应用于水上加油船的光储柴一体化智能微电网的研究

潘少峰

(江苏林洋新能源科技有限公司，南京 210004)

0 引言

随着我国水上运输业的蓬勃发展，为了方便船只的燃油补给，国内各石油公司也在重要航道中布局了水上加油站，由于水上加油站一般是设立在船上，因此其也被称为水上加油船。比如，在长江的航道中就分布有数量众多的水上加油船，这些水上加油船在长江中固定的位置停泊，方便过往的船只寻找。此种水上加油船的船体一般分为4层，从上往下依次为瞭望塔、生活区、加油区及装柴油的船舱。

由于水上加油船远离岸边，无法通过电网进行供电，所以水上加油船所需电力主要是由船上安装的柴油发电机提供。但此种发电机不能连续24 h开启，且每天用于发电的柴油量是定额的。因此，柴油发电机只能在保证每天用于发电的柴油量不超限的前提下有计划地启动。

尽管由柴油发电机供电相对方便，但其存在发电效率低、带载功率低、运行噪音大等缺点，而且柴油发电机排放的废气还会对环境造成污染。因此，为了提高柴油发电机对用于发电的定额柴油量的利用率，船上的用电设备一般需要集中使用，因此船上的工作人员在夜间或非工作时间只能尽量减少甚至不使用柴油发电机，导致船上的工作人员在日常生活中常处于少电或无电的不利环境中。为了改善这一不利状况，同时积极开展节能减排工作，在加油船舶上应用新能源将成为绿色船舶未来发展的一个重要方向[1]。

袁成清等[2]研究分析了船用光伏组件的可靠性，提出了光伏发电可以作为船舶的电力来源之一。张彦等[3]研究了船用微电网的构建，提出在船上引入光伏发电系统、储能电池系统和电能转换设备，并与柴油发电机相结合，形成光储柴船用微电网，这样既能大幅减少柴油的消耗，提高节能减排的效果，又能增强船上的供电可靠性，改善船上人员的生产和生活用电环境。

上述文献主要是通过调研或理论分析得出的结论，并无实际的应用案例。基于此，本文以中石化江阴石油分公司在长江如皋段的水上加油船采用的光储柴一体化智能微电网试点项目的应用为例，通过对该微电网的实际运行数据进行统计分析，探索了光储柴一体化智能微电网在水上加油船应用的价值。

1 水上加油船光储柴一体化智能微电网的介绍

中石化江阴石油分公司在长江如皋段的水上加油船长时间以船头朝东、船尾朝西的状态锚固停泊在长江如皋段航道中，通过对这些水上加油船进行调研后发现，船上的用电设备主要分为必保设备和非必保设备两大类。必保设备是指必须优先保障可靠用电的设备，主要是生产负载；非必保设备主要是生活负载，船员需根据生活需要适度用电。通过调研发现，水上加油船上的常见负载包括约18项，对负载的类型、每小时耗电量及日总耗电量等信息进行了统计，具体如表1所示。

表1 水上加油船的负载类型、每小时耗电量及日总耗电量情况Table 1 Type of load, electricity consumption per hour and total daily electricity consumption on refueling ship above water

从表1可以看出，必保设备的日总耗电量最大约为65 kWh，属于必须优先保证的设备；而非必保设备的日总耗电量约为116 kWh，因此水上加油船负载的最大日总耗电量约为181 kWh。

考虑到清洁电力利用的最大化，并保证可满足水上加油船的电力需求，该水上加油船的电力供应采用了光储柴一体化智能微电网。该微电网集成了光伏发电系统、储能系统、柴油发电机及智能微网管理系统，是一个能保证3天持续供电的船用智能微电网。该微电网可实现智能化运行，对供电实行智能化分级管理，在优先保证必保设备可靠供电的同时，最大化地利用光伏发电给负载供电，以节省消耗柴油所产生的高额费用。因此在天气晴好时，该微电网能保证水上加油船上所有电气设备的用电；而在阴雨天，光伏发电量不足时，该微电网能自动切断非必保设备的用电，从而保证必保设备的用电，实现了能源的合理分配和最大化利用。而且考虑到水上加油船的特殊应用场景，光储柴一体化智能微电网在运维方面采用了免维护设计，能够根据预设的控制策略自主运行，实现了在无人值守时仍能智能化运行。运维管理人员可以通过远程能效监控平台在线实时监测所有设备的运行数据及工作状态。

