虚拟电站在船舶上的应用

王侃

（上海船舶研究设计院，上海 201203）

0 前言

二氧化碳排放量占全球总排放量2.89%的航运业“脱碳”迫在眉睫［1］。目前船舶业在尝试使用氨和生物甲醇等替代传统化石燃料， 并且探索将风能、潮汐能等可再生能源转化为电能进行利用。 但由于可再生能源的不稳定性及船舶负载的多样性等问题，如何高效使用可再生能源及合理分配船舶电力能源是该领域研究的关键。

目前船舶供电系统采用的是简单的单向输送形式，即从发电机发电至电网再由电网送电到负载端。 该供电系统的单向性特质导致其无法满足当下更经济、更智能化的电能分配需求。 早年陆用输配电系统也存在相同问题，但随着通信和控制技术的发展，以及可再生能源的推广和送配电系统的智能化，陆用领域的配电形式得到了改善。 陆用领域这种以先进的信息通信技术为依托，以分布式智能管控为手段，有机结合了可再生能源、燃料能源、储能设备和可控负载的集合体被称为虚拟电厂［2］。 虚拟电厂的发展，欧洲可以追溯至2007年，开展以集成中小型分布式发电单元为主要目标的虚拟电厂研究项目，参与的国家包括德国、英国、西班牙等［3］。 国内在“十三五”期间，江苏、上海等地也相继开展了虚拟电厂试点［4］。 虚拟电厂技术在陆用领域已经较为成熟。

但在船舶领域，由于海洋环境的特殊性导致可再生能源利用率低和输配电智能化程度弱等诸多问题，陆用的设计理念和设备无法直接在船舶上得到有效的应用。 为了解决船舶电能使用的经济性和有效性等问题， 需要借鉴陆用虚拟电厂的技术基础，结合船舶领域固有特点，探索和研究具有船舶特性的虚拟电厂，即船舶虚拟电站。

1 船舶虚拟电站的优势

现有船舶很少使用太阳能、 风能等可再生能源，原因是这些可再生能源不稳定，缺乏可靠性，无法作为船舶电能的一部分持续供电。 早期技术不成熟和投资成本过高也是可再生能源在船舶领域未能推广的原因之一。随着可再生能源在陆用领域的广泛应用，其在船舶领域的应用也开始受到关注。

解决可再生能源在船舶领域应用的关键在于储能技术和智能管控技术。 通过船舶虚拟电站的储能系统，可以有效地将可再生能源进行储存，实现可再生能源的稳定利用；再通过船舶虚拟电站的智能管控系统，可以对可再生能源进行储电或放电的智能管控分配， 从而实现可再生能源的高效利用。图1 为可再生能源的管控构架图。

图1 船舶虚拟电站的可再生能源智能管控构架图

由图1 可见：通过船舶虚拟电站，根据可再生能源的发电量和船舶负载情况，可再生能源可以给船舶电网供电， 也可以供储能电池进行电能储备；另外， 在特定情况下还可以直接供负载端用电，比如船舶在港停泊时，可再生能源可以不通过母排直接供电给居住区负载，从而实现稳定、高效的可再生能源利用。

1.1 电网削峰填谷

传统电站在船舶航行过程中，由于大功效负载的短时运行、 厨房和加热器等间歇性设备的使用，发电机输出功率起伏频繁，无法长时间稳定地运行在经济油耗区间内，造成发电机油耗过高。 利用船舶虚拟电站的可再生能源技术和储能技术，结合船舶虚拟电站的能源管理系统可对电网进行有效的削峰填谷，使发电机维持在经济油耗范围内长期运行。 图2 为船舶虚拟电站削峰填谷示意图。

图2 船舶虚拟电站削峰填谷示意图

根据发电机的特性曲线，在船舶虚拟电站的智能管控平台上事先设定发电机的经济油耗区间。 当电站所需电量高于经济区间范围时，使用可再生能源转换的电能或储能电池已存备的电能来进行补电；当电站所需电量低于这个区间范围时，将多余电量提供给储能电池进行储存，从而将发电机的运行长期维持在经济油耗范围内，提高船舶经济性。

