構建船舶微電網的研究

劉漢宇，牟龍華

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構建船舶微電網的研究

劉漢宇，牟龍華

（同濟大學電子與信息工程學院，上海 201804）

本文提出了船舶微電網概念，對船舶微電網的概念進行了定義和闡述，提出船舶微電網不能以“補充”角色接入船舶主電網，而應該以“船舶功能電網替換升級”的角色接入的研究思路，從而徹底改變傳統的船舶電力系統功能網絡架構。以四機組單主電站供電的大型遠洋船舶電力系統為例，給出了與其相適應的船舶微電網架構形式，分析了船舶微電網獨特的運行方式和相對于陸地微電網的差異，探討了船舶微電網系統須研究的關鍵技術，最后指出船舶微電網建設對于我國船舶工業發展的意義和實施過程中的優勢。

海上新能源 微電網 船舶微電網 關鍵技術

0 引言

交通運輸行業是國民經濟的重要基礎。在整個交通運輸業中，水運是第二大能源消費運輸方式，也是最經濟的運輸方式，我國每年大約七成的國際貨運貿易通過水運來完成。2008年3月聯合國氣候變化談判決定將海運、航空和運輸業納入溫室氣體減排目標，因此綠色環保低碳的造船模式將成為未來船舶制造業發展的必然方向[1]。為了適應新形勢的需要，清潔可再生能源在船舶平臺上的應用成為最重要的解決渠道和未來船舶發展的方向。

文獻[2]提出了利用高效“風帆”形式為船舶提供補充動力的海上風能利用形式。但作者認為這樣方式必然使得船舶內部將會新增一整套機械式的風能動力控制系統，增加對船舶運動控制的復雜性；同時，未來船舶將會普遍地使用以電力推進為動力方式的船舶綜合電力系統(Integrated Power System, IPS)，船體中所有涉及的能量都將統一到電能形式加以轉化和利用。因此，作者認為船用風力發電技術才是海上風能在大型遠洋船舶平臺上的主要應用形式。同理，太陽能的利用主要有光熱技術和光伏技術[3]。考慮到船舶運行過程中對于熱水的需求量不高, 進行熱電轉換在有限的船舶空間內難以實施, 故而光熱利用的可行性不是很高。盡管海上風能與太陽能具有相對陸地更大能量密度[4]，但終究是低密度能源。

近幾年國外也出現了利用風能和太陽能光伏發電的新能源驗證性船舶[5]，但幾乎都只是適合內河航行的小噸位船舶。從經濟的角度上講，海上新能源發電必須達到一定的規模才具有實際應用價值，但不可控的新能源發電滲透率提高，對于具有規模較小、容量有限、線路較短和工作模式特殊的船舶電力系統而言，如果不加以克服，會產生新的脆性源[6]。綜上所述可以得出結論：找到一種適合于船舶平臺的海上新能源規模化接入的方法是解決問題的關鍵。

在陸地電網中，采用微電網[7，8]方式解決分布式電源的大規模接入問題已經獲得了各國的普遍認同，成為陸地大電網的有益補充。微電網技術為可再生能源發電技術的整合和利用提供靈活和高效的平臺，可削弱分布式發電對電網的沖擊和負面影響，是電力產業可持續發展的有效途徑。

船舶電力系統是一種強耦合、強非線性、緊湊型系統，從整個電網結構的頂層設計、安裝工藝，系統運行穩定性理論，系統的保護與重構技術，電力系統運行模式等方面都具有區別于陸地電力系統的獨特特點[10]。基于此，本文將以陸地微電網的發展思路作為啟發和參考，嘗試找到一種適合于“船舶電力系統特質的微電網”途徑，使海上可再生新能源發電裝置平穩、規模化地“接入”船舶電力系統運行。

