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  哈尔滨工程大学学报  2018, Vol. 39 Issue (9): 1532-1538  DOI: 10.11990/jheu.201704045
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引用本文  

邱爰超, 袁成清, 孙玉伟, 等. 光伏渗透率对船舶光伏系统电能质量的影响[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2018, 39(9), 1532-1538. DOI: 10.11990/jheu.201704045.
QIU Yuanchao, YUAN Chengqing, SUN Yuwei, et al. Impact of photovoltaic penetration factor on the power quality of the photovoltaic system of ships[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2018, 39(9), 1532-1538. DOI: 10.11990/jheu.201704045.

基金项目

国家科技支撑计划项目(2014BAG04B01);湖北省高端人才引领培养计划资助项目(鄂科技通[2012]86号)

通信作者

孙玉伟, E-mail:ywsun@whut.edu.cn

作者简介

邱爰超(1990-), 男, 博士研究生;
袁成清(1976-), 男, 教授, 博士生导师;
孙玉伟(1985-), 男, 副教授

文章历史

收稿日期:2017-04-16
网络出版日期:2018-05-02
光伏渗透率对船舶光伏系统电能质量的影响
邱爰超1, 袁成清1,2,3, 孙玉伟1,2,3, 汤旭晶1,2,3, 严新平1,2,3    
1. 武汉理工大学 能源与动力工程学院, 湖北 武汉 430063;
2. 武汉理工大学 国家水运安全工程技术研究中心, 湖北 武汉 430063;
3. 武汉理工大学 交通部船舶动力工程技术交通行业重点实验室, 湖北 武汉 430063
摘要:为了研究光伏渗透率对船舶并网光伏电力系统电能质量的影响,采用PSCAD/EMTDC软件平台参照远洋滚装船"中远腾飞"轮并网型光伏系统进行电力系统建模仿真研究,并设定8个不同等级光伏渗透率,对比分析光伏并网切入和离网切出工况对并网电力系统暂态的电能质量。光伏并网切入对电力系统电压和频率的扰动作用显著强于其离网切出过程,且随着光伏渗透率的提高呈增长趋势。研究结果表明:该研究工作对于深入探索光伏系统与船舶电力系统并联运行的临界条件、暂态和静态稳定性以及整个电力系统的可靠性具有重要的理论指导价值。
关键词船舶工程    绿色船舶    船舶电力系统    光伏系统    电能质量    PSCAD/EMTDC    电压偏差    频率偏差    最大单次谐波含量    总畸变率    
Impact of photovoltaic penetration factor on the power quality of the photovoltaic system of ships
QIU Yuanchao1, YUAN Chengqing1,2,3, SUN Yuwei1,2,3, TANG Xujing1,2,3, YAN Xinping1,2,3    
1. School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China;
2. National Engineering Research Center for Water Transport Safety(WTS Center), Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China;
3. Key Laboratory of Marine Power Engineering & Technology(Ministry of Transport), Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China
Abstract: To study the influence of the photovoltaic penetration factor on the power quality of a photovoltaic power system, modeling and simulation research were carried out by adopting the PSCAD/EMTDC software platform with reference to the grid-connected photovoltaic power system of the "COSCO Tengfei" ro-ro ship. Eight different levels of photovoltaic penetration factors were set, and the transient power quality of the grid-connected power system in the case of grid-connected switch-in and grid-disconnected switch-off were compared. The disturbances caused by the photovoltaic grid-connected switch-in to the voltage and frequency of the power system were significantly stronger than those in the grid-disconnected switch-off process; these disturbances presented a growth trend following the increase in photovoltaic penetration. The research work of this paper has a great theoretical value for exploring the critical condition, transient and static stability of the parallel operation of PV system and ship electric power system, and contributes to researching the reliability of the whole power system.
Keywords: ship engineering    green ship    ship power system    photovoltaic system    power quality    PSCAD/EMTDC    voltage deviation    frequency deviation    maximum single harmonic content    total distortion rate    

