光伏渗透率对船舶光伏系统电能质量的影响(2)
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【关键词】
【摘要】式中:Kidp、Kidi分别为d轴电流分量PI控制器中的比例、积分系数;Kiqp、Kiqi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
式中:Kidp、Kidi分别为d轴电流分量PI控制器中的比例、积分系数;Kiqp、Kiqi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;idref、iqref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]:
式中:Kvdp、Kvdi分别为d轴电压分量PI控制器中的比例、积分系数;Kvqp、Kvqi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vdref、vqref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:
式中:Pref和Qref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
同理,频率偏差Δf表示为
最大电压、电流谐波含量HR,maxv、HR,maxi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
而电压、电流谐波总畸变率VTHD、iTHD的计算公式如下
式中:ih、vh分别为各次谐波电压值和电流值,vn、in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。
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。
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
如图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。
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。
文章来源:《船舶工程》 网址: http://www.cbgczzs.cn/qikandaodu/2021/0418/468.html