2 光储柴一体化智能微电网的各组成部分

可应用于水上加油船的光储柴一体化智能微电网集成了光伏发电系统、储能系统、柴油发电机、智能微网管理系统，主要由光伏组件、储能电池、柴油发电机、光储柴一体机、变压器、智能开关及智能微网控制器等组成。光储柴一体化智能微电网的结构图及电气接线图分别如图1、图2所示。

图1 光储柴一体化智能微电网的结构图Fig. 1 Structure diagram of PV-storage energy-diesel oil integrated smart microgrid

图2 光储柴一体化智能微电网的电气接线图Fig. 2 Electrical wiring diagram of PV-storage energy-diesel oil integrated smart mircogrid

2.1 光伏发电系统

光储柴一体化智能微电网中光伏发电系统的设计主要涉及光伏组件的选型与排布，以及光伏支架结构的选择。

2.1.1 光伏组件

水上加油船的第1层和第2层甲板上适合铺设光伏组件，且不会产生阴影遮挡。考虑到水上加油船上设备的用电量较大，而船体可供铺设光伏组件的面积却有限，因此需要最大化设计光伏发电系统的装机容量，而光伏组件则可以采用双面单晶硅光伏组件。目前对于60片电池的双面单晶硅光伏组件而言，其正面标称功率可达310 Wp及以上，而60片电池的单面单晶硅光伏组件的最高标称功率只有285 Wp，前者的标称功率相较后者的提升了约8.8%。

此外，双面光伏组件具有双面发电特性，背景反射率越高，双面光伏组件的背面发电量就越大，根据背景反射率的不同，双面光伏组件可以增加10%～30%的发电量[4]，因此，此类光伏组件非常适合应用在水上加油船这种可供光伏组件安装的面积有限的场景中。本光伏发电系统在综合考虑装机容量、风荷载影响、光伏组件的自清洁和免维护能力等因素后，决定选用型号为LYGF-QP60-310的双面单晶硅光伏组件，其主要技术参数如表2所示。

表2 双面单晶硅光伏组件的主要技术参数Table 2 Main technical parameters of bifacial monocrystalline silicon PV module

光伏组件均按照朝南方向排布，排除水上加油船船体广告牌的阴影遮挡后，依据GB 50797-2012《光伏发电站设计规范》的要求，船体第1层和第2层甲板上可铺设共154块双面单晶硅光伏组件，年均发电量约为53 MWh。水上加油船上双面单晶硅光伏组件的排布情况如图3所示。形式不同于其他常规光伏支架的形式，需要进行特殊设计。首先，该光伏支架需满足GB 50017-2017《钢结构设计规范》及GB 50009-2015《建筑结构荷载规范》等现行国家规范的相关要求；其次，需要考虑水上加油船的工作环境中光伏支架需要承受的基本风压、雪压及光伏组件荷载等关键参数；最后，还要结合船体自身结构及使用性能等进行光伏支架的整体设计，从而确保光伏支架的结构强度、支架倾角及光伏组件的安装方式等满足规范的要求。

图3 水上加油船上双面单晶硅光伏组件的排布情况Fig. 3 Arrangement of bifacial monocrystalline silicon PV modules on refueling ship above water

本光伏发电系统中的光伏支架采用固定式支架设计，支架主体结构采用Q235B热镀锌钢材，螺栓采用镀锌防腐处理，光伏组件压块采用EPDM材质的双面光伏组件专用压块。根据水上加油船作业时的船身姿态及光伏组件的排布效果，支架倾角设置为5°。

此光伏支架的基本受力形式为：光伏组件的长边通过压块栓连于支架檩条上，支架檩条的两端铰接于主钢架梁上，主钢架梁落于钢立柱上，钢立柱柱脚与加油船瞭望台甲板上的钢天棚棚顶焊接；在钢立柱柱顶节点处纵横2个方向设置斜撑，用于连接主钢架梁与钢立柱，以保证光伏支架平台的整体稳定性。水上加油船用光伏支架的结构示意图如图4所示。

