摘 要

航运业作为全球运输的支柱产业，船舶每年消耗燃油数万吨，由此带来的排放污染问题严重。在国务院颁布的《中国制造2025》中，将绿色化高技术船舶指定为重点发展领域，其中船用太阳能光伏发电技术是具有潜力的绿色船舶技术。

本文参考了太阳能光伏发电系统的组成及原理，分析光伏发电系统的电力管理模式，结合船舶电力系统组成，对船舶光伏发电系统的集成技术进行分析；同时设计并网光伏发电系统整体结构，对船舶光伏控制器核心算法、功能进行设计，对船舶光伏逆变器核心控制策略开展研究。

本文借助工程制图软件CAD对2200PCTC汽车滚装船并网光伏发电系统工程进行设计，分析该系统不同工况下的运行模式。针对滚装船需求进行系统核心装置的选型适配，包括设计光伏阵列的布置方式、对光伏阵列总功率进行测算等；研究了并网系统内船舶光伏逆变器的协调控制策略，分析超级电容的充放电功率控制模式，所得结果对未来实船实装具有重要的指导意义。

关键词：船舶电力系统；光伏发电；逆变并网；控制策略

Abstract

As a pillar industry of global transportation, the shipping industry consumes hundreds of millions of tons of fuel every year, and the resulting pollution problems are serious. In the "Made in China 2025" promulgated by the State Council, green high-tech ships are designated as key development areas, and marine solar photovoltaic power generation technology is a potential green ship technology.

This paper refers to the composition and principle of solar photovoltaic power generation system, analyzes the power management mode of photovoltaic power generation system, combines the composition of ship power system, analyzes the integration technology of ship photovoltaic power generation system, and designs the overall structure of grid-connected photovoltaic power generation system. The core algorithm and function of the PV controller are designed to study the core control strategy of the ship PV inverter.

In this paper, the engineering drawing software CAD is used to design the 2200PCTC automobile ro-ro ship grid-connected photovoltaic power generation system project, and the operation mode of the system under different working conditions is analyzed. The selection and adaptation of the core equipment of the system is carried out for the requirements of the ro-ro ship, including the layout of the PV array and the measurement of the total power of the PV array. The coordinated control strategy of the ship PV inverter in the grid-connected system is analyzed. Capacitor charging and discharging power control mode, the results obtained have important guiding significance for future ship installation.

Key Words： Ship power system; photovoltaic power generation; inverter grid connection; control strategy

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2国内外光伏发电技术研究现状 2

1.3国内外太阳能船舶研究现状及发展前景 3

1.3.1国外太阳能船舶现状 3

1.3.2国内太阳能船舶现状 4

1.3.3太阳能船舶应用技术前景 5

第2章 船舶光伏发电技术理论研究 6

2.1 太阳能光伏发电技术 6

2.1.1 太阳能光伏发电系统组成 6

2.1.2 太阳能光伏发电系统类型 6

2.2 船舶电力系统分析 7

2.2.1船舶电力系统组成 8

2.2.2船舶电力系统主要特点 8

2.3船舶光伏发电系统集成技术分析 9

2.3.1不同工况对系统稳定性影响 9

2.3.2光伏发电系统对船舶电网影响 10

第3章 船舶光伏并网系统 11

3.1 船舶光伏并网系统总体设计 12

3.2船舶光伏并网系统核心技术原理 12

3.2.1 船舶光伏控制技术 12

3.2.2 船舶光伏逆变技术 13

第4章 2200PCTC汽车滚装船并网系统设计 14

4.1汽车滚装船概况 14

4.2 2200PCTC汽车滚装船并网系统总体结构 14

4.3 系统运行模式 15

4.4并网系统核心装置选型 16

4.4.1 光伏阵列组件 16

4.4.2 船舶光伏逆变器 17

4.4.3 船舶光伏控制器 18

4.4.4 超级电容储能系统 19

4.5系统接线原理设计 21

第5章 总结与展望 22

5.1 总结 22

5.2 展望 21

参考文献 23

致谢 24

第1章 绪 论

随着经济社会的高速发展，能源危机及环境污染成了困扰世界各国的两大难题，推进清洁能源产业发展，是解决全球性质的化石能源危机、减少大气污染的最有效手段，也是人类未来可持续发展的必由之路。

