離/并網一體光伏系統在5 000 PCTC遠洋汽車滾裝船上的應用

孫玉偉， 嚴新平， 袁成清， 湯旭晶， 邱爰超， 郭 暢

(武漢理工大學 a.能源與動力工程學院； b.國家水運安全工程技術研究中心；c.交通運輸部船舶動力工程技術交通行業重點實驗室，武漢 430063)

2017-04-18

工業和信息化部高技術船舶科研項目(工信部聯裝[2012]540號)

孫玉偉(1985—)，男，湖北十堰人，講師，博士，主要研究方向為船舶電力系統及自動化控制、綠色船舶應用技術。

E-mail：ywsun@whut.edu.cn

1000-4653(2017)03-0025-05

離/并網一體光伏系統在5000PCTC遠洋汽車滾裝船上的應用

孫玉偉a,b,c， 嚴新平a,b,c， 袁成清a,b,c， 湯旭晶a,b,c， 邱爰超a， 郭 暢a

(武漢理工大學 a.能源與動力工程學院； b.國家水運安全工程技術研究中心；c.交通運輸部船舶動力工程技術交通行業重點實驗室，武漢 430063)

對比離網型太陽能光伏系統與并網型太陽能光伏系統在船舶電力系統中集成應用上存在的技術差異，以5 000 PCTC汽車滾裝船為應用對象，設計一套采用大容量鋰電池儲能的離/并網一體化船基太陽能光伏系統。實船測試結果表明：該系統能實現在不同模式之間穩定切換運行，離/并網運行條件下測定的逆變器交流端輸出電能的質量滿足船級社相關規范的要求。

船舶；船舶電力系統；光伏系統；離網；并網

隨著能源消耗問題和氣體排放問題日益嚴重，國際法規帶來的壓力日益增大，世界各航運大國開始不斷探索利用風能、太陽能、核能、生物質能和燃料電池等新能源技術開發新型節能環保的“綠色船舶”。[1-4]太陽能船舶(或稱應用太陽能光伏技術的船舶)以在船舶電力系統中集成零污染、零排放的太陽能光伏系統為基本技術方案，在降低常規柴油同步發電機組設計功率的同時，通過在航行過程中最大程度地利用光伏電能，實現船舶燃油消耗量和溫室氣體排放量的顯著下降。當前，太陽能船舶已發展成為最具節能減排潛力的綠色船舶之一。

這里首先對比分析離網型光伏系統和并網型光伏系統在船舶電力系統中集成應用的特點及關鍵環節；其次以5 000 PCTC遠洋汽車滾裝船為改造對象，設計一套采用大容量鋰電池儲能的離/并網一體化船基太陽能光伏系統，結合實船改造工程，詳述該系統的4種設定運行模式；最后通過岸基和船基光伏系統離/并網切換運行測試，驗證該系統的功能是否達到設計要求，各項運行參數是否滿足船級社電能質量標準的要求。

1 離網和并網型光伏系統分析

太陽能光伏系統作為一種基于電力電子技術的逆變電源，其有功-頻率變化特性、無功-電壓調節特性、頻率響應特性、功角穩定特性及故障響應特性等電能質量特征與逆變控制程序直接相關。[5-6]相對于擁有“大慣性”特性的常規同步發電機組，光伏系統可被視為一個“零慣性”的“脆性源”。[7-9]根據光伏系統容量與全船總負荷需求量之間的比例關系，太陽能船舶可分為太陽能光伏輔助供電型船舶和太陽能電力推進型船舶2種；根據所適用船舶電力系統電制的不同，船基光伏系統有直流系統和交流系統2種集成方案；根據船舶負荷功率的需求和運行工況的差異，可進一步將光伏系統設計方案細化為離網型、并網型和離并網混合型等3種。[10]

離網型光伏系統在單獨帶載運行時與船舶電網之間不存在直接的電能交匯，船舶電力系統的暫態穩定性主要取決于在網同步發電機組的電力輸出特性，因此對整個電網的安全性和可靠性影響較小。考慮到所接負載的日均能耗總量和盡可能地降低光伏電-船電切換頻率，通常需設置容量數倍于光伏組件總容量的儲能裝置，以實現靜態的電能供需平衡。此外，離網逆變器的輸出功率受所接負載總功率的牽制，如所接負載長期在低功率水平運行會造成已發出光伏電能的浪費。

