海上多能源高效互補智能供電系統技術研究

趙淑莉，王冬海，郭明瑞，趙茁

（中國電子科技集團公司電子科學研究院，北京 100043）

1 研究背景

1.1 研究背景

面對海域信息監測與防御問題、常規能源日益枯竭與經濟快速發展之間的矛盾加劇，以及常規能源造成的環境污染、成本高昂等問題，開發、推廣高效、環保的可再生能源發電技術迫在眉睫，世界各國開始重視可再生能源的開發與利用。海洋幅員遼闊，覆蓋地球表面近71 %的面積，蘊含著巨大的能量，因此，海洋能發電作為海上新型清潔能源，成為可再生能源領域的研究熱點[1]。

因此，需要大力開發海洋可再生能源，海洋能包括波浪能、潮流能、潮汐能、鹽差能、溫差能、海上風能、太陽能等。由于海洋環境復雜、施工條件的限制，適合在海上開發利用的海洋可再生能源一般有海上風能、海上太陽能、波浪能和潮流能[2]，但是上述能源存在間歇性與不穩定性等問題，采用單一能源很難提供穩定持續的電能，借鑒陸上多能互補發電經驗，采用海洋能多能互補發電技術，對于解決能源供給與維護海洋生態環境產生巨大的推動作用。

1.2 海上多能源高效互補智能供電系統提出的意義

本文提出海上多能源高效互補智能供電系統，重點研究多種電源綜合使用、綜合電源控制管理、太陽能電池板效率控制、蓄電池充放電管理和應急保障等功能，并根據上級管控指令或系統剩余電量進行全任務、值班、降級、休眠等工作模式切換。

海上多能源高效互補智能供電系統的建立可以解決海洋能發電遇到的技術瓶頸，推動我國海洋能的產業化進程，具有很大的意義。首先，利用多種能源的互補特性，可獲得比單一能源發電更穩定的輸出，提高供電可靠性與穩定性；其次，海上多能源高效互補智能供電系統具有監測系統，可以在無人值守的情況下遠程監控海洋能發電裝置工作狀態、發電量、轉換效率等指標；第三，通過海上多能源高效互補智能供電系統安裝與長期運行經驗的積累，進行探討與總結，為后續在惡劣工況下安裝海洋能發電裝置提供借鑒方法，解決安裝困難與經濟成本降低等問題。

1.3 主要研究內容

本文重點研究海上多能源高效互補智能供電技術，分為以下兩部分。

第一，多能源互補發電技術，離網系統研究主要面向多種能源的互補供電控制策略、系統狀態監控、安全性要求、環境適應性能力和蓄電池選型等方面，并針對目前市面上的光伏、風能、波浪能、潮流能、柴油機、各類蓄電池和離網系統設備的功能、性能及應用場景進行分析，為海洋能高效多能源互補與智能供電系統設計提供技術支撐。

第二，高效的能源效率控制研究，能源效率控制研究主要包括發電效率控制研究和轉換效率控制研究。發電效率控制研究主要針對光伏系統、風能系統和柴油機系統、波浪能發電裝置、潮流能發電裝置不同的接入電路進行分析，通過調整接入電路實現光伏系統和風能系統最大輸出功率的自動跟蹤以及油機發電、波浪能、潮流能等效率控制；轉換效率控制研究主要根據系統內的發電設備、儲能設備和負載的電氣接口特性，合理配置母線類型和電壓，控制系統內AC/DC和DC/DC轉換次數和效率，達到滿足系統供電需求的情況下系統損耗最低的要求[3]。

