构建船舶微电网的研究

刘汉宇，牟龙华



构建船舶微电网的研究

刘汉宇，牟龙华

（同济大学电子与信息工程学院，上海 201804）

本文提出了船舶微电网概念，对船舶微电网的概念进行了定义和阐述，提出船舶微电网不能以“补充”角色接入船舶主电网，而应该以“船舶功能电网替换升级”的角色接入的研究思路，从而彻底改变传统的船舶电力系统功能网络架构。以四机组单主电站供电的大型远洋船舶电力系统为例，给出了与其相适应的船舶微电网架构形式，分析了船舶微电网独特的运行方式和相对于陆地微电网的差异，探讨了船舶微电网系统须研究的关键技术，最后指出船舶微电网建设对于我国船舶工业发展的意义和实施过程中的优势。

海上新能源 微电网 船舶微电网 关键技术

0 引言

交通运输行业是国民经济的重要基础。在整个交通运输业中，水运是第二大能源消费运输方式，也是最经济的运输方式，我国每年大约七成的国际货运贸易通过水运来完成。2008年3月联合国气候变化谈判决定将海运、航空和运输业纳入温室气体减排目标，因此绿色环保低碳的造船模式将成为未来船舶制造业发展的必然方向[1]。为了适应新形势的需要，清洁可再生能源在船舶平台上的应用成为最重要的解决渠道和未来船舶发展的方向。

文献[2]提出了利用高效“风帆”形式为船舶提供补充动力的海上风能利用形式。但作者认为这样方式必然使得船舶内部将会新增一整套机械式的风能动力控制系统，增加对船舶运动控制的复杂性；同时，未来船舶将会普遍地使用以电力推进为动力方式的船舶综合电力系统(Integrated Power System, IPS)，船体中所有涉及的能量都将统一到电能形式加以转化和利用。因此，作者认为船用风力发电技术才是海上风能在大型远洋船舶平台上的主要应用形式。同理，太阳能的利用主要有光热技术和光伏技术[3]。考虑到船舶运行过程中对于热水的需求量不高, 进行热电转换在有限的船舶空间内难以实施, 故而光热利用的可行性不是很高。尽管海上风能与太阳能具有相对陆地更大能量密度[4]，但终究是低密度能源。

近几年国外也出现了利用风能和太阳能光伏发电的新能源验证性船舶[5]，但几乎都只是适合内河航行的小吨位船舶。从经济的角度上讲，海上新能源发电必须达到一定的规模才具有实际应用价值，但不可控的新能源发电渗透率提高，对于具有规模较小、容量有限、线路较短和工作模式特殊的船舶电力系统而言，如果不加以克服，会产生新的脆性源[6]。综上所述可以得出结论：找到一种适合于船舶平台的海上新能源规模化接入的方法是解决问题的关键。

在陆地电网中，采用微电网[7，8]方式解决分布式电源的大规模接入问题已经获得了各国的普遍认同，成为陆地大电网的有益补充。微电网技术为可再生能源发电技术的整合和利用提供灵活和高效的平台，可削弱分布式发电对电网的冲击和负面影响，是电力产业可持续发展的有效途径。

船舶电力系统是一种强耦合、强非线性、紧凑型系统，从整个电网结构的顶层设计、安装工艺，系统运行稳定性理论，系统的保护与重构技术，电力系统运行模式等方面都具有区别于陆地电力系统的独特特点[10]。基于此，本文将以陆地微电网的发展思路作为启发和参考，尝试找到一种适合于“船舶电力系统特质的微电网”途径，使海上可再生新能源发电装置平稳、规模化地“接入”船舶电力系统运行。

1 特性海上新能源发电装置在大型远洋船舶平台上规模化使用的可行性

海上移动式平台动态环境与陆地固定的自然环境之间，和船舶电力系统与陆地电力系统之间存在的巨大差异，使得海上可再生新能源在船舶上应用条件限制比陆地要苛刻很多，也重要得多。新能源发电装置在船舶平台上的规模化安装首先必须有一个“强壮和适应”的船体结构作为物理支撑，同时其也会对船舶类型、电力设备适装性，航行等方面有特殊的要求。因此，研究其在船舶上具有规模化应用的可行性是必须首先明确的问题，整个可行性论证包括目标船选型、海上环境与船舶特征匹配等环节，完整的评选程序如图1所示。