并網型光伏系統僅需設置與光伏組件容量相同的儲能裝置即可實現動態的電能供需平衡，并網逆變器輸出的電能并入船舶主電網，由綜合電力管理系統在全船范圍內統一調度，因此具有較高的能源利用效率。[11]與同步發電機組并聯運行過程相比，并網型光伏系統運行具有以下顯著特點：

1)直流側電氣量與交流側電氣量的控制關系顯著，因而不存在機組間小幅電壓差、頻率差及相位差產生的“環流”將待并機組拉入同步的情況。

2)并網逆變器對電網電壓不具有支撐作用，不能抵御電網上的大擾動沖擊。

3)為避免交流端電力輸出功率波動造成頻繁調節同步發電機組出力大小的問題，帶有儲能系統的并網型光伏系統通常以設定的功率因數恒功率輸出，船舶工況波動全部由同步發電機組平衡。

4)在船舶電網某電能質量參數(電壓、頻率、諧波和逆功率等)的瞬時波幅超出并網逆變器設定值之后，光伏系統陡停,進一步加劇整個電力系統的振蕩。該過程相當于降低了暫態過程中系統的穩定裕度,在極端情況下極易導致同步發電機失去同步、機組解列和電網失電。

隨著太陽能船舶不斷發展，應用于各型船舶平臺上的太陽能光伏系統的容量得到不斷提升，其系統集成方案設計呈現出由離網型向并網型和混合型轉變的趨勢。[12]

2 實船離/并網一體光伏系統

以2012年投入營運的5 000 PCTC汽車滾裝船“中遠騰飛”輪為應用對象，采用離網模式與并網模式一體化集成設計的基本思想，設計一套采用大容量鋰電池儲能裝置的船基光伏系統。該系統的拓撲結構設計、運行模式設定和實船安裝如下。

2.1拓撲結構設計

作為在營船舶光伏系統改造項目，綜合評估船舶規范、船舶結構安全和離網負載功率等因素設定光伏系統的裝機容量、拓撲結構及運行模式。中國船級社在《太陽能光伏系統在船舶上使用的技術要求(2013)》中采用靜態頻率調節特性計算方法反推出電網頻率降低幅度不超過限制值條件下的光伏發電裝機容量與在網發電機組容量的比例系數，即光伏滲透率應≤23.1%；實測“中遠騰飛”輪在不進行甲板改造的情況下無遮蔽面積約為900 m2，允許光伏系統設計容量在150 kWp左右(光伏滲透率為12.5%～16.2%)，以日均5 h等效照射時間計算，忽略直流電纜損耗、蓄電池充放電損耗、交流配電電纜損耗等因素，日均輸出電能約為750 kW·h。在離網運行模式下基本可保證總功率約為30 kW的負載24 h不間斷供電；在并網模式下僅考慮光伏系統輸出交流電的電制與船舶電網電制相同即可。

根據上述數據，設計離/并網一體光伏系統。圖1為該系統結構圖，主要由太陽能電池陣列、光伏控制器、鋰離子蓄電池組、電池管理系統(Battery Management System，BMS)、離/并網一體逆變器和交流配電柜等主要組成設備。各組成設備的主要功能有:

1)太陽能電池陣列將太陽輻照能轉換為直流電并輸出。

2)帶有最大功率跟蹤控制和限壓限流功能的太陽能光伏控制器對光伏陣列的實時輸出電壓及電流進行控制，以使太陽輻照能的應用最大化，其輸出端與BMS和離/并網一體逆變器的輸入端為同電位共直流端。

3)具有過充過放互鎖保護功能的BMS通過實時檢測蓄電池的端電壓和光伏控制器的輸出電壓，動態改變蓄電池組的充放電狀態，實現光伏電能在直流端和交流段的動態平衡。

圖1 5 000 PCTC離/并網一體光伏系統結構圖

4)離/并網一體逆變器將直流電逆變為450 V/60 Hz的三相交流電，通過切換主控電路板中DSP的逆變控制程序，由同一套絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)逆變橋完成離網模式和并網模式輸電切換功能，具有極性反接、短路、孤島、過熱及過載保護等功能。