1.2 优化能效管理

传统的船舶电站管理系统，大多针对船舶设备安全和船舶运维安全管理，很少涉及船舶电能的能效管理。

通过虚拟电站的智能管控系统，利用先进的通信技术将供电端和负载端进行实时的信息交互，在控制平台内导入电量分配逻辑公式和计算方式，对供电端和用电端进行安全、高效、合理的智能管控。虚拟电站的智能管控既要满足供电端的需要，又要兼顾供电的反馈，如图3 所示。 供电端按性能分层管理可分为发电机供电、可再生能源供电和储能电池供等供电方式；负载端按需求进行控制，可分为连续重要负载、非连续重要负载和非重要负载等负载，做到对整个送配电系统精细化管控。

图3 船舶虚拟电站电能能效管理构架图

在一般情况下，供电端优先使用可再生能源供电、其次是储能电池、最后是发电机供电，负载端优先满足连续重要负载、 其次是非连续重要负载、最后是非重要负载。 通过船舶虚拟电站来优化船舶电能使用效率，提高船舶电站经济性，实现节能减排的目的。

2 船舶虚拟电站的组成

船舶虚拟电站主要由可再生能源系统、电池储能系统及虚拟电站智能管控系统构成。

2.1 可再生能源系统

太阳能光伏和风能技术是目前较成熟的可再生能源，可作为船舶虚拟电站的可再生能源的主要来源。 此外，还处于研究阶段的振动发电和温差发电等技术，今后也可逐步应用于船舶领域。

2.1.1 太阳能光伏

太阳能光伏所使用的半导体材料目前主要分为晶硅组件和非晶硅薄膜组件两类，晶硅组件又可分为多晶硅和单晶硅。 在材料能量转换效率方面，晶硅组件高于薄膜组件， 其中， 单晶硅最高可达24.9%，多晶硅最高可达18%；在造价方面，晶硅组件高于薄膜组件， 其中单晶硅制作成本最为昂贵；在生产耗能方面，晶硅组件高于薄膜组件，其中单晶硅生产能耗最高。 太阳能光伏材料具体性能比较如表1 所示。［5］

表1 太阳能光伏材料性能比较表

综合考虑能量转换效率、初始投资、设备生命周期等因素，目前多晶硅组件作为船用太阳能光伏组件材料是较为合适的。

在系统构建上，船舶虚拟电站系统选用离网型光伏供电系统供电方式，将太阳能电池组件提供的直流电通过光伏控制器直接给直流负载供电，还可以通过光伏逆变器将电能变换成交流电为交流负载供电［6］。

在布置设计方面， 除了需要选择露天甲板等无遮挡且光照条件充足的区域外， 布置位置应避免海水易达到及易被腐蚀的区域。 某汽车运输船在驾驶室甲板后部区域布置多晶硅组件太阳能光伏板，如图4 所示，是太阳能光伏在船舶上实际应用案例。

图4 汽车运输船的太阳能光伏板布置图

2.1.2 风能发电

风能发电与太阳能光伏相比，优势是不受日照影响。 在陆用领域，不论在沿海或内陆，理论上常年风速达到3 m/s 及以上的地区就可以安装风能发电装置进行发电。 一般风能发电装置的风机形式有水平轴和竖直轴两种。 陆用风能发电设备多选用长度为6～20 m 的三叶式水平轴风机。 在船舶领域，由于布置空间局限性，以及船体振动和船体结构强度等影响无法直接应用陆用的水平轴风力发电设备。 此外，在船舶风能发电装置设计安装时，既要考虑最大程度利用风能，也要兼顾减少风对船舶带来的阻力。 因此，船用风能发电装置与陆用风能装置存在很大差异。 综合船舶结构、船舶振动和船舶风阻等因素，船舶更适宜选用竖直轴风机作为风能发电装置［7］。MORING CRYSTAL 号船舶上安装的竖直轴风能发电装置， 设备参数如图5 所示， 当风速大于8 m/s 时，竖直轴风机比水平轴风机更有优势。

图5 船舶风能发电装置图

2.2 电池储能

由于太阳能光伏和风能发电等可再生能源无法稳定、可持续地输送电能，所以船舶虚拟电站设计需要配置一套可靠的储能系统。 现有储能技术主要分为，物理储能、电化学储能（即电池储能）和化学储能等3 类。 目前从储能技术评价标准来看，船舶应用可行性较高的是电池储能技术。 电池储能技术主要依托镍氢电池、锂电池和超级电容等二次电池技术的发展［8］。 表2 为各类主流二次电池比较表。