2.2 储能系统

本储能系统的设计主要涉及储能电池与光储柴一体机的选型，以及可保障储能电池安全使用的设备的配置。

2.2.1 储能电池的选型

水上加油船必保设备的日总耗电量最大约为65 kWh，但为保证这些设备的用电量，此处取70 kWh，而且考虑到阴雨天光伏发电不足等情况，需要储备连续3天的耗电量，即210 kWh；而船上负载的日总耗电量最大约为181 kWh。因此在两者中选较大值作为储能电池的容量设计输入。

目前，电化学储能电池的主流技术有铅酸电池、锂电池、铅炭电池等。1)铅酸电池商业化最早，价格低廉，但是容易出现正极活性材料腐蚀和负极活性材料硫酸盐化的问题，导致该类电池的循环充放电寿命缩短。2)锂电池依靠锂离子来存储和释放能量，具有比能量高、充放电效率高的特点，但需要解决安全性和成本高的问题[5]。3)铅炭电池是在铅酸电池的基础上将碳材料加入到电池的负极板，属于新研发和工艺改良后的产品，具有更好的安全性能和更长的循环寿命，是可实现深循环、储能应用的新一代、高性能蓄电池，非常适合作为分布式光伏发电系统及智能微电网等的储能电池[6]。

由于水上加油船属于燃油存放场所，需要排除火灾及爆炸隐患，因此综合考虑上述3类储能电池的循环寿命及安全性后，选择以铅炭电池作为本储能系统的储能电池，其主要技术参数如表3所示。

表3 铅炭电池的主要技术参数Table 3 Main technical parameters of lead-carbon battery

依据铅炭电池的技术参数，考虑能量转换损耗，按70%的放电深度综合计算后发现，本储能系统共需要174块规格为2 V/1000 Ah的铅炭电池，这些电池的总容量约为348 kWh。

2.2.2 光储柴一体机的选型

光储柴一体机是本光储柴一体化智能微电网中能量控制和能量转换的关键设备。常规的光储控制一体机主要是外接光伏组件、储能电池和用电设备，同时若设置有市电接口就接入市电，以提供电能补充[7]。而本光储柴一体化智能微电网中的光储柴一体机除了可对光伏发电系统、储能系统的能量进行控制和转换外，还增加了对外接的柴油发电机的控制。该光储柴一体机的功能特点包括：

1)可将光伏组件的直流电逆变成交流电后供水上加油船上的负载使用；

2)可将光伏组件输出的直流电充入储能电池；

3)可将柴油发电机的交流电转换为直流后充入储能电池；

4)可将储能电池内的电量逆变成交流电供水上加油船上的负载使用；

5)当光伏电力和储能电池的电能都用完后，切换至柴油发电机供电，光储系统输出与柴油发电机输出之间的切换时间在10 ms以内。

综合考虑光伏发电系统的装机容量、储能电池的容量、负载工作时的功率及柴油发电机的功率以后，选用了容量为60 kVA的光储柴一体机，其主要技术参数如表4所示。

此外，水上加油船使用的光储柴一体机还应具备短路、过温、过流、过欠压、过欠频、相序异常等保护功能；同时该光储柴一体机还应具有维修旁路的模式，能确保光储柴一体机在不停机的情况下可进行检修。

2.2.3储能电池保障设备

考虑到储能系统的运行安全，储能电池应统一放置在船体中独立的电池室内，并安装空调来保证室内的环境温度控制在20～30 ℃，这样有利于延长电池的使用寿命。电池室的墙壁上应装贴防火防爆棉，同时在电池室内装配动环设备，如水浸探测器、温湿感探测器、红外对射仪器、烟感探测器等，对电池室内的环境变量实施实时在线监测，一旦发现故障及时蜂鸣报警，提示船上人员采取必要的措施解决故障问题，从而可显著提高储能系统的维护质量。

表4 光储柴一体机的主要技术参数Table 4 Main technical parameters of PV-storage energydiesel oil integrated machine

2.3 柴油发电机的配置

本文所述水上加油船配置有2台功率分别为50 kW和75 kW的柴油发电机，其输出电压均为380 Vac的三相三线电压。根据船舶用电规范，船舶配电系统必须采用三相三线的方式供电，以保证船上工作人员的用电安全；生活负载通过变压器可获得220 V的交流电。

