基于ETAP的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)對(duì)船舶電網(wǎng)影響的研究

王正甲黃劍鄧靜妲

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203）

基于ETAP的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)對(duì)船舶電網(wǎng)影響的研究

王正甲黃劍鄧靜妲

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203）

針對(duì)上海船舶研究設(shè)計(jì)院（SDARI）重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目《太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)在汽車滾裝船（PCTC）船型上的應(yīng)用研究》，結(jié)合實(shí)船配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和系統(tǒng)參數(shù)，應(yīng)用ETAP（Electrical Transient Analysis Program）軟件對(duì)太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)接入船舶電網(wǎng)進(jìn)行建模仿真。通過(guò)計(jì)算不同并網(wǎng)容量時(shí)系統(tǒng)電壓偏差和三個(gè)不同節(jié)點(diǎn)的短路電流，分析太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的接入對(duì)船舶電網(wǎng)穩(wěn)定性和可靠性影響的規(guī)律。

太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)；ETAP；電壓偏差；短路電流計(jì)算

0 前言

近年來(lái)，船舶節(jié)能減排受到全球航運(yùn)界的重視，相關(guān)法規(guī)、規(guī)范逐漸健全，符合節(jié)能減排、綠色環(huán)保要求的新能源船舶成為未來(lái)船舶的發(fā)展趨勢(shì)。其中，利用太陽(yáng)能光伏發(fā)電為船舶提供輔助或主要能源的太陽(yáng)能船舶是發(fā)展最快的領(lǐng)域之一［1-3］。

然而，隨著并網(wǎng)光伏系統(tǒng)功率注入配電網(wǎng)后，系統(tǒng)潮流發(fā)生變化，進(jìn)而影響節(jié)點(diǎn)電壓偏差。特別是故障情況下，并網(wǎng)光伏系統(tǒng)還將影響船舶電網(wǎng)中的短路電流，使用不當(dāng)存在安全隱患。與陸地電力系統(tǒng)不同，船舶電網(wǎng)電站容量小，系統(tǒng)穩(wěn)定性易受負(fù)載波動(dòng)影響。而光伏系統(tǒng)受自然條件的影響，輸出功率也不穩(wěn)定，因此太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)在接入船舶電網(wǎng)之前，有必要評(píng)估其對(duì)船舶電網(wǎng)的影響，使系統(tǒng)充分發(fā)揮太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)保證船舶電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性［4-6］。

太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)在民用商船領(lǐng)域的應(yīng)用還處于初級(jí)階段，常用的船舶計(jì)算軟件，如COMPASS等并沒(méi)有提供相應(yīng)的計(jì)算分析功能。本文采用國(guó)際通用電力系統(tǒng)綜合分析軟件ETAP，結(jié)合實(shí)船案例，通過(guò)仿真手段，研究太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)不同并網(wǎng)容量時(shí)對(duì)船舶電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓偏差和短路電流影響的規(guī)律。

1ETAP軟件及其模塊

ETAP電力及電氣系統(tǒng)綜合分析計(jì)算軟件是美國(guó)OTI公司（Operation Technology Inc.）自20世紀(jì)80年代初開(kāi)始研發(fā)并在全球發(fā)行的商業(yè)軟件。憑借其全球領(lǐng)先的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)和專家知識(shí)、遵循國(guó)際國(guó)內(nèi)最新工程標(biāo)準(zhǔn)、先進(jìn)的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)及友好的圖形界面，在全球電力、石油、船舶、教育等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用［7］。

ETAP軟件集成了潮流計(jì)算、不平衡潮流計(jì)算、短路計(jì)算、保護(hù)整定、暫態(tài)溫度、電機(jī)加速、發(fā)電機(jī)啟動(dòng)、諧波分析等眾多功能模塊。ETAP 11.1.1的版本在原有版本的基礎(chǔ)上還增加光伏組件模型，使ETAP對(duì)光伏系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真成為可能。本文主要介紹仿真研究中所涉及的光伏組件、潮流分析、短路電流計(jì)算功能模塊。

