搭载太阳能装置的船舶电源系统设计
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太阳能作为一种新型的可再生清洁能源，越来越多的被用在船舶上，搭载太阳能电池的船舶具有经济性好，噪音低、振动小，机舱布置灵活，安全性好，有利于船舶控制环境污染等优点，从而得到广泛应用。本文主要研究搭载太阳能电池的船舶电源系统的整体设计，重点针对太阳能电池并网逆变器和双向直流变换器环节进行设计与分析。
【关键词】太阳能 光伏并网逆变器 双向直流变化器
太阳能取之不尽，用之不绝，是重要的可再生能源，在民用住宅光伏系统、交通工具以及部分军工产品中得到了广泛的应用。近年来，太阳能也被越来越多的被用在船舶上，许多船舶上面搭载太阳能电池，利用太阳能转化的电能为船舶提供能源。搭载太阳能电池的船舶具有经济性好，噪音低、振动小，可提高船舶的机动性和操纵性，有利于船舶控制环境污染等优点，从而得到广泛应用。
本文主要研究搭载太阳能电池的船舶电源系统的整体设计，重点针对太阳能电池并网逆变器和双向直流变换器环节进行设计与分析。
1 系统设计
船舶行业有严格的建造及入级规范，将光伏系统应用于大型船舶上也有相应的规范要求。在《钢制海船入级规范》中规定： 对于船长超过20 m的船舶，主电源应至少由2台发电机组组成。而在2012修改通报中更是直接明确提出太阳能电池只应作为船舶的辅助电源。
基于以上，本文设了一种带有直流母线的并网供电方式的船舶电源系统。系统结构包括：直流汇流母线；主供电系统：发电机、AC/DC变换器、电动机；太阳能供电系统：光伏阵列、DC/DC变换器、DC/AC逆变器、电动机；蓄电池供电系统：蓄电池组、双向DC/DC变换器；弱电系统：控制器和检测系统等，如图1。
整个船舶电源系统的主要工作原理：
1.1 主供电系统
发电机经过AC/DC整流单元整流后向直流母线馈电，通过DC/AC逆变器将直流电能转化为与电网同频同相的交流电，为推进系统提供电源。两个发电机可独立或并联运行，其中一个发电机出现故障时，另一个承担主要的动力源；
1.2 太阳能供电系统
太阳能电池通过光伏阵列转化为直流电，然后通过DC/DC变换器汇集至直流母线，通过DC/AC逆变器将直流电能转化为与电网同频同相的正弦交流电，为推进系统提供动力；
1.3 蓄电池辅助供电系统
直流母线通过双向直流变换器为蓄电池充电，作为备用电源；当能源匮乏时蓄电池又会通过双DC/DC变换器为直流母线反馈能量，为负载供电。
船舶主要的航行模式：纯电动机模式，指完全由推进发电机提供能量源的模式，该模式为主营运工况；纯太阳电池模式，指完全由太阳电池组供电的推进模式；混合模式指由推进发电机和电池组混合用于实现节能效果的模式。三种模式由控制系统实现不停电切换。
2 太阳能电池并网逆变器的设计
本文利用两级式光伏发电原理，设计光伏并网逆变器。主回路采用两级式拓扑结构，以扩大电池板输入电压的范围。
前级升压电路采用传统的Boost型的DC/DC变换电路，将太阳电池板输入电压升高至满足逆变器要求的高母线直流电压，同时完成对电池板最大功率点的跟踪。逆变环节采用经典的Boost基本电路，主要功能是将太阳电池板输入电压升高到满足逆变器要求的高电压，此输出电压作为下一级逆变器的输入电压。理想条件下Boost电路的稳态电压传递方程为v0=，占空比D
下一级的并网逆变器采用全桥逆变电路，如图2所示。四个开关管组成两个半桥，桥臂的中点分别经过滤波电感L与电网L、N线连接，CDC为直流母线支撑电容，也是前级Boost电路的输出滤波电容，控制回路发出PWM波驱动四个开关管，控制桥臂中点电压，使并网电流iN与电网同相位，实现单位功率因数并网。电路要正常工作应保证直流侧电压高于电网电压的峰值。
通过两级式光逆变器，将太阳能电池发出的低压的直流电经Boost电路，将太阳装置输出的电压升高至满足逆变器要求的高母线直流电压，然后经过后级的全桥逆变电路将母线直流电压为与电网同频同相的交流电，为推进系统的电动机提供动力。
3 双向直流变换器的设计
太阳能光伏系统在天气不好的情况下，会存在太阳能发电补充不及时的情况，需要以蓄电池作为辅助供电。
本文中双向直流变化器采用的是移相控制全桥电路拓扑，其主电路图如图3所示。直流母线通过双向DC/DC变换器为蓄电池充电，作为备用；当能源匮乏时蓄电池又会通过双DC/DC变换器为直流母线反馈能量，为负载供电。
工作原理：移相控制ZVS软开关全桥变换器是利用变压器的漏感或原边串联电感与功率开关管的寄生电容或外接电容来实现开关管的零电压开关，大大提高了变换器的工作效率。
这种移相控制原副边相同位置的开关管之间的驱动信号是相互移相的，移相角为ф，该角度不仅决定了功率流向，同时决定了所传输的功率大小。当ф>0时，功率由原边向副边传递，母线直流电压向蓄电池充电；当ф
为了提高系统性能，许多学者提出了很多不同的控制方法。这些研究中，每个开关管的驱动信号的占空比都是变化的。另外的几种移相控制方式通过另外增加了桥臂之间的移相，系统理论分析表明这种控制方式比普通控制方式提高了系统的动态和稳态性能。
通过双向移相控制全桥变换器，可以实现能量的双向流动。当太阳光照好的时候，太阳能供电系统发电效率高，可以通过直流母线电压对蓄电池进行充电。当阴天或黑天的时候，太阳能供电系统发电效率低，蓄电池中储存的能量可以向直流母线反馈。
4 结语
本文设计了一种搭载太阳能电池的船舶电源系统。对太阳能电池并网逆变器和双向直流变换器环节进行设计与分析，给出了详细的设计电路拓扑。系统采用Boost升压电路和全桥电路的两级逆变器以及双向直流变换器电路拓扑，完成了对船舶电源系统的整体设计。
参考文献
[1]黄允千.太阳能电力推进船的系统分析[A].第二届全国海事技术研讨会文集[C]. 1996.
[2]黄允千，刘静.搭载太阳电池的船舶电源系统[J].上海海事大学学报，2005，26（01）.
[3]陈立剑，徐建勇.太阳能光伏电力推进在船舶上的应用研究[J].船海工程，2013，42（02）.
[4]李进.太阳能在船舶动力装置中的应用前景[J].船海工程，2010，39（04）：70-72.
[5]钱金娣，林德辉.燃料电池用于电力推进的方案探讨[J].舰船科学技术，1979（05）：1-8.
作者简介
曹玮，毕业于北京交通大学电气工程学院，现供职于国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心。
作者单位
国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心 江苏省苏州市 215163