1 特性海上新能源發電裝置在大型遠洋船舶平臺上規模化使用的可行性

海上移動式平臺動態環境與陸地固定的自然環境之間，和船舶電力系統與陸地電力系統之間存在的巨大差異，使得海上可再生新能源在船舶上應用條件限制比陸地要苛刻很多，也重要得多。新能源發電裝置在船舶平臺上的規模化安裝首先必須有一個“強壯和適應”的船體結構作為物理支撐，同時其也會對船舶類型、電力設備適裝性，航行等方面有特殊的要求。因此，研究其在船舶上具有規模化應用的可行性是必須首先明確的問題，整個可行性論證包括目標船選型、海上環境與船舶特征匹配等環節，完整的評選程序如圖1所示。

圖1 船舶海上新能源規模化發電可靠性的評選程序

1.1 我國主要遠洋航線自然條件分析

我國的大型遠洋船舶的航線，包括中國-北美、中國-巴拿馬、中國-南非、中國-歐洲和中國-澳洲等幾條航線，都是位于風能和太陽能豐富的較低低緯度季風帶附近，特別是風能，由于海面廣闊無遮擋，陽光照曬充足，易形成固定的季風性氣候，其能量密度和品質相對于陸地條件明顯更加豐富和穩定，這對風力發電在船舶動力平臺上的應用提供了良好的先天條件。

1.2 適合船舶微電網的船舶平臺

不是所有類型的船舶平臺都適合安裝或者搭載風能發電或太陽能發電裝置。遠洋運輸船舶的種類繁多，常見的有集裝箱船、滾裝船、散貨船、液化天然氣船、油輪、客輪等[17]，各種類型的船體構造差異巨大，對于船舶電力系統的要求各不相同，船舶電力系統的結構和設備配置也有很大的區別。根據風光發電設備搭載鋪設和入網的要求，應選取船舶電網穩定富裕相對度大，甲板面積開闊平攤，船艙空間較大，便于設備安裝的大型遠洋船型。目前的船型中，散貨船和油船等都比較符合這樣的原則。

1.2.1風能和太陽能發電裝置在船體上的安裝

在散貨船或者運油船上，由于需要同時安放風能和光伏兩種不同的發電裝置，因此必須考慮到相互之間的空間配合問題。以“好望角”型散貨船為例，該型號船總長約280 m，型寬45 m，型深24.8 m，設計吃水18.3 m，載重8萬噸以上。由于單個太陽能板的重量和體積較小，組合方式靈活，不會對船舶的重心、外形與抗波性能等性能產生影響，因此太陽能光伏板可在恰當位置靈活安裝，以配合風力機的安裝進行。

相對光伏板，風力發電系統要重且大得多。風能發電裝置的安裝位置、風葉直徑、每臺的葉片數、安裝高度等因素必須以對象船舶的船體實際情況為依據，以不影響船舶航行作為前提條件。例如，對于一臺風葉直徑為5 m，高度為7 m，功率12 kW左右的風電機組而言，其重量約為5噸左右。如圖2所示，在好望角型散貨船上沿著船體中線布置12臺（按具體型號選擇間距），總重量增加約為60多噸，考慮船舶壓載因素，最大不會超過100噸。對于滿載量超過10萬噸以上的好望角型散貨船而言，重量增加在0.002%以下，船舶吃水線幾乎不增加，對航行的增加功率耗費的影響可以忽略。為避免風力發電機組的重量可能會影響到船舶重心的位置，采取對稱布置的方式，前后相隔40 m左右，不會產生氣流紊流。

圖2 大型遠洋散貨船風能發電裝置的布置

1.2.2風力機產生反航向空氣阻力

風機一般分為升力型和阻力型兩種, 大型遠洋船舶平臺上適宜采用升力型風機，其特點是轉速快，效率高，需要對迎風面。升力型風力機利用空氣流過葉片改變方向，產生的向上升力作為驅動力。風機的其槳葉截面類似于流線型的飛機翼片且可調整。運行時，由于葉片的對稱翼型設計，雖然風是面向著槳葉吹來，但其有效作用面并不是船舶的運行反方向，而是一個沿著葉片旋轉邊沿向上的運動方向，即在旋轉方向上產生力矩，進行做功。考慮到迎風面不會始終與船舶航向方向相反的因素，風力機產生的水平反向力對航行的影響是較小的。如圖3所示，

