海洋光柴儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)性能研究

張慶嶺， 牟 超

（中國電子科技集團(tuán)公司電子科學(xué)研究院，北京 100041）

我國海岸線長達(dá)18 000多km，擁有管轄權(quán)的海域面積約為300萬km2，相當(dāng)于無人值守國土面積的1/3[1]。海洋錨泊信息浮臺(tái)（以下簡稱“浮臺(tái)”）作為大型海上平臺(tái)，具有搭載能力強(qiáng)、中繼組網(wǎng)的特點(diǎn)，可協(xié)助完成海洋管理工作。

目前，光柴儲(chǔ)系統(tǒng)的研究集中于陸地光伏電站，海洋發(fā)電系統(tǒng)研究較少。浮臺(tái)以光伏發(fā)電為主、油機(jī)發(fā)電為輔，配置儲(chǔ)能設(shè)備構(gòu)成獨(dú)立的海洋微型電網(wǎng)。本文介紹了浮臺(tái)能源系統(tǒng)架構(gòu)，構(gòu)建了光伏發(fā)電系統(tǒng)出力模型、柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)能源轉(zhuǎn)換效率模型，并對發(fā)電效率影響因素進(jìn)行分析。

1 系統(tǒng)架構(gòu)介紹

浮臺(tái)能源系統(tǒng)采用光伏發(fā)電為主、柴油發(fā)為輔、鋰電儲(chǔ)能的架構(gòu)設(shè)計(jì)，可通過高軌衛(wèi)星與管控中心通信，如圖1所示。

圖1 能源系統(tǒng)架構(gòu)圖

系統(tǒng)規(guī)模：系統(tǒng)配置光伏組件68塊，8串6并布局，每塊光伏組件面積1.685 m×0.997 m，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的轉(zhuǎn)換效率16.2%；柴油發(fā)電機(jī)組1套，率額定功率12 kW，油箱理論容積800 L，燃料最大加注量720 L；儲(chǔ)能系統(tǒng)蓄電池組容量120 kWh，柴油機(jī)啟停SOC值（State Of Charge，荷電狀態(tài)，定義為電池剩余容量占電池容量的比值）分別為20%和80%[2]。

2 系統(tǒng)性能分析

2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)模型及評(píng)估

太陽能光伏系統(tǒng)分析一般采用模擬法和解析法，其中解析法包括LoLP法和參數(shù)分析法。本文采用參數(shù)分析法，將復(fù)雜的非線性的光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作過程簡化為簡單的線性系統(tǒng)，然后對光伏發(fā)電系統(tǒng)性能進(jìn)行分析。

為提高光伏效率，浮臺(tái)每串光伏組件集中布置，布局如圖2所示。

圖2 光伏組件串并結(jié)構(gòu)示意圖

光伏發(fā)電系統(tǒng)出力預(yù)測公式如式（1）～式（2）所示[4]：

式中：EP為某期間光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量，kWh；PAS為標(biāo)準(zhǔn)狀下太陽能光伏電池板出力，kW；HA為某期間光伏組件表面得到的太陽輻射量，kWh/m2；A為光伏組件有效工作面積，m2；ηPS為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下光伏組件的轉(zhuǎn)換效率；GS為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的日照強(qiáng)度，1 kW/m2；K為綜合設(shè)計(jì)系數(shù)，理想狀態(tài)下取值為1。

據(jù)美國國家航空航天局（NASA）公布的氣象資料，南海氣象數(shù)據(jù)資料如表1所示。

表1 南海地區(qū)光照數(shù)據(jù)

結(jié)合南海地區(qū)歷史氣象數(shù)據(jù)可知，5月份光照強(qiáng)度較好、風(fēng)雨較少、溫度變化較小，因此選取5月份統(tǒng)計(jì)平均數(shù)據(jù)，對浮臺(tái)光伏發(fā)電系統(tǒng)出力進(jìn)行預(yù)測。由式（1）和式（2）可知，光伏組件理論日均發(fā)電量為：

