论文总字数：24304字

摘 要

船舶承担了世界贸易90%以上的物流运输，但航运也带来了大量的污染物排放，据统计全球污染物NOx和SOx的30%和5%来自船舶。随着新法规和新政策的不断出台，绿色低碳成为当前船舶发展趋势，应用新能源发电经逆变控制技术接入船舶电网是技术途径之一，其中光伏发电技术具有代表性。

论文以中远海集团船舶科研项目“2200PCTC并网型光伏发电系统研制”为依托，采用超级电容作为储能，结合船舶电力系统组成，开展了并网光伏发电系统整体结构设计，以及系统能量管理策略需求分析和制定，主要完成的工作如下：

通过相关文献资料和书籍的查阅，学习光伏发电系统的各个组成单元的工作原理及特性，借助工程制图软件CAD对2200PCTC汽车滚装船并网光伏发电系统开展电气原理设计。针对滚装船需求完成系统主要设备的选型设计，包括设计光伏阵列的布置方式、对光伏阵列总功率的测算等。并设计了一以PLC为核心的能量管理模块，制定了基于超级电容SOC的逆变器协调控制策略，并完成了能量管理模块的出厂试验调试，为下一步实船安装调试打下了良好的基础。

关键词：船用光伏并网系统；超级电容；能量管理；控制策略

Abstract

Ships undertake more than 90% of the world's trade in logistics, but shipping also brings a lot of pollutant emissions. According to statistics, 30% and 5% of global pollutants NOx and SOx come from ships. With the continuous introduction of new regulations and new policies, green and low-carbon has become the current development trend of ships. The application of new energy power generation through inverter control technology to connect to the ship's power grid is one of the technical approaches, of which photovoltaic power generation technology is representative.

Based on the ship scientific research project "2200pctc grid connected photovoltaic power generation system development" of COSCO Group, the paper uses super capacitor as energy storage, and references to the composition and principle of solar photovoltaic power generation system, the power management mode of photovoltaic power generation system is analyzed, combined with the composition of ship's power system, the overall structure of grid-connected photovoltaic power generation system is designed, and the demand for ship energy management strategy is analyzed and formulated, The main work completed is as follows:

Through the reading and understanding of relevant literatures and books, learn the working principles and characteristics of each component of the photovoltaic power generation system, and use the engineering drawing software CAD to design the electrical principle of the 2200PCTC car roll-on-ship photovoltaic power generation system. According to the needs of the ro-ro ship, the main equipment selection of the system is carried out, including the design of the layout of the photovoltaic array and the calculation of the total power of the photovoltaic array. The PLC-based energy management module is designed, and the coordinated control strategy of the inverter based on the super capacitor SOC is developed. The energy management device is tested on site. The results obtained have important guiding significance for the actual installation of the actual ship in the future.

Key Words： Marine Photovoltaic Grid-connected System; Super-capacitor; Energy Management; Control Strategy.

目录

第1章 绪 论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 太阳能船舶研究现状 2

1.2.2 船用超级电容应用研究现状 4

1.3 项目研究意义 4

第2章 船用光伏发电应用技术 5

2.1 光伏发电技术 5

2.1.1 光伏发电原理 5

2.1.2 光伏发电系统组成 5

2.2 船舶电力系统分析 6

2.2.1 船舶电力系统组成 6

2.2.2 船舶电力系统主要特点 7

2.3 光伏并入船舶电力系统的影响 8

2.4 光伏系统储能形式 9

2.4.1 储能设备特点 9

2.4.2 储能元件性能比较 10

2.4.3 超级电容性能优势 10

第3章 基于超级电容的船舶光伏系统设计 12

3.1 基于超级电容的船用光伏系统总体结构 12

3.2 系统电气原理设计 13

3.3 系统主要设备选型 14

3.3.1 光伏阵列组件 14

3.3.2 光伏逆变器 15

3.3.3 光伏控制器 15

3.3.4 超级电容功率调节装置 15

第4章 基于PLC的能量管理模块 17

4.1 能量管理模块硬件设计 17

4.1.1 数据采集和通讯 17

4.1.2 能量管理模块选型 19

4.1.3 模块电气原理图 21

4.2 能量管理模块软件设计 22

4.2.1 基于超级电容SOC的逆变器协调控制 22

4.2.2 能量管理PLC程序编写 24

4.3 人机界面设计 25

4.4 能量管理模块实验效果 28

第5章 总结与展望 29

5.1 总结 29

5.2 展望 29

参考文献 30

致 谢 31

第1章 绪 论

1.1 研究背景及意义

随着船舶污染物排放问题日趋严峻，国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）在1973年颁发《国际防止船舶造成环境污染公约》基础上，制定了一系列具有强制性的船舶减排和能效规则，促使各航运大国投入大量人力和财力开发新型节能环保的绿色船舶，形成了当前全球航运业绿色发展的主旋律。依据2014年公布的船舶温室气体研究报告^[1]：2012年船舶共排放CO₂ 104.6万吨，占全球温室气体排放总量的3.3%。按目前发展趋势，若不及时采取有效防控措施，到2050年，船舶产生的CO2在全球温室气体排放总量的占比将翻1-2翻^[2]。

世界各航运大国为应对船舶能耗和排放问题，不断出台严苛的国际法规，我国交通运输部于2018年12月10日开始实施《船舶大气污染物排放控制区实施方案》如图1-1所示，以此降低SO_X、NO_X、颗粒物和挥发性有机物等大气污染物的排放，促进绿色航运的发展，推动生态环保和可持续发展。

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