2 船舶微電網的定義與結構

2.1 船舶微電網的定義

目前國際上各國對微電網的定義各不相同，歐盟、美國和日本等發達國家都是根據本國國情的實際需要對微電網進行定義。本文也遵從這個思路，從船舶及船舶電力系統的運行特點和實際需要來完成對“船舶微電網”進行定義和描述。

圖3 風機槳葉空氣動力學示意圖

船舶微電網是以一組海上可再生新能源發電為集群，結合大型遠洋運輸船舶運行特性和船舶電網的部分重要負荷電能質量管理所形成的可分割供能網絡。

2.2 船舶微電網的結構

船舶中各種電力設備的供電網絡是根據負荷性質相近的原則，選擇相應的單獨電網進行供電。船舶供電網絡按功能劃分可分為五種，分別是：船舶動力網，正常照明電網，弱電電網，應急電網和小應急電網。這五類供電網絡并非每條船上都會全部配置，須根據船舶的具體情況靈活設置。由于不同用途、不同噸位的船舶，電力系統存在很大差異，為了方便描述，本文采用具有一定代表性的四機組單主電站供電的大型遠洋船舶電力系統結構圖為例，在其網絡結構上構建與其匹配的船舶微電網。大型遠洋船舶電力系統單線圖如圖4所示。

圖4 大型遠洋船舶電力系統單線圖

圖4中，G1、G2、G3、G4為主發電機；EG為應急發電機；ACB為發電機主開關；ACBE為應急發電機主開關；MSB為主配電板；ESB為應急配電板；MCCB1-10為配電開關；DSB為分配電板；RSB為弱電分配電板；MCCBE為應急配電開關；MCCB1為2-隔離開關；ISB為照明配電板；EISB為應急照明配電板；IDSB為照明分配電板；EDSB為應急分配電板；Tr為照明變壓器；ETr為應急照明變壓器。

正常情況中應急電源不啟動，由主發電機供電給主配電板匯流排和應急配電板匯流排;在主發電機故障停止供電時，應急發電機或蓄電池可手動或自動起動投入工作，向船舶重要航行設備的應急照明等系統供電，并通過聯鎖裝置將主配電板和應急配電板的聯絡開關斷開。在停靠碼頭時，岸電接到應急配電板上，然后通過聯絡開關再送到主配電板。

陸地微電網作為大電網的補充，構建于配電網末端用戶側附近。然而這樣的思路在船舶上面是行不通的，主要原因在于船舶電力系統是一個集發電、送電、變電、配電和用電為一體的緊湊型系統，所有的電能操作都在一個有限的空間內完成。因此，將船舶微電網作為某種“補充”的形式接入船舶電網中是沒有意義的。其次，當船舶主電網出現故障或者需要停機時候，相對獨立的應急電網也能夠立即對關鍵負荷進行供電保障。因此從供電可靠性功能的角度來講，如果按照陸地微電網思路進行，將使得船舶微電網與應急電網或小應急電網在“主電網故障或者電能質量不滿足要求”狀況下出現功能重復。所以，船舶微電網的建設必須另辟蹊徑。

本文提出這樣的思路，即船舶微電網不是作為船舶主電網的“補充”角色接入，而是以“船舶功能電網替換升級”的角色接入主電網，可替換的對象包括應急電網、弱點電網、小應急電網。三者中的原涵蓋的供電負荷將由船舶微電網和船舶主電網的相互支撐體系聯合保證供電可靠性。如此一來，船舶微電網不僅僅是接入海上新能源以實現節能減排，還要擔負起應急供電，電能質量保證等任務。由此可見，船舶微電網將對傳統船舶電力系統架構體系產生根本性的改變，與陸地微電網差異明顯。由于船舶微電網不像陸地微電網那樣主要影響配電網側，所以在對船舶微電網的操作中當考慮整個船舶電力系統的要求，即操作對象是“含船舶微電網的船舶電力系統”。

