CN103915884A - 基于太阳能发电的船舶应急电源系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于太阳能发电的船舶应急电源系统，该系统在光照条件较好时，利用太阳能发电装置对锂电池组充电，充满后由双向光伏逆变器逆变，然后从船舶应急配电板(2)处并入船舶主电网；当光照条件不良或太阳能发电装置出现故障时，利用船舶主电网经双向光伏逆变器整流后对锂电池组充电，保证锂电池组充当船舶应急电源的可靠性；在船舶主电网失电时，该系统自动检测船舶主电网失效，所述应急电源通过船舶应急配电板向应急负载供电，实现节能减排。本发明可实现充分利用太阳能这一清洁能源的同时，发挥系统中锂离子蓄电池的稳压和储能作用，既减少了燃油消耗和废气排放，又可替代柴油应急发电机组。

Description

基于太阳能发电的船舶应急电源系统

技术领域

本发明涉及太阳能发电在船舶应用技术领域，特别是一种应用于船舶的太阳能供能应急电源，属于船舶新能源应用和绿色能源领域。 

背景技术

自上世纪七十年代的石油危机以来，燃油价格一直攀升，燃料费用占船舶营运开支的比重，从原来的百分之十几增加至百分之三十到四十。燃油消耗量的快速增长不仅造成大量资金消耗，其排放的尾气对环境有着极大的污染，是导致温室效应的直接源头。传统船舶应急电源主要分应急发电机和应急蓄电池组，两者均消耗柴油提供电能。本发明在不改变原有船舶电网结构的前提下，旨在应用绿色能源太阳能发电，替代部分燃油消耗，并以系统中蓄电池组充当船舶应急电源，在主电网失电时保障船舶安全，既节能减排，又节省投资。 

大型船舶中的客滚船、散货船、客轮甲板能够为太阳能电池板提供较大的安装面积，具有应用太阳能光伏系统的前景。已有技术中，最为著名是2008年日本的太阳能货船“御夫座领袖(AurigaLeader)号”，这艘船有328块太阳光板组成电池阵列，电能输出功率可达40kW，能满足6.9％的照明需求或0.2％～0.3％的动力需求，该船的动力燃料依然是重油，太阳能发电将使用在机械舱内的机器和引擎的制动等动力系统中，该系统为离网发电系统。由于太阳能光伏系统发电量有限，传统太阳能在船舶上应用思路较为单一，对于大型船舶，太阳能发电系统只能作为辅助推进用电或生活用电。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种船舶太阳能发电应急电源系统，该应急电源系统采用锂离子蓄电池组(简称锂电池组)储能，既可由太阳能发电装置充电，亦可用船舶电网经整流供电。在船舶电网失电时作为应急电源，锂电池组容量达到设定值时，可将太阳能发电并入船舶电网，锂电池组此时起到能量缓冲和稳压的作用，可以减少因光伏发电的间歇性对船舶主电网的影响。该系统既减少了燃油消耗和废气排放，又可替代柴油应急发电机组。 

本发明所采取的技术方案如下： 

本发明提供的船舶应急电源系统，是一种基于太阳能发电的船舶应急电源系统，该系统在光照条件较好时，利用太阳能发电装置对锂电池组充电，充满后由双向光伏逆变器逆变，然后从船舶应急配电板处并入船舶主电网；当光照条件不良或太阳能发电装置出现故障时，利用船舶主电网经双向光伏逆变器整流后对锂电池组充电，保证锂电池组充当船舶应急电源的可靠性；在船舶主电网失电时，该系统自动检测船舶主电网失效，所述应急电源通过船舶应急配电板向应急负载供电，实现节能减排。 

所述的船舶应急电源系统，其包括太阳能发电装置、双向光伏逆变器、锂电池组及其管理系统、失电检测电压互感器、充电继电器和放电继电器。所述太阳能发电装置可以由太阳 能电池板、光伏控制器构成，其中太阳能电池板输出端连接光伏控制器输入端，光伏控制器输出端通过充电继电器连接至锂电池组输入端，锂电池组输出端通过放电继电器连接至双向光伏逆变器，锂电池管理系统与锂电池组电连接，双向光伏逆变器输出端通过船舶应急配电板与应急负载连接，失电检测电压互感器装在船舶主配电板的汇流排上。 

所述的双向光伏逆变器，可以实现电能的双向流动控制，应急电源向应急负载供能或并网补偿时，双向光伏逆变器处于逆变工作状态；若锂电池组电量低于设定值，由双向光伏逆变器将船舶主电网的电流反向整流后对锂电池组进行充电，此时双向光伏逆变器处于整流工作状态。 