2 海上多能源互補發電技術研究現狀

2.1 可再生能源的特點

太陽能、風能、潮流能、波浪能等海洋可再生能源，雖然取之不盡、用之不竭，但是，具備分布不連續、不穩定性、間歇性等特點。

2.2 多能源互補發電技術的優點

我國島礁主權爭議區域、我軍潛艇活動海域目前迫切需要進行長期綜合監管和安全防護，但是受限于電能供應不足，大功率監視探測設備均無法長期布放于中遠海域。同時，在電網無法覆蓋的海島地區，電能的短缺嚴重制約當地居民的生產生活。充分利用海上可再生能源豐富的特點，將風能、太陽能和潮流能等發電方式互補與配合運行，充分利用各自的優點，補充其短板，克服單一發電裝置運行所帶來的電能輸出穩定性差和供給不足等問題，并由控制系統統一管理和維護，具備運行成本低、能源利用效率高、電能輸出穩定等優點。

2.3 多能源互補發電技術的研究現狀和趨勢

目前，國外對多能源高效互補智能供電技術的研究主要致力于系統結構和容量的優化設計、穩定供電等。美國和澳大利亞學者對互補發電系統的儲能方式的實現以及性能進行了研究；在小型風光互補發電系統的運行成本、可靠性和擴容方面，加拿大進行了研究；在以成本最小為目標對互補發電場的容量進行優化配置方面，希臘進行了研究[4]。

當前我國多能源高效互補智能供電技術的研究多集中在系統的優化設計以及監控管理等方面。我國在位于長江源自然保護站的兩套小型風光互補發電站最早采用了互補發電技術；第一個實現商業化運行的多能互補發電系統是廣東南澳島并網運行大型風光互補發電系統。

綜上所述，目前多能源高效互補智能供電技術面臨的主要挑戰，是提升系統效率、降低成本、提高可靠性與穩定性及系統使用壽命，同時還需要增強能源管控研究，提升電能輸出的質量。

3 海上多能源高效互補智能供電系統關鍵技術

海上多能源高效互補智能供電系統通過太陽能、海上風能、波浪能、潮流能、柴油發電機和蓄電池多種供電結合的方法進行供電，通過多能互補發電技術與高效能源效率控制關鍵技術研究，可提供持續穩定的供電電壓。

3.1 多能源互補發電技術

離網系統研究主要面向多種能源的互補供電控制策略、系統狀態監控、安全性要求、環境適應性能力和蓄電池選型等方面，并針對目前市面上的光伏、風能、潮汐能、海水電池、柴油機、各類蓄電池和離網系統設備的功能、性能及應用場景進行分析，為錨泊浮臺信息系統能源設備設計提供技術支撐。

供配電系統配有蓄電池、太陽能電池板和船載柴油發電機、潮流能、波浪能等多種電源供電，并通過蓄電池進行供電，太陽能電池板可同時為系統供電和給蓄電池充電，當蓄電池電量不足時可通過船載柴油發電機進行充電，具備供電過壓過流保護，保證對外提供多種安全工作電壓。

3.2 高效的能源效率控制研究

能源效率控制研究主要包括發電效率控制研究和轉換效率控制研究。發電效率控制研究主要針對光伏系統、風能系統、波浪能、潮流能、柴油機系統不同的接入電路進行分析，通過調整接入電路實現光伏系統和風能系統最大輸出功率的自動跟蹤以及油機發電的效率控制；轉換效率控制研究主要根據系統內的發電設備、儲能設備和負載的電氣接口特性，合理配置母線類型和電壓，控制系統內AC/DC和DC/DC轉換次數和效率，達到滿足系統供電需求的情況下系統損耗最低的要求。

海上多能源高效互補智能供電系統中電源控制管理功能主要包括負載電源遠程遙控開關控制、油機遠程開關、通風、照明電路自動控制，油機整流模塊自動開關機控制，太陽能整流模塊自動開關機控制，鋰電池過充、過放、過流、短路、過溫、電池均衡電路自動控制和供配電系統狀態上報功能。會按前期設定好的開機順序，依次為各設備打開電源，具有接收上級控制指令功能，可根據下發指令對各設備進行開關電源操作，并上報各設備電源開關狀態。具有監測蓄電池電量和遙控開關船載柴油發電機功能，當太陽能電池無法正常供電，蓄電池電量即將耗盡時，自動啟動船載柴油發電機，蓄電池電量充滿后自動關閉船載柴油發電機。具有狀態上報功能，系統會定時將監測到的系統當前剩余油量、蓄電池電量、太陽能輸出功率和狀態、各個蓄電池狀態、分系統內各設備狀態、油機開關狀態和輸出功率、其它分系統各設備功耗情況和電源開關狀態等信息上報數據匯聚處理分系統。當檢測到系統內部出現異常、蓄電池電量過低和柴油箱油料嚴重不足時，系統會自動生成告警信息上報。

