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自航式深远海养殖网箱供配电系统配置研究

2025-04-02 96 上传者：管理员

摘要：近年来，随着深海渔业的发展，深远海养殖工程装备需求旺盛，海洋经济发展新模式成为必然趋势。海上风光互补发电技术被广泛应用于渔业，但是由于海洋环境的多变，太阳能及风力发电不能完全满足需求。鉴于此，以一型自航式深远海网箱为研究对象，在风光互补发电技术的基础上，提出一种风光油多能互补的供配电系统，满足新型深远海养殖工程装备的需求，同时为后续深远海养殖工程装备的发展提供一定的参考。

关键词：
可再生能源
多能互补
深远海网箱
能量管理
自航式
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近年来,随着国家推动深远海养殖发展,近海养殖水域饱和的问题得到有效缓解,海洋生态环境压力逐渐减小,为渔业可持续发展提供了更好的条件[1]｡目前深远海养殖工程装备主要有深海网箱､养殖平台､养殖工船等[2]｡自航式养殖网箱不仅具有深海网箱的功能,还具有自主航行能力,可根据需求游弋于合适的养殖水域,躲避台风等自然灾害侵袭,因此其供配电系统需满足深海网箱的养殖需求,同时也要满足规避恶劣海况时船舶快速移动的需求｡

深海网箱属于离岸设施,常采用一种持续､可靠的离岸供电技术,其中太阳能､风能这种清洁再生能源,被广泛地应用于渔业领域,风光互补发电技术已成为未来可再生能源开发利用的新趋势[3]｡但是,其容量无法满足快速移动规避台风等恶劣海况的需求,因此需要研究出一种适合自航式深海养殖网箱的供配电系统[4]｡

本文以一型自航式深远海养殖网箱为研究载体,在风光互补发电技术的基础上,引入柴油机发电形成多能互补,满足该养殖网箱的各种工况,为后续深远海养殖工程装备提供借鉴｡

1、总体设计思路

该自航式深远海养殖网箱(后文简称“网箱”)的工作地点在南海,日照与风资源充足,可充分利用清洁可靠的风光发电为网箱提供能源,但风能和太阳能属于间歇性和波动性较大的不可控自然资源,单独的风光发电模式具有出力不稳定､功率限制等特点,很难全天候提供稳定的电能,以保证深远海养殖网箱的日常持续用电和大功率负荷用电需求｡

相较于风力发电和光伏发电,燃油发电机可以产生高效的电能,其输出的电能稳定､可靠､质量高,不存在间歇发电,具有良好的可控制性｡但燃油发电机发电燃油消耗量大,且会产生气体污染环境｡

蓄电池系统充放电操作可控,可存储发电高峰或用电低谷时的多余电能,弥补风光资源不足时所缺电力,能有效调节风光发电间歇性｡

因此,根据风光发电､燃油发电､蓄电池等系统的不同出力特性,融合为风光油蓄多能互补的能源总体配置方案,以满足养殖网箱的多种运行工况需求｡配置方案总体框图如图1所示｡

图1多能互补发电原理框图

2、多能互补系统配置

根据总体设计思路,多能互补电力系统应满足如下工况的设计需求:

1)设计养殖工况(较好海洋环境下的养殖作业)｡正常海况环境下,网箱在一定范围水域内以漂浮状态进行养殖作业,推进系统和动力定位(DP)系统不运行,系统需给养殖设备､吊机､视频监控､通信､养殖人员生活用电设备等提供电源｡

2)文旅养殖工况｡在设计养殖工况的基础上,增加文旅功能,即空调､娱乐､厨房等生活用电需求显著增加｡

3)迁移工况(从一个养殖地点转移到另一个养殖地点)｡投喂､运输､养殖光控等养殖设备暂停运行,需要给推进系统､视频监控､养殖人员生活用电设备等提供电源｡

4)沉浮工况(调整船舶姿态)｡投喂､运输､养殖光控等养殖设备暂停运行,推进系统不工作,压载系统､视频监控､通信系统等持续运行,生活用电仅需满足养殖人员需求｡

5)DP养殖工况(较恶劣海洋环境下的养殖作业)｡海况恶劣情况下,网箱通过动力定位系统保持在一定范围水域内执行养殖作业任务,推进系统､压载系统､投喂､运输､养殖光控等系统均正常运行｡

6)应急工况(正常电源失效下的应急供电)｡主电源失效时,应急发电机自动启动,以满足照明､航行通信､火灾报警､监控系统等用电需求｡

因此,构建如图2所示的电力系统单线图,其中电源系统主要由主发电机组､应急发电机组､光伏发电系统､风力发电机组､蓄电池组､690V主配电板(MSB)､

400V/230V主配电板(SMSB)及各级变压器等组成｡

图2多能互补电力系统单线图

4台主发电机组分别引入到690V主配电板(MSB),通过主配电板一期馈线屏向推进系统供电｡主配电板二期馈线屏通过690V/400V主变压器向400V/230V主配电板(SMSB)供电｡

