CN103929115B - 并离网双模式船舶太阳能发电系统 - Google Patents

并离网双模式船舶太阳能发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明并离网双模式船舶太阳能发电系统包括太阳能电池板、充电机、太阳能电力管理装置、交流配电柜、防逆流装置，以及分别与太阳能电力管理装置通过RS485通信连接的光伏控制器、光伏逆变器、蓄电池；太阳能电池板经光伏控制器电连接至蓄电池和光伏逆变器；光伏逆变器中，其离网模式经交流配电柜接船舶次要负载形成离网回路，其并网模式输出端电连接至船舶主汇流排与主变压器之间的节点形成并网回路；充电机分别与船舶主配电板、蓄电池电连接；防逆流装置与船舶主汇流排到主变压器的节点电连接，通过RS485通信线与光伏逆变器连接。本发明可保证船舶电力系统稳定运行，又可最大限度利用太阳能发电，减少了燃油消耗和废气排放。

Description

并离网双模式船舶太阳能发电系统
技术领域
本发明涉及光伏并网发电领域，特别是一种应用于大型远洋运输船舶上的太阳能光伏并网发电系统，属于船舶新能源应用技术领域。
背景技术
在当今的世界能源结构中，常规能源的储量正随着人类文明的高度发展而迅速枯竭，作为交通运输中载运量比例最大的载运工具，船舶是能源消耗大户，也是污染和温室气体排放的大户，其节能效果的好坏对国民经济的影响很大。随着光伏技术的不断深入发展，其效率、可靠性和稳定性均有了很大提高，因而从最初的单纯技术研究逐渐转向实际应用领域。太阳能光伏发电应用于船舶是目前绿色船舶发展的一个重要方向。
大型船舶中的滚装船、散货船、客船一般具有较大面积用于安装，具有应用太阳能光伏系统的前景。由于太阳能光伏系统发电量有限，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。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，太阳能发电主要用于机舱内机器和引擎的制动，该系统为离网发电系统。
随着近年来电子电力设备的广泛应用，光伏交直流并网技术日趋成熟。光伏发电系统配备光伏逆变器可将太阳电池板产生的直流电能转化为与电网电压同频率、同相位的交流电并网供负载使用，如光伏发电系统带有储能电池，还可以起到不间断电源的作用。这类太阳能发电系统交流并网提供动力的船舶目前仅在国外有实船应用，如德国Alster河上的太阳能动力游艇，长27m，重42t，可载运100名游客，停靠时还可以将多余的电并网到岸上电网使用。我国类似这样的船舶有2010年建造完成的“尚德国盛”号太阳能混合动力游船，该船是中国第一艘国内集成商自主集成的太阳能混合动力电力推进系统的船舶，总长31.85m，宽9.8m，高7m，可搭载150余名游客；该船装有高效太阳能电池约70片，总计额定发电功率可达20kW，配两台140kW主发电机，1台125kW辅发电机和2组112块单体容量180AH的太阳能充电的锂电池组作能源系统，该系统采用直流并网方式。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种并离网双模式船舶太阳能发电系统。正常情况下，太阳能发电系统通过光伏逆变器与船舶电站并联运行，逆变器工作在并网模式；当船舶遇到恶劣海况或者工作在进出港等机动航行工况时，此时，负载变化频繁，船舶电网电力参数波动剧烈，光伏并网难度增加，易造成并网装置脱网，影响船舶电力系统稳定运行，逆变器切换至离网运行模式，由逆变器逆变输出向船舶部分次要负载供电；当太阳能发电系统故障时，可切离船舶电网，不影响船舶电力系统的稳定运行。
本发明所提出的系统适用于滚装船、散货船、客船等船型。太阳能发电作为船舶辅助电源，可最大程度上替代燃油发电，减少了燃油的消耗和废气的排放。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
