大型滾裝船船電-光伏并網系統構建及電能質量分析

袁成清， 張 彥， 孫玉偉， 湯旭晶， 嚴新平

(1.武漢理工大學 能源與動力工程學院， 武漢 430063； 2.武漢理工大學 船舶動力工程技術交通行業重點實驗室， 武漢 430063)

大型滾裝船船電-光伏并網系統構建及電能質量分析

袁成清1,2， 張 彥1,2， 孫玉偉1,2， 湯旭晶1,2， 嚴新平1,2

(1.武漢理工大學 能源與動力工程學院， 武漢 430063； 2.武漢理工大學 船舶動力工程技術交通行業重點實驗室， 武漢 430063)

隨著綠色船舶和新型船體設計概念不斷被推廣，將光伏系統與船舶電力系統進行并網運行成為未來船舶發展的方向。為了給大型遠洋船舶光伏并網發電系統的設計和應用提供依據，以適宜搭建光伏陣列的大型滾裝船為研究對象，構建一種船電-光伏并網系統，對該系統的構建流程和系統結構進行詳細闡述,并根據大型滾裝船船電-光伏并網系統的特點，對電能質量問題及影響因素進行分析。研究成果可為大型遠洋船舶光伏并網發電系統的設計和應用提供參考依據。

船舶工程;大型滾裝船舶；光伏系統；并網；電能質量

在全球化石能源供給狀況日趨緊張、國際海事組織環保要求日漸嚴格、進一步做好船舶節能減排已迫在眉睫的大環境下，太陽能光伏發電在船舶上的應用引起了船舶科研人員的高度重視。從小型游船到大型遠洋運輸船，太陽能光伏系統的應用有著廣泛而深遠的意義。[1]隨著綠色船舶和新型船體設計概念不斷被推廣，面向遠洋的大型太陽能船舶中光伏能源的比重將顯著提高。

太陽能光伏發電系統一般根據使用模式可分為離網、并網和混合3種方式，目前在水路運輸業(船舶)中已有實船應用案例，例如瑞士太陽能船“太陽21”號、日本滾裝船“御夫座領袖(Auriga Leader)”號、世界最大的全太陽能動力船“Turanor Planet Solar”號、五體汽車渡船“E/S Orcelle”號、美國雙體輪渡客船“Hornblower Hybrid”號以及國內的“Sun Cat 23”號游艇、“001”號太陽能旅游船、“尚德國盛”號太陽能動力游船等。不過，這些船舶在應用太陽能光伏發電時基本上都運用離網模式，而基于技術可靠性的觀點，將光伏系統與船舶常規電站進行并網運行才是提高整體能源利用效率的有效途徑。目前，國內外對于該類并網模式的研究僅處于試驗階段。

光伏系統很容易受光照、溫度等外界環境的影響，當外界環境發生較大改變時，其電能輸出會出現間歇性和隨機性。此外，與陸用電網相比，船舶電網是一個獨立的小容量電網，沖擊性和波動性負載較多，在運行過程中會產生大量的諧波[2]，光伏系統并入船舶電網將會對電網的電能質量產生諸多影響。因此，構建大型遠洋船舶光伏并網系統并分析其電能質量問題，對光伏發電技術在船舶上的實際運用而言具有重要意義。

1 大型滾裝船船電-光伏并網系統的構建

1.1大型滾裝船搭建光伏陣列的可行性

不同類型船舶在結構、功能和適用航線上存在著差異，因此，在大型遠洋船舶上開發利用新能源技術不是隨意選定一種船舶作為搭載平臺就適宜的，必須選定目標船型并加以評估分析。設計安裝大功率的太陽能光伏系統時，必須先考慮大面積光伏陣列的布置問題。大型滾裝船的主甲板、附屬甲板上機械設備較少，擁有較大的可利用空間，同時其基本不存在易燃易爆性物質，安全防護等級較低，因此適宜搭建光伏陣列。[3]