图1 船舶海上新能源规模化发电可靠性的评选程序

1.1 我国主要远洋航线自然条件分析

我国的大型远洋船舶的航线，包括中国-北美、中国-巴拿马、中国-南非、中国-欧洲和中国-澳洲等几条航线，都是位于风能和太阳能丰富的较低低纬度季风带附近，特别是风能，由于海面广阔无遮挡，阳光照晒充足，易形成固定的季风性气候，其能量密度和品质相对于陆地条件明显更加丰富和稳定，这对风力发电在船舶动力平台上的应用提供了良好的先天条件。

1.2 适合船舶微电网的船舶平台

不是所有类型的船舶平台都适合安装或者搭载风能发电或太阳能发电装置。远洋运输船舶的种类繁多，常见的有集装箱船、滚装船、散货船、液化天然气船、油轮、客轮等[17]，各种类型的船体构造差异巨大，对于船舶电力系统的要求各不相同，船舶电力系统的结构和设备配置也有很大的区别。根据风光发电设备搭载铺设和入网的要求，应选取船舶电网稳定富裕相对度大，甲板面积开阔平摊，船舱空间较大，便于设备安装的大型远洋船型。目前的船型中，散货船和油船等都比较符合这样的原则。

1.2.1风能和太阳能发电装置在船体上的安装

在散货船或者运油船上，由于需要同时安放风能和光伏两种不同的发电装置，因此必须考虑到相互之间的空间配合问题。以“好望角”型散货船为例，该型号船总长约280 m，型宽45 m，型深24.8 m，设计吃水18.3 m，载重8万吨以上。由于单个太阳能板的重量和体积较小，组合方式灵活，不会对船舶的重心、外形与抗波性能等性能产生影响，因此太阳能光伏板可在恰当位置灵活安装，以配合风力机的安装进行。

相对光伏板，风力发电系统要重且大得多。风能发电装置的安装位置、风叶直径、每台的叶片数、安装高度等因素必须以对象船舶的船体实际情况为依据，以不影响船舶航行作为前提条件。例如，对于一台风叶直径为5 m，高度为7 m，功率12 kW左右的风电机组而言，其重量约为5吨左右。如图2所示，在好望角型散货船上沿着船体中线布置12台（按具体型号选择间距），总重量增加约为60多吨，考虑船舶压载因素，最大不会超过100吨。对于满载量超过10万吨以上的好望角型散货船而言，重量增加在0.002%以下，船舶吃水线几乎不增加，对航行的增加功率耗费的影响可以忽略。为避免风力发电机组的重量可能会影响到船舶重心的位置，采取对称布置的方式，前后相隔40 m左右，不会产生气流紊流。

图2 大型远洋散货船风能发电装置的布置

1.2.2风力机产生反航向空气阻力

风机一般分为升力型和阻力型两种, 大型远洋船舶平台上适宜采用升力型风机，其特点是转速快，效率高，需要对迎风面。升力型风力机利用空气流过叶片改变方向，产生的向上升力作为驱动力。风机的其桨叶截面类似于流线型的飞机翼片且可调整。运行时，由于叶片的对称翼型设计，虽然风是面向着桨叶吹来，但其有效作用面并不是船舶的运行反方向，而是一个沿着叶片旋转边沿向上的运动方向，即在旋转方向上产生力矩，进行做功。考虑到迎风面不会始终与船舶航向方向相反的因素，风力机产生的水平反向力对航行的影响是较小的。如图3所示，

2 船舶微电网的定义与结构

2.1 船舶微电网的定义

目前国际上各国对微电网的定义各不相同，欧盟、美国和日本等发达国家都是根据本国国情的实际需要对微电网进行定义。本文也遵从这个思路，从船舶及船舶电力系统的运行特点和实际需要来完成对“船舶微电网”进行定义和描述。

图3 风机桨叶空气动力学示意图

船舶微电网是以一组海上可再生新能源发电为集群，结合大型远洋运输船舶运行特性和船舶电网的部分重要负荷电能质量管理所形成的可分割供能网络。

2.2 船舶微电网的结构

船舶中各种电力设备的供电网络是根据负荷性质相近的原则，选择相应的单独电网进行供电。船舶供电网络按功能划分可分为五种，分别是：船舶动力网，正常照明电网，弱电电网，应急电网和小应急电网。这五类供电网络并非每条船上都会全部配置，须根据船舶的具体情况灵活设置。由于不同用途、不同吨位的船舶，电力系统存在很大差异，为了方便描述，本文采用具有一定代表性的四机组单主电站供电的大型远洋船舶电力系统结构图为例，在其网络结构上构建与其匹配的船舶微电网。大型远洋船舶电力系统单线图如图4所示。