圖5給出了含船舶微電網的船舶電力系統架構圖，船舶微電網的是由電源和負載等構成的具有不同運營模式的系統單元。考慮到船舶微電網中負荷存在交直流共存的情況，且新能源發電等電能裝置非常集中，船舶微電網宜采用交直流混合母線的架構，這樣的結構融合了直流微電網與交流微電網的優點。

船舶微網系統主要由風力發電單元、太陽能光伏發電單元、應急柴油發電機、交直流負載和連接在交直流母線之間的變換器等構成。其中，風力發電單元、應急柴油發電機和弱電電網，應急電網和小應急電網的部分交流負載（包括舵機、消防泵等特別重要輔機，應急照明、主機操作臺、主配電板前后、鍋爐儀表、應急出入口、艇甲板等處的最低限度照明負荷等）連接在交流母線上，光伏發電單元和各種儲能裝置、直流負載（各種信號燈、通訊助航設備等）連接在直流母線側的儲能變流器上，交直流母線之間通過雙向逆變器連接。在這種連接模式下，由風電單元發出的電能輸送給交流母線，為交流負載供電，也可以經過雙向變換器整流到直流側儲能，在并網的情況下若有多余的能量還可以送回給電網；光伏發電單元發出的電能輸送到直流母線，給蓄電池充電，也可以經過雙向變換器逆變到交流側，為交流負載供電或送入大電網；當風力發電單元和光伏發電單元發出的電能同時不能滿足整個系統負載的需要，并且系統沒有辦法并網運行的情況下，快速啟動應急柴油發電機為最重要的關鍵性負載供電，支持交流母線電壓。儲能裝置通過雙向DC/DC變換裝置與直流母線相連，實現蓄電池等儲能裝置的充放電控制；光伏發電單元一般通過最大功率跟蹤和DC/DC變換后與直流母線相連，將發出的電能送給直流母線；風電單元則通過AC/DC/AC變換裝置并到交流母線上，通過電流型并網控制(一般采用PQ控制策略)，輸出與交流母線電壓同頻同相的并網電流。由于交直流混合母線這種特殊的網絡結構和各個發電單元、變換裝置的連接與控制方式，使得并聯在交直流母線之間的雙向變換器對整個系統的穩定運行和功率的協調分配與控制有著至關重要的作用。當微電網孤島運行時，并聯接在交流母線與直流母線之間的變換器既要靠直流側儲能裝置的能量來支撐交流母線的電壓和頻率，又要實現交直流母線之間能量的雙向流動，平衡交流母線功率，合理分配各個發電單元發出的電能。

船舶微電網的接入給船舶電力系統帶來了較高的靈活性，但是也增加了運行和控制的復雜性。顯然，船舶微電網雖然也是一個由負荷和微電源共同組成的系統，然而由于其工作狀態需要與船舶電力系統特性和船舶工況相配合，其運行和控制等方面必將與陸地微電網存在較大的差異，需要進行專門的獨立研究進行解決。

圖5 含船舶微電網的船舶電力系統圖

3 船舶微電網的運行方式

作為一個自保持系統，船舶微電網有孤島運行和并網運行兩種模式，不同點在于船舶微電網的并網模式不宜采用并網不上網的方式，只宜采用并網且上網的方式進行。在該方式中負荷需求的不足部分從船舶主電網中獲取，當新能源發電量能完全滿足服務區域內的負荷需求時，富余時可以通過公共耦合點向船舶主電網反送電。這種模式由于會影響整個船舶電力系統的潮流分步、電壓分布情況，對整體的保護和電壓調節也會產生較大的影響。因此需要進行嚴格的聯絡線控制，采用并網且上網方式的主要原因是，船舶微電網的運行模式與船舶自身的工況狀態聯系緊密。民用船舶運行工況一般可分為：航行工況、進出港工況、停泊工況（停泊港口和停泊外海）、裝卸貨作業工況及應急狀態等。不同的工況下，船舶負荷量差異極大，船舶工況又時常改變。為了最大程度地發揮出海上新能源的效能，往往對這些不可控的新能源發電裝置采取最大功率跟蹤輸出的控制方式。因而，船舶電網內部功率平衡無法通過海上新能源發電裝置來協調，而微電網中的蓄電池主要起到動態電壓支撐的調峰平滑作用，容量是有限的，所以最好的方式是在正常情況下將多余的能量輸送到主電網中使用，從而降低船舶主電站中發電機組對石化能源的消耗。

