構(gòu)建船舶微電網(wǎng)的研究

劉漢宇，牟龍華

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構(gòu)建船舶微電網(wǎng)的研究

劉漢宇，牟龍華

（同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海 201804）

本文提出了船舶微電網(wǎng)概念，對(duì)船舶微電網(wǎng)的概念進(jìn)行了定義和闡述，提出船舶微電網(wǎng)不能以“補(bǔ)充”角色接入船舶主電網(wǎng)，而應(yīng)該以“船舶功能電網(wǎng)替換升級(jí)”的角色接入的研究思路，從而徹底改變傳統(tǒng)的船舶電力系統(tǒng)功能網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。以四機(jī)組單主電站供電的大型遠(yuǎn)洋船舶電力系統(tǒng)為例，給出了與其相適應(yīng)的船舶微電網(wǎng)架構(gòu)形式，分析了船舶微電網(wǎng)獨(dú)特的運(yùn)行方式和相對(duì)于陸地微電網(wǎng)的差異，探討了船舶微電網(wǎng)系統(tǒng)須研究的關(guān)鍵技術(shù)，最后指出船舶微電網(wǎng)建設(shè)對(duì)于我國(guó)船舶工業(yè)發(fā)展的意義和實(shí)施過(guò)程中的優(yōu)勢(shì)。

海上新能源 微電網(wǎng) 船舶微電網(wǎng) 關(guān)鍵技術(shù)

0 引言

交通運(yùn)輸行業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)。在整個(gè)交通運(yùn)輸業(yè)中，水運(yùn)是第二大能源消費(fèi)運(yùn)輸方式，也是最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)輸方式，我國(guó)每年大約七成的國(guó)際貨運(yùn)貿(mào)易通過(guò)水運(yùn)來(lái)完成。2008年3月聯(lián)合國(guó)氣候變化談判決定將海運(yùn)、航空和運(yùn)輸業(yè)納入溫室氣體減排目標(biāo)，因此綠色環(huán)保低碳的造船模式將成為未來(lái)船舶制造業(yè)發(fā)展的必然方向[1]。為了適應(yīng)新形勢(shì)的需要，清潔可再生能源在船舶平臺(tái)上的應(yīng)用成為最重要的解決渠道和未來(lái)船舶發(fā)展的方向。

文獻(xiàn)[2]提出了利用高效“風(fēng)帆”形式為船舶提供補(bǔ)充動(dòng)力的海上風(fēng)能利用形式。但作者認(rèn)為這樣方式必然使得船舶內(nèi)部將會(huì)新增一整套機(jī)械式的風(fēng)能動(dòng)力控制系統(tǒng)，增加對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)控制的復(fù)雜性；同時(shí)，未來(lái)船舶將會(huì)普遍地使用以電力推進(jìn)為動(dòng)力方式的船舶綜合電力系統(tǒng)(Integrated Power System, IPS)，船體中所有涉及的能量都將統(tǒng)一到電能形式加以轉(zhuǎn)化和利用。因此，作者認(rèn)為船用風(fēng)力發(fā)電技術(shù)才是海上風(fēng)能在大型遠(yuǎn)洋船舶平臺(tái)上的主要應(yīng)用形式。同理，太陽(yáng)能的利用主要有光熱技術(shù)和光伏技術(shù)[3]?？紤]到船舶運(yùn)行過(guò)程中對(duì)于熱水的需求量不高, 進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換在有限的船舶空間內(nèi)難以實(shí)施, 故而光熱利用的可行性不是很高。盡管海上風(fēng)能與太陽(yáng)能具有相對(duì)陸地更大能量密度[4]，但終究是低密度能源。

近幾年國(guó)外也出現(xiàn)了利用風(fēng)能和太陽(yáng)能光伏發(fā)電的新能源驗(yàn)證性船舶[5]，但幾乎都只是適合內(nèi)河航行的小噸位船舶。從經(jīng)濟(jì)的角度上講，海上新能源發(fā)電必須達(dá)到一定的規(guī)模才具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，但不可控的新能源發(fā)電滲透率提高，對(duì)于具有規(guī)模較小、容量有限、線路較短和工作模式特殊的船舶電力系統(tǒng)而言，如果不加以克服，會(huì)產(chǎn)生新的脆性源[6]。綜上所述可以得出結(jié)論：找到一種適合于船舶平臺(tái)的海上新能源規(guī)?；尤氲姆椒ㄊ墙鉀Q問(wèn)題的關(guān)鍵。