图4 大型远洋船舶电力系统单线图

图4中，G1、G2、G3、G4为主发电机；EG为应急发电机；ACB为发电机主开关；ACBE为应急发电机主开关；MSB为主配电板；ESB为应急配电板；MCCB1-10为配电开关；DSB为分配电板；RSB为弱电分配电板；MCCBE为应急配电开关；MCCB1为2-隔离开关；ISB为照明配电板；EISB为应急照明配电板；IDSB为照明分配电板；EDSB为应急分配电板；Tr为照明变压器；ETr为应急照明变压器。

正常情况中应急电源不启动，由主发电机供电给主配电板汇流排和应急配电板汇流排;在主发电机故障停止供电时，应急发电机或蓄电池可手动或自动起动投入工作，向船舶重要航行设备的应急照明等系统供电，并通过联锁装置将主配电板和应急配电板的联络开关断开。在停靠码头时，岸电接到应急配电板上，然后通过联络开关再送到主配电板。

陆地微电网作为大电网的补充，构建于配电网末端用户侧附近。然而这样的思路在船舶上面是行不通的，主要原因在于船舶电力系统是一个集发电、送电、变电、配电和用电为一体的紧凑型系统，所有的电能操作都在一个有限的空间内完成。因此，将船舶微电网作为某种“补充”的形式接入船舶电网中是没有意义的。其次，当船舶主电网出现故障或者需要停机时候，相对独立的应急电网也能够立即对关键负荷进行供电保障。因此从供电可靠性功能的角度来讲，如果按照陆地微电网思路进行，将使得船舶微电网与应急电网或小应急电网在“主电网故障或者电能质量不满足要求”状况下出现功能重复。所以，船舶微电网的建设必须另辟蹊径。

本文提出这样的思路，即船舶微电网不是作为船舶主电网的“补充”角色接入，而是以“船舶功能电网替换升级”的角色接入主电网，可替换的对象包括应急电网、弱点电网、小应急电网。三者中的原涵盖的供电负荷将由船舶微电网和船舶主电网的相互支撑体系联合保证供电可靠性。如此一来，船舶微电网不仅仅是接入海上新能源以实现节能减排，还要担负起应急供电，电能质量保证等任务。由此可见，船舶微电网将对传统船舶电力系统架构体系产生根本性的改变，与陆地微电网差异明显。由于船舶微电网不像陆地微电网那样主要影响配电网侧，所以在对船舶微电网的操作中当考虑整个船舶电力系统的要求，即操作对象是“含船舶微电网的船舶电力系统”。

图5给出了含船舶微电网的船舶电力系统架构图，船舶微电网的是由电源和负载等构成的具有不同运营模式的系统单元。考虑到船舶微电网中负荷存在交直流共存的情况，且新能源发电等电能装置非常集中，船舶微电网宜采用交直流混合母线的架构，这样的结构融合了直流微电网与交流微电网的优点。

船舶微网系统主要由风力发电单元、太阳能光伏发电单元、应急柴油发电机、交直流负载和连接在交直流母线之间的变换器等构成。其中，风力发电单元、应急柴油发电机和弱电电网，应急电网和小应急电网的部分交流负载（包括舵机、消防泵等特别重要辅机，应急照明、主机操作台、主配电板前后、锅炉仪表、应急出入口、艇甲板等处的最低限度照明负荷等）连接在交流母线上，光伏发电单元和各种储能装置、直流负载（各种信号灯、通讯助航设备等）连接在直流母线侧的储能变流器上，交直流母线之间通过双向逆变器连接。在这种连接模式下，由风电单元发出的电能输送给交流母线，为交流负载供电，也可以经过双向变换器整流到直流侧储能，在并网的情况下若有多余的能量还可以送回给电网；光伏发电单元发出的电能输送到直流母线，给蓄电池充电，也可以经过双向变换器逆变到交流侧，为交流负载供电或送入大电网；当风力发电单元和光伏发电单元发出的电能同时不能满足整个系统负载的需要，并且系统没有办法并网运行的情况下，快速启动应急柴油发电机为最重要的关键性负载供电，支持交流母线电压。储能装置通过双向DC/DC变换装置与直流母线相连，实现蓄电池等储能装置的充放电控制；光伏发电单元一般通过最大功率跟踪和DC/DC变换后与直流母线相连，将发出的电能送给直流母线；风电单元则通过AC/DC/AC变换装置并到交流母线上，通过电流型并网控制(一般采用PQ控制策略)，输出与交流母线电压同频同相的并网电流。由于交直流混合母线这种特殊的网络结构和各个发电单元、变换装置的连接与控制方式，使得并联在交直流母线之间的双向变换器对整个系统的稳定运行和功率的协调分配与控制有着至关重要的作用。当微电网孤岛运行时，并联接在交流母线与直流母线之间的变换器既要靠直流侧储能装置的能量来支撑交流母线的电压和频率，又要实现交直流母线之间能量的双向流动，平衡交流母线功率，合理分配各个发电单元发出的电能。