随着环保法规的日益严格,国际海事组织对航运船舶的废气和温室气体排放的管控力度逐步加强。作为应对,世界各航运大国已开始探索实船应用诸如风能、太阳能、核能、生物质能和燃料电池等清洁能源技术,以开发新型节能环保的“绿色船舶”[1-2]。太阳能船舶,或称应用太阳能光伏技术的船舶,采用在船舶电力系统中集成零污染、零排放的太阳能光伏系统为基本技术方案,在降低常规柴油同步发电机组设计功率的同时,通过在航行营运中最大程度地利用光伏电能,实现船舶在寿命周期内燃油消耗量和温室气体排放量的显著下降。当前,太阳能船舶已发展成为最具节能减排潜力的绿色船舶之一。

船舶电网是一个孤立且容量较小的微电网,随着现代船舶自动化设备及电力电子器件的大规模应用,船舶电网面临着严峻的电能质量问题[3],不佳的电能质量不但会影响船舶电气负载的正常工作,造成船舶能源浪费,甚至引起设备故障,严重威胁船员及船舶安全[4-5]。在船舶电力系统中集成大容量并网光伏系统,相当于增加一个零惯性的逆变电源,其在并网切入、输出功率大幅波动以及离网切出环节会对船舶电力系统的运行状态产生影响,引发电网电压偏差、谐波、畸变率等电能质量问题[6]。倘若柴油发电机组的原动机调速器和发电机励磁装置不能及时响应,补偿因光伏并网功率突变引起的功率波动或电网电能质量恶化,极易诱发发电机组过载或逆功率运行、配电网短路过载保护或全船失电等重大故障。

本文以我国首艘应用并网型光伏系统的远洋汽车滚装船“中远腾飞”轮电力系统为研究对象,引入光伏渗透率概念[7-8],即光伏并网功率占在网运行船舶柴油发电机组额定功率的百分比,采用电力系统仿真建模的方法,对比分析不同光伏渗透率条件下,光伏并网切入和离网切出运行对光电-船电并网电力系统暂态电能质量的影响问题。

1 光伏发电系统数学模型

将太阳能光伏电池简化为一个电流源,其输出电流只与光照强度相关,在光照恒定时,输出电流IL不随负载状态变化。图 1是光伏电池等效电路,串联电阻Rs是实际工程应用中太阳能电池板电极以及半导体材料、导线等所带来的损耗内阻(实际工作中,串联电阻相对较小,一般不超过5 Ω),随着使用时间的增加,该阻值逐渐增大,光伏电池输出功率随之降低;并联电阻Rsh用以模拟实际应用中光伏电池和电极因制作过程中表面划痕以及细小的裂痕所造成的局部短路和漏电(在光伏电池数学模型中,并联电阻一般设定在大于1 000 Ω);V是在闭环电路中光伏电池在负载侧建立的端电压[9]

Download:
图 1 光伏电池等效电路图 Fig. 1 Equivalent circuit diagram of solar cell

在实际工程应用中,光伏电池生产厂家通常只提供5个主要技术参数,即:标准情况下的开路电压Voc、短路电流Isc、最大功率点电压Vm、最大功率点电流Im和最大功率点功率Pm。在保证计算精度需求的前提下,一般采用如下工程计算方法:

$ \Delta I = \alpha G/{G_{{\rm{ref}}}}\Delta T + \left( {G/{G_{{\rm{ref}}}} - 1} \right){I_{{\rm{sc}}}} $ (1)
$ {C_1} = \left( {1 - \frac{{{I_{\rm{m}}}}}{{{I_{{\rm{sc}}}}}}} \right)\exp \left( {\frac{{ - V}}{{{C_2}}}{V_{{\rm{oc}}}}} \right) $ (2)
$ {C_2} = \left( {\frac{{{V_{\rm{m}}}}}{{{V_{{\rm{sc}}}}}} - 1} \right){\left[ {\ln \left( {1 - \frac{{{I_{\rm{m}}}}}{{{I_{{\rm{oc}}}}}}} \right)} \right]^{ - 1}} $ (3)

考虑到光伏实际运行环境中太阳能辐射强度和外界环境温度的变化,对式(1)进行相应的修正:

