0 引　言

在化石能源日益短缺、环境污染日益严重的背景下，节能减排具有重要的意义。作为能源消耗和排放的重要领域，航运业越来越重视燃料的高效、合理和环保使用^{[1 - 2]}。在此背景下，以新能源为代表的船舶，特别是以太阳能为代表的船舶，逐渐成为世界科研领域的热点。通过将新能源与海洋技术相结合，可以显著提高燃油效率并促进清洁燃烧。早在20世纪后期，日本Panasonic公司生产了使用太阳能作为驱动的小艇，之后美国的Sun Smith公司研制了适用于船舶的太阳能充电设备。随后，包括瑞士、澳大利亚、美国、德国等越来越多的国外研究机构和公司一致制定了长期研究计划，计划将节能技术如太阳能、风能等应用于大型船舶^[3]。2010年上海世博会展出了由中国船舶重工研究院和无锡尚德联合研制的中国第一艘混合动力动力船舶“尚德胜”号。其翼帆配备了70多块具有自动跟踪功能的光伏板，考虑到风的大小和方向，并综合利用了2种新能源^[4]。与此同时，各国学者纷纷开始了太阳能应用于船舶供能的探索。然而，国内外太阳能应用于船舶的实例表明，目前太阳能在船舶上的应用依然面临着多个技术难题^{[5 − 8]}。Kyoung等^[6]建立了基于光伏的电力系统的传统柴油船舶的系统，并实验验证了所建系统用于柴油船舶中的可行性和经济性；刘金书^[9]研究分析了光伏发电作为辅助动力源用于双体客渡船的方案，显示了其对运营船舶的能源消耗的改善，从而能够达到减碳和经济的目的。事实上，目前太阳能发电技术在船舶上取得了一些应用，用于小型船舶可作为主动力能源，独立或与其他能源联合供电，用于中大型船舶上，通常只能作为辅助能源并入船舶传统交流电站系统。

针对太阳能光伏技术用于船舶供电的需求，本文介绍和分析了太阳能光伏在船舶上应用需要的各项技术，包括太阳能船体平台的选择、最大功率点控制以及电能存储和转换，搭建船舶直流微电网的太阳能+电池组的船舶电力网系统模型，仿真结果验证了太阳能光伏技术用于船舶供电的可行性和有效性。

1 船舶直流微网光伏发电系统

目前，太阳能光伏应用于船舶，对于小型船舶可作为主动力能源，独立或与其他能源联合供电，对于中大型船舶上，通常只能作为辅助能源并入船舶传统交流电站系统或与传统柴油机共同组成直流微网系统。太阳能光伏与传统柴油机共同组成直流微网系统主要由光伏（PV）发电系统、传统柴油发电机模块、DC/DC、DC/AC及AC/DC变换器，储能电池，以及船舶直流/交流负载等组成。本文所研究的是其中的光伏发电部分，主要包括光伏PV模块、Boost变换器模块、直流负载/逆变系统和交流负载、双向直流-直流变换器和储能单元4部分，具体结构如图1 所示。其中，PV光伏板完成太阳辐射能量到电能的转换；Boost变换器对电能进行提升并送入直流母线；直流母线可以直接供给直流负载需求或通过DC/AC 逆变器供给交流负载如推进器、侧推或日常用电的需求；而储能单元可以将电能转换成可存储的化学能并储能，同时储能和直流母线通过双向DC-DC变换器实现能量的双向流动，从而保证直流母线在系统运行过程中时刻满足船舶的电力需求，即某段时间如阴天或夜晚，当太阳能不足以供给船舶的电力负载需求时，可以通过储能单元释放电能满足用电需求。太阳能+电池组的船舶电力网系统的搭建和优化需要综合考虑多个因素，包括船型及船体选择，MPPT技术、储能系统的配置、能量的双向流动，船舶的航行需求以及环保和经济效益等。

1.1 太阳能船体选择及平台的布置

太阳能船体选择及平台的布置旨在优化太阳能光伏电池板的布局，即何种船体适合太阳能光伏电池板布置，以及光伏板在船上如何布置等。利用船型图的演示、船型分析与演示等发现双体船在光伏电池板的安装上具有显著的优势，包括更大的安装面积、更好的稳定性、更优的通风散热条件、更低的维护成本和更高的适应性等。双体船具备特殊性，其浮体为双体结构，甲板面积和上层建筑面积较为宽敞，因此在安装太阳能光伏面板时，能够充分利用这些空间，并有效地吸收太阳能。同时，在不影响船舶使用的情况下，这种设计也能够进一步提高能源的利用率。这些优势使得双体船成为太阳能动力船舶中的理想选择之一。