本发明提供的并离网双模式船舶太阳能发电系统，其包括太阳能电池板、充电机、太阳能电力管理装置、交流配电柜、防逆流装置，以及分别与太阳能电力管理装置通过RS485通信连接的光伏控制器、光伏逆变器、蓄电池。所述太阳能电池板经光伏控制器电连接至蓄电池和光伏逆变器，光伏逆变器具有并网和离网双运行模式，其中离网模式经交流配电柜接船舶次要负载形成离网回路，并网模式输出端电连接至船舶主汇流排与主变压器之间的节点形成并网回路；充电机输入端与船舶主配电板电连接，充电机输出端与蓄电池电连接。防逆流装置与船舶主汇流排到主变压器的节点电连接，通过RS485通信线与光伏逆变器连接。
当船舶正常航行时，光伏逆变器工作在并网运行模式，可以将太阳能电力馈送至船舶电网；当船舶遇到包括恶劣海况或者在进出港机动航行工况时，光伏逆变器可以由并网运行模式切换至离网运行模式，直接向部分负载进行供电，保证船舶正常航行。
所述交流配电柜包括变压器、船电/光伏双电源切换断路器，其中变压器的原边与光伏逆变器离网输出端连接，变压器的副边与船电/光伏双电源切换断路器的其中一路连接，双电源切换断路器的另一路与船舶电网连接。
所述太阳能电力管理装置可以用于监测整个并离网双模式船舶太阳能发电系统的运行状态，记录系统运行参数，还有包括故障报警、历史数据查询和远程监测的功能。
所述太阳能电力管理装置可以由CPU、模拟量输入模块、数字量输入输出模块、串口通信模块、交换机、温湿度传感器、辐照传感器、船电/光伏双电源切换断路器辅助触点和并离网切换断路器辅助触点组成，其中：所述模拟量输入模块，其输入端与温湿度传感器和辐照传感器电连接；所述数字量输入输出模块，其输入端与船电/光伏双电源切换断路器辅助触点和并离网切换断路器辅助触点电连接，其输出端与机舱监测报警系统、故障指示灯电连接；所述串口通信模块，其两个通信端口与光伏逆变器和BMS的通信端口电连接；所述CPU，其2个串口通信端口与光伏控制器通信端口、充电机通信端口电连接，其以太网端口与交换机的一个端口连接，交换机的其余两个端口，一个与平板电脑的以太网端口连接，一个与3G远程通信模块连接。
本发明当太阳能发电系统故障，长期无法向蓄电池充电时，可以由船舶电网通过充电机向蓄电池充电，保证蓄电池的使用寿命。
本发明并离网双模式船舶太阳能发电系统输出的太阳能电力可以作为船舶燃油发电的部分替代电能，从而减少燃油的消耗和废气的排放。
本发明提供的上述并离网双模式船舶太阳能发电系统，其在船舶电网中的应用，所述船舶包括滚装船、散货船、客船。
本发明在船舶电网中应用时，可以在不改变船舶原有电网结构的情况下，加装该太阳能发电系统，与船舶电网实现并离网一体化运行，具体运行过程如下：
正常情况下，该太阳能发电系统通过光伏逆变器与船舶电站并联运行，光伏逆变器工作在并网模式；当船舶遇到包括恶劣海况或者在进出港机动航行工况时，光伏逆变器切换至离网运行模式，由光伏逆变器逆变输出向船舶中包括货舱照明的次要负载供电；当太阳能发电系统出现故障时，光伏系统切离船舶电网，不影响船舶电力系统的稳定运行。
本发明与现有技术相比具有以下主要优点：
1.首次在大型远洋运输船舶使用大容量太阳能发电并网系统，采用交流并网方式作为船舶辅助电源，实现太阳能发电最大程度上替代燃油发电，减少了燃油的消耗和废气的排放。按150kW太阳能装机容量，每天可提供清洁电能约750千瓦时，相当于每天减少CO2排放588.75千克，每年减少CO2排放约合215吨，一年按照360天计算，分别降低CO2排放1.5％，减少燃油消耗2％。
2.采用双模式逆变器实现并离网的一体化实施方案，根据船舶航行工况，实现并离网双模式切换运行。
3.并网点选择在船舶主汇流排到主变压器之间的节点，既能保证并网成功，又能减小船舶电网波动对光伏系统的冲击，保证了并网的稳定性。
附图说明
图1是本发明并离网双模式船舶太阳能发电系统的结构示意图。
图中：1.防逆流装置；2.主变压器切换连锁断路器；3.变压器；4.船电/光伏切换断路器；5.交流配电柜；6.主变压器。
图中实线均为电力电缆，虚线为通信电缆。
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。
本发明提供的并离网双模式船舶太阳能发电系统，其结构如图1所示：包括太阳能电池板、充电机、太阳能电力管理装置、交流配电柜5、防逆流装置1，以及分别与太阳能电力管理装置通过RS485通信连接的光伏控制器、光伏逆变器、蓄电池。所述太阳能电池板经光伏控制器电连接至蓄电池和光伏逆变器，光伏逆变器具有并网和离网双运行模式，其中离网模式经交流配电柜5接船舶次要负载形成离网回路，并网模式输出端电连接至船舶主汇流排与主变压器之间的节点形成并网回路；充电机输入端与船舶主配电板电连接，充电机输出端与蓄电池电连接；防逆流装置1与船舶主汇流排到主变压器的节点电连接，通过RS485通信线与光伏逆变器连接。
