海洋环境下船用太阳能光伏系统特性研究

自上世纪90年代开始,基于各种船型平台建成的太阳能光伏系统先后投入长期试验研究或商业运营,其对于其它形式清洁能源的接入起到了很好的示范和指导作用。针对大型远洋船舶而言,构建基于船舶电力系统的太阳能光伏系统需应对特殊的运行环境和应用平台,主要涉及下述问题,包括： (1)海洋环境因素对于太阳能电池电力输出特性的影响； (2)在不同光伏渗透率(功率比重)和并网运行控制策略条件下,基于船舶电网的太阳能光伏并网系统运行特性问题； 对此,本文以海洋环境下船用太阳能光伏系统的运行特性问题为基本立足点,主要进行了四个方面的研究工作： (1)针对太阳能光伏电池的理论和数学模型进行了对比分析,并以光伏电池的工程实用模型为基础,在Matlab/Simulink仿真环境中建立了相应的仿真模型,实现了最大功率跟踪控制和DC/AC逆变控制的模拟仿真； (2)围绕海洋环境条件下的太阳能电池Ⅰ-Ⅴ输出特性问题,分别从海洋环境影响因素分析、环境模拟和输出特性对比实验研究三个方面对影响机理问题进行研究。结合理论基础和实验数据,建立了涉及多因素作用下太阳能电池输出特性的改进能量守恒模型和基于数值关系的参数关联模型； (3)以构建SPS2所涉及的相关技术规范为指导,基于Matlab/Simulink仿真软件分别对船舶电力系统和光伏并网系统进行建模和仿真研究,进而以某型营运客滚船为参考对象,构建了基于实船的SPS2基本结构模型和通用仿真模型； (4)解析了环境因素介入条件下的光伏电网并网运行特性,并通过采用多模型切换的研究方法,着重针对简化船舶电网、单发电机组和多发电机组船舶电网平台上的电网运行特性问题进行了系列仿真对比研究。 本文研究工作中形成的基本结论如下： (1)针对船舶电力系统的基本发展态势。船舶综合电力系统可成为接入高渗透率太阳能光伏发电系统的基础平台,实船建造高渗透率船舶太阳能光伏并网系统,需以船舶入级规范为依托,参照陆地电网光伏并网系统的相关技术要求具体实施。单船多种清洁能源的综合应用是船舶电力系统发展的最高形式,在具体实施过程中可充分借鉴智能电网技术框架下的微电网理论； (2)针对海洋多因素影响下的太阳能电池输出特性。海洋环境因素是导致电池板工作过程中温度升高和所接受辐照强度下降的关键因素,且环境因素的影响同时作用于这两个过程之中,其直接导致太阳能光伏电池填充因素和光伏转换效率的降低； (3)针对船舶太阳能光伏并网系统。随着光伏渗透率的提高,以最大有用功功率输出为控制策略的太阳能光伏系统在并网瞬时对于船舶电网的冲击作用增幅显著。由于缺乏惯性机械系统作为能量缓冲,船舶太阳能光伏并网系统的并网运行特性主要受逆变并网控制器执行效能的影响,合理的并网运行控制策略对于船舶太阳能光伏并网系统的稳定运行起到决定性作用。在并网运行过程中,通过对同步发电机组原动机转速和励磁系统的控制,可对电网电压、电流和频率进行调节。在高渗透率光伏系统并网运行时,仅通过对励磁系统的调节,对电网电压的调节作用有限且不足以补偿电网中无功负载的功率需求,需相应的同步补偿机予以解决。