5)通過改變交流配電柜上的離網-并網運行手動機械互鎖開關，在離網模式下降壓至230 V/60 Hz向4L～9L分電箱供電，在并網模式下直接向船舶主配電屏供電。

2.2運行模式設定

根據航線上的太陽能輻照強度、負載功率需求、經濟性和安全性要求，該光伏系統能在4種設定模式之間切換運行。

1)離網運行模式。逆變器離網運行輸出功率隨負載的改變而改變，所需電能由光伏電池和蓄電池共同分擔。光伏控制器輸出功率與逆變器輸出功率之間的波動差由BMS改變蓄電池的充放電狀態來平衡。逆變器輸出的三相交流電經交流配電柜內的變壓器降壓后直接向照明負載供電(三相負載需平衡)。

2)并網運行模式。逆變器并網運行的輸出功率恒定，光伏電池經控制器輸出功率的波動由蓄電池BMS進行動態平衡。逆變器輸出的三相交流電并入船舶主配電屏，并設置一套防逆流裝置以避免能量倒灌。

3)光伏出力不足時的船電供電模式。當光伏系統電力長期出力不足，且蓄電池剩余容量不足以支撐負載功耗時，切換至船電旁路供電，船電經光伏系統的交流配電柜向照明負載供電。當太陽輻照強度持續升高，光伏系統向蓄電池充電至其恢復放電電壓節點時，自動切回離網/并網供電模式。

4)光伏系統停機維修時的船電供電模式。光伏系統停機維修時，斷開光伏逆變器與主配電屏之間的開關以完全切離光伏系統，經交流配電柜上的船電-光伏電手動互鎖開關切換至由船舶主變壓器向照明負載供電。

2.3實船安裝

以系統建模仿真、技術分析和安全性評估工作積累的經驗及數據為基礎，研發完成5 000 PCTC“中遠騰飛”輪離/并網一體光伏系統設備并先后通過出廠檢驗和岸基聯調測試2個環節。實船改造工程于2016年3月完成，太陽能電池陣列、電氣設備間和蓄電池間的安裝結構布局及相應設備見圖2。

太陽能電池的單塊峰值功率為265 W，采用18串30并連接，輸出電壓設定為384 V DC；光伏控制器內設有3個DC/DC模塊，每個模塊連接10組并聯光伏陣列完成MPPT和限壓限流控制，設定輸入電壓的范圍為350～780 V DC，最大輸入電流為150 A；磷酸鐵鋰蓄電池單體電池額定電壓為 3.2 V，額定容量為100 A·h，采用120串17并連接，總容量734.4 kW·h；BMS采用1主3從控制單元對17組并聯的蓄電池進行分組管理,以實現充放電狀態為的無縫切換；離/并網一體逆變器采用正弦脈寬調制(Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM)技術，在離/并網模式下均為純凈正弦波輸出，功率因數≈1。為保證系統安全、可靠地運行，在系統硬件設備平臺的基礎上集成一套具有環境參數采集、電力系統設備狀態參數監測與顯示、發電量統計、故障報警和節能減排效能估算等功能的太陽能電力管理系統。

圖2 電池陣列、電氣設備間和蓄電池間實船布置圖

3 實船光伏系統運行試驗

3.1離網模式

離網模式運行測試采用定負載和變負載工況交叉進行的方式，著重測定系統在陡增負載和陡降負載情況下的穩定性。圖3～圖6為重復對比試驗中的一組運行數據，設定測試條件為：

1)空載至滿負荷150 kW運行階段，各階段定負荷測試時間為5 min，逐級增加三相負荷15 kW。

圖3 離網-逆變器AB線電壓

圖4 離網-逆變器A相電流

圖5 離網-逆變器輸出頻率

圖6 離網-三相電壓&相角差

2)滿負荷降至空載運行階段，各階段定負荷測試時間為5 min，逐級卸載負荷30 kW。

結果表明：線電壓均穩定在440.0 V AC(手動降低負載功率的速度較快，存在線電壓瞬時波動問題，但幅度<±9%)，頻率穩定在60 Hz(波幅<±0.01 Hz)，THD值穩定在2.5%以下，相角差穩定。