1.1 光伏組件

光伏組件主要由光伏陣列和光伏逆變器組成。太陽(yáng)能電池單元是將太陽(yáng)的光能轉(zhuǎn)換為電能的最小單元。它由硅等半導(dǎo)體結(jié)晶薄片構(gòu)成，每個(gè)太陽(yáng)能電池單元輸出電壓只有0.5 V左右。為滿足系統(tǒng)對(duì)輸出電壓以及工作環(huán)境的要求，一般將多個(gè)太陽(yáng)能電池單元串并聯(lián)連接，然后封裝在耐氣候的箱中構(gòu)成太陽(yáng)能電池板。太陽(yáng)能電池板根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況安裝在光照條件良好的位置組成光伏列陣，光伏列陣再經(jīng)過(guò)光伏逆變器將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娤蜇?fù)載供電。

在ETAP軟件中，光伏陣列和光伏逆變器共同封裝在光伏陣列模塊中。由于ETAP采用圖形化方式建立單線圖，只需要將光伏組件圖標(biāo)拖到繪制單線圖的圖紙上，打開(kāi)參數(shù)設(shè)置框配置參數(shù)即可。圖1為太陽(yáng)能電池板參數(shù)設(shè)置框，軟件自帶豐富的光伏電池?cái)?shù)據(jù)庫(kù)方便用戶選擇使用。同時(shí)用戶還可以自定義太陽(yáng)能電池板P-V和I-V曲線。圖2為光伏陣列參數(shù)選擇框，可根據(jù)工程實(shí)際情況配置不同的太陽(yáng)能電池板串并聯(lián)組合，軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算并顯示出光伏陣列所需的太陽(yáng)能電池板總數(shù)、輸出電壓、功率和總電流大小。圖3為光伏逆變器參數(shù)設(shè)置框，與常規(guī)逆變器參數(shù)編輯器相同，設(shè)置的參數(shù)將顯示在光伏列陣逆變器頁(yè)面。

圖1 太陽(yáng)能電池板參數(shù)設(shè)置框

圖2 光伏陣列參數(shù)選擇框

圖3 光伏逆變器參數(shù)設(shè)置框

1.2潮流分析模塊

ETAP潮流分析模塊可計(jì)算母線電壓、支路功率因數(shù)、電流、標(biāo)識(shí)和顯示處于臨界狀態(tài)的母線電壓、標(biāo)識(shí)和顯示過(guò)載設(shè)備等。啟動(dòng)潮流計(jì)算、打開(kāi)并查看輸出報(bào)告、創(chuàng)建潮流分析案例等操作都在潮流工具條上進(jìn)行選擇，如圖4所示。圖5為潮流分析案例編輯器，在此可根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際情況進(jìn)行潮流分析算法選擇、連續(xù)（或間歇及備用）狀態(tài)下不同的負(fù)荷系數(shù)調(diào)整、功率因數(shù)修正、變壓器抽頭自動(dòng)調(diào)整等。

圖4 潮流工具條

圖5 潮流分析案例編輯器

1.3 短路電流計(jì)算功能模塊

ETAP短路分析模塊可計(jì)算電力系統(tǒng)中三相、單相、線-線情況下故障短路電流，完全遵從ANSI/ IEEE C37系列標(biāo)準(zhǔn)和IEC 60056、60282、61363、60781、60909、60947標(biāo)準(zhǔn)。其中IEC 61363標(biāo)準(zhǔn)專門(mén)針對(duì)船舶和恒定海岸設(shè)備的電力系統(tǒng)短路電流計(jì)算，因此可用來(lái)分析并網(wǎng)光伏系統(tǒng)對(duì)船舶電網(wǎng)短路電流的影響。短路分析工具條如圖6所示。

圖6 短路分析工具條

2 船舶并網(wǎng)型太陽(yáng)能光伏電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在船舶并網(wǎng)型太陽(yáng)能光伏電力系統(tǒng)建模之前，首先設(shè)計(jì)電力系統(tǒng)單線圖，再確定太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的容量及接入位置。

以上海船舶研究設(shè)計(jì)院（SDARI）設(shè)計(jì)的3 800車汽車滾裝船為例，該船配備3臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)（G1、G2、G3）作為主發(fā)電機(jī)，1臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)EG作為應(yīng)急發(fā)電機(jī)。通過(guò)對(duì)3 800車汽車滾裝船太陽(yáng)能電池板安裝位置的篩選，確定太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)峰值功率為103 kW。該系統(tǒng)通過(guò)光伏逆變器接入發(fā)電機(jī)主匯流排，在光照條件良好的情況下，光伏系統(tǒng)與船舶發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行，共同向負(fù)載提供電能。其電力系統(tǒng)單線圖見(jiàn)圖7。