2.4 智能微网管理系统的构成

智能微网管理系统是对微电网进行数据采集、设备监控和调度的自动化管理系统。其主要由智能微网控制器和远程能效监控平台组成。管理系统对光伏组件、光储柴一体机、储能电池、柴油发电机及船上负载等设备的运行数据和工作状态进行采集，实现光储系统发电与柴油发电机供电的智能切换，对整个电力系统进行远程管控，使其运行更高效、经济、安全、可靠。智能微网管理系统的架构如图5所示。

图5 智能微网管理系统的架构Fig. 5 Architecture of smart microgrid management system

2.4.1 智能微网控制器

智能微网控制器是智能微网管理系统的控制中心，通过运行预设的自动化控制策略实现对整个微电网的智能化管控。智能微网控制器实时监测光伏发电系统的发电状态、储能系统的电量状态及柴油发电机的运行状态，在优先使用光伏发电的原则下，按照以下控制策略进行工作：

1)平时柴油发电机不工作，仅由光伏发电系统提供电力给水上加油船上的负载使用，余电给储能电池充电。

2)在阴雨天或夜晚时，释放储能电池中的电量给船上负载使用；同时设定储能电池的保障电量预警值Q，当储能电池电量低于该值时，发出警报提醒船上工作人员关闭非重要的大功率负载，比如空调等，以确保必保设备的用电正常。

3)当储能电池放电到生活负载需要全部关闭的电量预警值Q1时，智能微网控制器会下发指令给智能开关，直接断开生活负载。

4)当储能电池放电到最低电量预警值Q2时，智能微网控制器会自动启动柴油发电机。当柴油发电机达到稳定运行状态时，智能微网控制器会追踪柴油发电机的输出波形，以及光储柴一体机与柴油发电机之间的相位差，当这二者的相位一致时，智能微网控制器会快速切换电源，负载由柴油发电机供电。

5)当柴油发电机轻载时，智能微网控制器按照预设的控制策略控制柴油发电机给负载供电，剩余电能给储能电池充电。

6)当储能电池电量恢复至Q1时，智能微网控制器自动关闭柴油发电机，继续由储能电池供电，以提高柴油机的发电效率并延长其使用寿命。

2.4.2 远程能效监控平台

由于水上加油船长期固定在长江中，因此实时登船检测较为困难，为方便运维人员及时发现运行设备的故障，远程能效监控平台是行之有效的工具。智能微网管理系统对光伏组件、铅炭电池、柴油发电机、光储柴一体机、用电负载等设备的运行数据进行采集，对这些设备的工作状态进行监控，再通过GPRS无线通信方式上传到远程能效监控平台，就可以实现实时在线监测系统的运行状态，统计分析系统的运行数据，及时发现系统故障，增强系统的稳定运行可靠性。综合考虑水上加油船运维管理的需求，本光储柴一体化智能微电网的远程能效监控平台需具备以下功能：

1)数据采集及处理功能。对光伏发电系统、储能电池、柴油发电机、光储柴一体机进行电力信息的采集、统计、分析，同时对设备进行状态监测。这些电力信息包括上述设备的发电量、输出功率、输出电压及输出电流等数据。

2)图形显示功能。主要包括光伏发电系统的电压、电流及发电量，负载的耗电量，柴油发电机的电压、电流及发电量，光储柴一体机的工作电压、电流，以及储能电池的充、放电电流等的曲线或柱状图显示。

3)告警和告警记录功能。对各种数字量变位及故障自诊断事件、异常事件进行实时告警，提示运维人员及时处理。告警记录包括实时告警窗口和历史事件检索窗口。

4)历史数据记录功能。记录并保存采集到的数字量历史数据，以供调用与分析。

5)报表管理功能。包括报表编辑、报表浏览和报表服务等，支持报表的导入、导出、自动生成和自动打印等功能。

6)数据收发功能。支持通过以太网/GPRS协议收发本地数据，以实现远程集中监控功能。

7)系统管理功能。包括系统参数配置、用户及权限管理、系统自诊断和自恢复、系统备份和还原等。

3 光储柴一体化智能微电网的实际运行效果评估及分析

在该水上加油船采用光储柴一体化智能微电网项目正常运行后，利用远程能效监控平台对该微电网的实际运行效果进行评估与分析。

3.1 晴天时微电网的运行效果

选取2020年1月19日作为测试日期，测试当天的天气晴朗，监测到晴天时该微电网的运行状态曲线如图6所示。

图6 晴天时微电网的运行状态曲线Fig. 6 Operating state curve of microgrid in sunny day

从图6中可以看出，09:00～15:00，光伏发电量明显大于负载用电量，此时多余的光伏电力将给储能电池充电；16:00之后，光伏发电量开始低于负载用电量，此时储能电池也将从充电模式改为放电模式，为负载提供电力。