船舶微电网的接入给船舶电力系统带来了较高的灵活性，但是也增加了运行和控制的复杂性。显然，船舶微电网虽然也是一个由负荷和微电源共同组成的系统，然而由于其工作状态需要与船舶电力系统特性和船舶工况相配合，其运行和控制等方面必将与陆地微电网存在较大的差异，需要进行专门的独立研究进行解决。

图5 含船舶微电网的船舶电力系统图

3 船舶微电网的运行方式

作为一个自保持系统，船舶微电网有孤岛运行和并网运行两种模式，不同点在于船舶微电网的并网模式不宜采用并网不上网的方式，只宜采用并网且上网的方式进行。在该方式中负荷需求的不足部分从船舶主电网中获取，当新能源发电量能完全满足服务区域内的负荷需求时，富余时可以通过公共耦合点向船舶主电网反送电。这种模式由于会影响整个船舶电力系统的潮流分步、电压分布情况，对整体的保护和电压调节也会产生较大的影响。因此需要进行严格的联络线控制，采用并网且上网方式的主要原因是，船舶微电网的运行模式与船舶自身的工况状态联系紧密。民用船舶运行工况一般可分为：航行工况、进出港工况、停泊工况（停泊港口和停泊外海）、装卸货作业工况及应急状态等。不同的工况下，船舶负荷量差异极大，船舶工况又时常改变。为了最大程度地发挥出海上新能源的效能，往往对这些不可控的新能源发电装置采取最大功率跟踪输出的控制方式。因而，船舶电网内部功率平衡无法通过海上新能源发电装置来协调，而微电网中的蓄电池主要起到动态电压支撑的调峰平滑作用，容量是有限的，所以最好的方式是在正常情况下将多余的能量输送到主电网中使用，从而降低船舶主电站中发电机组对石化能源的消耗。

在一定程度上，船舶微电网的孤岛运行状态与应急电网存在这相似之处，因为他们都能够是供电保持相对独立性。与陆地微电网不同，船舶微电网进入孤岛运行状态的条件不仅在于主电网故障或是其电能质量不能满足关键负荷的要求，在主电网失电、特殊应急和停泊时也可以根据实际需要进入孤岛运行。例如当船舶停泊于海上时，此时电网中只有生活与通信保障等小功率的负荷。传统的做法是只保留一台主发电机为其供电。对具备船舶微电网的大型远洋船舶而言，由于这些重要关键性负荷构建在船舶微电网区内，且负荷动态需求较稳定，因此完全可以彻底关闭船舶主电站，并断开PCC连接，进入孤岛运行，将发电和负荷在船舶微网内保持平衡，此时不需要与船舶主电网进行配合，从技术实施和管理上都会相对简单。

4 船舶微电网的关键技术

船舶微电网的关键技术除了陆地微电网中所涉及的若干技术[13]外，还需要加强以下技术的研究：

4.1 船舶微电网与船舶主网的对接技术

从前面的分析中可知，船舶微电网进入孤岛运行的频率次数会远远大于陆地微电网孤岛情形，所以，船舶微电网与船舶主网的连接技术就显得特别重要，对可靠性的要求会比陆地微电网更高。由于船舶电力系统（包括未来的综合电力系统）是一个独立的小型智能电网，因此船舶微电网连入船舶主电网可在一定程度上等效为两套不同特性的独立电力系统的互联，当船舶微电网连入中低压船舶主网时，船舶电网整体的稳定运行问题就几乎完全由船舶微电网的存在而提出。由于陆地配电网与船舶主电网在结构和运行参数等方面存在的巨大差异，稳定性等方面的分析方法会截然不同，因此，类似陆地微电网IEEE154并网标准并不适用于船舶微电网，必须根据船舶电力系统的特性制定船舶微电网的并网标准。