圖7 3800車汽車滾裝船并網(wǎng)型太陽(yáng)能光伏電力系統(tǒng)單線圖

圖7 中，MSB1 AC 440 V——主配電板AC 440 V配電屏；T1、T2——主變壓器；MSB 220 V——主配電板AC 220 V配電屏；5L——No.5照明分電箱；406 P——AC 440 V分配電板；BT——首側(cè)推；EM1——等效發(fā)電機(jī)；Load1、Load2、Load3、Load5、Load6——等效負(fù)載；ESB 440 V——AC 440 V應(yīng)急配電板；T5、T6——應(yīng)急變壓器；2EL2——No.2應(yīng)急照明分電箱；PVA——光伏系統(tǒng)。

3 基于ETAP的系統(tǒng)實(shí)船建模仿真研究

3.1 建模仿真

利用ETAP軟件對(duì)船舶并網(wǎng)光伏系統(tǒng)進(jìn)行建模分為兩步，首先根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況利用軟件提供的各種設(shè)備模型建立單線圖，然后輸入各組件參數(shù)。建模完成后再利用軟件提供的潮流計(jì)算、短路計(jì)算功能模塊對(duì)模型進(jìn)行仿真計(jì)算，得到系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)電壓偏差和不同節(jié)點(diǎn)的短路電流水平。

3 800車汽車滾裝船的光伏陣列由375塊太陽(yáng)能電池組成，通過(guò)15串25并聯(lián)接，采用英利PANDA 60 Cell 400 mm系列的單晶硅太陽(yáng)能電池板，設(shè)計(jì)選型參數(shù)如表1所示。

表1 3800車汽車滾裝船太陽(yáng)能電池組件選型表

結(jié)合3 800車汽車滾裝船的實(shí)船數(shù)據(jù)及太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，通過(guò)ETAP軟件根據(jù)圖7所示單線圖進(jìn)行建模，得到3 800車汽車滾裝船太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)并網(wǎng)方案的仿真模型見(jiàn)圖8。

圖8 并網(wǎng)改造方案ETAP仿真模型（圖片來(lái)源：ETAP軟件建模界面截圖）

3.2 節(jié)點(diǎn)電壓偏差計(jì)算

利用潮流計(jì)算模塊對(duì)電力系統(tǒng)模型進(jìn)行潮流分析，由于太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際使用情況自由調(diào)節(jié)輸出功率，本次仿真除研究不同光伏系統(tǒng)并網(wǎng)容量對(duì)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓偏差的影響外，還增加了1個(gè)并網(wǎng)容量為300 kW的虛擬工況（通過(guò)調(diào)節(jié)圖8所示的光伏組件PVA3容量）進(jìn)行仿真，以研究大容量太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)接入船舶電網(wǎng)時(shí)對(duì)系統(tǒng)的影響。

根據(jù)圖8仿真模型計(jì)算得到的終端節(jié)點(diǎn)照明分電箱（5L）在不同光伏系統(tǒng)并網(wǎng)容量情況下和未接入光伏系統(tǒng)情況下的電壓偏差對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 并網(wǎng)改造方案節(jié)點(diǎn)（5L）電壓偏差

3.3 短路電流計(jì)算

分別在主配電板AC 440 V配電屏、主配電板AC 220 V配電屏和終端節(jié)點(diǎn)（5L）處進(jìn)行三相短路分析。利用軟件短路電流計(jì)算模塊進(jìn)行系統(tǒng)短路電流仿真計(jì)算，得到不同并網(wǎng)容量下3個(gè)短路點(diǎn)短路電流計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 短路電流計(jì)算結(jié)果

3.4 結(jié)論和建議

通過(guò)對(duì)并網(wǎng)改造方案進(jìn)行建模仿真計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，光伏系統(tǒng)的接入對(duì)原船舶電力系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)電壓偏差影響較?。ㄈ绫?所示）。其原因在于，船舶電力網(wǎng)絡(luò)屬于輻射式網(wǎng)絡(luò)，僅由主配電板AC 440 V匯流排提供整個(gè)電力系統(tǒng)的電壓和功率，即主配電板AC 440 V匯流排為PV節(jié)點(diǎn)。而本項(xiàng)目光伏系統(tǒng)并網(wǎng)接入點(diǎn)亦為該P(yáng)V節(jié)點(diǎn)，不影響系統(tǒng)的潮流分布，因而對(duì)系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)電壓偏差影響較小。

