王侃

（上海船舶研究設計院，上海 201203）

0 前言

二氧化碳排放量占全球總排放量2.89%的航運業(yè)“脫碳”迫在眉睫［1］。目前船舶業(yè)在嘗試使用氨和生物甲醇等替代傳統(tǒng)化石燃料， 并且探索將風能、潮汐能等可再生能源轉化為電能進行利用。 但由于可再生能源的不穩(wěn)定性及船舶負載的多樣性等問題，如何高效使用可再生能源及合理分配船舶電力能源是該領域研究的關鍵。

目前船舶供電系統(tǒng)采用的是簡單的單向輸送形式，即從發(fā)電機發(fā)電至電網(wǎng)再由電網(wǎng)送電到負載端。 該供電系統(tǒng)的單向性特質導致其無法滿足當下更經(jīng)濟、更智能化的電能分配需求。 早年陸用輸配電系統(tǒng)也存在相同問題，但隨著通信和控制技術的發(fā)展，以及可再生能源的推廣和送配電系統(tǒng)的智能化，陸用領域的配電形式得到了改善。 陸用領域這種以先進的信息通信技術為依托，以分布式智能管控為手段，有機結合了可再生能源、燃料能源、儲能設備和可控負載的集合體被稱為虛擬電廠［2］。 虛擬電廠的發(fā)展，歐洲可以追溯至2007年，開展以集成中小型分布式發(fā)電單元為主要目標的虛擬電廠研究項目，參與的國家包括德國、英國、西班牙等［3］。 國內在“十三五”期間，江蘇、上海等地也相繼開展了虛擬電廠試點［4］。 虛擬電廠技術在陸用領域已經(jīng)較為成熟。

但在船舶領域，由于海洋環(huán)境的特殊性導致可再生能源利用率低和輸配電智能化程度弱等諸多問題，陸用的設計理念和設備無法直接在船舶上得到有效的應用。 為了解決船舶電能使用的經(jīng)濟性和有效性等問題， 需要借鑒陸用虛擬電廠的技術基礎，結合船舶領域固有特點，探索和研究具有船舶特性的虛擬電廠，即船舶虛擬電站。

1 船舶虛擬電站的優(yōu)勢

現(xiàn)有船舶很少使用太陽能、 風能等可再生能源，原因是這些可再生能源不穩(wěn)定，缺乏可靠性，無法作為船舶電能的一部分持續(xù)供電。 早期技術不成熟和投資成本過高也是可再生能源在船舶領域未能推廣的原因之一。隨著可再生能源在陸用領域的廣泛應用，其在船舶領域的應用也開始受到關注。

解決可再生能源在船舶領域應用的關鍵在于儲能技術和智能管控技術。 通過船舶虛擬電站的儲能系統(tǒng)，可以有效地將可再生能源進行儲存，實現(xiàn)可再生能源的穩(wěn)定利用；再通過船舶虛擬電站的智能管控系統(tǒng)，可以對可再生能源進行儲電或放電的智能管控分配， 從而實現(xiàn)可再生能源的高效利用。圖1 為可再生能源的管控構架圖。

圖1 船舶虛擬電站的可再生能源智能管控構架圖

由圖1 可見：通過船舶虛擬電站，根據(jù)可再生能源的發(fā)電量和船舶負載情況，可再生能源可以給船舶電網(wǎng)供電， 也可以供儲能電池進行電能儲備；另外， 在特定情況下還可以直接供負載端用電，比如船舶在港停泊時，可再生能源可以不通過母排直接供電給居住區(qū)負載，從而實現(xiàn)穩(wěn)定、高效的可再生能源利用。

1.1 電網(wǎng)削峰填谷

傳統(tǒng)電站在船舶航行過程中，由于大功效負載的短時運行、 廚房和加熱器等間歇性設備的使用，發(fā)電機輸出功率起伏頻繁，無法長時間穩(wěn)定地運行在經(jīng)濟油耗區(qū)間內，造成發(fā)電機油耗過高。 利用船舶虛擬電站的可再生能源技術和儲能技術，結合船舶虛擬電站的能源管理系統(tǒng)可對電網(wǎng)進行有效的削峰填谷，使發(fā)電機維持在經(jīng)濟油耗范圍內長期運行。 圖2 為船舶虛擬電站削峰填谷示意圖。

圖2 船舶虛擬電站削峰填谷示意圖

根據(jù)發(fā)電機的特性曲線，在船舶虛擬電站的智能管控平臺上事先設定發(fā)電機的經(jīng)濟油耗區(qū)間。 當電站所需電量高于經(jīng)濟區(qū)間范圍時，使用可再生能源轉換的電能或儲能電池已存?zhèn)涞碾娔軄磉M行補電；當電站所需電量低于這個區(qū)間范圍時，將多余電量提供給儲能電池進行儲存，從而將發(fā)電機的運行長期維持在經(jīng)濟油耗范圍內，提高船舶經(jīng)濟性。