3.2并網模式

并網模式運行測試在船舶停靠碼頭裝卸貨工況下進行，重復對比試驗項目包括：定負荷和變負荷工況下的穩定性、系統陡增和陡降并網輸出功率及陡停對電網電能質量的沖擊，結果見圖7～圖11。

圖7 并網-逆變器A相電壓

圖8 并網-逆變器A相電流

圖9 并網-三相有功功率、三相無功功率和功率因數

圖10 并網-逆變器輸出頻率

圖11 并網-逆變器A相電壓THD

結果表明：逆變器自啟動運行至停機輸出的相電壓和線電壓能始終保持在260 V AC及450 V AC，頻率穩定在59.999 Hz左右(在重復對比試驗中采用Fluke435II型電能質量分析儀先后測定頻率和功率參數，因此標定時間有差異)THD值穩定在2.4%以下(船級社規范要求<5%)；逆變器功率因數隨著設定并網輸出功率的變化而變化，在額定輸出功率150 kW下達到1；自啟動并網運行瞬時至達到額定輸出功率的過程中，輸出功率的增長率為1 kW/s；自停機至額定輸出功率降為零的過程中，輸出功率變化率為5 kW/s；在并網運行和停機過程中，光伏系統對船舶主電網的電能質量無顯著影響。

4 結束語

在5 000 PCTC“中遠騰飛”輪上完成的離/并網一體太陽能光伏系統改造項目形成的一系列設計方案、項目協調經驗、施工方案和運行調試經驗可作為其他船舶進行太陽能光伏系統改造工程的參考案例。通過對該系統離/并網聯調運行測試數據、實船運行監測數據(往返中—歐和中—美航線)及船員反饋信息進行總結，得到以下結論：

1)太陽能光伏系統在大型遠洋船舶電力系統中應用能起到拓展船舶可利用能源范圍的作用。

2)該系統在離/并網運行時輸出的電能質量滿足船級社相關規范的要求，并能在不同運行模式下安全、可靠地切換運行，特別是并網運行時陡增和陡降輸出功率對船舶電網無顯著的沖擊性影響。

3)太陽能電力管理系統能實現對全系統的安全監控、故障延伸報警及保護，可有效減少船員日常維護的工作量。

[1] CHU S., MAJUMDAR A. Opportunities and Challenges for a Sustainable Energy Future [J]. Nature, 2012, 488: 294-303.

[2] United Nations Conference on Trade and Development. Review of Maritime Transport 2013[S]. 2013.

[3] 許倫輝, 魏艷楠. 交通領域碳足跡研究綜述[J]. 交通信息與安全, 2014, 32(6):1-7.

[4] 嚴新平. 新能源在船舶上的應用進展及展望[J]. 船海工程, 2010,39(6):111-115.

[5] XUE H Y, POPOV M. Analysis of Switching Transient Over-Voltages in the Power System of Floating Production Storage and Offloading Vessel[J]. Electric Power Systems Research, 2014,115:3-10.

[6] BIALASIEWICZ J T. Renewable Energy Systems with Photovoltaic Power Generators: Operation and Modeling [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2008, 55(7): 2752-2758.

[7] RAHMAN M S, MAHMUD M A, POTA H R, et al. A Multi-Agent Approach for Enhancing Transient Stability of Smart Grids[J]. International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 2015, 67: 488-500.

[8] SHARIFIAN A, SHARIFIAN S. A New Power System Transient Stability Assessment Method Based on Type-2 Fuzzy Neural Network Estimation[J]. International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 2015,64: 71-87.

[9] GU X P, LI Y, JIA J H. Feature Selection for Transient Stability Assessment Based on Kernelized Fuzzy Rough Sets and Memetic Algorithm[J]. International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 2015, 64: 664-670.

[10] 袁成清,張彥,孫玉偉,等.大型滾裝船船電-光伏并網系統構建及電能質量分析[J].中國航海, 2014, 37(3): 21-24.

[11] 孫玉偉, 嚴新平, 袁成清, 等. 基于多層面同構的船舶智能電網理論體系研究[J]. 船舶工程, 2013, 35(1):52-56.

[12] LEE K J, SHIN D, YOO D W, et al. Hybrid Photovoltaic/Diesel Green Ship Operating in Standalone and Grid-Connected Mode-Experimental Investigation[J]. Energy, 2013,49(1):475-483.

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