$ \Delta I = {I_{{\rm{sc}}}}\left\{ {1 - {C_1}\left[ {{{\rm{e}}^{\left( {V - DV} \right)/\left( {{C_2}{V_\infty }} \right)}} - 1} \right] + DI} \right. $ (4)
$ \Delta I = \alpha G/{G_{{\rm{ref}}}}\Delta T + \left( {G/{G_{{\rm{ref}}}} - 1} \right){I_{{\rm{sc}}}} $ (5)
$ \Delta V = - \beta \Delta T - {R_{\rm{s}}}\Delta I $ (6)
$ \Delta T = T - {T_{{\rm{ref}}}} $ (7)

式中:T为外部环境的实际热力学温度,K;G为外部环境的实际太阳辐射强度,W/m2Tref为标准测试环境下外部环境的热力学温度参考值,取值为298 K;Gref为标准测试环境下的太阳辐射强度参考值,取值1 000 W/m2;根据光伏生产厂家给定的参考数据,αβ分别为参考日照温度下的光伏电池的电流变化温度修正系数和电压变化温度修正系数,分别设定为0.015 A/℃和0.7 V/℃。

2 船舶并网光伏电力系统控制策略

采用恒功率逆变控制策略实现光伏系统与船舶电网的并网运行控制,其中:恒功率控制策略分为内、外双环结构。外环为电压环,主要功能在于通过改变参考电压来调整光伏模块的有功、无功功率,并为内环提供参考电流信号;内环为电流环,通过采用PI控制器,使逆变器输出电流趋于参考电流值。控制策略原理如图 2所示[10-11]

Download:
图 2 船舶并网光伏逆变器双环控制策略 Fig. 2 Double loop control strategy of grid-connected inverter for photovotaics-ship power system

在恒功率逆变控制策略中,采用Park变换计算得到逆变器输出电压和输出电流在dq轴上的电压分量vdvq和电流分量idiq[12-13]

$ \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{v_{\rm{d}}}}\\ {{v_{\rm{q}}}} \end{array}} \right] = \frac{2}{3}\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {\cos \theta }&{\cos \left( {\theta - \frac{{2{\rm{ \mathsf{ π} }}}}{3}} \right)}&{\cos \left( {\theta - \frac{{4{\rm{ \mathsf{ π} }}}}{3}} \right)}\\ {\sin \theta }&{\cos \left( {\theta - \frac{{2{\rm{ \mathsf{ π} }}}}{3}} \right)}&{\sin \left( {\theta - \frac{{4{\rm{ \mathsf{ π} }}}}{3}} \right)} \end{array}} \right]\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{v_a}}\\ {{v_b}}\\ {{v_c}} \end{array}} \right] $ (8)
$ \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{i_{\rm{d}}}}\\ {{i_{\rm{q}}}} \end{array}} \right] = \frac{2}{3}\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {\cos \theta }&{\cos \left( {\theta - \frac{{2{\rm{ \mathsf{ π} }}}}{3}} \right)}&{\cos \left( {\theta - \frac{{4{\rm{ \mathsf{ π} }}}}{3}} \right)}\\ {\sin \theta }&{\cos \left( {\theta - \frac{{2{\rm{ \mathsf{ π} }}}}{3}} \right)}&{\sin \left( {\theta - \frac{{4{\rm{ \mathsf{ π} }}}}{3}} \right)} \end{array}} \right]\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{i_a}}\\ {{i_b}}\\ {{i_c}} \end{array}} \right] $ (9)

分别dq轴上对电压和电流进行双环控制、PI控制和Park逆变换,获得调制信号UdUq,再经正弦脉冲宽度调制(sinusoidal pulse width modulation,SPWM)调至即可生成6路PWM控制信号控制三相逆变器输出。

$ \left\{ \begin{array}{l} {U_{\rm{d}}} = \left( {{K_{{\rm{idi}}}} + {K_{{\rm{idi}}}}/s} \right)\left( {{i_{{\rm{dref}}}} - {i_{\rm{d}}}} \right) - wL{i_{\rm{q}}} + {v_{\rm{d}}}\\ {U_{\rm{q}}} = \left( {{K_{{\rm{iqp}}}} + {K_{{\rm{iqi}}}}/s} \right)\left( {{i_{{\rm{qref}}}} - {i_{\rm{q}}}} \right) - wL{i_{\rm{q}}} + {v_{\rm{d}}} \end{array} \right. $ (10)