1.2 光伏发电模块

相比于陆地，船舶上的光伏阵列受到环境、天气和船体移动等多种因素的影响更大，其输出功率的变化更明显。MPPT控制技术是光伏发电系统的核心技术之一，其通过实时监测电流与电压产生，通过智能算法（如扰动观测法、电导增量方法等）随时调整光伏板的负载阻抗或工作电压^{[10 - 11]}。在调整过程中，MPPT控制器会不断观察电压和电流的变化，以及由此带来的功率变化，以完成最佳负载阻抗或工作电压的确定，使光伏板始终保持在最大功率输出状态，从而实现最大功率点的精确追踪，最大限度地提高光伏板的转换效率和输出功率。

MPPT技术通常可以将太阳能光伏板的转换效率提高20%～30%。由于MPPT技术能够实时追踪最大功率点，因此可以确保太阳能电池板在任何时候都以最大功率运行，从而增加整个光伏发电系统的发电量。具有强大的自适应能力，能够应对各种环境因素的变化（如太阳角度、日照强度、温度等），从而保持系统的稳定运行。

MPPT控制技术有多种实现方法，其中扰动观察法也被称为爬山法，其具有控制简单，易于实现，适应性强等优点，是一种在光伏系统中用于MPPT的常用技术。其原理是通过在光伏阵列的输出电压（或电流、占空比等参考变量）中添加扰动并观察输出功率的变化，实现最大功率点的追踪并保持，从而实现目标。图2所示为扰动观察法的算法流程图。

步骤1　添加扰动。在光伏阵列的输出电压上增加或减小一定的电压值。

步骤2　计算功率。通过P = UI公式计算扰动前后的输出功率P(k−1)和P(k)。

步骤3　比较与调整。比较扰动前后的输出功率得到dP = P(k)−P(k−1)。若dP>0，说明扰动方向正确，即该扰动能够提高光伏板的输出功率，因此下一次扰动继续相同的方向；若dP<0，则说明扰动方向不能够提高输出功率，下一次扰动应往相反的方向进行。

步骤4　过程重复。不断重复上述过程，则光伏阵列的工作点逐渐逼近最大功率点并保持。

1.3 光伏Boost电能变换器系统

光伏Boost电能变换结构如图3所示，PV模块将接收到的太阳辐射能转换为电能后需通过 Boost变换器对电能进行提升，而后汇入直流母线直接用于直流负载消耗或者经过逆变器变换为交流电后用于交流负载的消耗。PV模块的最大功率点追踪功能的实现与Boost变换器密不可分，其通过相互配合，实现对光伏电池输出特性的实时追踪和高效转换。Boost变换器是一种直流-直流（DC-DC）电源转换器，其主要作用是将低电压直流信号转换为高电压直流信号。在光伏发电系统中，Boost通常作为光伏板的负载，通过改变占空比来匹配光伏电池的输出特性，实现光伏板的最大功率点追踪。

1.3.1 Boost变换器的原理

Boost变换器通过周期性地控制一个开关元件（如MOSFET）的开断来控制电感器中的能量储存和释放。当开关导通时，电流从输入侧电源流过开关和电感器，电感吸收并储存电能；当开关断开时，电感中存储的电能通过二极管释放。通过电感对电能的吸收和释放，输出电压得以升高。

1.3.2 Boost变换器在MPPT中的作用

1）匹配太阳能电池输出特性。作为太阳能电池的负载，Boost变换器通过改变占空比来完成与光伏电池间的动态负载匹配，实时完成光伏电池的最大输出功率追踪与保持。

2）提升输出电压。将光伏电池产生的低电压直流信号转换为适合电网接入或电池存储系统的高电压直流信号。

3）增强系统稳定性。通过精确调节占空比和输出电压，Boost变换器有助于稳定整个太阳能发电系统的运行状态。

1.4 电能的储存

事实上，一艘在海上航行的船要整天工作，若能源是太阳能，那么不仅要提高光能转化为电能的效率，还有一个不容忽视的关键问题，就是在夜间和雨天没有阳光时光能不够。储能电池可以将电能转化为可存储的能源存储在电池中，而双向DC-DC变换器则在实现电能与可存储的能源的相互转换中扮演着重要的角色。

1.4.1 双向DC-DC变换器的构造与工作原理

双向DC-DC变换器可以实现电能的双向流动，不仅能够将电能从一种直流电压等级转换为另一种直流电压等级，还能在需要时反向进行，即实现电能的双向传输。其工作原理是通过控制开关器件（如IGBT、MOSFET等）的开通和关断，实现电压的升降和电流的调节。在充电模式下，变换器将电网或其他直流电源的高电压直流电转换为适合储能设备（如电池、超级电容等）充电的低电压直流电；在放电模式下，则将储能设备的低电压直流电转换为电网或其他负载需要的高电压直流电。