光伏/风力发电系统经由直流配电板后逆变接入AC400V配电板,作为一个并网型光伏/风力电源,可以实现余电上网｡

当直流配电系统发生供电不足时,主发电机组自动启动,4台主发电机可以长期并联运行,通过主配电板供电至本平台海水泵､照明､空调､制冷､文娱､生活等全部负载｡当主电源系统发生失电时,应急发电机组自动启动并向应急发电机室内的应急配电板供电｡系统设计要求运行可靠,能够完成不停电电源的转换｡

2.1光伏/风力发电系统

如图2所示,本网箱设光伏发电系统一套,提供总装机容量约200kW的太阳能供电｡同时设置风力发电系统6套,每套功率约20kW,提供总装机容量约120kW的风能供电｡系统配置并网型控制器到AC400V交流母排,塔架强度满足网箱的环境条件｡

2.2磷酸铁锂储能蓄电池

本网箱采用磷酸铁锂电池,其总电量为1064kW·h,作为辅助能源给日常负载供电｡

磷酸铁锂电池系统主要由电池包､管理系统(分模块级和系统级)､电缆以及附件等组成｡储能蓄电池间带温度监测系统｡

本网箱锂电池系统共有6个电池簇,每个电池簇通过高压汇流箱接入直流汇流排,任意一簇电池失效不会影响整船功率输出｡

电池系统通过DC/DC并联,采用共直流母线方式充电,由BMS系统控制DC/DC模块分别给对应的电池组进行充电,充电电流由DC/DC控制｡

电池系统采用分布式测量方案,在电池包内测量每个蓄电池单体电压与电池单元包温度,并通过信号线传输至电池簇与电池组控制器｡通过数据分析,判断电池状态,将数据及电池状态上传至电池组监测组件｡

2.3柴油发电机系统

根据总体设计思路,柴油发电机系统需作为风光两种能量的补充,并且还需要满足迁移工况､沉浮工况､DP工况以及应急工况的需求,是本网箱的主要电力来源,因此配置了4台2500kW的发电机组,其参数如表1所示｡

表1柴油发电机技术规格

2.4配电系统

如图2所示,本网箱配置1套690V主配电板和1套400V/230V主配电板,均采用分断母线供电的方式,通过储能配电开关实现柴油机与风光储能系统的双向切换｡

3、多能互补智能能量管理系统

如前文所述,该网箱采用风光油多能互补系统,但其并不是简单地将这三者相加就可以了,三者的互补发电技术,关键是综合配置能力｡为了实现能量的智能管理,本网箱配置了一套智能能量管理系统,这是一个集成了数据采集､监控､分析和控制等功能的软件系统,通过实时监控和优化电力系统的运行,提高能源利用效率,降低能源消耗,增强电力系统的可靠性和安全性｡其主要界面如图3所示,主要功能模块如下｡

3.1数据采集和监控

电力管理系统通过与电力设备和传感器进行连接,实时采集和监控船舶电力系统的各种数据,包括电压､电流､功率､能耗等｡这些数据可以通过图表､表格等形式展示,帮助了解船舶电力系统的实时运行情况｡

3.2数据分析和预测

电力管理系统可以对采集到的数据进行分析和处理,通过算法和模型,预测电力系统的负荷需求､能源消耗等｡这些预测结果可以帮助做出合理的决策,优化船舶电力系统的运行｡

3.3能源管理和优化电力管理系统可以根据实时数据和预测结果,对电力系统进行优化管理｡它可以自动调整设备的运行状态､控制负荷的分配､优化能源的使用等,以提高能源利用率,降低能源消耗｡

3.4故障诊断和报警电力管理系统可以监测电力系统的异常情况和故障,并及时发出警报｡它可以根据故障的类型和严重程度,提供相应的故障诊断和处理建议,帮助船舶操作人员快速解决问题,减少停电时间和损失｡

3.5远程控制和操作电力管理系统可以通过远程控制和操作,对电力设备进行远程监控｡船舶业主可以通过电脑､手机等终端设备,随时随地对电力系统进行监控和操作,提高运维效率和灵活性｡

3.6数据存储和报表生成电力管理系统可以将采集到的数据进行存储和管理,并生成各种报表和分析结果｡船舶业主可以通过这些报表和分析结果,了解电力系统的历史运行情况和趋势,为决策提供依据｡

4、结束语

本文以自航式深远海养殖网箱为依托,搭建绿色能源船舶电力系统,对太阳能光伏发电系统､风力发电系统､柴油机发电系统､锂电池储能系统多能互补的电力系统进行研究,通过多能互补,实现对绿色船舶能量管理系统的系统科学合理配置,构建绿色船舶能量管理系统总体架构,可为后续深远海养殖工程装备的发展提供一定的借鉴｡

参考文献;

[1]徐杰,韩立民,张莹.我国深远海养殖的产业特征及其政策支持[J].中国渔业经济,2021,39(1):98-107.