所述交流配电柜5包括：主变压器切换连锁断路器2、变压器3、船电/光伏切换断路器4。
所述蓄电池采用锂离子蓄电池系统。
所述太阳能电池板(又称PV板，或太阳能光伏电池)装在甲板无遮挡区域，该太阳能电池板的输出端与光伏控制器输入端电连接，光伏控制器输出端电连接至锂离子蓄电池系统和光伏逆变器。
所述光伏逆变器具有并网和离网双运行模式，该光伏逆变器的离网模式输出端与交流配电柜5电连接，交流配电柜5的输出端接到船上次要负载，形成离网回路；光伏逆变器的并网模式输出端电连接至船舶主汇流排与主变压器6之间的节点，形成并网回路。该并离网双模式光伏逆变器，可根据船舶航行工况切换运行模式。正常情况下，本发明太阳能发电系统通过光伏逆变器与船舶电站并联运行，光伏逆变器工作在并网模式，将太阳能电力馈送至船舶电网；当船舶遇到恶劣海况或者在进出港等机动航行工况时，光伏逆变器由并网运行模式切换至离网运行模式，同时，船电/光伏双电源切换断路器4切换至光伏侧，向部分次要负载供电。
所述充电机的输入端与船舶主配电板电连接，充电机输出端与锂离子蓄电池系统电连接。防逆流装置1与船舶主汇流排到主变压器的节点电连接，通过RS485通信线与光伏逆变器连接。光伏控制器、光伏逆变器和锂离子蓄电池系统分别与太阳能电力管理装置通过RS485通信连接。
所述交流配电柜5包括：变压器3、船电/光伏双电源切换断路器4。变压器3的原边与光伏逆变器离网模式的输出端电连接，变压器3的副边与船电/光伏双电源切换断路器4的其中一路电连接。船电/光伏双电源切换断路器4的另外一路与船舶电网电连接。
所述太阳能电力管理装置功能是监测整个光伏电力系统的运行状态，记录系统运行参数、故障报警，历史查询，远程监测。该装置由CPU、模拟量输入模块、数字量输入输出模块、串口通信模块、交换机、温湿度传感器、辐照传感器、船电/光伏双电源切换断路器辅助触点和并离网切换断路器辅助触点组成，其中：模拟量输入模块，其输入端与温湿度传感器和辐照传感器电连接；所述数字量输入输出模块，其输入端与船电/光伏双电源切换断路器辅助触点和并离网切换断路器辅助触点电连接，其输出端与机舱监测报警系统和故障指示灯电连接；所述串口通信模块，其两个通信端口与光伏逆变器和BMS的通信端口电连接；所述CPU，其串口通信端口与光伏控制器通信端口电连接，其以太网端口与交换机的一个端口连接，交换机的其余两个端口，一个与平板电脑的以太网端口连接，一个与3G远程通信模块连接。
所述充电机的功能是当太阳能发电系统故障，长期无法向锂离子蓄电池充电时，为防止锂电池组馈电损坏，由船电通过充电机向蓄电池充电，保证蓄电池的使用寿命。
所述光伏控制器采用阶梯式逐级限流充电方法，根据蓄电池组端电压的变化趋势自动控制多路太阳能电池方阵的依次接通或切断。采用工业级芯片，能在寒冷、高温、潮湿环境中正常运行，具有过充、和短路、防反接保护等全自动保护功能。
本发明提供的上述并离网双模式船舶太阳能发电系统，其在船舶电网中的应用，所述船舶包括滚装船、散货船、客船。
下面以某汽车滚装船为例，说明本并离网双模式船舶太阳能发电系统在该滚装船的应用。
应用时，在不改变某汽车滚装船的船舶电网原有结构的前提下，加装本发明并离网双模式船舶太阳能发电系统(简称太阳能发电系统)，采用双模式光伏逆变器实现并离网的一体化实施方案，可工作在两种模式：
(1)并网运行模式
正常情况下，光伏逆变器工作在并网运行模式，将太阳能电力馈送至船舶电网。
蓄电池
↓↑
电能流向为：太阳能光伏电池→光伏控制器→双模式光伏逆变器→主汇流排与主变压器6之间的节点。
(2)离网运行模式
当船舶遇到恶劣海况或者在进出港等机动航行工况时，逆变器切换至离网运行模式，同时，船电/光伏切换断路器4切换至光伏侧，向部分负载进行供电。
蓄电池
↓↑
当太阳能电力充足时，电能流向为：太阳能光伏电池→光伏控制器→双模式光伏逆变器→变压器→次要负载。