1.1研究背景及意义

航运贸易经济在全球经济中具有突出的战略意义，船舶作为航运贸易的主要物流运输及交通作业工具，具有载运量大、单位里程能耗少和成本低等优势，全球70%以上的贸易运输通过海洋运输。然而，船舶营运过程中排放的大量污染物会造成水体及空气污染，严重危害人类健康和陆地环境。根据国际海事组织（IMO）的最新统计数据表明：全球因船舶水运而产生的碳氧化物排放占比全球碳氧化物排放总量的2.7%，氮氧化物排放占比全球氮氧化物排放总量的15%，硫氧化物排放占比全球硫氧化物排放总量的13%。这促使国际国内海事法规日益严苛，倡导发展和应用绿色船舶技术是航运业大势所趋。

在国家的第十三个五年规划纲要（简称“十三五”规划）中曾明确指出，到了2020年，国家的单位GDP碳系数排放量相比较2005年单位GDP碳系数排放量必须下降百分之四十五，国内的生产总值能耗占比比例相比较2015年必须下降百分之十五，全国全年能源消耗总量控制在五十亿吨标准煤以内。同时，为了降低由船舶产生的碳氧化物、硫氧化物、氮氧化物、漂浮颗粒物和挥发性有机物等大气污染物的排放，使附近的沿海城市及内河港口城市的空气质量得到持续高效的改善，交通运输部于2018年12月10日正式实施《船舶大气污染物排放控制区实施方案》（交海发〔2018〕168号）如图1-1所示，调整了排放控制区地理范围、污染物控制区域、排放控制标准、排放控制实施时间、要求等方面，使得各级政府部门及相关海事企业面对巨大减排压力。

图1-1 沿海排放控制区域示意图

在国务院最新颁布的，“让中国成为制造业强国”战略的第一个十年行动纲领《中国制造2025》中，将高新技术船舶和海洋工程装备作为未来十大主要发展领域之一，明确将绿色、环保、节能作为高新技术船舶领域内下一步的发展重点。通过发展绿色降能环保型船舶和绿色水道航运技术作为未来水上运输的新方向，同时，继续探索新能源关键技术，将核能、太阳能、风能、生物质能和燃料电池等进行更广泛应用。在最新型的绿色降能环保型船舶中，以太阳能为首的新能源应用最具有革新性和代表性。在太阳能发电的整个过程中，全程清洁环保，且无机械磨损耗材、噪音噪声污染及相关污染物排放等问题，做到了真正意义上的绿色发电，尤其当以滚装船作为光伏发电系统的载体时，具备独有优势，其上层甲板较为平整且感光区域大，驾驶甲板可施工利用空间足，可以布置更多的光伏阵列组件，实现大规模化的光生伏特效应。同时，太阳能装备与其自重相比相对较小，若通过合理的设计布局，不会影响到外形及稳性，对船舶的安全行驶无影响。

在船舶上应用并网型光伏发电系统，是在不改变常规船舶电力系统既有架构的基础上，集成整套光伏系统设备并能够始终高效利用光伏电能。如果在滚装船上实现船舶电网与光伏发电系统的成功并网，就可以降低传统柴油机组的设计功率，在营运过程中，以最高效度地利用柴油发电机组和光伏发电系统产生的电能，实现滚装船在自身航行周期内燃油消耗的显著降低以及大气污染物排放的高效减排。同时，并网光伏发电系统相较于离网光伏发电系统，无储能设备、能源利用率更高，对航运公司来说投资回收期也相对较短。未来，随着科学技术的进步，太阳能光伏阵列的电能转换效率必将提高，应用光伏发电系统的滚装船更是具有良好的市场前景，这对绿色船舶整个行业的发展也极具重要意义。