式中:KidpKidi分别为d轴电流分量PI控制器中的比例、积分系数;KiqpKiqi分别为q轴电流分量PI控制器中的比例、积分系数;w为电力系统的角频率;L为输电线路中的电感值;idrefiqref分别为输出电流参考值的dq轴分量,其值由电压环计算求得[14-15]

$ \left\{ \begin{array}{l} {i_{{\rm{dref}}}} = \left( {{K_{{\rm{vdp}}}} + {K_{{\rm{vdi}}}}/s} \right)\left( {{v_{{\rm{dref}}}} - {v_{\rm{d}}}} \right)\\ {i_{{\rm{qref}}}} = \left( {{K_{{\rm{vqp}}}} + {K_{{\rm{vqi}}}}/s} \right)\left( {{v_{{\rm{qref}}}} - {v_{\rm{q}}}} \right) \end{array} \right. $ (11)

式中:KvdpKvdi分别为d轴电压分量PI控制器中的比例、积分系数;KvqpKvqi分别为q轴电压分量PI控制器中的比例、积分系数。其中,dq轴电压分量参考值vdrefvqref由船舶光伏发电模块的设定输出有功功率和无功功率计算求得:

$ \left\{ \begin{array}{l} {P_{{\rm{ref}}}} = \frac{3}{2}\left( {{v_{{\rm{dref}}}}{i_{{\rm{dref}}}} + {v_{{\rm{qref}}}}{i_{{\rm{qref}}}}} \right)\\ {Q_{{\rm{ref}}}} = \frac{3}{2}\left( {{v_{{\rm{qref}}}}{i_{{\rm{dref}}}} - {v_{{\rm{dref}}}}{i_{{\rm{qref}}}}} \right) \end{array} \right. $ (12)

式中:PrefQref分别为设定光伏逆变器的有功功率和无功功率输出值。

3 电能质量特征指标及仿真算例设计 3.1 船舶电能质量特征指标

中国船级社《钢质海船入级规范(2015)》(以下简称船规)针对船舶电能质量的评价特征指标主要包括:电压偏差、电流偏差、最大谐波含量和谐波畸变率[16]。其中,电压偏差Ur为电网实际电压Ur与标称电压Un的相对误差,表示为

$ \Delta U = \frac{{{U_{\rm{r}}} - {U_{\rm{n}}}}}{{{U_{\rm{n}}}}} \times 100\% $ (13)

同理,频率偏差Δf表示为

$ \Delta f = \frac{{{f_{\rm{r}}} - {f_{\rm{n}}}}}{{{f_{\rm{n}}}}} \times 100\% $ (14)

最大电压、电流谐波含量HR, max vHR, max i分别为各单次谐波电压、电流占工频电压、电流百分比中的最大值,表示为

$ \left\{ \begin{array}{l} {H_{R,\max i}} = \max \left( {\frac{{{i_h}}}{{{i_n}}} \times 100\% } \right)\\ {H_{R,\max v}} = \max \left( {\frac{{{v_h}}}{{{v_n}}} \times 100\% } \right) \end{array} \right. $ (15)

而电压、电流谐波总畸变率VTHDiTHD的计算公式如下

$ \left\{ \begin{array}{l} {v_{{\rm{THD}}}} = \sqrt {\sum\limits_{h = 2} {{{\left( {\frac{{{v_h}}}{{{v_n}}}} \right)}^2}} } \times 100\% \\ {i_{{\rm{THD}}}} = \sqrt {\sum\limits_{h = 2} {{{\left( {\frac{{{i_h}}}{{{i_n}}}} \right)}^2}} } \times 100\% \end{array} \right. $ (16)

式中:ihvh分别为各次谐波电压值和电流值,vnin分别为工频下船舶电网实际电压值和电流值。

3.2 仿真算例设计

基于电力系统仿真软件平台PSCAD/EMTDC,建立以5000PCTC汽车滚装船“中远腾飞”轮光电-船电并网电力系统为适用对象的仿真模型,采用在交流母排端接入并网光伏系统并通过联络开关与主发电机组相连的方式构建电网拓扑[17],如图 3所示。