表2 各类主流二次电池比较表

从标称电压、能量密度、使用次数和环保性等综合考虑，目前锂电池是最适合被用于船舶储能技术的电池，并且锂电池作为船舶动力电池已经拥有较多应用案例和成熟经验［9］。

储能电池用于电力调峰和临时补电等场景较多，一般需要电池具有短时放电能力，因此选择合适的充放电倍率的锂电池尤为重要。 此外在电池管理系统（BMS）、能量管理系统（EMS）等系统设计时也需要根据该船舶实际场景来进行设计。

2.3 船舶虚拟电站智能管控系统

船舶虚拟电站构架如图6 所示，其中核心部分是船舶虚拟电站智能管控系统。

图6 船舶虚拟电站构架

虚拟电站智能管控系统是连接供电端和负载端的中枢， 需要具备数字化信息显示记录功能、智能管控功能、制定周期性送配电策略能力。

2.3.1 数字化信息显示记录功能

数字化可视功能是指通过可靠的、精准的数据收集技术和安全稳定的通信技术，将发电机、储能电池、可再生能源和各类负载数据实时发送至虚拟电站智能管控平台。 操作人员可以通过人机界面，准确地读取供电端和负载端各个设备信息，也可以通过查询平台数据库了解各个设备的运行历史记录，并按需生成个性化报表，通过准确的数字化信息显示记录功能，为制定精确、高效的发电-储电-用电的管控策略提供支撑。

2.3.2 智能管控功能

智能管控功能通过船舶虚拟电站智能管控平台协调发电、储电、用电三者之间的平衡，根据事先设计的管控策略对电源和负载实现有效管理和高效调配［10］。

在船舶公约和规范允许的前提下，管控策略遵循以下几个原则：

1） 当可再生能源发电时，优先考虑使用再生能源。 可再生能源可以直接给负载供电，也可根据负载需求和供电端电量将多余的电量储存到储能电池内。

2） 尽量保持发电机长期运行在经济油耗功率区间内，避免短时的负载突加突减。 当发电机功率高于经济油耗功率区间时，启动储能电池或限制当下不需要的非重要负载运行（在规范允许的前提下限制部分设备使用）； 当发电机功率低于经济油耗功率区间时，可以对储能电池进行充电或者提前运行一部分负载（比如提前给压缩空气瓶加气、抽取舱底水或提前运行居住区空调压缩机等）。

3） 负载管控。 负载类型分为连续重要负载、非连续重要负载和非重要负载等3 类。 按照船舶运行工况，合理地管控3 类负载，实现高效的电能分配。

2.3.3 制定并实施船舶周期性送配电策略能力

周期性送配电策略能力，是指基于船舶虚拟电站自身的设备运行历史数据库，并结合外部系统的相关信息，根据操作人员的指令，通过强大的信息分析能力和高速计算能力的计算机对未来航行状态下各个设备的运行状态以及可能出现的问题进行模拟和演算，制定出一套安全、经济、合理的周期性船舶送配电策略的能力，并且将其准确执行。 其中，与智能管控平台相关的外部信息是指船舶航行数据、海洋情况和天气预报等。

因此，船舶虚拟电站智能管控平台需要与船舶其他外部系统有信息交互能力，并且在平台界面上能够读取外部系统的相关信息。 此外，智能管控系统还应具有自学习能力，能对复杂的送配电系统进行有效的全局控制并具有较强的纠错能力，从船舶整体能效和运维功能来综合考量，以实现船舶整体节能减排的目标。

3 结语

船舶虚拟电站主要由可再生能源系统、电池储能系统及虚拟电站智能管控系统构成，根据虚拟电站在陆用领域实际应用的经验， 研究再生能源技术、储能技术和智能电站管控技术在船舶领域的应用，解决陆用虚拟电站的局限性、特殊性以及转为船用带来的相应问题， 探索构建船舶虚拟电站系统，开展船舶虚拟电站应用可行性分析，实现提高能效、节能减排的目标，为未来船舶电站设计提供一种综合解决方案。