4.2 船舶微电网的控制和保护

由于船舶条件的限制，一艘船只会设一个微电网系统。船舶微电网的控制与保护方式可采取与陆地微电网相似的思路，即并网下P/Q控制，孤岛时调速差Droop控制和U/f控制。但必须注意的是，由于船舶主电网是非无穷大系统，即使在与船舶微电网并联运行时，主电网是否能够总是承担起包括船舶微电网在内的整个船舶电网负荷、频率波动和电压干扰，值得深入研究。事实上，如果将船舶主电站和主控型DG一起作为对船舶微电网的局部电压支撑，也许更合适。这需要能够涵盖全船电力信息的综合控制管理系统，利用高速局域网络技术和有限广域信息技术是能够做到的。

船舶微电网并网条件下发生故障时，无论微电网区内还是区外，都应该优先断开PCC连接，进入孤岛运行状态；微电网孤岛情形下的故障由于故障电流较小，因此传统的电流保护装置是不能做出正常的相应，采用对称电流分量的故障诊断的方式是一个较好的方法，与传统的过电流保护相结合，可取得良好的效果。

4.3 船舶微电网的电力集成技术

作为移动式独立电力系统，船舶电网不仅要求能够提供高品质的供电质量，还对供电系统的体积和重量严格的限制。在船舶微电网加入后，如果直接采用陆地微电网中分立式的发配电、电能变换和控制等设备，则不能克服性能单一、体积重量大、可靠性低等缺点，必须想办法将不同类型的电气设备集成为一体，使得整个设备集成化、模块化。在这方面需要分别完成设备级和系统级两个层面上的集成。这将涉及到电气工程、电子科学与技术、信息与通信工程、控制科学与工程、计算机科学与技术、材料科学与工程、机械工程、动力工程及工程热物理等学科交叉融合，大大拓展船舶电气工程的研究领域。

4.4 含船舶微电网的船舶电力系统电磁兼容技术

可再生海上新能源分布式发电设备在船舶上的安装将需要大量的电力电子装置，产生大量的电磁干扰，而船舶电力设备非常密集，系统内的电磁兼容问题十分突出，直接关系到系统和用电设备的可靠安全运行，需要展开的研究工作有：船舶微电网直流配电系统的电磁兼容研究、舰船微电网交流系统电磁兼容研究、含船舶微电网的整个船舶电力系统电磁兼容研究、带电力集成化模块的海上新能源发电装置电磁兼容研究。

4.5 船舶微电网设备的适装性

目前微电网设备以陆地条件研发和制造的，没有考虑到船舶存在的各种环境条件及其对设备要求的研究。船舶上存在的气候环境条件、生物环境条件、机械环境等都会影响设备结构完整性和功能特性，因此，选用适用海洋和船舶环境的轻型高性能材料和先进的散热冷却技术,，促进船用新能源发电设备系列化、组合化发展，适应船舶装备的轻型化、小型化要求。

5 船舶微电网的意义和优势

1）船舶微电网使得在大型远洋船舶平台上规模化经济性地利用海上可再生新能源成为了可能，为实现海运业的节能减排，打造绿色船舶提供了强大的技术平台。

2）船舶航行远离陆地，全部电能依靠自给，船舶微电网能够大大地提高了船舶的海上自持力，并简化港口的岸电设施的建设，这对于远航途中停靠海面或者远离陆地的孤悬小岛具有现实意义。

3）船舶微电网将进一步推动我国船舶事业的发展。21世纪船舶动力发展的方向是采用电推技术的船舶综合电力系统，如果能够将船舶微电网技术与综合电力系统相结合，将推动船舶动力新技术的概念体系更新，对未来建设智能船舶电力系统[14]，打造智能运输船队具有深远的意义。

4）陆地微电网有政策等方面的限制，想真正连入大电网，实现并网且上网的双向潮流方式运行和用户电能定制仍然很困难。而船舶电力系统的建造和运行自为主体，不存在这样的政策性限制，且每一艘新船的建造完全可以运用最新的电力技术。因此如果船舶微电网技术能够发展成熟，尽管起步较陆地微电网晚，但也有可能在其之前实现目标。

6 结论

船舶微电网是陆地微电网概念的“船舶版”，目的是为了解决海上新能源在船舶平台上的规模化应用问题。本文根据未来绿色船舶发展的需要，提出“船舶微电网”概念，并对其主要思想、结构和运行特性等进行了描述。此概念具有创新性，并非陆地微电网概念的简单移植，而是对相关知识体系的迁移创新和发展。船舶微电网的理论与实践研究，国内外究尚未见相关报道。

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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

上海市教育委员会科研创新项目(11CXY12)，中央高校基本科研业务费专项资金资助(0800219170)，国家火炬计划项目(2008GH040894)

刘汉宇 (1982-)，男，博士研究生。研究方向：电力系统保护与分布式发电。