在陸地電網(wǎng)中，采用微電網(wǎng)[7，8]方式解決分布式電源的大規(guī)模接入問(wèn)題已經(jīng)獲得了各國(guó)的普遍認(rèn)同，成為陸地大電網(wǎng)的有益補(bǔ)充。微電網(wǎng)技術(shù)為可再生能源發(fā)電技術(shù)的整合和利用提供靈活和高效的平臺(tái)，可削弱分布式發(fā)電對(duì)電網(wǎng)的沖擊和負(fù)面影響，是電力產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。

船舶電力系統(tǒng)是一種強(qiáng)耦合、強(qiáng)非線性、緊湊型系統(tǒng)，從整個(gè)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的頂層設(shè)計(jì)、安裝工藝，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性理論，系統(tǒng)的保護(hù)與重構(gòu)技術(shù)，電力系統(tǒng)運(yùn)行模式等方面都具有區(qū)別于陸地電力系統(tǒng)的獨(dú)特特點(diǎn)[10]?；诖耍疚膶⒁躁懙匚㈦娋W(wǎng)的發(fā)展思路作為啟發(fā)和參考，嘗試找到一種適合于“船舶電力系統(tǒng)特質(zhì)的微電網(wǎng)”途徑，使海上可再生新能源發(fā)電裝置平穩(wěn)、規(guī)?；亍敖尤搿贝半娏ο到y(tǒng)運(yùn)行。

1 特性海上新能源發(fā)電裝置在大型遠(yuǎn)洋船舶平臺(tái)上規(guī)?；褂玫目尚行?/h2>

海上移動(dòng)式平臺(tái)動(dòng)態(tài)環(huán)境與陸地固定的自然環(huán)境之間，和船舶電力系統(tǒng)與陸地電力系統(tǒng)之間存在的巨大差異，使得海上可再生新能源在船舶上應(yīng)用條件限制比陸地要苛刻很多，也重要得多。新能源發(fā)電裝置在船舶平臺(tái)上的規(guī)?；惭b首先必須有一個(gè)“強(qiáng)壯和適應(yīng)”的船體結(jié)構(gòu)作為物理支撐，同時(shí)其也會(huì)對(duì)船舶類(lèi)型、電力設(shè)備適裝性，航行等方面有特殊的要求。因此，研究其在船舶上具有規(guī)模化應(yīng)用的可行性是必須首先明確的問(wèn)題，整個(gè)可行性論證包括目標(biāo)船選型、海上環(huán)境與船舶特征匹配等環(huán)節(jié)，完整的評(píng)選程序如圖1所示。

圖1 船舶海上新能源規(guī)?；l(fā)電可靠性的評(píng)選程序

1.1 我國(guó)主要遠(yuǎn)洋航線自然條件分析

我國(guó)的大型遠(yuǎn)洋船舶的航線，包括中國(guó)-北美、中國(guó)-巴拿馬、中國(guó)-南非、中國(guó)-歐洲和中國(guó)-澳洲等幾條航線，都是位于風(fēng)能和太陽(yáng)能豐富的較低低緯度季風(fēng)帶附近，特別是風(fēng)能，由于海面廣闊無(wú)遮擋，陽(yáng)光照曬充足，易形成固定的季風(fēng)性氣候，其能量密度和品質(zhì)相對(duì)于陸地條件明顯更加豐富和穩(wěn)定，這對(duì)風(fēng)力發(fā)電在船舶動(dòng)力平臺(tái)上的應(yīng)用提供了良好的先天條件。

1.2 適合船舶微電網(wǎng)的船舶平臺(tái)

不是所有類(lèi)型的船舶平臺(tái)都適合安裝或者搭載風(fēng)能發(fā)電或太陽(yáng)能發(fā)電裝置。遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船舶的種類(lèi)繁多，常見(jiàn)的有集裝箱船、滾裝船、散貨船、液化天然氣船、油輪、客輪等[17]，各種類(lèi)型的船體構(gòu)造差異巨大，對(duì)于船舶電力系統(tǒng)的要求各不相同，船舶電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和設(shè)備配置也有很大的區(qū)別。根據(jù)風(fēng)光發(fā)電設(shè)備搭載鋪設(shè)和入網(wǎng)的要求，應(yīng)選取船舶電網(wǎng)穩(wěn)定富裕相對(duì)度大，甲板面積開(kāi)闊平攤，船艙空間較大，便于設(shè)備安裝的大型遠(yuǎn)洋船型。目前的船型中，散貨船和油船等都比較符合這樣的原則。

