海上多能源高效互补智能供电系统技术研究

赵淑莉，王冬海，郭明瑞，赵茁

（中国电子科技集团公司电子科学研究院，北京 100043）

1 研究背景

1.1 研究背景

面对海域信息监测与防御问题、常规能源日益枯竭与经济快速发展之间的矛盾加剧，以及常规能源造成的环境污染、成本高昂等问题，开发、推广高效、环保的可再生能源发电技术迫在眉睫，世界各国开始重视可再生能源的开发与利用。海洋幅员辽阔，覆盖地球表面近71 %的面积，蕴含着巨大的能量，因此，海洋能发电作为海上新型清洁能源，成为可再生能源领域的研究热点[1]。

因此，需要大力开发海洋可再生能源，海洋能包括波浪能、潮流能、潮汐能、盐差能、温差能、海上风能、太阳能等。由于海洋环境复杂、施工条件的限制，适合在海上开发利用的海洋可再生能源一般有海上风能、海上太阳能、波浪能和潮流能[2]，但是上述能源存在间歇性与不稳定性等问题，采用单一能源很难提供稳定持续的电能，借鉴陆上多能互补发电经验，采用海洋能多能互补发电技术，对于解决能源供给与维护海洋生态环境产生巨大的推动作用。

1.2 海上多能源高效互补智能供电系统提出的意义

本文提出海上多能源高效互补智能供电系统，重点研究多种电源综合使用、综合电源控制管理、太阳能电池板效率控制、蓄电池充放电管理和应急保障等功能，并根据上级管控指令或系统剩余电量进行全任务、值班、降级、休眠等工作模式切换。

海上多能源高效互补智能供电系统的建立可以解决海洋能发电遇到的技术瓶颈，推动我国海洋能的产业化进程，具有很大的意义。首先，利用多种能源的互补特性，可获得比单一能源发电更稳定的输出，提高供电可靠性与稳定性；其次，海上多能源高效互补智能供电系统具有监测系统，可以在无人值守的情况下远程监控海洋能发电装置工作状态、发电量、转换效率等指标；第三，通过海上多能源高效互补智能供电系统安装与长期运行经验的积累，进行探讨与总结，为后续在恶劣工况下安装海洋能发电装置提供借鉴方法，解决安装困难与经济成本降低等问题。

1.3 主要研究内容

本文重点研究海上多能源高效互补智能供电技术，分为以下两部分。

第一，多能源互补发电技术，离网系统研究主要面向多种能源的互补供电控制策略、系统状态监控、安全性要求、环境适应性能力和蓄电池选型等方面，并针对目前市面上的光伏、风能、波浪能、潮流能、柴油机、各类蓄电池和离网系统设备的功能、性能及应用场景进行分析，为海洋能高效多能源互补与智能供电系统设计提供技术支撑。

第二，高效的能源效率控制研究，能源效率控制研究主要包括发电效率控制研究和转换效率控制研究。发电效率控制研究主要针对光伏系统、风能系统和柴油机系统、波浪能发电装置、潮流能发电装置不同的接入电路进行分析，通过调整接入电路实现光伏系统和风能系统最大输出功率的自动跟踪以及油机发电、波浪能、潮流能等效率控制；转换效率控制研究主要根据系统内的发电设备、储能设备和负载的电气接口特性，合理配置母线类型和电压，控制系统内AC/DC和DC/DC转换次数和效率，达到满足系统供电需求的情况下系统损耗最低的要求[3]。

2 海上多能源互补发电技术研究现状

2.1 可再生能源的特点

太阳能、风能、潮流能、波浪能等海洋可再生能源，虽然取之不尽、用之不竭，但是，具备分布不连续、不稳定性、间歇性等特点。

2.2 多能源互补发电技术的优点

我国岛礁主权争议区域、我军潜艇活动海域目前迫切需要进行长期综合监管和安全防护，但是受限于电能供应不足，大功率监视探测设备均无法长期布放于中远海域。同时，在电网无法覆盖的海岛地区，电能的短缺严重制约当地居民的生产生活。充分利用海上可再生能源丰富的特点，将风能、太阳能和潮流能等发电方式互补与配合运行，充分利用各自的优点，补充其短板，克服单一发电装置运行所带来的电能输出稳定性差和供给不足等问题，并由控制系统统一管理和维护，具备运行成本低、能源利用效率高、电能输出稳定等优点。

2.3 多能源互补发电技术的研究现状和趋势

目前，国外对多能源高效互补智能供电技术的研究主要致力于系统结构和容量的优化设计、稳定供电等。美国和澳大利亚学者对互补发电系统的储能方式的实现以及性能进行了研究；在小型风光互补发电系统的运行成本、可靠性和扩容方面，加拿大进行了研究；在以成本最小为目标对互补发电场的容量进行优化配置方面，希腊进行了研究[4]。

当前我国多能源高效互补智能供电技术的研究多集中在系统的优化设计以及监控管理等方面。我国在位于长江源自然保护站的两套小型风光互补发电站最早采用了互补发电技术；第一个实现商业化运行的多能互补发电系统是广东南澳岛并网运行大型风光互补发电系统。

综上所述，目前多能源高效互补智能供电技术面临的主要挑战，是提升系统效率、降低成本、提高可靠性与稳定性及系统使用寿命，同时还需要增强能源管控研究，提升电能输出的质量。

3 海上多能源高效互补智能供电系统关键技术

海上多能源高效互补智能供电系统通过太阳能、海上风能、波浪能、潮流能、柴油发电机和蓄电池多种供电结合的方法进行供电，通过多能互补发电技术与高效能源效率控制关键技术研究，可提供持续稳定的供电电压。