所述的双向光伏逆变器，其主控单元可以为数字信号处理器DSP，通过SPWM波控制IGBT全桥电路通断将锂电池组输出的直流电逆变成交流电；DSP通过电压互感器实时监测船舶主电网电压，一旦船舶主电网失电，迅速启动双向光伏逆变器，切换至应急电源供电。 

所述的双向光伏逆变器始终处于待机状态，若船舶主电网失电，主控单元数字信号处理器DSP检测到失电信号，能在5ms内快速启动双向光伏逆变器，10s内锂电池组满载向应急负载供电。 

本发明提供的上述船舶应急电源系统，其在大型远洋运输船舶中的应用，所述大型远洋运输船舶包括滚装船、散货船或客船等船型。 

在不改变原有大型远洋运输船舶电网结构的前提下，可以加装本发明船舶应急电源系统，由该系统中锂电池组充当船舶应急电源，在船舶主电网失电时保障船舶安全。 

本发明船舶应急电源系统应用时，可以在不同的辐照强度和温度条件下，锂电池组的充电方式能自动切换： 

①当光照强、光伏发电量大时，先由太阳能电池板发电并经光伏控制器向锂电池组充电，锂蓄电池组剩余容量达到≥95％时，将控制光伏发电并入船舶电网；如果光照强度减弱、光伏发电量减小，本系统控制释放部分锂电池组的电量，继续向船舶电网逆变供能；但剩余容量低于85％时，本系统将停止逆变输出；少量光伏发电，则继续充入锂电池组； 

②系统锂电池组由于太阳能发电装置故障或连续阴雨天，剩余容量低于80％时，本系统控制将船电经双向光伏逆变器反向整流后对锂电池组充电，满电后停止充电，其容量始终保持应急电源容量要求； 

③若主电源失效，锂电池组放电不设剩余容量下限，尽量长时间给应急负荷供电；此时若有光照，光伏发电供能可延长应急电源供电时长，进一步保证船舶供电安全。 

当主电源供电失效时，此应急电源可快速启动接入应急电网，缩短了停电时间。可充分利用太阳能发电，减少了燃油消耗和废气排放，可申请相关船级社太阳能辅助动力能源单项附加标志。 

本发明与现有技术相比具有以下主要优点： 

1.可用在大型远洋运输船舶的应急电源，实现清洁能源太阳能为其供能，节省燃油。 

2.系统选用的双向光伏逆变器能实时自动检测船舶主电网失电，当船舶主电网失电时能将锂电池组储能迅速逆变输出接入应急电网为船舶应急负载供电，保障船舶安全。 

3.本系统采用合理的锂电池管理策略，在连续阴雨天或者太阳能发电设备故障时，能够自动切换到船电对蓄电池组充电，始终保持应急电源剩余容量的最低要求，保证系统的可靠性。 

4.本系统采用双向光伏逆变器，当应急电源工作时，应急电源输出直流电经双向光伏逆变器为应急负载提供三相交流电，此时双向光伏逆变器作为逆变器使用；当光照强度不足时，船电经双向光伏逆变器整流对应急电源进行充电，此时双向光伏逆变器作为整流器使用。 

5.传统应急电源多选用应急柴油机，从原动机启动到其对应急负载供电耗时较长，一般会超过30s，船舶太阳能发电应急系统能够保证双向逆变器长期处于待机状态(耗电量低)，因此主电网从失电到系统承载应急负载耗时不超过10s，其快速性是本系统的又一优点。 

6.主电网失电，即使蓄电池电量耗尽，若此时若有光照，光伏发电供还可支撑应急电源供电，进一步保证船舶供电安全。 

附图说明

图1是本发明基于双向逆变器的基于太阳能发电的船舶应急电源系统结构图。 

图2是双向光伏逆变器内部结构图，主要包括：控制核心DSP、IGBT桥电路、滤波电路。 

图中：1.船舶主配电板；2.船舶应急配电板；3.联络开关；4.失电检测电压互感器；5.充电继电器；6.放电继电器。 

图中各单元间连接的黑色实线均为船用电力电缆，虚线为信号电缆。 

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但并不局限于下面所述内容。 

本发明提供的基于太阳能发电的船舶应急电源系统，不同于应急柴油发电机或基于船电浮充的小应急蓄电池组等传统方式应急电源。系统在光照条件较好时，利用太阳能电池板发电对锂电池组充电，充满后可将太阳能逆变后从应急配电板处并入船电；当光照条件不良或太阳能发电系统故障时，可利用船电经双向光伏逆变器整流后对其充电，保证锂电池组作为应急电源的可靠性。在船舶主电网失电时该船舶应急电源系统能够自动检测主电网失效，作为应急电源通过应急配电板向不同类型的应急负载供电，实现节能减排。该船舶应急电源系统的结构如图1所示：包括太阳能光伏电池板、光伏控制器、双向光伏逆变器、锂电池组、锂电池组管理系统(BMS)、防逆流装置、断电检测装置，以及船舶主配电板1、船舶应急配电板2、联络开关3、电压互感器4、充电继电器5和放电继电器6。 