3.2 阴雨天时微电网的运行效果

2020年1月25-27日这3天为连续阴雨天，选取1月27日时微电网的运行状态曲线进行分析，具体如图7所示。

图7 阴雨天时微电网的运行状态曲线Fig. 7 Operating state curve of microgrid in rainy day

从图7可以看出，由于受连续阴雨天的影响，1月27日这天的光伏发电量基本没有余电可以给储能电池充电；在01:00～07:00和18:00～24:00时段，均由储能电池释放电量为负载供电，同时也验证了所选储能电池完全可以满足连续3个阴雨天时为水上加油船的必保设备供电。

3.3 项目经济性分析

水上加油船未安装光储柴一体化智能微电网之前，船上用电只能通过柴油发电机来提供，用电成本非常高。以船上配置的50 kW柴油发电机为例，其1 h的耗油量约为13 L，有效发电量约为10 kWh；根据2020年4月30日的柴油价格5.07元/L计算，可以得出水上加油船上柴油发电机的度电成本为6.59元/kWh。而水上加油船上负载的日总耗电量约为181 kWh，年耗电量约为66065 kWh，因此为水上加油船供电的柴油年投入成本约为43.5万元。

而水上加油船安装了光伏储柴一体化智能微电网后，船上的供电能力显著增强，“光伏发电系统+储能系统”的年均发电量约为53000 kWh，可供船上所有负载使用；当船上用电不足时再由柴油发电机来补充电力，有效降低了柴油消耗量。该水上加油船光储柴一体化智能微电网项目采用以节省的柴油费用支付项目总成本的节能投资方式，包括光伏发电系统和储能系统在内，整个项目的总投资为113万元。若“光伏发电系统+储能系统”的年均发电量仍由柴油发电机来提供，则每年花费的柴油费用约为34.93万元；而该微电网运行后，就节省了这部分费用，即节省的柴油费用就是项目节能的收益来源；经过计算，实际只需要3.23年，节省的总柴油费用就可以完全支付本项目的全部投资成本，经济性优异。考虑到微电网运行后可为船上带来24 h的可靠电力，还可以降低由柴油燃烧产生的废气污染，其社会效益和环境效益同样很高。

4 应用前景

对于在船舶上安装光伏发电系统供电，国内外均已有示范应用项目，但项目以旅游观光船为主，光伏电力为船用动力设备或船用照明设备供电，同时光伏发电系统的构成也较为简单。对目前已有的船舶安装光伏发电系统供电的项目进行了汇总，具体如表5所示。

表5 已有的船舶安装光伏发电系统供电的项目Table 5 Existing projects of ships are installed with PV power generation system for power supply

中石化江阴石油分公司在长江如皋段的水上加油船采用的光储柴一体化智能微电网试点项目，有效集成了光伏发电系统、储能系统、柴油发电机及智能微网管理系统，截至2020年5月，该微电网已安全运行将近半年，是在水上加油船的首次成功应用。目前我国的水上加油船约有3000多艘，按每条船的光伏发电系统装机容量50 kW计算，潜在装机容量将近150 MW，可节约柴油用量约17.76万t；对于安装一套光储柴一体化智能微电网，按每条船投入资金约113万元计算，预计可有将近33.9亿的市场投资规模，随着水上加油船每年规模、数量的不断扩大，光储柴一体化智能微电网的市场应用前景也将愈发广阔。

5 结论

本文对中石化江阴石油分公司在长江如皋段的水上加油船采用的光储柴一体化智能微电网的构成、经济性及运行效果进行了分析，结果显示，该微电网能有效减少柴油用量，同时可提升船上电力系统的稳定性，有效改善了船上人员的生产、生活用电条件，在具备经济效益的同时也有显著的环境效益和社会效益。这也为在船舶上利用新能源，做好船舶的节能减排工作提供了全新的应用模式。