在一定程度上，船舶微電網的孤島運行狀態與應急電網存在這相似之處，因為他們都能夠是供電保持相對獨立性。與陸地微電網不同，船舶微電網進入孤島運行狀態的條件不僅在于主電網故障或是其電能質量不能滿足關鍵負荷的要求，在主電網失電、特殊應急和停泊時也可以根據實際需要進入孤島運行。例如當船舶停泊于海上時，此時電網中只有生活與通信保障等小功率的負荷。傳統的做法是只保留一臺主發電機為其供電。對具備船舶微電網的大型遠洋船舶而言，由于這些重要關鍵性負荷構建在船舶微電網區內，且負荷動態需求較穩定，因此完全可以徹底關閉船舶主電站，并斷開PCC連接，進入孤島運行，將發電和負荷在船舶微網內保持平衡，此時不需要與船舶主電網進行配合，從技術實施和管理上都會相對簡單。

4 船舶微電網的關鍵技術

船舶微電網的關鍵技術除了陸地微電網中所涉及的若干技術[13]外，還需要加強以下技術的研究：

4.1 船舶微電網與船舶主網的對接技術

從前面的分析中可知，船舶微電網進入孤島運行的頻率次數會遠遠大于陸地微電網孤島情形，所以，船舶微電網與船舶主網的連接技術就顯得特別重要，對可靠性的要求會比陸地微電網更高。由于船舶電力系統（包括未來的綜合電力系統）是一個獨立的小型智能電網，因此船舶微電網連入船舶主電網可在一定程度上等效為兩套不同特性的獨立電力系統的互聯，當船舶微電網連入中低壓船舶主網時，船舶電網整體的穩定運行問題就幾乎完全由船舶微電網的存在而提出。由于陸地配電網與船舶主電網在結構和運行參數等方面存在的巨大差異，穩定性等方面的分析方法會截然不同，因此，類似陸地微電網IEEE154并網標準并不適用于船舶微電網，必須根據船舶電力系統的特性制定船舶微電網的并網標準。

4.2 船舶微電網的控制和保護

由于船舶條件的限制，一艘船只會設一個微電網系統。船舶微電網的控制與保護方式可采取與陸地微電網相似的思路，即并網下P/Q控制，孤島時調速差Droop控制和U/f控制。但必須注意的是，由于船舶主電網是非無窮大系統，即使在與船舶微電網并聯運行時，主電網是否能夠總是承擔起包括船舶微電網在內的整個船舶電網負荷、頻率波動和電壓干擾，值得深入研究。事實上，如果將船舶主電站和主控型DG一起作為對船舶微電網的局部電壓支撐，也許更合適。這需要能夠涵蓋全船電力信息的綜合控制管理系統，利用高速局域網絡技術和有限廣域信息技術是能夠做到的。

船舶微電網并網條件下發生故障時，無論微電網區內還是區外，都應該優先斷開PCC連接，進入孤島運行狀態；微電網孤島情形下的故障由于故障電流較小，因此傳統的電流保護裝置是不能做出正常的相應，采用對稱電流分量的故障診斷的方式是一個較好的方法，與傳統的過電流保護相結合，可取得良好的效果。