3.1 多能源互补发电技术

离网系统研究主要面向多种能源的互补供电控制策略、系统状态监控、安全性要求、环境适应性能力和蓄电池选型等方面，并针对目前市面上的光伏、风能、潮汐能、海水电池、柴油机、各类蓄电池和离网系统设备的功能、性能及应用场景进行分析，为锚泊浮台信息系统能源设备设计提供技术支撑。

供配电系统配有蓄电池、太阳能电池板和船载柴油发电机、潮流能、波浪能等多种电源供电，并通过蓄电池进行供电，太阳能电池板可同时为系统供电和给蓄电池充电，当蓄电池电量不足时可通过船载柴油发电机进行充电，具备供电过压过流保护，保证对外提供多种安全工作电压。

3.2 高效的能源效率控制研究

能源效率控制研究主要包括发电效率控制研究和转换效率控制研究。发电效率控制研究主要针对光伏系统、风能系统、波浪能、潮流能、柴油机系统不同的接入电路进行分析，通过调整接入电路实现光伏系统和风能系统最大输出功率的自动跟踪以及油机发电的效率控制；转换效率控制研究主要根据系统内的发电设备、储能设备和负载的电气接口特性，合理配置母线类型和电压，控制系统内AC/DC和DC/DC转换次数和效率，达到满足系统供电需求的情况下系统损耗最低的要求。

海上多能源高效互补智能供电系统中电源控制管理功能主要包括负载电源远程遥控开关控制、油机远程开关、通风、照明电路自动控制，油机整流模块自动开关机控制，太阳能整流模块自动开关机控制，锂电池过充、过放、过流、短路、过温、电池均衡电路自动控制和供配电系统状态上报功能。会按前期设定好的开机顺序，依次为各设备打开电源，具有接收上级控制指令功能，可根据下发指令对各设备进行开关电源操作，并上报各设备电源开关状态。具有监测蓄电池电量和遥控开关船载柴油发电机功能，当太阳能电池无法正常供电，蓄电池电量即将耗尽时，自动启动船载柴油发电机，蓄电池电量充满后自动关闭船载柴油发电机。具有状态上报功能，系统会定时将监测到的系统当前剩余油量、蓄电池电量、太阳能输出功率和状态、各个蓄电池状态、分系统内各设备状态、油机开关状态和输出功率、其它分系统各设备功耗情况和电源开关状态等信息上报数据汇聚处理分系统。当检测到系统内部出现异常、蓄电池电量过低和柴油箱油料严重不足时，系统会自动生成告警信息上报。

太阳能电池板的功率输出特性是非线性的，且易受温度、光照强度、负载等多种因素影响，由此，为了提升利用效率，需要对太阳能电池板的最大功率点进行跟踪（MPPT）[5]，通过加电压扰动的方式检测当前光照和温度条件下太阳能电池板最大输出功率电压。并根据检测结果对当前太阳能电池板输出电压进行调整，保证太阳能电池板具有最好的供电效率。

3.3 多能高效互补智能供电系统设计

海上多能高校互补智能供电系统是一个微型离网智慧发电系统，如图1所示，为海洋内孤立存在的平台而设计的可自主运行的能源电站系统。系统采用太阳能、波浪能、潮流能、油机和蓄电池互补方式发电。系统发电优先供应设备使用，超出的功率用于给储能系统充电。同时具有储能、能源控制管理功能。蓄电部分充满时，可满足系统正常用电需求；能源控制管理可对能源分系统实现信息采集、故障判断、故障报警、系统保护等，保证能源系统正常运行。

供配电系统发电部分采用太阳能电池板、风能、波浪能、潮流能、船用柴油发电机、岸电等多种方式为蓄电池充电，具备同时为系统供电和蓄电池充电的能力，供配电系统可通过外加电压扰动的方式检测当前光照和温度条件下太阳能电池板最大输出功率，并根据检测结果对当前太阳能电池板输出功率进行调整，保证太阳能电池板最大功率输出。蓄电部分具有具有蓄电池保护能力，包括：电压欠压保护，电压过压保护，充电过流保护，放电过流保护，充放电高温保护，充放电低温保护，电池容量低告警、电池过流告警、电池短路告警。负载供电可对外提供AC 220 V和DC +48 V、DC+24 V、DC+12 V多种供电，并具备供电过压过流保护能力，具有远程接收上级控制指令功能，可根据下发指令对各设备的供电电源模块进行开关电源操作，具备状态上报，能上报太阳能发电设备和油机的输出电压、电流和功率，以及发电设备的运行、告警状态；能上报当前储电设备的剩余电量状态、电池容量状态、电池单元的工作状态等。当电量低于系统设置的底线可上报警示信息；具有监测油箱剩余油量，并能上报油箱内当前油量；能上报当前系统各路电源模块输出的电流、电压。具有监控管理功能，且控制方式具有自动和手动两种模式，具备电池温度补偿、电池监测、电源系统异常运行时异常情况处理等功能；具有告警和故障检测、设置功能，当下级设备产生告警信息，监控单元根据所存储的设置数据进行告警级别识别，发出告警信息，系统具备能够对产生告警信息的设备进行故障检测和修复功能，并且所有的告警级别都可以手动设置和取消。

图 1 海上高效多能源互补智能供电系统简图

4 结论

为实现中远海域信息监测与防御设备的能源自保障与海岛供电，需具备多种能源供电，并提高能源的利用效率，通过海上多能源高效互补智能供电与控制关键技术研究，研制可实现中远海地区海域信息覆盖的海上信息节点能源系统。该能源系统可提供5 kW常态输出，最高可提供10 kW的功率输出，在阴雨天等恶劣天气下可连续工作，通过蓄电池组提供不间断供电能力，并由柴油发电机在电能不足的情况下进行补充，满足不同工作模式下的能源供给。