1.2 優(yōu)化能效管理

傳統(tǒng)的船舶電站管理系統(tǒng)，大多針對船舶設備安全和船舶運維安全管理，很少涉及船舶電能的能效管理。

通過虛擬電站的智能管控系統(tǒng)，利用先進的通信技術將供電端和負載端進行實時的信息交互，在控制平臺內導入電量分配邏輯公式和計算方式，對供電端和用電端進行安全、高效、合理的智能管控。虛擬電站的智能管控既要滿足供電端的需要，又要兼顧供電的反饋，如圖3 所示。 供電端按性能分層管理可分為發(fā)電機供電、可再生能源供電和儲能電池供等供電方式；負載端按需求進行控制，可分為連續(xù)重要負載、非連續(xù)重要負載和非重要負載等負載，做到對整個送配電系統(tǒng)精細化管控。

圖3 船舶虛擬電站電能能效管理構架圖

在一般情況下，供電端優(yōu)先使用可再生能源供電、其次是儲能電池、最后是發(fā)電機供電，負載端優(yōu)先滿足連續(xù)重要負載、 其次是非連續(xù)重要負載、最后是非重要負載。 通過船舶虛擬電站來優(yōu)化船舶電能使用效率，提高船舶電站經(jīng)濟性，實現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

2 船舶虛擬電站的組成

船舶虛擬電站主要由可再生能源系統(tǒng)、電池儲能系統(tǒng)及虛擬電站智能管控系統(tǒng)構成。

2.1 可再生能源系統(tǒng)

太陽能光伏和風能技術是目前較成熟的可再生能源，可作為船舶虛擬電站的可再生能源的主要來源。 此外，還處于研究階段的振動發(fā)電和溫差發(fā)電等技術，今后也可逐步應用于船舶領域。

2.1.1 太陽能光伏

太陽能光伏所使用的半導體材料目前主要分為晶硅組件和非晶硅薄膜組件兩類，晶硅組件又可分為多晶硅和單晶硅。 在材料能量轉換效率方面，晶硅組件高于薄膜組件， 其中， 單晶硅最高可達24.9%，多晶硅最高可達18%；在造價方面，晶硅組件高于薄膜組件， 其中單晶硅制作成本最為昂貴；在生產(chǎn)耗能方面，晶硅組件高于薄膜組件，其中單晶硅生產(chǎn)能耗最高。 太陽能光伏材料具體性能比較如表1 所示。［5］

表1 太陽能光伏材料性能比較表

綜合考慮能量轉換效率、初始投資、設備生命周期等因素，目前多晶硅組件作為船用太陽能光伏組件材料是較為合適的。

在系統(tǒng)構建上，船舶虛擬電站系統(tǒng)選用離網(wǎng)型光伏供電系統(tǒng)供電方式，將太陽能電池組件提供的直流電通過光伏控制器直接給直流負載供電，還可以通過光伏逆變器將電能變換成交流電為交流負載供電［6］。

在布置設計方面， 除了需要選擇露天甲板等無遮擋且光照條件充足的區(qū)域外， 布置位置應避免海水易達到及易被腐蝕的區(qū)域。 某汽車運輸船在駕駛室甲板后部區(qū)域布置多晶硅組件太陽能光伏板，如圖4 所示，是太陽能光伏在船舶上實際應用案例。

圖4 汽車運輸船的太陽能光伏板布置圖

2.1.2 風能發(fā)電

風能發(fā)電與太陽能光伏相比，優(yōu)勢是不受日照影響。 在陸用領域，不論在沿?；騼汝懀碚撋铣Ｄ觑L速達到3 m/s 及以上的地區(qū)就可以安裝風能發(fā)電裝置進行發(fā)電。 一般風能發(fā)電裝置的風機形式有水平軸和豎直軸兩種。 陸用風能發(fā)電設備多選用長度為6～20 m 的三葉式水平軸風機。 在船舶領域，由于布置空間局限性，以及船體振動和船體結構強度等影響無法直接應用陸用的水平軸風力發(fā)電設備。 此外，在船舶風能發(fā)電裝置設計安裝時，既要考慮最大程度利用風能，也要兼顧減少風對船舶帶來的阻力。 因此，船用風能發(fā)電裝置與陸用風能裝置存在很大差異。 綜合船舶結構、船舶振動和船舶風阻等因素，船舶更適宜選用豎直軸風機作為風能發(fā)電裝置［7］。MORING CRYSTAL 號船舶上安裝的豎直軸風能發(fā)電裝置， 設備參數(shù)如圖5 所示， 當風速大于8 m/s 時，豎直軸風機比水平軸風機更有優(yōu)勢。

圖5 船舶風能發(fā)電裝置圖

2.2 電池儲能

由于太陽能光伏和風能發(fā)電等可再生能源無法穩(wěn)定、可持續(xù)地輸送電能，所以船舶虛擬電站設計需要配置一套可靠的儲能系統(tǒng)。 現(xiàn)有儲能技術主要分為，物理儲能、電化學儲能（即電池儲能）和化學儲能等3 類。 目前從儲能技術評價標準來看，船舶應用可行性較高的是電池儲能技術。 電池儲能技術主要依托鎳氫電池、鋰電池和超級電容等二次電池技術的發(fā)展［8］。 表2 為各類主流二次電池比較表。

