CN102904281A - 一种船舶微电网系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微电网系统，特别涉及一种船舶用微电网系统。该船舶微电网系统包括太阳能光伏发电系统、风力发电系统、蓄电池储能系统、应急柴油发电机、负载、直流母线以及交流母线；其中，直流母线与交流母线通过双向变流器相连；直流母线上连接有太阳能光伏发电系统和蓄电池储能系统；交流母线上分别连接着风力发电系统、应急柴油发电机和负荷；所述系统在交流母线侧通过联络开关和变压器与船舶中压主电网相连。克服了新能源分布式发电不能直接用于船舶电力系统的缺点，充分利用了海上新能源，实现了海洋运输领域的节能减排。

Description

一种船舶微电网系统
技术领域
本发明涉及微电网系统，特别涉及一种基于船舶平台的微电网系统。
背景技术
交通运输行业是国民经济的重要基础，也是我国增长最快和最主要的能源消耗领域之一，交通运输节能将是新世纪我国节能减排国策的主战场。在整个交通运输业中，水运是第二大能源消费运输方式，承担着主要的国际货物运输，中国大约超过六成的国际货运通过水运来完成。使用清洁可再生能源，实现船舶交通运输领域的能源多元化，对降低传统能源消耗，支持我国的节能减排国策具有十分重大的意义。
相比于陆地上多种类的可再生新能源分布式发电，船舶微电网将以海上风能和太阳能这两种可再生能源的利用为主。由于目前远洋航线所具有的稳定的季风气候、海面无遮挡的自然环境和船舶相对较慢的运动速度，使得在船舶平台上对太阳能和风能的利用具有比陆地更优越的先天条件。
考虑到海上风、光等新能源的间歇性和不可控性，以及船舶电力系统的容量有限性等特点，如果不采取一定的措施，直接将不可控的太阳能和风能接入船舶电力系统中，会对本身较为脆弱的船舶电力系统带来新的冲击和负面影响，这是不可接受的。采用微电网的思想既可以整合海上新能源分布式发电的优势，又可以克服其带来的负面效果。另外，船舶电力系统是在空间有限的船体内部构建的，船舶电力系统依据船体自身的特点来设计，不能够影响船舶设计的整体性能；同时，不同类型、不同用途甚至不同吨位级别的船舶电力系统结构差异巨大，以上这些因素说明对船舶微电网的构建不能够直接采用陆地微电网的相关经验，必须加以创新才能构建出合适的船舶微电网。
发明内容
本发明正是基于新能源分布式发电不能直接用于船舶电力系统的缺点，提出一种适用于船舶的微电网系统，充分发挥了海上新能源分布式发电的优势，又克服了其带来的负面效果。
本发明的技术方案如下：
一种船舶微电网系统，包括太阳能光伏发电系统、风力发电系统、直流母线、交流母线，其特征在于：所述系统还包括蓄电池储能系统，应急柴油发电机和负载；其中，直流母线与交流母线通过双向变流器相连；直流母线上连接有太阳能光伏发电系统和蓄电池储能系统；交流母线上分别连接着风力发电系统、应急柴油发电机和负荷；所述系统在交流母线侧通过联络开关和变压器与船舶中压主电网相连。
所述太阳能光伏发电系统包括至少一组太阳能光伏阵列，每组太阳能光伏阵列都通过一台DC/DC转换器与直流母线相连。
所述蓄电池储能系统包括至少一台蓄电池，每台蓄电池都通过一台双向DC/DC转换器与直流母线连接。
所述风力发电系统包括至少一台风力发电机组，每台风力发电机组都通过并网变流器和断路器与交流母线相连。
所述应急柴油发电机通过一个断路器与交流母线相连。
所述蓄电池采用适用于船用的铅酸蓄电池。
所述风力发电机组采用永磁直驱型发电机组。
所述的负荷除了常规的重要应急负载外，还可以根据电网情况，将若干低压辅助系统的负载接入所述船舶微电网系统中。
所述船舶微电网系统的能量变换装置与交直流母线构建在船舶应急配电板的位置，船舶微电网完全替代船舶应急配电板的功能。
所述船舶微电网系统能够在船舶主电网关机状态下独立支撑。
