流系统和交流系统2种集成方案；根据船舶负荷功率的需求和运行工况的差异，可进一步将光伏系统设计方案细化为离网型、并网型和离并网混合型等3种。[10]

离网型光伏系统在单独带载运行时与船舶电网之间不存在直接的电能交汇，船舶电力系统的暂态稳定性主要取决于在网同步发电机组的电力输出特性，因此对整个电网的安全性和可靠性影响较小。考虑到所接负载的日均能耗总量和尽可能地降低光伏电-船电切换频率，通常需设置容量数倍于光伏组件总容量的储能装置，以实现静态的电能供需平衡。此外，离网逆变器的输出功率受所接负载总功率的牵制，如所接负载长期在低功率水平运行会造成已发出光伏电能的浪费。

并网型光伏系统仅需设置与光伏组件容量相同的储能装置即可实现动态的电能供需平衡，并网逆变器输出的电能并入船舶主电网，由综合电力管理系统在全船范围内统一调度，因此具有较高的能源利用效率。[11]与同步发电机组并联运行过程相比，并网型光伏系统运行具有以下显著特点：

1)直流侧电气量与交流侧电气量的控制关系显著，因而不存在机组间小幅电压差、频率差及相位差产生的“环流”将待并机组拉入同步的情况。

2)并网逆变器对电网电压不具有支撑作用，不能抵御电网上的大扰动冲击。

3)为避免交流端电力输出功率波动造成频繁调节同步发电机组出力大小的问题，带有储能系统的并网型光伏系统通常以设定的功率因数恒功率输出，船舶工况波动全部由同步发电机组平衡。

4)在船舶电网某电能质量参数(电压、频率、谐波和逆功率等)的瞬时波幅超出并网逆变器设定值之后，光伏系统陡停,进一步加剧整个电力系统的振荡。该过程相当于降低了暂态过程中系统的稳定裕度,在极端情况下极易导致同步发电机失去同步、机组解列和电网失电。

随着太阳能船舶不断发展，应用于各型船舶平台上的太阳能光伏系统的容量得到不断提升，其系统集成方案设计呈现出由离网型向并网型和混合型转变的趋势。[12]

2 实船离/并网一体光伏系统

以2012年投入营运的5 000 PCTC汽车滚装船“中远腾飞”轮为应用对象，采用离网模式与并网模式一体化集成设计的基本思想，设计一套采用大容量锂电池储能装置的船基光伏系统。该系统的拓扑结构设计、运行模式设定和实船安装如下。

2.1拓扑结构设计

作为在营船舶光伏系统改造项目，综合评估船舶规范、船舶结构安全和离网负载功率等因素设定光伏系统的装机容量、拓扑结构及运行模式。中国船级社在《太阳能光伏系统在船舶上使用的技术要求(2013)》中采用静态频率调节特性计算方法反推出电网频率降低幅度不超过限制值条件下的光伏发电装机容量与在网发电机组容量的比例系数，即光伏渗透率应≤23.1%；实测“中远腾飞”轮在不进行甲板改造的情况下无遮蔽面积约为900 m2，允许光伏系统设计容量在150 kWp左右(光伏渗透率为12.5%～16.2%)，以日均5 h等效照射时间计算，忽略直流电缆损耗、蓄电池充放电损耗、交流配电电缆损耗等因素，日均输出电能约为750 kW·h。在离网运行模式下基本可保证总功率约为30 kW的负载24 h不间断供电；在并网模式下仅考虑光伏系统输出交流电的电制与船舶电网电制相同即可。

根据上述数据，设计离/并网一体光伏系统。图1为该系统结构图，主要由太阳能电池阵列、光伏控制器、锂离子蓄电池组、电池管理系统(Battery Management System，BMS)、离/并网一体逆变器和交流配电柜等主要组成设备。各组成设备的主要功能有:

1)太阳能电池阵列将太阳辐照能转换为直流电并输出。

2)带有最大功率跟踪控制和限压限流功能的太阳能光伏控制器对光伏阵列的实时输出电压及电流进行控制，以使太阳辐照能的应用最大化，其输出端与BMS和离/并网一体逆变器的输入端为同电位共直流端。

3)具有过充过放互锁保护功能的BMS通过实时检测蓄电池的端电压和光伏控制器的输出电压，动态改变蓄电池组的充放电状态，实现光伏电能在直流端和交流段的动态平衡。

图1 5 000 PCTC离/并网一体光伏系统结构图

4)离/并网一体逆变器将直流电逆变为450 V/60 Hz的三相交流电，通过切换主控电路板中DSP的逆变控制程序，由同一套绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)逆变桥完成离网模式和并网模式输电切换功能，具有极性反接、短路、孤岛、过热及过载保护等功能。

5)通过改变交流配电柜上的离网-并网运行手动机械互锁开关，在离网模式下降压至230 V/60 Hz向4L～9L分电箱供电，在并网模式下直接向船舶主配电屏供电。

2.2运行模式设定

根据航线上的太阳能辐照强度、负载功率需求、经济性和安全性要求，该光伏系统能在4种设定模式之间切换运行。

1)离网运行模式。逆变器离网运行输出功率随负载的改变而改变，所需电能由光伏电池和蓄电池共同分担。光伏控制器输出功率与逆变器输出功率之间的波动差由BMS改变蓄电池的充放电状态来平衡。逆变器输出的三相交流电经交流配电柜内的变压器降压后直接向照明负载供电(三相负载需平衡)。