1.2.1風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電裝置在船體上的安裝

在散貨船或者運(yùn)油船上，由于需要同時(shí)安放風(fēng)能和光伏兩種不同的發(fā)電裝置，因此必須考慮到相互之間的空間配合問(wèn)題。以“好望角”型散貨船為例，該型號(hào)船總長(zhǎng)約280 m，型寬45 m，型深24.8 m，設(shè)計(jì)吃水18.3 m，載重8萬(wàn)噸以上。由于單個(gè)太陽(yáng)能板的重量和體積較小，組合方式靈活，不會(huì)對(duì)船舶的重心、外形與抗波性能等性能產(chǎn)生影響，因此太陽(yáng)能光伏板可在恰當(dāng)位置靈活安裝，以配合風(fēng)力機(jī)的安裝進(jìn)行。

相對(duì)光伏板，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)要重且大得多。風(fēng)能發(fā)電裝置的安裝位置、風(fēng)葉直徑、每臺(tái)的葉片數(shù)、安裝高度等因素必須以對(duì)象船舶的船體實(shí)際情況為依據(jù)，以不影響船舶航行作為前提條件。例如，對(duì)于一臺(tái)風(fēng)葉直徑為5 m，高度為7 m，功率12 kW左右的風(fēng)電機(jī)組而言，其重量約為5噸左右。如圖2所示，在好望角型散貨船上沿著船體中線布置12臺(tái)（按具體型號(hào)選擇間距），總重量增加約為60多噸，考慮船舶壓載因素，最大不會(huì)超過(guò)100噸。對(duì)于滿載量超過(guò)10萬(wàn)噸以上的好望角型散貨船而言，重量增加在0.002%以下，船舶吃水線幾乎不增加，對(duì)航行的增加功率耗費(fèi)的影響可以忽略。為避免風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重量可能會(huì)影響到船舶重心的位置，采取對(duì)稱(chēng)布置的方式，前后相隔40 m左右，不會(huì)產(chǎn)生氣流紊流。

圖2 大型遠(yuǎn)洋散貨船風(fēng)能發(fā)電裝置的布置

1.2.2風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生反航向空氣阻力

風(fēng)機(jī)一般分為升力型和阻力型兩種, 大型遠(yuǎn)洋船舶平臺(tái)上適宜采用升力型風(fēng)機(jī)，其特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速快，效率高，需要對(duì)迎風(fēng)面。升力型風(fēng)力機(jī)利用空氣流過(guò)葉片改變方向，產(chǎn)生的向上升力作為驅(qū)動(dòng)力。風(fēng)機(jī)的其槳葉截面類(lèi)似于流線型的飛機(jī)翼片且可調(diào)整。運(yùn)行時(shí)，由于葉片的對(duì)稱(chēng)翼型設(shè)計(jì)，雖然風(fēng)是面向著槳葉吹來(lái)，但其有效作用面并不是船舶的運(yùn)行反方向，而是一個(gè)沿著葉片旋轉(zhuǎn)邊沿向上的運(yùn)動(dòng)方向，即在旋轉(zhuǎn)方向上產(chǎn)生力矩，進(jìn)行做功。考慮到迎風(fēng)面不會(huì)始終與船舶航向方向相反的因素，風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的水平反向力對(duì)航行的影響是較小的。如圖3所示，

2 船舶微電網(wǎng)的定義與結(jié)構(gòu)

2.1 船舶微電網(wǎng)的定義

目前國(guó)際上各國(guó)對(duì)微電網(wǎng)的定義各不相同，歐盟、美國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家都是根據(jù)本國(guó)國(guó)情的實(shí)際需要對(duì)微電網(wǎng)進(jìn)行定義。本文也遵從這個(gè)思路，從船舶及船舶電力系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)和實(shí)際需要來(lái)完成對(duì)“船舶微電網(wǎng)”進(jìn)行定義和描述。

圖3 風(fēng)機(jī)槳葉空氣動(dòng)力學(xué)示意圖

船舶微電網(wǎng)是以一組海上可再生新能源發(fā)電為集群，結(jié)合大型遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船舶運(yùn)行特性和船舶電網(wǎng)的部分重要負(fù)荷電能質(zhì)量管理所形成的可分割供能網(wǎng)絡(luò)。