1.2国内外光伏发电技术研究现状

太阳能属于可再生能源的一种，具有分布广泛就地可取、能源总储存量大、清洁无污染等主要特点，是目前人类所知，可利用能源中的最理想选择。自20世纪50年代美国贝尔实验室三位科学家成功研发出单晶硅电池以来，光伏发电技术整体经过不断的改良与进步，在目前已经形成完整且成熟的技术体系。随着全球可持续发展战略的实施，该套技术体系得到了世界各国政府的鼎力支持，在全球范围内得到了广泛的推广应用，尤其是在二十一世纪发展激速，将整个光伏产业以令世界惊异的速度向前推进。在2000年至2016年，全球累计装机容量自1,250兆瓦增至304,300兆瓦，年复合增长率高达 40.98%。在2016年，全球光伏新增的装机量约为73GW，其中中国新增的装机量约为34.54GW、美国新增的装机量约为14.1GW、日本新增的装机量约为8.6GW、欧洲新增的装机量约为6.9GW、印度新增的装机量约为4GW。

中国是全球光伏发电产业增长速度最快的国家，虽然整体行业受到国内光伏市场加速扩大的压力及国际新兴市场快速崛起的威胁影响而几经波折。但目前随着技术水平的不断提升以及生产成本的显著下降，已经形成稳定且极具竞争力的产业链，在国际上始终处于领先地位。从2013年至2016年底，中国新增的装机容量连续四年位居世界第一，产业规模稳步扩张，2016年新增的装机容量高达35.54GW，同比之前上涨了126.61%，占全球新增装机总量市场份额的55.88%。2013年至2016年三年累计总装机容量在2016年底达到87.42GW，继2015年赶超德国后，持续保持世界第一。截至2016年，中国光伏产业总产值高达3580亿元，同比增长34%，且整体运作状态良好，产业规模保持增扩状态。2016 年，中国多晶硅产量达21.3万吨，占世界硅元素总产量40万吨的53.23%，硅片产量达65GW，占全球硅片总产量71GW的92.30%，太阳能电池产量54GW，占全球总产量73GW的74.01%，配套组件产量达到56GW，占全球总产量77GW的72.91%，产业链中所有关键环节生产规模占比全球均超过半数以上，持续位列世界第一。

中国光伏制造业的大部分核心设备已经能实现本土制造，并在逐步引入智能制造，制造业整体处于世界领先水平。与此同时，中国光伏产品进出口所面对的国际光伏产业市场格局也发生了剧烈变化，从以往技术上依赖发达国家的进口加工，扩展至对发展中国家的产品出口。中国光伏产品进出口市场变得的多元化、一体化、渠道化发展，市场范围遍及了亚洲、欧洲、美洲和非洲等地。

中国的光伏发电产业在全国各级政府的扶持推动下，从2008年刚出生的新兴产业已经茁壮成长为能影响世界光伏格局的产业内龙头。未来通过不断的技术创新和产品的升级迭代，产品国际竞争力会得到明显的巩固和加强。继而通过不断调整相关的产业结构，开拓国内外新兴的相关市场，建立一条完整而全面的产业链，使整体产业规模化，确保在全球范围内的领先地位。

1.3国内外太阳能船舶研究现状及发展前景

现今太阳能技术在日常生活中已得到广泛应用，陆地建有规模巨大的光伏发电站并投入实际使用，光伏发电技术也趋近于成熟。但将其应用在交通运输工具上的研究起步相比于陆用光伏电站而言却较晚，虽然在国际上将太阳能发电的相关应用技术拓展至船舶的呼声很高，但目前主要示范在一些观光船舶、渡船、游艇等小型船舶上，在作为大型汽车滚装船的辅助电源方面，国内外应用实例屈指可数，还有不少关键性的技术有待突破改进。