本发明中太阳能电池板选用英利PANDA60Cell系列，单块峰值功率可达265W。失电检测电压互感器选用上海永上电气有限公司JDG4-0.5TH船用型电压互感器。系统中光伏控制器为现有技术，主要功能为控制太阳能为锂电池组充电路数并保证锂电池组的安全和使用寿命。所述双向光伏逆变器为现有技术，具体结构如图2所示，其主控单元为数字信号处理 器DSP，通过SPWM波控制IGBT全桥电路通断将锂电池输出的直流电逆变成交流电。DSP通过电压互感器实时监测主电网电压，一旦失电，迅速启动逆变器，切换至应急电源供电。 

本发明采用双向光伏逆变器(又称双向储能光伏逆变器)，实时监测船舶主配电板供电，一旦失电，快速启动接入应急电网，尽量缩短停电时间，具体为：能够实现电能的双向流动控制，作为应急电源向负载供能或并网发电时，双向光伏逆变器处于逆变工作状态；若锂电池组电量低于设定值，由双向光伏逆变器将船电反向整流后对锂电池组进行充电，应急电源在由船电供电储能时，双向光伏逆变器处于整流工作状态。双向光伏逆变器始终处于待机状态，DSP控制器通过电压互感器实时监测主电网电压，一旦失电，能在5ms内快速启动双向逆变器，10s内满载向应急负载供电。 

本发明船舶太阳能发电应急系统容量需依据船舶负荷计算书应急负荷功率及钢质海船入级建造规范要求计算设计。 

本发明船舶太阳能发电应急系统各组成部分电气连接及信号连接方式如下：太阳能电池板输出端连接光伏控制器输入端，光伏控制器输出端通过充电继电器5连接至锂电池组输入端，锂电池组输出端通过放电继电器6连接至双向光伏逆变器，锂电池管理系统与锂电池组电连接，通过监测锂电池的工作参数，输出控制充放电继电器通断来控制锂电池组充放电，当锂电池组未达到设定容量，则接通充电继电器5充电，达到满电时断开停止充电。双向光伏逆变器输出端连接至应急配电板，应急配电板与应急负载(应急照明负载和应急动力负载)连接，船舶应急配电板2和船舶主配电板1经联络开关连接。船舶主配电板1汇流排加装失电检测电压互感器4，信号输入双向光伏逆变器，主电源供电失效时，光伏逆变器将锂电池组储能逆变输出接入应急电网，向船舶应急配电板2供电，双向逆变器一直处于供电待机状态，缩短了船舶主配电板1失电时应急电源接入时间。 

本发明船舶太阳能发电应急电源系统的锂电池组装机容量根据钢质海船入级规范规定设计，锂电池组80％剩余容量能够满足全部应急负载规定时间内的供电。 

以某货船连续型应急负载总功率为47.5KW，间断型应急负载总功率为2.5KW为例，按最大功率计算，将间断型负载按照连续型负载考虑，负载总功率为50KW。负载工作电压230V，按照规范规定，应急电源对其供电时间为18小时。 

应急电源装机容量＝(应急负载*供电时间/负载工作电压)/80％。 

即此滚装船应急锂电池组容量为1100Kwh。 

太阳能电池板装机容量可根据实船可用甲板面积设计，条件允许，应尽可能增加装机容量。太阳能电池板最小装机容量乘以平均峰值日照时数(一般取5小时)应不低于锂电池组总容量的1/3。 

所述船舶太阳能发电应急电源系统具体实施策略分为以下三种： 

(1)光伏发电量过剩： 

光照条件良好时，本发明船舶应急电源系统先由光伏发电经光伏控制器向锂电池组充电， 锂电池组剩余容量达到95％，将控制光伏发电并入船舶电网。如果光照强度减弱、光伏发电量减小，本船舶应急电源系统控制释放部分锂电池组的电量，继续向船舶电网逆变供能。但剩余容量低于85％时，本船舶应急电源系统将停止逆变输出，此时少量光伏发电，可继续充入锂电池组。 

(2)光伏发电量不足： 

本发明船舶应急电源系统中锂电池组由于太阳能发电故障或连续阴雨天，剩余容量低于80％时，本船舶应急电源系统控制将船电经双向光伏逆变器反向整流后对锂电池组充电，满电后停止充电，使其容量始终保持应急电源容量要求。 