2.2 船舶微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

船舶中各種電力設(shè)備的供電網(wǎng)絡(luò)是根據(jù)負(fù)荷性質(zhì)相近的原則，選擇相應(yīng)的單獨(dú)電網(wǎng)進(jìn)行供電。船舶供電網(wǎng)絡(luò)按功能劃分可分為五種，分別是：船舶動(dòng)力網(wǎng)，正常照明電網(wǎng)，弱電電網(wǎng)，應(yīng)急電網(wǎng)和小應(yīng)急電網(wǎng)。這五類(lèi)供電網(wǎng)絡(luò)并非每條船上都會(huì)全部配置，須根據(jù)船舶的具體情況靈活設(shè)置。由于不同用途、不同噸位的船舶，電力系統(tǒng)存在很大差異，為了方便描述，本文采用具有一定代表性的四機(jī)組單主電站供電的大型遠(yuǎn)洋船舶電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖為例，在其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上構(gòu)建與其匹配的船舶微電網(wǎng)。大型遠(yuǎn)洋船舶電力系統(tǒng)單線圖如圖4所示。

圖4 大型遠(yuǎn)洋船舶電力系統(tǒng)單線圖

圖4中，G1、G2、G3、G4為主發(fā)電機(jī)；EG為應(yīng)急發(fā)電機(jī)；ACB為發(fā)電機(jī)主開(kāi)關(guān)；ACBE為應(yīng)急發(fā)電機(jī)主開(kāi)關(guān)；MSB為主配電板；ESB為應(yīng)急配電板；MCCB1-10為配電開(kāi)關(guān)；DSB為分配電板；RSB為弱電分配電板；MCCBE為應(yīng)急配電開(kāi)關(guān)；MCCB1為2-隔離開(kāi)關(guān)；ISB為照明配電板；EISB為應(yīng)急照明配電板；IDSB為照明分配電板；EDSB為應(yīng)急分配電板；Tr為照明變壓器；ETr為應(yīng)急照明變壓器。

正常情況中應(yīng)急電源不啟動(dòng)，由主發(fā)電機(jī)供電給主配電板匯流排和應(yīng)急配電板匯流排;在主發(fā)電機(jī)故障停止供電時(shí)，應(yīng)急發(fā)電機(jī)或蓄電池可手動(dòng)或自動(dòng)起動(dòng)投入工作，向船舶重要航行設(shè)備的應(yīng)急照明等系統(tǒng)供電，并通過(guò)聯(lián)鎖裝置將主配電板和應(yīng)急配電板的聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。在?？看a頭時(shí)，岸電接到應(yīng)急配電板上，然后通過(guò)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)再送到主配電板。

陸地微電網(wǎng)作為大電網(wǎng)的補(bǔ)充，構(gòu)建于配電網(wǎng)末端用戶(hù)側(cè)附近。然而這樣的思路在船舶上面是行不通的，主要原因在于船舶電力系統(tǒng)是一個(gè)集發(fā)電、送電、變電、配電和用電為一體的緊湊型系統(tǒng)，所有的電能操作都在一個(gè)有限的空間內(nèi)完成。因此，將船舶微電網(wǎng)作為某種“補(bǔ)充”的形式接入船舶電網(wǎng)中是沒(méi)有意義的。其次，當(dāng)船舶主電網(wǎng)出現(xiàn)故障或者需要停機(jī)時(shí)候，相對(duì)獨(dú)立的應(yīng)急電網(wǎng)也能夠立即對(duì)關(guān)鍵負(fù)荷進(jìn)行供電保障。因此從供電可靠性功能的角度來(lái)講，如果按照陸地微電網(wǎng)思路進(jìn)行，將使得船舶微電網(wǎng)與應(yīng)急電網(wǎng)或小應(yīng)急電網(wǎng)在“主電網(wǎng)故障或者電能質(zhì)量不滿足要求”狀況下出現(xiàn)功能重復(fù)。所以，船舶微電網(wǎng)的建設(shè)必須另辟蹊徑。

本文提出這樣的思路，即船舶微電網(wǎng)不是作為船舶主電網(wǎng)的“補(bǔ)充”角色接入，而是以“船舶功能電網(wǎng)替換升級(jí)”的角色接入主電網(wǎng)，可替換的對(duì)象包括應(yīng)急電網(wǎng)、弱點(diǎn)電網(wǎng)、小應(yīng)急電網(wǎng)。三者中的原涵蓋的供電負(fù)荷將由船舶微電網(wǎng)和船舶主電網(wǎng)的相互支撐體系聯(lián)合保證供電可靠性。如此一來(lái)，船舶微電網(wǎng)不僅僅是接入海上新能源以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，還要擔(dān)負(fù)起應(yīng)急供電，電能質(zhì)量保證等任務(wù)。由此可見(jiàn)，船舶微電網(wǎng)將對(duì)傳統(tǒng)船舶電力系統(tǒng)架構(gòu)體系產(chǎn)生根本性的改變，與陸地微電網(wǎng)差異明顯。由于船舶微電網(wǎng)不像陸地微電網(wǎng)那樣主要影響配電網(wǎng)側(cè)，所以在對(duì)船舶微電網(wǎng)的操作中當(dāng)考慮整個(gè)船舶電力系統(tǒng)的要求，即操作對(duì)象是“含船舶微電網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)”。