Download:
图 3 “中远腾飞”轮船舶并网光伏电力系统 Fig. 3 The grid-connected photovotaics-ship power system of "COSCO Tengfei"

通过分析“中远腾飞”船舶《电力负荷计算书》,在正常航行工况下,该船实际电气总负荷约为600 kVA,功率因数0.8,由1台视在功率为1 200 kVA(有功功率960 kW)的四冲程柴油发电机组供电[18]。实船太阳能光伏发电系统的装机容量为143.1 kW(光伏渗透率为14.9%),考虑到顶层甲板上的实际允许安装面积,理论上光伏系统的最大装机容量可提高至480 kW(光伏渗透率为50%)。光伏逆变器额定功率为500 kW,滤波器采用低通无源LC滤波器,其电容、电感取值分别为22 μF、2 mH。数据测试点位置为PCC处,该处额定电压450 V。

在该仿真模型中,设定光伏发电系统模型在运行时间为10 s时,以240 kW(光伏渗透率为25%)的输出功率并入船舶电网,并网持续时间为10 s。测取PCC处线电压和各分路相电流,如图 4所示。

Download:
图 4 240 kW光伏系统并/离网时电压、电流响应曲线 Fig. 4 Response curves of voltage and current when 240 kW PV system cuting in/out

在光伏并/离网瞬间,光伏和柴油发电机的输出电流快速响应,而负载端电流基本维持恒定,所受冲击电流的影响较小,但PCC处线电压出现较大的波动,必定恶化电能质量。为了探究不同光伏渗透率下,光伏并/离网操作对船舶并网光伏电力系统电能质量的影响,设计算例如下:算例1为1#柴油发电机组带载运行(2#和3#停机),20 s后光伏发电系统分别以8个光伏渗透率档,即:6.25%、12.5%、18.75%、25%、31.25%、37.5%、43.75%和50% 8个档,并网切入船舶电网;算例2为光伏发电系统分别以上8个光伏渗透率档与1#柴油发电机组并网运行,20 s后,光伏发电系统离网切出。

4 算例仿真及分析 4.1 电压、频率分析

图 5所示是两个算例中各渗透率光伏发电系统并网/切离前后电压、频率波动响应曲线。阶段1、2、3用以划分算例1中柴油发电机组独自带载、并网切入冲击和柴电-光伏混合供电3个时间段;阶段4、5、6用以划分算例2中光伏-柴电混合供电、离网切出冲击和柴电独自带载3个时间段。

Download:
图 5 电压、频率波动响应曲线 Fig. 5 Response curves of voltage and frequency parameters fluctuations

并网光伏切入和离网切出瞬间,电压和频率均出现一定程度的波动,分析其过程:算例1中,由于光伏发电系统并网切入,船舶柴油发电机组承担的负荷突然降低,发电机组的输出转矩降低,电枢电流下降,机组端电压迅速增大,而机组承担负荷的降低又会引起转子转速突升,系统频率也将随之增大,但随着柴油发电机组的励磁系统和调速器的响应,输出电压和系统频率出现阻尼振荡现象,最终趋于相对稳定;算例2中,光伏的离网切出,瞬间增大了船舶柴油发电机组的负荷承担量,输出转矩突增,导致电枢电流增大,机组输出端电压降低。机组转子转速快速降低,系统频率发生突降,随后在励磁系统和调速器的调控下逐渐稳定于系统标称值。

与并网光伏切入时的电网电压和频率波动有所区别,光伏离网切出过程在发电机组励磁机和调速系统调控后出现较大的正向反弹,且随着光伏渗透率的增加,电压、频率波动峰值均呈增长趋势,电压、频率均在并网光伏后0.4 s(即AB处)出现第一摆波动峰值,船舶电网的电压偏差和频率偏差也呈现增长趋势,如表 1所列。

表 1 船舶电网电压偏差和频率偏差 Tab.1 Voltage and frequency deviation of ship power grid

上述算例仿真结果显示:

1) 柴电独自带载阶段(阶段1、6),船舶电网稳态电压偏差为0.37%,稳态频率偏差为0.16%;