所述船舶微电网系统中保留有岸电的接入端。
此外，所述系统搭载的平台是大型远洋运输船舶，自身的船舶电网具有相对较大的稳定裕度，甲板面积平整宽阔，内部空间较充裕。
本发明基于大型远洋运输类船舶平台构建的船舶微电网系统，替代船舶应急配电板的作用，适宜于海上可再生能源在船舶平台上的规模化发电，为船舶重要负载提供连续可靠的绿色电力供应，同时也有利于港口岸电基建设施的简化，提高船舶自持力。
附图说明
图1为本发明实施例的船舶微电网结构示意图；
图2为本发明实施例的风能和太阳能光伏发电装置在船体上的位置布置主视图；
图3为本发明实施例的风能和太阳能光伏发电装置在船体上的位置布置俯视图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明的技术方案做详细的说明。
图1所示为本发明优选实施例船舶微电网系统的总体组成构成图。本发明实施时必须首先确定合适的船型，所述系统搭载的平台应是大型远洋运输船舶，其自身的船舶电网具有相对较大的稳定裕度，甲板面积平整宽阔，内部空间较充裕，因此这里采用的船舶平台是具备宽大甲板面积的好望角型散货船。
根据负载需求和甲板面积等条件来选择微电网的电力配备，这里选择两组蓄电池、两组太阳能光伏阵列、两组风电发电和和一个柴油发电机。
如图1所示，该船舶微电网系统包括蓄电池储能系统、太阳能光伏发电系统、风力发电系统、应急柴油发电机和负载。太阳能光伏发电系统和蓄电池储能系统连接在直流母线上，应急柴油发电机和负载连接在交流母线上。
蓄电池储能系统包括蓄电池组1和蓄电池组2，每组蓄电池通过一台双向DC/DC转换器和直流母线连接。蓄电池采用船用铅酸蓄电池，能够适应潮湿、烟雾、油雾和霉菌的环境，适应并网状态时船舶有限电网和孤岛情况下船舶微电网的电压和频率变化。
太阳能光伏发电系统包括太阳能光伏阵列3和太阳能光伏阵列4，每组太阳能光伏阵列都由数个太阳能光伏板串联而成，且都通过一台DC/DC转换器与直流母线连接，由于直流不易灭弧，所以不加断路器。其中，太阳能光伏板可以根据船桥的不同选择固定电池板型、玻璃幕墙电池板型和双轴跟踪逐日电池板型中的一种或多种。
风力发电系统包括风力发电机组5和风力发电机组6，每台风力发电机组都配置一台AC/DC/AC交直流并网变流器，并通过断路器与交流母线连接；考虑到船体空间限制，风力发电机组采用重量相对较轻的永磁直驱型发电机组。
应急柴油发电机为船用应急型柴油发电机，通过断路器连入交流母线中，能够对孤岛运行下的船舶微电网启动提供幅值和频率稳定的电压参考。
负载系统包括应急负载和部分低压常规负载。应急电力系统的负载包括：电池充放电板、应急照明、航行灯、雷达、机舱通风机、消防系统、应急消防泵、机舱自动化监控系统等；低压常规负载范围包括：空压机、锚机、液压起货机、照明电力配电板等，接入船舶微电网的低压常规负载要根据船舶微电网的具体设计情况而定。整个负载系统可以分成多组，通过调节投入负载组数就可以调节总负载容量。
交流母线与直流母线通过相应的DC/AC双向变流器连接。此外，在该船舶微电网系统上还保留着岸电接入端口。
以上结构就组成了一个混合式的船舶微电网结构，代替传统的全部由船用蓄电池组成的应急电源系统。
其中，船用蓄电池的主要功能是从应急配电板中的应急电源功能转化为对微电网暂态电能质量的削峰填谷，减轻能量震荡。
根据船舶电网的能量情况，该系统可以将直流母线侧的电能逆变到交流测，或将交流母线侧的多余能量整流到直流母线侧的蓄电池储存起来。
该船舶微电网在交流母线侧通过联络开关和变压器与船舶主电网相连，使之能够在并网和孤岛两种状态下切换运行。与陆地微电网不同，船舶微电网的并网/孤岛的运行状态切换更加频繁，切换条件不仅仅是在主电网发生故障时，更大程度上决定于船舶所处的运行工况。
大型远洋运输船舶工况一般为以下几种状态：航行状态、进出港状态、离靠码头状态、停泊状态、装卸货状态和应急状态。