圖5給出了含船舶微電網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)架構(gòu)圖，船舶微電網(wǎng)的是由電源和負(fù)載等構(gòu)成的具有不同運(yùn)營(yíng)模式的系統(tǒng)單元?？紤]到船舶微電網(wǎng)中負(fù)荷存在交直流共存的情況，且新能源發(fā)電等電能裝置非常集中，船舶微電網(wǎng)宜采用交直流混合母線的架構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)融合了直流微電網(wǎng)與交流微電網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)。

船舶微網(wǎng)系統(tǒng)主要由風(fēng)力發(fā)電單元、太陽(yáng)能光伏發(fā)電單元、應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)、交直流負(fù)載和連接在交直流母線之間的變換器等構(gòu)成。其中，風(fēng)力發(fā)電單元、應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)和弱電電網(wǎng)，應(yīng)急電網(wǎng)和小應(yīng)急電網(wǎng)的部分交流負(fù)載（包括舵機(jī)、消防泵等特別重要輔機(jī)，應(yīng)急照明、主機(jī)操作臺(tái)、主配電板前后、鍋爐儀表、應(yīng)急出入口、艇甲板等處的最低限度照明負(fù)荷等）連接在交流母線上，光伏發(fā)電單元和各種儲(chǔ)能裝置、直流負(fù)載（各種信號(hào)燈、通訊助航設(shè)備等）連接在直流母線側(cè)的儲(chǔ)能變流器上，交直流母線之間通過(guò)雙向逆變器連接。在這種連接模式下，由風(fēng)電單元發(fā)出的電能輸送給交流母線，為交流負(fù)載供電，也可以經(jīng)過(guò)雙向變換器整流到直流側(cè)儲(chǔ)能，在并網(wǎng)的情況下若有多余的能量還可以送回給電網(wǎng)；光伏發(fā)電單元發(fā)出的電能輸送到直流母線，給蓄電池充電，也可以經(jīng)過(guò)雙向變換器逆變到交流側(cè)，為交流負(fù)載供電或送入大電網(wǎng)；當(dāng)風(fēng)力發(fā)電單元和光伏發(fā)電單元發(fā)出的電能同時(shí)不能滿足整個(gè)系統(tǒng)負(fù)載的需要，并且系統(tǒng)沒(méi)有辦法并網(wǎng)運(yùn)行的情況下，快速啟動(dòng)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)為最重要的關(guān)鍵性負(fù)載供電，支持交流母線電壓。儲(chǔ)能裝置通過(guò)雙向DC/DC變換裝置與直流母線相連，實(shí)現(xiàn)蓄電池等儲(chǔ)能裝置的充放電控制；光伏發(fā)電單元一般通過(guò)最大功率跟蹤和DC/DC變換后與直流母線相連，將發(fā)出的電能送給直流母線；風(fēng)電單元?jiǎng)t通過(guò)AC/DC/AC變換裝置并到交流母線上，通過(guò)電流型并網(wǎng)控制(一般采用PQ控制策略)，輸出與交流母線電壓同頻同相的并網(wǎng)電流。由于交直流混合母線這種特殊的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和各個(gè)發(fā)電單元、變換裝置的連接與控制方式，使得并聯(lián)在交直流母線之間的雙向變換器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和功率的協(xié)調(diào)分配與控制有著至關(guān)重要的作用。當(dāng)微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，并聯(lián)接在交流母線與直流母線之間的變換器既要靠直流側(cè)儲(chǔ)能裝置的能量來(lái)支撐交流母線的電壓和頻率，又要實(shí)現(xiàn)交直流母線之間能量的雙向流動(dòng)，平衡交流母線功率，合理分配各個(gè)發(fā)電單元發(fā)出的電能。

船舶微電網(wǎng)的接入給船舶電力系統(tǒng)帶來(lái)了較高的靈活性，但是也增加了運(yùn)行和控制的復(fù)雜性。顯然，船舶微電網(wǎng)雖然也是一個(gè)由負(fù)荷和微電源共同組成的系統(tǒng)，然而由于其工作狀態(tài)需要與船舶電力系統(tǒng)特性和船舶工況相配合，其運(yùn)行和控制等方面必將與陸地微電網(wǎng)存在較大的差異，需要進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的獨(dú)立研究進(jìn)行解決。