表2 各類主流二次電池比較表

從標稱電壓、能量密度、使用次數(shù)和環(huán)保性等綜合考慮，目前鋰電池是最適合被用于船舶儲能技術的電池，并且鋰電池作為船舶動力電池已經(jīng)擁有較多應用案例和成熟經(jīng)驗［9］。

儲能電池用于電力調峰和臨時補電等場景較多，一般需要電池具有短時放電能力，因此選擇合適的充放電倍率的鋰電池尤為重要。 此外在電池管理系統(tǒng)（BMS）、能量管理系統(tǒng)（EMS）等系統(tǒng)設計時也需要根據(jù)該船舶實際場景來進行設計。

2.3 船舶虛擬電站智能管控系統(tǒng)

船舶虛擬電站構架如圖6 所示，其中核心部分是船舶虛擬電站智能管控系統(tǒng)。

圖6 船舶虛擬電站構架

虛擬電站智能管控系統(tǒng)是連接供電端和負載端的中樞， 需要具備數(shù)字化信息顯示記錄功能、智能管控功能、制定周期性送配電策略能力。

2.3.1 數(shù)字化信息顯示記錄功能

數(shù)字化可視功能是指通過可靠的、精準的數(shù)據(jù)收集技術和安全穩(wěn)定的通信技術，將發(fā)電機、儲能電池、可再生能源和各類負載數(shù)據(jù)實時發(fā)送至虛擬電站智能管控平臺。 操作人員可以通過人機界面，準確地讀取供電端和負載端各個設備信息，也可以通過查詢平臺數(shù)據(jù)庫了解各個設備的運行歷史記錄，并按需生成個性化報表，通過準確的數(shù)字化信息顯示記錄功能，為制定精確、高效的發(fā)電-儲電-用電的管控策略提供支撐。

2.3.2 智能管控功能

智能管控功能通過船舶虛擬電站智能管控平臺協(xié)調發(fā)電、儲電、用電三者之間的平衡，根據(jù)事先設計的管控策略對電源和負載實現(xiàn)有效管理和高效調配［10］。

在船舶公約和規(guī)范允許的前提下，管控策略遵循以下幾個原則：

1） 當可再生能源發(fā)電時，優(yōu)先考慮使用再生能源。 可再生能源可以直接給負載供電，也可根據(jù)負載需求和供電端電量將多余的電量儲存到儲能電池內。

2） 盡量保持發(fā)電機長期運行在經(jīng)濟油耗功率區(qū)間內，避免短時的負載突加突減。 當發(fā)電機功率高于經(jīng)濟油耗功率區(qū)間時，啟動儲能電池或限制當下不需要的非重要負載運行（在規(guī)范允許的前提下限制部分設備使用）； 當發(fā)電機功率低于經(jīng)濟油耗功率區(qū)間時，可以對儲能電池進行充電或者提前運行一部分負載（比如提前給壓縮空氣瓶加氣、抽取艙底水或提前運行居住區(qū)空調壓縮機等）。

3） 負載管控。 負載類型分為連續(xù)重要負載、非連續(xù)重要負載和非重要負載等3 類。 按照船舶運行工況，合理地管控3 類負載，實現(xiàn)高效的電能分配。

2.3.3 制定并實施船舶周期性送配電策略能力

周期性送配電策略能力，是指基于船舶虛擬電站自身的設備運行歷史數(shù)據(jù)庫，并結合外部系統(tǒng)的相關信息，根據(jù)操作人員的指令，通過強大的信息分析能力和高速計算能力的計算機對未來航行狀態(tài)下各個設備的運行狀態(tài)以及可能出現(xiàn)的問題進行模擬和演算，制定出一套安全、經(jīng)濟、合理的周期性船舶送配電策略的能力，并且將其準確執(zhí)行。 其中，與智能管控平臺相關的外部信息是指船舶航行數(shù)據(jù)、海洋情況和天氣預報等。

因此，船舶虛擬電站智能管控平臺需要與船舶其他外部系統(tǒng)有信息交互能力，并且在平臺界面上能夠讀取外部系統(tǒng)的相關信息。 此外，智能管控系統(tǒng)還應具有自學習能力，能對復雜的送配電系統(tǒng)進行有效的全局控制并具有較強的糾錯能力，從船舶整體能效和運維功能來綜合考量，以實現(xiàn)船舶整體節(jié)能減排的目標。

3 結語

船舶虛擬電站主要由可再生能源系統(tǒng)、電池儲能系統(tǒng)及虛擬電站智能管控系統(tǒng)構成，根據(jù)虛擬電站在陸用領域實際應用的經(jīng)驗， 研究再生能源技術、儲能技術和智能電站管控技術在船舶領域的應用，解決陸用虛擬電站的局限性、特殊性以及轉為船用帶來的相應問題， 探索構建船舶虛擬電站系統(tǒng)，開展船舶虛擬電站應用可行性分析，實現(xiàn)提高能效、節(jié)能減排的目標，為未來船舶電站設計提供一種綜合解決方案。