在船舶处于航行、进出港和离靠码头状态时，船舶微电网处于并网运行状态。
停泊状态分为港口停泊和海上停泊。在港口停泊时，船舶主电站关闭，可以连接岸电供电；在海上停泊或者装卸货情形下时，船舶主电站可能保留一两台运行机组或全部关闭，此时可以根据具体负荷需要决定船舶微电网的运行状态。
船舶应急情况下，船舶微电网处于孤岛运行，保证对重要应急负载可靠供电。
船舶微电网控制器采用并网条件下的有功无功优化控制，和孤岛运行时候的频率/电压控制，保证电能质量的稳定和风光发电装置的最大能量转化输出。
微电网系统在好望角型散货船上进行布置时，考虑到船体空间的限制，采用集中式的交直流混合母线连接的方式，减少贯穿甲板线缆的数量。系统中的风力发电系统和太阳能光伏发电系统在船体甲板上的布置参考图2和图3。其中，图2是微电网系统在船体上布置的主视图，图3是其俯视图。图2和图3考虑的是好望角型散货船上装有6台千瓦级风力发电机的情况。
考虑到风力发电机在甲板上的布置对船舶重心平衡位置可能的影响，必须沿着船体中轴线对称布置，如图2和图3中的风力发电机201。船舶上采用几个千瓦的风力发电装置即可，螺旋桨风叶直径不超过6米，彼此之间的前后间隔为50米，可避免相互之间的紊乱气流影响，如图2和图3中的螺旋浆风叶202。图2中所示的好望角型散货船长度接近300米，可以布置6台几个千瓦功率级别的风力发电装置。由于太阳能光伏板的重量相对轻便，因此可以灵活布置在船体其他位置，从安装和维修方便的角度出发，可以将其安装在船桥顶部甲板或上层围壁等位置。
本发明所提供的一种适用于特定类型船舶的船舶微电网系统，充分发挥了大型远洋船舶平台在海上可再生新能源利用方面的优势，为船舶提供稳定性好，性价比优的海上绿色电力，提高对应急重要负载的供电可靠性，实现海上可再生新能源的大规模高效利用。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种船舶微电网系统，其特征在于：所述系统包括太阳能光伏发电系统、风力发电系统、蓄电池储能系统、应急柴油发电机、负载、直流母线以及交流母线；其中，直流母线与交流母线通过双向变流器相连；直流母线上连接有太阳能光伏发电系统和蓄电池储能系统；交流母线上分别连接着风力发电系统、应急柴油发电机和负荷；所述系统在交流母线侧通过联络开关和变压器与船舶中压主电网相连。
2.根据权利要求1所述的船舶微电网系统，其特征在于：所述太阳能光伏发电系统包括至少一组太阳能光伏阵列，每组太阳能光伏阵列都通过一台DC/DC转换器与直流母线相连。
3.根据权利要求1所述的船舶微电网系统，其特征在于：所述蓄电池储能系统包括至少一台蓄电池，每台蓄电池都通过一台双向DC/DC转换器与直流母线连接。
4.根据权利要求1所述的船舶微电网系统，其特征在于：所述风力发电系统包括至少一台风力发电机组，每台风力发电机组都通过并网变流器和断路器与交流母线相连。
5.根据权利要求1所述的船舶微电网系统，其特征在于：所述应急柴油发电机通过一个断路器与交流母线相连。
6.根据权利要求1所述的船舶微电网系统，其特征在于：所述蓄电池采用适用于船用的铅酸蓄电池。
7.根据权利要求1所述的船舶微电网系统，其特征在于：所述风力发电机组采用永磁直驱型发电机组。
8.根据权利要求1所述的船舶微电网系统，其特征在于：所述的负荷除了常规的重要应急负载外，还可以根据实际情况，将低压辅助系统的负载接入所述船舶微电网系统中。
9.根据权利要求1所述的船舶微电网系统，其特征在于：所述船舶微电网系统的能量变换装置与交直流母线构建在船舶应急配电板的位置。
10.根据权利要求1所述的船舶微电网系统，其特征在于：所述船舶微电网系统中保留有岸电的接入端。
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