圖5 含船舶微電網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)圖

3 船舶微電網(wǎng)的運(yùn)行方式

作為一個(gè)自保持系統(tǒng)，船舶微電網(wǎng)有孤島運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行兩種模式，不同點(diǎn)在于船舶微電網(wǎng)的并網(wǎng)模式不宜采用并網(wǎng)不上網(wǎng)的方式，只宜采用并網(wǎng)且上網(wǎng)的方式進(jìn)行。在該方式中負(fù)荷需求的不足部分從船舶主電網(wǎng)中獲取，當(dāng)新能源發(fā)電量能完全滿足服務(wù)區(qū)域內(nèi)的負(fù)荷需求時(shí)，富余時(shí)可以通過(guò)公共耦合點(diǎn)向船舶主電網(wǎng)反送電。這種模式由于會(huì)影響整個(gè)船舶電力系統(tǒng)的潮流分步、電壓分布情況，對(duì)整體的保護(hù)和電壓調(diào)節(jié)也會(huì)產(chǎn)生較大的影響。因此需要進(jìn)行嚴(yán)格的聯(lián)絡(luò)線控制，采用并網(wǎng)且上網(wǎng)方式的主要原因是，船舶微電網(wǎng)的運(yùn)行模式與船舶自身的工況狀態(tài)聯(lián)系緊密。民用船舶運(yùn)行工況一般可分為：航行工況、進(jìn)出港工況、停泊工況（停泊港口和停泊外海）、裝卸貨作業(yè)工況及應(yīng)急狀態(tài)等。不同的工況下，船舶負(fù)荷量差異極大，船舶工況又時(shí)常改變。為了最大程度地發(fā)揮出海上新能源的效能，往往對(duì)這些不可控的新能源發(fā)電裝置采取最大功率跟蹤輸出的控制方式。因而，船舶電網(wǎng)內(nèi)部功率平衡無(wú)法通過(guò)海上新能源發(fā)電裝置來(lái)協(xié)調(diào)，而微電網(wǎng)中的蓄電池主要起到動(dòng)態(tài)電壓支撐的調(diào)峰平滑作用，容量是有限的，所以最好的方式是在正常情況下將多余的能量輸送到主電網(wǎng)中使用，從而降低船舶主電站中發(fā)電機(jī)組對(duì)石化能源的消耗。

在一定程度上，船舶微電網(wǎng)的孤島運(yùn)行狀態(tài)與應(yīng)急電網(wǎng)存在這相似之處，因?yàn)樗麄兌寄軌蚴枪╇姳３窒鄬?duì)獨(dú)立性。與陸地微電網(wǎng)不同，船舶微電網(wǎng)進(jìn)入孤島運(yùn)行狀態(tài)的條件不僅在于主電網(wǎng)故障或是其電能質(zhì)量不能滿足關(guān)鍵負(fù)荷的要求，在主電網(wǎng)失電、特殊應(yīng)急和停泊時(shí)也可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)入孤島運(yùn)行。例如當(dāng)船舶停泊于海上時(shí)，此時(shí)電網(wǎng)中只有生活與通信保障等小功率的負(fù)荷。傳統(tǒng)的做法是只保留一臺(tái)主發(fā)電機(jī)為其供電。對(duì)具備船舶微電網(wǎng)的大型遠(yuǎn)洋船舶而言，由于這些重要關(guān)鍵性負(fù)荷構(gòu)建在船舶微電網(wǎng)區(qū)內(nèi)，且負(fù)荷動(dòng)態(tài)需求較穩(wěn)定，因此完全可以徹底關(guān)閉船舶主電站，并斷開(kāi)PCC連接，進(jìn)入孤島運(yùn)行，將發(fā)電和負(fù)荷在船舶微網(wǎng)內(nèi)保持平衡，此時(shí)不需要與船舶主電網(wǎng)進(jìn)行配合，從技術(shù)實(shí)施和管理上都會(huì)相對(duì)簡(jiǎn)單。

4 船舶微電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

船舶微電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)除了陸地微電網(wǎng)中所涉及的若干技術(shù)[13]外，還需要加強(qiáng)以下技術(shù)的研究：

4.1 船舶微電網(wǎng)與船舶主網(wǎng)的對(duì)接技術(shù)