太陽能電池板的功率輸出特性是非線性的，且易受溫度、光照強度、負載等多種因素影響，由此，為了提升利用效率，需要對太陽能電池板的最大功率點進行跟蹤（MPPT）[5]，通過加電壓擾動的方式檢測當前光照和溫度條件下太陽能電池板最大輸出功率電壓。并根據檢測結果對當前太陽能電池板輸出電壓進行調整，保證太陽能電池板具有最好的供電效率。

3.3 多能高效互補智能供電系統設計

海上多能高校互補智能供電系統是一個微型離網智慧發電系統，如圖1所示，為海洋內孤立存在的平臺而設計的可自主運行的能源電站系統。系統采用太陽能、波浪能、潮流能、油機和蓄電池互補方式發電。系統發電優先供應設備使用，超出的功率用于給儲能系統充電。同時具有儲能、能源控制管理功能。蓄電部分充滿時，可滿足系統正常用電需求；能源控制管理可對能源分系統實現信息采集、故障判斷、故障報警、系統保護等，保證能源系統正常運行。

供配電系統發電部分采用太陽能電池板、風能、波浪能、潮流能、船用柴油發電機、岸電等多種方式為蓄電池充電，具備同時為系統供電和蓄電池充電的能力，供配電系統可通過外加電壓擾動的方式檢測當前光照和溫度條件下太陽能電池板最大輸出功率，并根據檢測結果對當前太陽能電池板輸出功率進行調整，保證太陽能電池板最大功率輸出。蓄電部分具有具有蓄電池保護能力，包括：電壓欠壓保護，電壓過壓保護，充電過流保護，放電過流保護，充放電高溫保護，充放電低溫保護，電池容量低告警、電池過流告警、電池短路告警。負載供電可對外提供AC 220 V和DC +48 V、DC+24 V、DC+12 V多種供電，并具備供電過壓過流保護能力，具有遠程接收上級控制指令功能，可根據下發指令對各設備的供電電源模塊進行開關電源操作，具備狀態上報，能上報太陽能發電設備和油機的輸出電壓、電流和功率，以及發電設備的運行、告警狀態；能上報當前儲電設備的剩余電量狀態、電池容量狀態、電池單元的工作狀態等。當電量低于系統設置的底線可上報警示信息；具有監測油箱剩余油量，并能上報油箱內當前油量；能上報當前系統各路電源模塊輸出的電流、電壓。具有監控管理功能，且控制方式具有自動和手動兩種模式，具備電池溫度補償、電池監測、電源系統異常運行時異常情況處理等功能；具有告警和故障檢測、設置功能，當下級設備產生告警信息，監控單元根據所存儲的設置數據進行告警級別識別，發出告警信息，系統具備能夠對產生告警信息的設備進行故障檢測和修復功能，并且所有的告警級別都可以手動設置和取消。

圖 1 海上高效多能源互補智能供電系統簡圖

4 結論

為實現中遠海域信息監測與防御設備的能源自保障與海島供電，需具備多種能源供電，并提高能源的利用效率，通過海上多能源高效互補智能供電與控制關鍵技術研究，研制可實現中遠海地區海域信息覆蓋的海上信息節點能源系統。該能源系統可提供5 kW常態輸出，最高可提供10 kW的功率輸出，在陰雨天等惡劣天氣下可連續工作，通過蓄電池組提供不間斷供電能力，并由柴油發電機在電能不足的情況下進行補充，滿足不同工作模式下的能源供給。