当太阳能电力不足时，电能流向为：蓄电池→光伏控制器→双模式光伏逆变器→变压器→次要负载。
正常情况下，太阳能发电系统通过光伏逆变器与船舶电站并联运行，光伏逆变器工作在并网模式；当船舶遇到恶劣海况或者在进出港等机动航行工况时，因电力负载变化频繁，船舶电网电力参数波动剧烈，光伏并网难度增加，易造成并网装置脱网，影响船舶电力系统稳定运行，光伏逆变器切换至离网运行模式，由光伏逆变器逆变输出向船舶部分次要负载(如货舱照明)供电；当太阳能发电系统故障时，光伏逆变器可切离船舶电网，不影响船舶电力系统的稳定运行。太阳能发电系统可最大限度利用太阳能发电，减少了燃油的消耗和废气的排放。

Claims (8)

1.并离网双模式船舶太阳能发电系统，其特征是包括太阳能电池板、充电机、太阳能电力管理装置、交流配电柜（5）、防逆流装置（1），以及分别与太阳能电力管理装置通过RS485通信连接的光伏控制器、光伏逆变器、蓄电池，所述太阳能电池板经光伏控制器电连接至蓄电池和光伏逆变器，光伏逆变器具有并网和离网双运行模式，其中离网模式经交流配电柜（5）接船舶次要负载形成离网回路，并网模式输出端电连接至船舶主汇流排与主变压器之间的节点形成并网回路；充电机输入端与船舶主配电板电连接，充电机输出端与蓄电池电连接；防逆流装置（1）与船舶主汇流排到主变压器的节点电连接，通过RS485通信线与光伏逆变器连接；所述太阳能电力管理装置由CPU、模拟量输入模块、数字量输入输出模块、串口通信模块、交换机、温湿度传感器、辐照传感器、船电/光伏双电源切换断路器辅助触点和并离网切换断路器辅助触点组成，其用于监测整个并离网双模式船舶太阳能发电系统的运行状态，记录运行参数，还有包括故障报警、历史数据查询和远程监测的功能。
2.根据权利要求1所述的并离网双模式船舶太阳能发电系统，其特征是当船舶正常航行时，光伏逆变器工作在并网运行模式，将太阳能电力馈送至船舶电网；当船舶遇到包括恶劣海况或者在进出港机动航行工况时，光伏逆变器由并网运行模式切换至离网运行模式，直接向部分负载进行供电，保证船舶正常航行。
3.根据权利要求1所述的并离网双模式船舶太阳能发电系统，其特征是所述交流配电柜（5）包括变压器（3）、船电/光伏双电源切换断路器（4），其中变压器（3）的原边与光伏逆变器离网输出端连接，变压器（3）的副边与船电/光伏双电源切换断路器（4）的其中一路连接，双电源切换断路器（4）的另一路与船舶电网连接。
4.根据权利要求1所述的并离网双模式船舶太阳能发电系统，其特征是所述模拟量输入模块，其输入端与温湿度传感器和辐照传感器电连接；所述数字量输入输出模块，其输入端与船电/光伏双电源切换断路器辅助触点和并离网切换断路器辅助触点电连接，其输出端与机舱监测报警系统、故障指示灯电连接；所述串口通信模块，其两个通信端口与光伏逆变器和BMS的通信端口电连接；所述CPU，其2个串口通信端口与光伏控制器通信端口、充电机通信端口电连接，其以太网端口与交换机的一个端口连接，交换机的其余两个端口，一个与平板电脑的以太网端口连接，一个与3G远程通信模块连接。
5.根据权利要求1所述的并离网双模式船舶太阳能发电系统，其特征是当太阳能发电系统长期故障，无法向蓄电池充电时，由船电通过充电机给蓄电池充电，保证蓄电池的使用寿命。
6.根据权利要求1所述的并离网双模式船舶太阳能发电系统，其特征是该系统输出的太阳能电力作为船舶燃油发电的部分替代电能，从而减少燃油的消耗和废气的排放。
7.权利要求1至6中任一权利要求所述并离网双模式船舶太阳能发电系统的用途，其特征是该系统在船舶电网中的应用，所述船舶包括滚装船、散货船、客船。
8.根据权利要求7所述并离网双模式船舶太阳能发电系统的用途，其特征是在不改变船舶原有电网结构的情况下，加装该太阳能发电系统，与船舶电网实现并离网一体化运行，具体运行过程是：
正常情况下，该太阳能发电系统通过光伏逆变器与船舶电站并联运行，光伏逆变器工作在并网模式；当船舶遇到包括恶劣海况或者在进出港机动航行工况时，光伏逆变器切换至离网运行模式，由光伏逆变器逆变输出向船舶中包括货舱照明的次要负载供电；当太阳能发电系统出现故障时，光伏逆变器切离船舶电网，不影响船舶电力系统的稳定运行。
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