1.2大型滾裝船搭建光伏陣列的利弊

太陽能屬于清潔可再生能源，在大型滾裝船上搭建光伏陣列可以有效降低化石能源的使用，從而能夠做到在節能減排、保護環境的基礎上降低船舶的運行費用。但是，將太陽能光伏發電系統與船舶常規電站并網也會帶來一些新的問題，最主要的是在常規電站設計容量和船舶電網可靠性兩方面。由于太陽能光伏發電系統發電量的隨機性與間歇性，從裝有船電-光伏并網系統的大型滾裝船常規電站的設計容量來說，應急發電機組的容量一般不降低，而主發電機組可以降低光伏系統額定功率乘以一個可靠性系數的值。額定功率乘以一個可靠性系數，以避免主發電機組運行在不經濟區域。此外，太陽能光伏發電系統可能給船舶電網帶來的諧波潮流等電能質量問題會嚴重影響系統的可靠性。

1.3大型滾裝船船電-光伏并網系統的構建流程

在大型滾裝船上搭建船電-光伏并網系統，其設計思想及流程與陸上并網光伏系統有所區別[4]，這主要是由于船舶為一個移動且完全獨立的電力系統平臺，在初始設計時必須對可能遇到的問題作出完整的分析，總結出一套構建流程(見圖1)。

圖1 大型滾裝船船電-光伏并網系統構建流程

1.4大型滾裝船船電-光伏并網系統的構建方案

基于大型滾裝船電力系統的固有特點，在充分考慮能源效率、電能質量和電磁兼容等諸多因素[3,5-6]的基礎上，對船用負載進行準確的評估，優化光伏發電系統在船舶電網中所占的比例，構建適宜的大型滾裝船船電-光伏并網系統。系統結構圖見2，并網圖見圖3。

圖2 大型滾裝船船電-光伏并網系統結構圖

2 大型滾裝船船電-光伏并網系統的關鍵技術

2.1光伏陣列的可靠性

大型滾裝船航行的海洋環境中含有大量鹽分、水氣及酸堿性物質，同時航行中會受到縱傾、橫搖、振動、沖擊等，為保證光伏陣列的光學可靠性及工作可靠性，需對太陽能電池板的玻璃蓋片進行涂層處理[7]，并對光伏支架進行防腐處理。此外，光伏陣列布置到大型滾裝船上時，需依據美觀性、太陽輻射量、電纜長度及實際布置區域情況進行優化設計[8]。

圖3 大型滾裝船舶船電-光伏并網系統并網圖

2.2并網逆變器的控制策略

所構建的大型滾裝船船電-光伏并網系統采用兩級式，前后分為DC/DC 和DC/AC 2個環節。在DC/DC環節中，將檢測到的太陽能電池輸出電壓信號和輸出電流信號輸送到控制器中，通過DC/DC變換器調整太陽能電池陣列的輸出電壓，以達到最大功率點跟蹤的目的。DC/AC并網逆變器將太陽能電池輸出的直流電變換成交流電。[9]兩級式容易實現直流側電壓升高以及逆變器輸入穩定，有利于提高系統逆變器的轉換效率，適合在滾裝船上使用。

第一級DC/DC環節，DC/DC變換器和最大功率跟蹤算法一起接入到控制系統中，實現整個并網光伏系統的最大功率點跟蹤。為保證能夠穩定地進行最大功率點跟蹤，DC/DC變換器選擇Boost變換電路，最大功率點跟蹤算法采用電導增量法。

第二級DC/AC環節，并網逆變器將直流電轉化為與電網同頻、同相位的交流電后并入船舶電網。并網逆變器選擇全橋逆變電路，輸出電流控制采用電流滯環比較的方式，實時、精確地跟蹤船舶電網電壓，使逆變器輸出的電流與發電機輸出的電網側的電壓同頻、同相位，實現與船舶電網的鎖相功能，做到以單位功率因數并網。同時，采集直流側的電壓、電流，逆變部分輸出的電壓、電流以及發電機輸出側電網的電壓、電流，通過軟件保護模塊實現對系統的過/欠壓、過/欠流、過/欠頻及孤島保護等的保護功能。控制結構見圖4。