1.3.1国外太阳能船舶现状

国外对太阳能光伏发电技术在大型远洋运输汽车滚装船上的研究示范应用，最为著名的是：日本在2008年底建成的全球首艘以太阳能为辅助动力能源的大型汽车滚装船“御夫座领袖号”（Auriga Leader）如图1-2、图1-3所示，它由日本邮船株式会社（Nippon Yusen Kabushiki Kaisha）与日本石油公司(NIPPON OIL CORPORATION)联合开发，该船长达199.88米，宽33.47米，高36.49米，排水量62117吨，单航次可载运汽车6400辆，总造价1.62亿日元(约合178万美元)。该船所装的光伏发电系统共配备328块太阳能电池板，装机总容量高达40kW，可为全船提供6.9%的生活用电或0.2%~0.3%的动力用电，每年节省的燃油超数万吨。

图1-2 “御夫座领袖号（Auriga Leader）”航行示意图

图1-3 “御夫座领袖号（Auriga Leader）”光伏发电系统示意图

1.3.2国内太阳能船舶现状

2012年底，国家工信部正式立项高技术船舶科研专项“（采用蓄电池储能）太阳能在大型滚装船上的应用技术研究”。作为国内首例进行、为满足海洋这一恶劣环境及船舶这一复杂工况使用要求的光伏发电技术应用研究。该项目突破了光伏发电系统与传统船舶电力系统的并网测控关键技术及相关技术壁垒，提出了光伏发电系统在大型滚装船上的应用优化设计方案，并完成相关的节能减排校验评估。该项目以“中远腾飞”轮作为实船应用示范对象（如图1-4所示），设计了总容量高达143.2kWp的综合光伏发电系统。其主要技术特征是采用了船用离并网一体式光伏发电模型（锂离子蓄电池储能），可根据航行线路上太阳辐照能强度、船舶负载功率需求、船舶相关的经济性和安全性要求等因素，进行四种运行模式的切换。随着项目实船实装工程的完成，“中远腾飞”轮已成为世界上最大的一艘采用光伏离/并网技术发电的太阳能船舶，该项目研究成果实现国内具有自主知识产权的大型滚装船光伏发电系统成套应用技术。

图1-4 “中远腾飞”轮光伏发电系统示意图

1.3.3太阳能船舶应用技术前景

全球化石能源的逐渐减少、船舶运输成本的逐年增加以及排放要求的日趋严格，如何在提高船舶减排效能的同时获取经济效益已成为船舶行业内的普遍关注点。为了顺应当前的新形势，在国家可持续发展的战略背景下，代表着高能效、低排量和低污染的绿色船舶技术成为了最重要的解决渠道，船舶发展智能化和绿色化已经成为未来船舶制造与航运领域新趋势。

当前，新能源产业和绿色舰艇制造技术正日益发展，这为航运制造业实现节能降耗提供了确实的技术支持，其中以太光生伏特效应和燃料电池等为典型代表的新能源应用，在船舶上最具有革新性和代表性。伴随发展以太阳能船舶为主的绿色船舶上升为国家发展战略，同时国际海事组织（IMO）对船舶污染排放的管控逐年加强，可以预见未来太阳能船舶和新能源技术市场规模十分可观。

第2章 船舶光伏发电技术理论研究

2.1太阳能光伏发电技术

太阳能光伏发电技术是将太阳辐照能转化为电能的关键技术，当阳光照射光伏阵列的表面时，太阳光中的一部分光子会被阵列组件中的硅材料吸收，将吸收光子的能量传递给硅原子，使硅原子上的电子发生跃迁成为自由电子，之后自由电子在PN junction两侧不断集聚，继而形成电位差，一旦外部接通电源，电流流通电路输出功率，从而产生电能。

藉由制成光伏阵列的半导体产生的光生伏特效应，可将太阳的辐照能直接转换为电能，同时与储能、监测、控制等装置配套，即组成太阳能光伏发电系统。

2.1.1太阳能光伏发电系统组成

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