4.3 船舶微電網的電力集成技術

作為移動式獨立電力系統，船舶電網不僅要求能夠提供高品質的供電質量，還對供電系統的體積和重量嚴格的限制。在船舶微電網加入后，如果直接采用陸地微電網中分立式的發配電、電能變換和控制等設備，則不能克服性能單一、體積重量大、可靠性低等缺點，必須想辦法將不同類型的電氣設備集成為一體，使得整個設備集成化、模塊化。在這方面需要分別完成設備級和系統級兩個層面上的集成。這將涉及到電氣工程、電子科學與技術、信息與通信工程、控制科學與工程、計算機科學與技術、材料科學與工程、機械工程、動力工程及工程熱物理等學科交叉融合，大大拓展船舶電氣工程的研究領域。

4.4 含船舶微電網的船舶電力系統電磁兼容技術

可再生海上新能源分布式發電設備在船舶上的安裝將需要大量的電力電子裝置，產生大量的電磁干擾，而船舶電力設備非常密集，系統內的電磁兼容問題十分突出，直接關系到系統和用電設備的可靠安全運行，需要展開的研究工作有：船舶微電網直流配電系統的電磁兼容研究、艦船微電網交流系統電磁兼容研究、含船舶微電網的整個船舶電力系統電磁兼容研究、帶電力集成化模塊的海上新能源發電裝置電磁兼容研究。

4.5 船舶微電網設備的適裝性

目前微電網設備以陸地條件研發和制造的，沒有考慮到船舶存在的各種環境條件及其對設備要求的研究。船舶上存在的氣候環境條件、生物環境條件、機械環境等都會影響設備結構完整性和功能特性，因此，選用適用海洋和船舶環境的輕型高性能材料和先進的散熱冷卻技術,，促進船用新能源發電設備系列化、組合化發展，適應船舶裝備的輕型化、小型化要求。

5 船舶微電網的意義和優勢

1）船舶微電網使得在大型遠洋船舶平臺上規模化經濟性地利用海上可再生新能源成為了可能，為實現海運業的節能減排，打造綠色船舶提供了強大的技術平臺。

2）船舶航行遠離陸地，全部電能依靠自給，船舶微電網能夠大大地提高了船舶的海上自持力，并簡化港口的岸電設施的建設，這對于遠航途中停靠海面或者遠離陸地的孤懸小島具有現實意義。

3）船舶微電網將進一步推動我國船舶事業的發展。21世紀船舶動力發展的方向是采用電推技術的船舶綜合電力系統，如果能夠將船舶微電網技術與綜合電力系統相結合，將推動船舶動力新技術的概念體系更新，對未來建設智能船舶電力系統[14]，打造智能運輸船隊具有深遠的意義。

4）陸地微電網有政策等方面的限制，想真正連入大電網，實現并網且上網的雙向潮流方式運行和用戶電能定制仍然很困難。而船舶電力系統的建造和運行自為主體，不存在這樣的政策性限制，且每一艘新船的建造完全可以運用最新的電力技術。因此如果船舶微電網技術能夠發展成熟，盡管起步較陸地微電網晚，但也有可能在其之前實現目標。

6 結論

船舶微電網是陸地微電網概念的“船舶版”，目的是為了解決海上新能源在船舶平臺上的規模化應用問題。本文根據未來綠色船舶發展的需要，提出“船舶微電網”概念，并對其主要思想、結構和運行特性等進行了描述。此概念具有創新性，并非陸地微電網概念的簡單移植，而是對相關知識體系的遷移創新和發展。船舶微電網的理論與實踐研究，國內外究尚未見相關報道。

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Construction of Ship’s Micro-grid

Liu Hanyu, Mu Longhua

(School of Electronics and Information Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China;)

TM711

A

1003-4862（2014）02-0074-07

2013-03-13

上海市教育委員會科研創新項目(11CXY12)，中央高校基本科研業務費專項資金資助(0800219170)，國家火炬計劃項目(2008GH040894)

劉漢宇 (1982-)，男，博士研究生。研究方向：電力系統保護與分布式發電。