從前面的分析中可知，船舶微電網(wǎng)進(jìn)入孤島運(yùn)行的頻率次數(shù)會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陸地微電網(wǎng)孤島情形，所以，船舶微電網(wǎng)與船舶主網(wǎng)的連接技術(shù)就顯得特別重要，對(duì)可靠性的要求會(huì)比陸地微電網(wǎng)更高。由于船舶電力系統(tǒng)（包括未來(lái)的綜合電力系統(tǒng)）是一個(gè)獨(dú)立的小型智能電網(wǎng)，因此船舶微電網(wǎng)連入船舶主電網(wǎng)可在一定程度上等效為兩套不同特性的獨(dú)立電力系統(tǒng)的互聯(lián)，當(dāng)船舶微電網(wǎng)連入中低壓船舶主網(wǎng)時(shí)，船舶電網(wǎng)整體的穩(wěn)定運(yùn)行問(wèn)題就幾乎完全由船舶微電網(wǎng)的存在而提出。由于陸地配電網(wǎng)與船舶主電網(wǎng)在結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)等方面存在的巨大差異，穩(wěn)定性等方面的分析方法會(huì)截然不同，因此，類(lèi)似陸地微電網(wǎng)IEEE154并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)并不適用于船舶微電網(wǎng)，必須根據(jù)船舶電力系統(tǒng)的特性制定船舶微電網(wǎng)的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 船舶微電網(wǎng)的控制和保護(hù)

由于船舶條件的限制，一艘船只會(huì)設(shè)一個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)。船舶微電網(wǎng)的控制與保護(hù)方式可采取與陸地微電網(wǎng)相似的思路，即并網(wǎng)下P/Q控制，孤島時(shí)調(diào)速差Droop控制和U/f控制。但必須注意的是，由于船舶主電網(wǎng)是非無(wú)窮大系統(tǒng)，即使在與船舶微電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，主電網(wǎng)是否能夠總是承擔(dān)起包括船舶微電網(wǎng)在內(nèi)的整個(gè)船舶電網(wǎng)負(fù)荷、頻率波動(dòng)和電壓干擾，值得深入研究。事實(shí)上，如果將船舶主電站和主控型DG一起作為對(duì)船舶微電網(wǎng)的局部電壓支撐，也許更合適。這需要能夠涵蓋全船電力信息的綜合控制管理系統(tǒng)，利用高速局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和有限廣域信息技術(shù)是能夠做到的。

船舶微電網(wǎng)并網(wǎng)條件下發(fā)生故障時(shí)，無(wú)論微電網(wǎng)區(qū)內(nèi)還是區(qū)外，都應(yīng)該優(yōu)先斷開(kāi)PCC連接，進(jìn)入孤島運(yùn)行狀態(tài)；微電網(wǎng)孤島情形下的故障由于故障電流較小，因此傳統(tǒng)的電流保護(hù)裝置是不能做出正常的相應(yīng)，采用對(duì)稱(chēng)電流分量的故障診斷的方式是一個(gè)較好的方法，與傳統(tǒng)的過(guò)電流保護(hù)相結(jié)合，可取得良好的效果。

4.3 船舶微電網(wǎng)的電力集成技術(shù)

作為移動(dòng)式獨(dú)立電力系統(tǒng)，船舶電網(wǎng)不僅要求能夠提供高品質(zhì)的供電質(zhì)量，還對(duì)供電系統(tǒng)的體積和重量嚴(yán)格的限制。在船舶微電網(wǎng)加入后，如果直接采用陸地微電網(wǎng)中分立式的發(fā)配電、電能變換和控制等設(shè)備，則不能克服性能單一、體積重量大、可靠性低等缺點(diǎn)，必須想辦法將不同類(lèi)型的電氣設(shè)備集成為一體，使得整個(gè)設(shè)備集成化、模塊化。在這方面需要分別完成設(shè)備級(jí)和系統(tǒng)級(jí)兩個(gè)層面上的集成。這將涉及到電氣工程、電子科學(xué)與技術(shù)、信息與通信工程、控制科學(xué)與工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、材料科學(xué)與工程、機(jī)械工程、動(dòng)力工程及工程熱物理等學(xué)科交叉融合，大大拓展船舶電氣工程的研究領(lǐng)域。

4.4 含船舶微電網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)電磁兼容技術(shù)