1.4.2 双向Buck-Boost电路

双向DC-DC变换器具有多种拓扑结构，常见的有双向Buck／Boost变换器、双向半桥变换器、双向Cuk变换器和双向SEPIC变换器等。其中，双向Buck-Boost电路因其具有升降压功能灵活、高效率、稳定性好、适应性强等优势应用较广泛。双向Buck-boost变换器电路拓扑结构如图4所示。其主电路所用的元器件与Buck或Boost变换器基本相同，由开关管、二极管、电感和电容等构成。‌双向buck-boost电路通过控制‌开关管的通断，实现能量的双向流动，既可以将电压升高，也可以将电压降低，以适应不同的负载需求。运行时，开关管导通则电源供给负载消耗同时‌电感吸收并储存能量；开关管断开时电感释放能量供给负载消耗，实现电压的升降。双向Buck-boost变换器是一种可以双象限工作的直流变换器，这种电路结构使得其能够在不同的工作模式下灵活切换，以满足不同的电源需求。

双向Buck-boost变换器根据光伏发电功率及母线电压的状态工作在Buck模式或 Boost 模式。如图4所示，双向Buck-boost变换器的控制采用电压外环与电流内环的双闭环控制方法，并且为了保证稳定运行，需要在2种工作模式下分别考虑和适时调整电压外环与电流内环的参数情况。

2 仿真模型与结果 2.1 系统仿真模型

结合太阳能光伏与传统柴油机共同组成直流微网系统的实际特点，构建了一个包含光伏发电、电池储能、双向Buck-boost变换器、逆变器以及直流与交流负载的太阳能+电池组的系统，如图5所示。模拟各种光照状态，获得了太阳能电池板的输出功率，储能系统的充放电情况、双向Buck-boost变换器运行的仿真结果。

2.2 结果与分析

系统的仿真运行结果如图6～图8所示。仿真中直流母线的设定值为700 V，光照和温度条件设定为在时间0～2 s时温度为25℃，光照为2000 W/m²，在时间为2 s后，光照强度降至600 W/m²。图6(a)为光伏板的仿真输出结果，由结果可知光照2000 W/m²情况下，太阳能发电功率约50 kW；光照条件变为600 W/m²时，太阳能发电功率下降为约12 kW。图6(c)为直流母线电压仿真结果，结果显示虽然在光照强度跳变时直流母线电压略有下降，然而经过调节仍然能够稳定在设定值700 V。图6(b)为储能电池的功率变换，由结果可知，0～2 s时温度为25℃，光照为2000 W/m²，此条件下光伏发电功率约50 kW，发电功率大于负载所需功率，光伏提供负载供电的同时蓄电池充电以吸收多余电能。如图7所示，此条件下，储能电池的电流为负，表明其在吸收电能。图8的SOC变化曲线同样证实了这一点，电池SOC值升高，即电池充电。时间2 s之后光照从2000 W/m²降为600 W/m²，光伏发电功率降低，如图6(a)所示。此光照条件下，光伏发电功率小于并网功率，无法提供船舶用电负载所需的功率，直流母线电压略有下降。此时蓄电池开始释放能量补充所需功率的不足。由图可知，直流母线电压先略有下降，但是经过调节后仍能稳定在700 V。图7所示为储能电池的电流和电压仿真结果，储能电池在2 s后产生的电流为正，这表明储能电池在释放电能。图8中的SOC变化情况曲线同样也证实了这一点，时间2 s后电池SOC值逐渐降低，即表示电池处于放电状态。

3 结　语

伴随全球能源转型，以及社会各方对“碳中和”目标的加深，船舶电力系统要加大对清洁能源的利用。本文探索了太阳能发电技术在船舶电力系统中的应用，分析了太阳能用于船舶电力系统的各种技术需求，包括太阳能船型及船体的选择、MPPT技术以及电能转换和存储等，并搭建了太阳能+电池组的船舶电力网系统模型，对所搭建的仿真模型进行测试，结果显示，所搭建的太阳能+电池组的船舶电力网系统能够满足船舶系统所需的功率交换、降压、升压等用电需求。结果验证了太阳能用于船舶电力系统中的可行性。随着航运业的能源转型的不断深入，太阳能光伏发电技术作为一种清洁、可再生的能源解决方案，正逐渐成为实现船舶绿色航行的关键措施之一。本文结果为未来太阳能光伏发电技术在船舶上的广泛应用提供了参考。