圖4 大型滾裝船船電-光伏并網系統控制策略

3 大型滾裝船船電-光伏并網系統的電能質量特點

3.1大型滾裝船船電-光伏并網系統的電能質量基本概念

大型滾裝船船電-光伏并網系統的電能質量描述的是光伏系統向船舶電網發送的交流電能的品質。對于并網光伏系統而言，保證電能質量是其正常運行的關鍵。大型滾裝船船電-光伏并網系統的電能質量應受控制，在電壓偏差、頻率、諧波和功率因數方面應滿足實用要求并符合標準[10]。

目前針對船舶電網的并網光伏系統，船舶行業還未明確制定相關標準，參照《光伏系統并網技術要求》[11]的相關內容，列舉大型滾裝船船電-光伏并網系統的主要電能質量參數，包括并網電壓、電流、頻率、諧波、逆變器的效率、功率因數等(見表1)。

表1 并網運行時對電能質量的要求

3.2大型滾裝船船電-光伏并網系統的電能質量影響因素

大型滾裝船船電-光伏并網系統的電能質量影響因素主要包括系統外部環境以及系統內部結構兩部分。

大型滾裝船船電-光伏并網系統與陸用并網光伏系統相比,其外部環境有很大的不同，對電能質量的影響更為復雜，海洋環境與船舶電網的特殊性是最主要的2個方面。

1) 海洋環境極為復雜，除了溫差大、濕度高、光照不穩定以外，還含有大量的鹽分、水氣及酸堿性物質, 這些都將使得光伏陣列電力輸出出現間歇性和隨機性，從而會影響整個系統的輸出，導致并入電網的電壓發生波動。[7]

2) 船舶電網不同于陸地配電網，其是一個孤立的小容量電網，由設有2～4臺同容量、同型號的發電機組的船舶電站向其供電，整個電網輸電距離短、線路阻抗低、各處短路電流大，故而整個電網的電能質量具有以下幾個特點[6]：

(1) 船舶電站發電機的轉速和電壓的變化會直接影響電網的頻率和電壓；

(2) 在整個電網運行過程中，功率因數較低；

(3) 負載的投入和切除會影響電網的頻率和電壓，特別是突加和突卸負載時會引起電網頻率和電壓產生較大的波動；

(4) 使用大功率負載，合閘會帶動多臺發電機并聯運行，產生的次瞬態電抗對諧波的影響較大。

大型滾裝船船電-光伏并網系統內部結構對電能質量的影響要比外部環境的影響大得多，構建的并網光伏系統合理,可以有效降低外部環境對電能質量的不利影響。基于對大型滾裝船船電-光伏并網系統的構建模式，列舉系統內部結構對電能質量的影響因素(見表2)。

表2大型滾裝船船電-光伏并網系統內部結構對電能質量的影響因素

類別影響因素主要影響因素最大功率點跟蹤算法升壓電路并網逆變器電路參數取值并網逆變控制環節次要影響因素直流側電壓取值電網電壓幅值與頻率孤島效應檢測的算法

4 大型滾裝船船電-光伏并網系統的電能質量影響因素分析

4.1Boost變換電路對電能質量的影響

Boost變換電路中，電感和電容的取值會在一定程度上影響光伏陣列輸出電壓啟動過程的調節時間、峰值及穩態并網電能的質量。電感主要影響DC/DC環節的輸出電壓，隨著取值減小，輸出電壓由非振蕩啟動轉為振蕩啟動，振蕩時間減小,增加了電壓跟隨設定值的速度、達到穩態的時間，振蕩峰值也隨電感的減小而增大。電容主要影響啟動過程的振蕩時間和穩態電壓波動幅度，取值越大，輸出電壓的波動就越小，有利于DC/AC環節的直流母線電壓穩定，但會使啟動時的振蕩過程變久而降低跟隨速度。