2) 并网光伏后,瞬态电压偏差和瞬态频率偏差随并网光伏功率的增加而不断增大,当光伏渗透率达到50%时,瞬态电压偏差和瞬态频率偏差分别达到4.01%和3.14%;

3) 在光伏发电系统切离船舶电网时,瞬态电压偏差和瞬态频率偏差普遍小于算例1的并网光伏切入过程;

4) 在光电-船电并网运行带载阶段,稳态电压偏差与光伏渗透率成正比。值得注意的是:当渗透率为6.25%时,稳态电压偏差为0.17%,与阶段1相比,降低了0.2%。此时,并网光伏运行在一定程度上改善了整个船舶电网的电压质量;而当渗透率增至50%时,稳态电压偏差增至1.52%,并网光伏运行的对于船舶电网电压质量负面影响作用显现出来,而稳态频率偏差虽然与阶段1相比出现较小幅度的增长,但能够稳定在(0.27±0.09)%范围内,不随光伏渗透率的增加而变化。

4.3 谐波分析

在算例1和算例2的仿真计算中,将8个不同等级渗透率的光伏发电系统与船舶电力系统并网稳定运行,船舶电网最大电压谐波含量、最大电流谐波含量、电压总畸变率和电流总畸变率4个指标均不受并网光伏渗透率的影响,且其值与船舶电力系统仅由柴油发电机组供电时的参照值相差较小,说明光伏逆变系统中的LC滤波器运行起到了对逆变谐波的有效抑制作用。然而,8个不同等级渗透率光伏系统的并网切入和离网切出过程对上述4个指标则产生了较大的影响作用,谐波含量和畸变率均表现为随渗透率增加而提高的趋势,且同一算例中的最大谐波含量与总畸变率相差较小,如图 6所示。进一步分析仿真算例结果,可以发现:

Download:
图 6 谐波指标参数变化曲线 Fig. 6 Curves of harmonic parameters

1) 纯柴电船舶电力系统电网谐波特征指标HR, max vHR, max ivTHDiTHD分别为0.50%、0.53%、0.74%和0.70%;

2) 当并网光伏运行的渗透率提升至39.63%时,并网稳态运行条件下vTHD达到中国船级社《船规》所规定的5%上限值(其他3个指标未予明确);

3) 渗透率进一步提升至50%时,算例1中上述4个电能质量参数分别为4.39%、4.41%、5.96%和5.98%,而算例2中上述4个电能质量参数则分别为4.13%、4.27%、5.89%和6.02%,均为纯柴电船舶电力系统谐波特征指标的8~9倍,表明高渗透率条件下运行的光电-船电并网电力系统电能质量已显著恶化。

5 结论

1) 随着光伏渗透率的提升,光伏发电系统并/离网瞬间,光伏系统电能的汇入对船舶电力系统电能质量参数产生负面影响,表现为:系统电压偏差增幅结果3.64%,频率偏差增幅2.98%,而最大单次电压谐波含量增幅3.89%,最大单次电流谐波含量增幅3.88%,电压总畸变率增幅5.22%,电流总畸变率增幅5.32%;

2) 在相同光伏渗透率下,光伏发电系统并网光伏切入和离网切出对船舶电网谐波的影响程度相差不大,但并网光伏切入对船舶电网电压偏差和频率偏差影响显著强于光伏离网切出过程;

3) 随着光伏渗透率的提升,船舶电网电压偏差和频率偏差存在一定的增长趋势,但均在中国船级社对分布式电源并入船舶电网的电能质量要求范围以内;

4) 当光伏渗透率超过39.63%时,系统电压谐波总畸变率达到5%临界值;而当光伏渗透率上升到50%,电网最大谐波含量更达到纯柴电供电系统的8.5倍,光伏电能的并入对系统电能质量的影响严重超标。

进一步探讨,除光伏渗透率因素外,并网光伏接入位置、柴油发电机组的启停、船用负荷等级以及系统短路故障等因素均会对光伏系统与船舶电力系统并网运行过程中的电能质量产生影响,相关的理论问题将在今后的研究工作中逐步展开。

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