2.2 油機(jī)發(fā)電系統(tǒng)模型及評(píng)估

柴油發(fā)電機(jī)最佳運(yùn)行功率為額定功率的75%左右，而最低運(yùn)行功率約30%[5]。柴油發(fā)電機(jī)組可定功率運(yùn)行，也可動(dòng)態(tài)匹配負(fù)載運(yùn)行，其燃料消耗量和發(fā)電機(jī)輸出功率的關(guān)系近似為[6-7]：

式中：F為柴油機(jī)燃料消耗量，L/h；Pde-R為柴油機(jī)的額定功率，kW；Pde為柴油機(jī)的輸出功率，kW；F0為柴油發(fā)電機(jī)燃料曲線的截距系數(shù)，即發(fā)電機(jī)單位功率的空載耗油量，L/kWh；F1為柴油發(fā)電機(jī)燃料曲線的斜率，L/kWh。

柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)一般指柴油機(jī)燃油消耗率，即柴油機(jī)工作時(shí)每千瓦時(shí)所消耗的燃油量的克數(shù)。一般高速柴油機(jī)取值范圍204～250，中速柴油機(jī)取值103～225，低速柴油機(jī)取值160 ～ 185[10]。

式中：ge為燃油消耗率，g/kWh；GT為燃油消耗量，g/h；Pe為有效功率，kW。

能源轉(zhuǎn)換時(shí)，變壓器效率一般在95%以上[8]；配電盤轉(zhuǎn)換主要有電磁繼電器、開關(guān)、指示燈組成，功率消耗可以忽略；額定工況下油機(jī)整流模塊能源轉(zhuǎn)換效率為95%，由上述數(shù)據(jù)可知柴油機(jī)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電的燃油消耗率為277 g/kWh。

3 系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)

3.1 系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)

系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行后，天氣狀況良好時(shí)進(jìn)行測試，數(shù)據(jù)采集點(diǎn)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)示意圖

測試過程中載荷工作在額定工況，讀取數(shù)據(jù)庫中光伏組件累計(jì)發(fā)電量、載荷瞬時(shí)電流、母線平均電壓、油位及柴油發(fā)電機(jī)組啟停信息，測試時(shí)段為5月2日―7日，每天的14：00和21：00進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表2。

表2 系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

由表2計(jì)算浮臺(tái)載荷瞬時(shí)功率、載荷日均耗電量、光伏組件24 h發(fā)電量等，如表3所示。

表3 光伏日均發(fā)電量、載荷統(tǒng)計(jì)表

由表3可知，試驗(yàn)過程中載荷平均功率2.22 kW，浮臺(tái)光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)際日均發(fā)電量E′P為52.18 kWh。查詢數(shù)據(jù)庫可知，測試期間油機(jī)夜間啟動(dòng)1次并持續(xù)運(yùn)行8.13 h，耗油54 L（柴油密度0.85 g/mL）。由公式4可知油機(jī)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量為：

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)分析 光伏組件發(fā)電模型中影響效率和輸出功率的因素如圖4所示[9]。

圖4 光伏發(fā)電能量損耗圖

浮臺(tái)光伏發(fā)電系統(tǒng)為全新光伏組件，布設(shè)地點(diǎn)為熱帶，電池板污漬、老化、積雪、溫度變化等可不予考慮，影響光伏發(fā)電系統(tǒng)工作效率主要因素為陰影遮擋、電池組件組合與匯流損失、逆變器效率等。一般光伏逆變器能量轉(zhuǎn)換效率為95%、電池組件組合與匯流損失造成功率損失小于2%[10]。

局部陰影對光伏組件性能影響較大，陰影造成的熱斑效應(yīng)可能損壞光伏電池[11]；陰影下的光伏板功率輸出曲線波動(dòng)較大，容易出現(xiàn)多個(gè)波峰，影響MPPT策略的效果[12]。在試驗(yàn)室模擬陰影遮擋時(shí)，全局最大功率120.88 W的光伏陣列基于擾動(dòng)法的MPPT控制跟蹤到的最大功率僅為68 W[13]。甲板上的球形設(shè)備艙、護(hù)欄、設(shè)備天線、避雷針等均會(huì)對光伏組件陣列產(chǎn)生局部陰影，且局部陰影的覆蓋范圍較大，始終覆蓋10%～40%的光伏組件，成為影響浮臺(tái)光伏組件發(fā)電效率的主要因素。浮臺(tái)光伏發(fā)電系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)系數(shù)K包括局部陰影系數(shù)KH、逆變器損失系數(shù)KC、光伏組件組合系數(shù)KPA三部分，有上述定義可知：