另外，從表3可以看出，不同容量的太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)通過(guò)主配電板AC440 V匯流排接入原船舶電力系統(tǒng)中后，各短路點(diǎn)的短路電流略有上升且基本一致，這說(shuō)明光伏系統(tǒng)向原系統(tǒng)注入了一定量的短路電流。但因光伏逆變器對(duì)輸出的短路電流進(jìn)行了限制，使得光伏系統(tǒng)輸出的短路電流與發(fā)電機(jī)輸出的短路電流相比微乎其微，因而對(duì)原電力系統(tǒng)幾乎不造成影響。在接入光伏系統(tǒng)后，原系統(tǒng)不需要做任何改造。針對(duì)并網(wǎng)容量為300 kW的虛擬工況進(jìn)行仿真的結(jié)果顯示，即使進(jìn)一步提高并網(wǎng)容量，對(duì)船舶電網(wǎng)的影響也是在規(guī)范允許范圍之內(nèi)。由此可知，該船電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)接入更大容量光伏系統(tǒng)仍能保證原系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性要求，對(duì)并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的保護(hù)應(yīng)該更加注重光伏逆變器對(duì)光伏系統(tǒng)自身的保護(hù)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文應(yīng)用ETAP軟件對(duì)SDARI設(shè)計(jì)的3 800車汽車滾裝船并網(wǎng)太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，仿真的結(jié)果符合預(yù)期，因而從理論和仿真兩方面驗(yàn)證了光伏系統(tǒng)并網(wǎng)方案的可行性。隨著光伏系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率的進(jìn)一步提高和生產(chǎn)成本的進(jìn)一步下降，其在船舶上的應(yīng)用價(jià)值一定會(huì)得以凸顯。

［1］石浛錕.船舶光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行特性研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2014.

［2］李俊峰，王斯成.2011中國(guó)光伏發(fā)展報(bào)告［M］.北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2011.

［3］嚴(yán)新平.新能源在船舶上的應(yīng)用進(jìn)展及展望［J］.船海工程，2010，39（6）：111-115.

［4］崔弘，夏成軍，羅宗杰，等.分布式電源并網(wǎng)對(duì)配網(wǎng)系統(tǒng)的影響［J］.電氣應(yīng)用，2009，28（24）：54-58.

［5］WANG WB，XIONG JJ.Simulation of Distributed Photovoltaic Power Connecting to Grid Based on ETAP［J］.Advanced Materials Research.2015（1061/1062）：1039-1042.

［6］熊軍.分布式電源對(duì)配網(wǎng)的影響及準(zhǔn)入容量的確定［D］.杭州：浙江大學(xué)，2006.

［7］美國(guó)OTI公司.ETAP用戶手冊(cè)12.6.0［M］.Irvine.USA：Operation Technology，Incorporation，2014.

Research on Impact of Grid-connected Photovoltaic Power System on Ship Power System Based on ETAP

WANG Zheng-jiaHUANG JianDENG Jing-da
（Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute，Shanghai 201203，China）

Based on the high-tech vessels research project of Solar Energy Application Technology Research On PCTC Ship developed by Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute（SDARI）and combined with the distribution network topologies and system parameters of a real ship，this article modeled and simulated the solar photovoltaic power system connected to ship power system by using Electrical Transient Analysis Program（ETAP），calculated the system voltage descent and short circuit current of three different nodes according to different system capacity and analyzed the impact of grid-connected solar photovoltaic power system on the stability and reliability of ship power system.

photovoltaic power system；ETAP；power flow analysis；short circuit current calculation

U655

A

1001－4624（2016）02－0068－05

2016-08-10；

2016-12-05

王正甲（1984—），男，高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事船舶電氣設(shè)計(jì)工作。

黃劍（1989—），男，助理工程師，從事船舶電氣設(shè)計(jì)工作。

鄧靜妲（1988—），女，助理工程師，從事船舶電氣設(shè)計(jì)工作。