太阳能发电技术在船舶电力系统中的仿真研究

摘要

为解决传统化石燃料如煤、石油、天然气的过度使用所带来的能源危机和环境污染问题，用太阳能、风能等新能源在一定程度上替代传统化石能源是解决该问题的重要途径，其中太阳能的应用前景最为广阔。船舶属于大耗能设备，将光伏发电技术应用于船舶上既可以分担柴油发电机组的部分发电任务，又对实现船舶节能减排具有重要意义。然而，由于船舶航行受海况、天气等不确定因素的影响，光伏发电系统的输出会有很大波动，因此，需要对融入光伏发电系统的船舶电力系统进行研究，给出影响船舶电力系统稳定运行的因素并加以分析和解决。
　　本文以大型油轮(VLCC)为研究对象，总体采用模块化思想，对融入太阳能船舶电力系统的各组成部分进行建模和仿真分析。首先构建以柴油发电机组为主的传统船舶电力系统仿真模型，而后将光伏电力系统进一步地分为光伏电池部分、储能部分和并网逆变器三部分，并对每一部分进行仿真研究。主要研究外界环境变化下对光伏系统组件最大功率点的追踪问题、光伏发电系统融入船舶电力系统后对系统的影响，以及选择最优的储能方式来平抑光伏系统的功率波动优化电能质量。文中给出了适用于该太阳能船舶的光伏逆变器拓扑结构和控制策略，用来改善船舶上由于不平衡负载的引入所带来的输出电压不对称的影响，并仿真验证了其作用效果。
　　最后结合工程实际，搭建了实船电力系统仿真模型，并对该VLCC的实际工程电力系统设计方案进行仿真验证。仿真结果表明，工程设计方案达到各项任务要求，为船舶电力系统的实际工程安装提供参考。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题背景及研究意义

1．2全球对太阳能船舶的研究与发展现状

1．2．1国外光伏技术在船舶上的应用现状

1．2．2国内光伏技术在船舶上的应用现状

1．3论文主要研究内容

第2章融入太阳能的船舶电力系统建模与仿真

2．1目标船型的电力系统结构

2．2船舶电力系统建模与仿真分析

2．2．1柴油机及其调速系统建模

2．2．2同步发电机系统建模

2．2．3船舶电力系统模型与仿真分析

2．3船舶光伏发电系统的建模与仿真分析

2．3．1光伏发电系统的组成

2．3．2光伏阵列仿真模型的建立

2．3．3 MPPT控制器的设计

2．3．4基于Boost电路的MPPT控制及仿真

2．4接入光伏发电系统的船舶电力系统的仿真分析

2．5本章小结

第3章储能技术在船舶电力系统中的仿真研究

3．1超级电容储能系统

3．1．1超级电容的数学模型

3．1．2超级电容的仿真模型建立

3．2蓄电池储能系统

3．2．1蓄电池的数学模型

3．2．2蓄电池的仿真模型建立

3．3飞轮储能系统

3．3．1飞轮储能系统的数学模型

3．3．2充放电部分及其控制策略

3．3．3飞轮储能系统仿真模型建立

3．3．4飞轮储能系统充放电过程分析

3．4三种储能方式比较

3．5本章小结

第4章船舶电力系统中三相四桥臂光伏逆变器研究

4．1三相四桥臂逆变器数学模型

4．1．1时域数学模型的构建

4．1．2拉氏域数学模型的构建

4．2三相不平衡负载稳态和暂态电压工况下不对称抑制策略研究

4．2．1稳态电压工况下电压电流双闭环解耦控制

4．2．2稳态电压工况下对称分量法

4．2．3稳态电压工况下逆变器控制整体框图

4．2．4暂态电压工况下负载电流扰动对系统响应的影响

4．3．2暂态电压工况下动态前馈控制器设计

4．3 3D-SVPWM调制算法研究

4．3．1传统2D-SVPWM调制策略

4．3．23D-SVPWM的基本原理

4．3．33D-SVPWM空间电压矢量的选择

4．3．43D-SVPWM空间电压矢量占空比计算及切换方法

4．4船舶供电系统的三相四桥臂逆变器应用仿真研究

4．4．1船舶供电系统三相平衡的开环仿真研究

4．4．2船舶供电系统三相不平衡的开环仿真研究

4．4．3船舶供电系统三相不平衡的闭环仿真研究

4．4．4动态前馈补偿对逆变器控制的暂态响应影响仿真研究

4．5本章小结

第5章基于工程实际船舶电力系统的仿真验证

5．1大型油轮电力系统的工程设计方案

5．1．1光伏阵列设计

5．1．2并网逆变器的安装方案

5．1．3结合工程实际的船舶电力系统设计框图

5．1．4光伏发电系统运行机制及条件

5．1．5功率分配原则

5．2实船工程设计方案的仿真验证

5．2．1船舶供电系统正常工况下并网仿真结果

5．2．1船舶供电三相电压谐波分析

5．2．2船舶供电三相电流谐波分析

5．2．3船舶供电三相电压幅值瞬态变化

5．2．4船舶供电三相电压频率瞬态变化

5．3本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