由式（5）～式（6）可得：

浮臺(tái)光伏發(fā)電系統(tǒng)的局部陰影系數(shù)KH為0.46。

通過上述分析可知，局部陰影是影響浮臺(tái)光伏發(fā)電效率的主要因素。后續(xù)應(yīng)通過優(yōu)化浮臺(tái)甲板結(jié)構(gòu)，降低上層結(jié)構(gòu)對光伏組件造成的局部陰影；優(yōu)化光伏組件布局，規(guī)避多串組件同步形成陰影遮擋；控制策略演化時(shí)降低局部陰影對MPPT策略的影響。

3.2.2 油機(jī)發(fā)電系統(tǒng)分析 油機(jī)發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，除完成載荷、蓄電池組的供電外，還需維持通風(fēng)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、安防系統(tǒng)的運(yùn)行，系統(tǒng)能量分配如圖5所示。

圖5 柴油發(fā)電機(jī)組能量分配

測試過程中油機(jī)發(fā)電系統(tǒng)夜間運(yùn)行，此時(shí)光伏系統(tǒng)停止工作、儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC值由20%上升至80%。柴油機(jī)發(fā)電系統(tǒng)配置的通風(fēng)系統(tǒng)（額定功率PT為2 kW）、冷卻系統(tǒng)（額定功率PL為1.6 kW）、安防系統(tǒng)（含油機(jī)艙照明、攝像頭、紅外報(bào)警等，功率PL為1.5 kW）耗電量分別為16 kWh, 13 kWh, 12 kWh。另外，油機(jī)控制箱及啟動(dòng)電池、艙室密封電磁閥、浮臺(tái)線纜等會(huì)消耗一定能量。柴油機(jī)發(fā)電系統(tǒng)工作期間所產(chǎn)生電量分配如圖6所示。

圖6 柴油機(jī)發(fā)電系統(tǒng)電量分配

由圖可知，油機(jī)發(fā)電量的54.5%流向載荷和蓄電池組，24.9%的流向通風(fēng)、冷卻及安防系統(tǒng)，20.6%消耗在油機(jī)控制箱、油機(jī)啟動(dòng)電池、電磁閥、電纜線路等上面。

后期油機(jī)發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮冷卻、通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低冷卻系統(tǒng)功損耗；安防優(yōu)先采用被動(dòng)式安全防護(hù)設(shè)備，減少安防聯(lián)動(dòng)功耗；最后對供電線路進(jìn)行合理規(guī)劃、采用更高效的電氣設(shè)備和器件，以降低輔助系統(tǒng)功耗。

4 結(jié) 論

浮臺(tái)光柴儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)主要由光伏發(fā)電系統(tǒng)、柴油機(jī)發(fā)電系統(tǒng)及儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)成，本文采用參數(shù)分析法建立光伏發(fā)電系統(tǒng)出力預(yù)測模型、浮臺(tái)柴油機(jī)發(fā)電系統(tǒng)燃油消耗率模型，并結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)對影響發(fā)電效率的因素進(jìn)行了分析，研究結(jié)果表明：

（1）局部陰影是影響光伏發(fā)電系統(tǒng)出力的主要因素，其衰減系數(shù)約為46%，可通過浮臺(tái)結(jié)構(gòu)、組件布局、控制軟件等開展優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少陰影遮蔽影響；

（2）油機(jī)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量的54.5%流向載荷和蓄電池組，45.5%由冷卻、通風(fēng)、安防及其他電氣設(shè)備消耗掉，可在結(jié)構(gòu)布局、器件選型等方面開展優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少輔助系統(tǒng)功耗。上述研究具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，可為浮臺(tái)能源系統(tǒng)的后續(xù)優(yōu)化及運(yùn)行維護(hù)提供借鑒及參考。