4.2電導增量法對電能質量的影響

電導增量法是根據功率極值點的倒數為0來跟蹤最大功率點，原理上不存在控制誤差，也不會受輸出功率非單調性變化的影響。相比恒電壓法和擾動觀察法，電導增量法在跟蹤到最大功率點后，輸出電壓和功率不存在持續擾動，具有較高的穩定性[13]，適宜于大型滾裝船船電-光伏并網系統。然而，該方法在實際決定最大功率點時還存在一定的誤差，同時其控制相對復雜，對系統性能要求較高，若不采用高速處理器體現不出其優勢。

4.3并網逆變器電路參數取值對電能質量的影響

并網逆變器電路參數主要有直流側電壓、電容以及濾波電感等。直流側電壓波動會直接增加并網諧波的含量，一般所帶負荷越大，直流側電壓也就越大。若直流側電容的取值太小，會增大電壓波動，降低并網電流跟蹤效果；若過大，又會降低動態響應速度，增加電容造價和物理體積，進而在滾裝船有限的空間里產生較大的影響。濾波電感影響著并網光伏系統的動態響應性能，同時制約著輸出功率因數和直流電壓穩定性，為降低低頻輸出阻抗，取值應盡量小，但要避免增大電路諧波電流。[9]

4.4電流滯環比較對電能質量的影響

電流滯環比較法中滯環寬度與開關頻率是影響電能質量的2個主要方面。滯環寬度太大會降低并網電流的跟蹤精度，使電流THD值增大；寬度太小又會使開關頻率過高。而開關頻率的波動性過大會造成并網電流頻譜較寬，增加并網電流諧波。[11]

4.5改善電能質量的建議

對于改善電能質量,可以通過有源濾波器以及無功功率補償裝置進行，也可以充分發揮并網逆變器在結構及功能上的潛在優勢，將濾波及無功補償功能直接融入其中，通過有源濾波器，實現有功并網諧波抑制及無功補償多功能復用。

此外，針對電能質量的影響因素，可逐一采取改進措施，減小影響程度。例如，優化MPPT算法的控制方法和相應參數；升壓電路的電感、電容選擇最優值；選擇與改進并網控制算法滯環比較控制、三角波比較控制或無差拍控制等。

5 結 語

隨著綠色船舶和新型船體設計概念被不斷推廣，面向遠洋的大型太陽能船舶中光伏能源的比重逐步提高，把光伏系統與船舶電力系統并網運行將是提高整體能源利用效率的有效途徑。以適宜搭建光伏陣列的大型滾裝船作為研究對象，構建了一種船電-光伏并網系統，對該系統的構建流程和系統結構進行了詳細闡述，并根據大型滾裝船船電-光伏并網系統的特點，對電能質量問題及影響因素進行了初步分析。研究成果可為大型遠洋船光伏并網發電系統的設計與應用提供一定的參考依據。

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DesignofGrid-ConnectedPVSystemforLargeRo-RoShipsanditsPowerQualityAnalysis

YUANChengqing1,2,ZHANGYan1,2,SUNYuwei1,2,TANGXujing1,2,YANXinping1,2

(1. School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China; 2. Key Laboratory of Marine Power Engineering amp; Technology (Ministry of Transport), Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

Following the development of the green ships concept and new technologies, the use of marine grid-connected photovoltaic system represents the direction in future large ocean-going ships. The design of a photovoltaic grid-connected system for large ro-ro ships is presented, which has appropriate room for installing solar panels. The design process and structure of the system are described in detail and the power quality problems and the influencing factors are analyzed. The knowledge gained in this study is instructive to the practical application of photovoltaic grid-connected system in large ro-ro ship.

ship engineering; large ro-ro ship; photovoltaic system; grid-connected; power quality

2014-04-02

工信部高技術船舶專項(工信部聯裝[2012]540號);湖北省自然科學基金杰出青年基金項目(2010CDA085)

袁成清(1976—)，男，湖北巴東人，教授，博士生導師，主要從事船舶動力系統可靠性與綠色技術等方面的研究。

E-mail: ycq@whut.edu.cn

1000-4653(2014)03-0021-04

U665.1

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