可再生海上新能源分布式發(fā)電設(shè)備在船舶上的安裝將需要大量的電力電子裝置，產(chǎn)生大量的電磁干擾，而船舶電力設(shè)備非常密集，系統(tǒng)內(nèi)的電磁兼容問(wèn)題十分突出，直接關(guān)系到系統(tǒng)和用電設(shè)備的可靠安全運(yùn)行，需要展開(kāi)的研究工作有：船舶微電網(wǎng)直流配電系統(tǒng)的電磁兼容研究、艦船微電網(wǎng)交流系統(tǒng)電磁兼容研究、含船舶微電網(wǎng)的整個(gè)船舶電力系統(tǒng)電磁兼容研究、帶電力集成化模塊的海上新能源發(fā)電裝置電磁兼容研究。

4.5 船舶微電網(wǎng)設(shè)備的適裝性

目前微電網(wǎng)設(shè)備以陸地條件研發(fā)和制造的，沒(méi)有考慮到船舶存在的各種環(huán)境條件及其對(duì)設(shè)備要求的研究。船舶上存在的氣候環(huán)境條件、生物環(huán)境條件、機(jī)械環(huán)境等都會(huì)影響設(shè)備結(jié)構(gòu)完整性和功能特性，因此，選用適用海洋和船舶環(huán)境的輕型高性能材料和先進(jìn)的散熱冷卻技術(shù),，促進(jìn)船用新能源發(fā)電設(shè)備系列化、組合化發(fā)展，適應(yīng)船舶裝備的輕型化、小型化要求。

5 船舶微電網(wǎng)的意義和優(yōu)勢(shì)

1）船舶微電網(wǎng)使得在大型遠(yuǎn)洋船舶平臺(tái)上規(guī)模化經(jīng)濟(jì)性地利用海上可再生新能源成為了可能，為實(shí)現(xiàn)海運(yùn)業(yè)的節(jié)能減排，打造綠色船舶提供了強(qiáng)大的技術(shù)平臺(tái)。

2）船舶航行遠(yuǎn)離陸地，全部電能依靠自給，船舶微電網(wǎng)能夠大大地提高了船舶的海上自持力，并簡(jiǎn)化港口的岸電設(shè)施的建設(shè)，這對(duì)于遠(yuǎn)航途中?？亢Ｃ婊蛘哌h(yuǎn)離陸地的孤懸小島具有現(xiàn)實(shí)意義。

3）船舶微電網(wǎng)將進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)船舶事業(yè)的發(fā)展。21世紀(jì)船舶動(dòng)力發(fā)展的方向是采用電推技術(shù)的船舶綜合電力系統(tǒng)，如果能夠?qū)⒋拔㈦娋W(wǎng)技術(shù)與綜合電力系統(tǒng)相結(jié)合，將推動(dòng)船舶動(dòng)力新技術(shù)的概念體系更新，對(duì)未來(lái)建設(shè)智能船舶電力系統(tǒng)[14]，打造智能運(yùn)輸船隊(duì)具有深遠(yuǎn)的意義。

4）陸地微電網(wǎng)有政策等方面的限制，想真正連入大電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)且上網(wǎng)的雙向潮流方式運(yùn)行和用戶(hù)電能定制仍然很困難。而船舶電力系統(tǒng)的建造和運(yùn)行自為主體，不存在這樣的政策性限制，且每一艘新船的建造完全可以運(yùn)用最新的電力技術(shù)。因此如果船舶微電網(wǎng)技術(shù)能夠發(fā)展成熟，盡管起步較陸地微電網(wǎng)晚，但也有可能在其之前實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。

6 結(jié)論

船舶微電網(wǎng)是陸地微電網(wǎng)概念的“船舶版”，目的是為了解決海上新能源在船舶平臺(tái)上的規(guī)?；瘧?yīng)用問(wèn)題。本文根據(jù)未來(lái)綠色船舶發(fā)展的需要，提出“船舶微電網(wǎng)”概念，并對(duì)其主要思想、結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特性等進(jìn)行了描述。此概念具有創(chuàng)新性，并非陸地微電網(wǎng)概念的簡(jiǎn)單移植，而是對(duì)相關(guān)知識(shí)體系的遷移創(chuàng)新和發(fā)展。船舶微電網(wǎng)的理論與實(shí)踐研究，國(guó)內(nèi)外究尚未見(jiàn)相關(guān)報(bào)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

上海市教育委員會(huì)科研創(chuàng)新項(xiàng)目(11CXY12)，中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助(0800219170)，國(guó)家火炬計(jì)劃項(xiàng)目(2008GH040894)

劉漢宇 (1982-)，男，博士研究生。研究方向：電力系統(tǒng)保護(hù)與分布式發(fā)電。