海洋环境下船用太阳能光伏系统特性研究

【摘要】：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。 【关键词】：海洋环境 船舶电力系统 光伏系统 并网 特性 船舶智能电网
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：U665.1
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 绪论12-30
• 1.1 国内外太阳能光伏发电技术的发展12-15
• 1.1.1 光伏电池技术发展历程12-14
• 1.1.2 光伏系统装机容量14-15
• 1.1.3 应用领域15
• 1.2 太阳能船舶的技术现状15-22
• 1.2.1 国外太阳能船舶发展现状16-20
• 1.2.2 国内太阳能船舶发展现状20-22
• 1.3 船用太阳能光伏技术所涉及的问题分析22-28
• 1.3.1 海洋环境下的太阳能光伏电池特性问题22-25
• 1.3.2 光伏系统与船舶电力系统并网运行特性问题25-28
• 1.4 课题来源28-29
• 1.5 主要研究工作29-30
• 第2章 电力系统基础理论研究30-52
• 2.1 船舶电力系统理论研究30-38
• 2.1.1 基本组成和特点30-32
• 2.1.2 船舶电站运行模式分析32
• 2.1.3 船舶电网结构分析32-35
• 2.1.4 船舶电站并网运行技术35-38
• 2.2 船舶综合电力系统理论研究38-41
• 2.2.1 概念来源38
• 2.2.2 IPS系统构架38-41
• 2.2.3 IPS关键技术41
• 2.3 微网(Microgrid)理论41-51
• 2.3.1 基本概念41-44
• 2.3.2 多逆变器微电源并网模型44-47
• 2.3.3 微网逆变电源控制策略47-51
• 2.4 本章小结51-52
• 第3章 太阳能光伏电池电力特性理论研究与建模52-69
• 3.1 太阳能光伏电池发电原理52-53
• 3.2 理论和数学模型分析53-58
• 3.2.1 基于固体物理理论的半导体电学特性理论模型53-54
• 3.2.2 理想太阳能光伏电池数学模型54-56
• 3.2.3 实际太阳能光伏电池数学模型56-58
• 3.3 太阳能电池仿真模型及MPPT控制建模58-62
• 3.3.1 太阳能电池MPPT控制59
• 3.3.2 控制算法59
• 3.3.3 MPPT的实现过程59-62
• 3.4 太阳能电池DC/AC变换仿真建模62-68
• 3.4.1 逆变电路控制原理63-66
• 3.4.2 DC/AC的仿真实现66-68
• 3.5 本章小结68-69
• 第4章 海洋环境下太阳能光伏电池的输出特性69-89
• 4.1 环境影响因素问题69-71
• 4.1.1 部分典型环境因素的作用机理分析69-71
• 4.1.2 海洋环境影响因素分析71
• 4.2 实验平台设计71-74
• 4.2.1 设计原则71-72
• 4.2.2 主体结构72-73
• 4.2.3 传感器73
• 4.2.4 实验对象范围拓展73-74
• 4.3 太阳能电池输出特性对比实验74-83
• 4.3.1 简化对比实验74-76
• 4.3.2 数据误差分析与处理方法76-78
• 4.3.3 系列对比实验结果与分析78-83
• 4.4 海洋环境因素对光伏电池特性影响的数学模型83-88
• 4.4.1 改进的能量守恒模型83-86
• 4.4.2 参数关联模型86-88
• 4.5 本章小结88-89
• 第5章 船舶光伏并网电力系统(SPS~2)技术规范分析与建模89-121
• 5.1 相关技术规范89-92
• 5.1.1 船舶入级规范89-90
• 5.1.2 基于分布式能源的微网技术标准90-91
• 5.1.3 光伏并网系统的技术规范91-92
• 5.1.4 综合分析92
• 5.2 船舶电力系统建模与优化92-109
• 5.2.1 原动机及调速器数学模型93-96
• 5.2.2 同步发电机及励磁系统数学模型96-103
• 5.2.3 负载数学模型103-105
• 5.2.4 仿真算例分析105-109
• 5.3 光伏系统控制策略及模型109-117
• 5.3.1 滤波器设计110-111
• 5.3.2 PQ控制器设计111-113
• 5.3.3 仿真算例分析113-117
• 5.4 基于实船的SPS~2建模117-120
• 5.4.1 基于实船基本参数的SPS~2构建117-119
• 5.4.2 SPS~2通用仿真模型119-120
• 5.5 本章小结120-121
• 第6章 船舶光伏并网电力系统(SPS~2)的运行特性121-168
• 6.1 SPS~2仿真模型运行特性研究方法121-122
• 6.2 简化船舶电网中SPS~2的并网运行特性122-132
• 6.3 单机组船舶电网中SPS~2的并网运行特性132-148
• 6.3.1 不同光伏渗透率的影响133-139
• 6.3.2 控制光伏渗透率对起始并网运行的影响139-144
• 6.3.3 发电机运行控制策略的影响144-148
• 6.4 多机组船舶电网中SPS~2的并网运行特性148-167
• 6.4.1 光伏系统离网运行时的SPS~2运行特性149-152
• 6.4.2 不同光伏渗透率的影响152-157
• 6.4.3 光伏并网运行时投入不同负载的影响157-163
• 6.4.4 电网中电路故障时的并网运行特性163-167
• 6.5 本章小结167-168
• 第7章 结论与展望168-171
• 7.1 主要成果和结论168-169
• 7.2 创新点169-170
• 7.3 研究展望170-171
• 参考文献171-182
• 致谢182-184
• 攻读博士期间发表的主要论文及参加的科研项目184-187

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