(3)船舶主电网故障： 

当船舶电网故障失效时，双向逆变器中DSP控制器通过电压互感器实时监测主电网电压，一旦失电，迅速启动双向光伏逆变器，切换至应急电源供电。锂电池组充当应急电源，光伏逆变器将锂电池组储能逆变输出接入船舶应急配电板2，通过船舶应急配电板2向应急负载供电，保障船舶安全。 

本发明船舶应急电源系统中锂电池组放电不设剩余容量下限，尽量长时间给应急负荷供电。此时若有光照，光伏发电供能可支撑延长应急电源供电时长，进一步保证船舶供电安全。 

基于太阳能发电的船舶应急电源系统工作时的电能流向为： 

太阳能电池板→锂电池组(BMS)→双向光伏逆变器→船舶应急配电板→应急负载。 

Claims (8)

1.一种船舶应急电源系统，其特征是一种基于太阳能发电的船舶应急电源系统，该系统在光照条件较好时，利用太阳能发电装置对锂电池组充电，充满后由双向光伏逆变器逆变，然后从船舶应急配电板(2)处并入船舶主电网；当光照条件不良或太阳能发电装置出现故障时，利用船舶主电网经双向光伏逆变器整流后对锂电池组充电，保证锂电池组充当船舶应急电源的可靠性；在船舶主电网失电时，该系统自动检测船舶主电网失效，所述应急电源通过船舶应急配电板向应急负载供电，实现节能减排。

2.根据权利要求1所述的船舶应急电源系统，其特征在于该系统包括太阳能发电装置、双向光伏逆变器、锂电池组及其管理系统、失电检测电压互感器(4)、充电继电器(5)和放电继电器(6)，所述太阳能发电装置由太阳能电池板、光伏控制器构成，其中太阳能电池板输出端连接光伏控制器输入端，光伏控制器输出端通过充电继电器连接至锂电池组输入端，锂电池组输出端通过放电继电器(6)连接至双向光伏逆变器，锂电池管理系统与锂电池组电连接，双向光伏逆变器输出端通过船舶应急配电板(2)与应急负载连接，失电检测电压互感器(4)装在船舶主配电板(1)的汇流排上。

3.根据权利要求2所述的船舶应急电源系统，其特征在于所述的双向光伏逆变器，能够实现电能的双向流动控制，应急电源向应急负载供能或并网补偿时，双向光伏逆变器处于逆变工作状态；若锂电池组电量低于设定值，由双向光伏逆变器将船舶主电网的电流反向整流后对锂电池组进行充电，此时双向光伏逆变器处于整流工作状态。

4.根据权利要求3所述的船舶应急电源系统，其特征在于所述的双向光伏逆变器，其主控单元为数字信号处理器DSP，通过SPWM波控制IGBT全桥电路通断将锂电池组输出的直流电逆变成交流电；DSP通过电压互感器实时监测船舶主电网电压，一旦船舶主电网失电，迅速启动双向光伏逆变器，切换至应急电源供电。

5.根据权利要求4所述的船舶应急电源系统，其特征在于所述的双向光伏逆变器始终处于待机状态，若船舶主电网失电，主控单元数字信号处理器DSP检测到失电信号，能在5ms内快速启动双向光伏逆变器，10s内锂电池组满载向应急负载供电。

6.权利要求1至5中任一权利要求所述船舶应急电源系统的用途，其特征在于该系统在大型远洋运输船舶中的应用，所述大型远洋运输船舶包括滚装船、散货船或客船。

7.根据权利要求6所述的用途，其特征是在不改变原有大型远洋运输船舶电网结构的前提下，加装所述船舶应急电源系统，由该系统中锂电池组充当船舶应急电源，在船舶主电网失电时保障船舶安全。

8.根据权利要求6所述的用途，其特征在于该系统应用时，在不同的辐照强度和温度条件下，锂电池组的充电方式能自动切换：

①当光照强、光伏发电量大时，先由太阳能电池板发电并经光伏控制器向锂电池组充电，锂蓄电池组剩余容量达到≥95％时，将控制光伏发电并入船舶电网；如果光照强度减弱、光伏发电量减小，本系统控制释放部分锂电池组的电量，继续向船舶电网逆变供能；但剩余容量低于85％时，本系统将停止逆变输出；少量光伏发电，则继续充入锂电池组；

②系统锂电池组由于太阳能发电装置故障或连续阴雨天，剩余容量低于80％时，本系统控制将船电经双向光伏逆变器反向整流后对锂电池组充电，满电后停止充电，其容量始终保持应急电源容量要求；

③若主电源失效，锂电池组放电不设剩余容量下限，尽量长时间给应急负荷供电；此时若有光照，光伏发电供能可延长应急电源供电时长，进一步保证船舶供电安全。