2)并网运行模式。逆变器并网运行的输出功率恒定，光伏电池经控制器输出功率的波动由蓄电池BMS进行动态平衡。逆变器输出的三相交流电并入船舶主配电屏，并设置一套防逆流装置以避免能量倒灌。

3)光伏出力不足时的船电供电模式。当光伏系统电力长期出力不足，且蓄电池剩余容量不足以支撑负载功耗时，切换至船电旁路供电，船电经光伏系统的交流配电柜向照明负载供电。当太阳辐照强度持续升高，光伏系统向蓄电池充电至其恢复放电电压节点时，自动切回离网/并网供电模式。

4)光伏系统停机维修时的船电供电模式。光伏系统停机维修时，断开光伏逆变器与主配电屏之间的开关以完全切离光伏系统，经交流配电柜上的船电-光伏电手动互锁开关切换至由船舶主变压器向照明负载供电。

2.3实船安装

以系统建模仿真、技术分析和安全性评估工作积累的经验及数据为基础，研发完成5 000 PCTC“中远腾飞”轮离/并网一体光伏系统设备并先后通过出厂检验和岸基联调测试2个环节。实船改造工程于2016年3月完成，太阳能电池阵列、电气设备间和蓄电池间的安装结构布局及相应设备见图2。

太阳能电池的单块峰值功率为265 W，采用18串30并连接，输出电压设定为384 V DC；光伏控制器内设有3个DC/DC模块，每个模块连接10组并联光伏阵列完成MPPT和限压限流控制，设定输入电压的范围为350～780 V DC，最大输入电流为150 A；磷酸铁锂蓄电池单体电池额定电压为 3.2 V，额定容量为100 A·h，采用120串17并连接，总容量734.4 kW·h；BMS采用1主3从控制单元对17组并联的蓄电池进行分组管理,以实现充放电状态为的无缝切换；离/并网一体逆变器采用正弦脉宽调制(Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM)技术，在离/并网模式下均为纯净正弦波输出，功率因数≈1。为保证系统安全、可靠地运行，在系统硬件设备平台的基础上集成一套具有环境参数采集、电力系统设备状态参数监测与显示、发电量统计、故障报警和节能减排效能估算等功能的太阳能电力管理系统。

图2 电池阵列、电气设备间和蓄电池间实船布置图

3 实船光伏系统运行试验

3.1离网模式

离网模式运行测试采用定负载和变负载工况交叉进行的方式，着重测定系统在陡增负载和陡降负载情况下的稳定性。图3～图6为重复对比试验中的一组运行数据，设定测试条件为：

1)空载至满负荷150 kW运行阶段，各阶段定负荷测试时间为5 min，逐级增加三相负荷15 kW。

图3 离网-逆变器AB线电压

图4 离网-逆变器A相电流

图5 离网-逆变器输出频率

图6 离网-三相电压&相角差

2)满负荷降至空载运行阶段，各阶段定负荷测试时间为5 min，逐级卸载负荷30 kW。

结果表明：线电压均稳定在440.0 V AC(手动降低负载功率的速度较快，存在线电压瞬时波动问题，但幅度<±9%)，频率稳定在60 Hz(波幅<±0.01 Hz)，THD值稳定在2.5%以下，相角差稳定。

3.2并网模式

并网模式运行测试在船舶停靠码头装卸货工况下进行，重复对比试验项目包括：定负荷和变负荷工况下的稳定性、系统陡增和陡降并网输出功率及陡停对电网电能质量的冲击，结果见图7～图11。

图7 并网-逆变器A相电压

图8 并网-逆变器A相电流

图9 并网-三相有功功率、三相无功功率和功率因数

图10 并网-逆变器输出频率

图11 并网-逆变器A相电压THD

结果表明：逆变器自启动运行至停机输出的相电压和线电压能始终保持在260 V AC及450 V AC，频率稳定在59.999 Hz左右(在重复对比试验中采用Fluke435II型电能质量分析仪先后测定频率和功率参数，因此标定时间有差异)THD值稳定在2.4%以下(船级社规范要求<5%)；逆变器功率因数随着设定并网输出功率的变化而变化，在额定输出功率150 kW下达到1；自启动并网运行瞬时至达到额定输出功率的过程中，输出功率的增长率为1 kW/s；自停机至额定输出功率降为零的过程中，输出功率变化率为5 kW/s；在并网运行和停机过程中，光伏系统对船舶主电网的电能质量无显著影响。

4 结束语

在5 000 PCTC“中远腾飞”轮上完成的离/并网一体太阳能光伏系统改造项目形成的一系列设计方案、项目协调经验、施工方案和运行调试经验可作为其他船舶进行太阳能光伏系统改造工程的参考案例。通过对该系统离/并网联调运行测试数据、实船运行监测数据(往返中—欧和中—美航线)及船员反馈信息进行总结，得到以下结论：

1)太阳能光伏系统在大型远洋船舶电力系统中应用能起到拓展船舶可利用能源范围的作用。

2)该系统在离/并网运行时输出的电能质量满足船级社相关规范的要求，并能在不同运行模式下安全、可靠地切换运行，特别是并网运行时陡增和陡降输出功率对船舶电网无显著的冲击性影响。

3)太阳能电力管理系统能实现对全系统的安全监控、故障延伸报警及保护，可有效减少船员日常维护的工作量。

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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