基于ETAP的并网光伏系统对船舶电网影响的研究

王正甲黄剑邓静妲

（上海船舶研究设计院，上海201203）

基于ETAP的并网光伏系统对船舶电网影响的研究

王正甲黄剑邓静妲

（上海船舶研究设计院，上海201203）

针对上海船舶研究设计院（SDARI）重点研发项目《太阳能光伏系统在汽车滚装船（PCTC）船型上的应用研究》，结合实船配电网拓扑结构和系统参数，应用ETAP（Electrical Transient Analysis Program）软件对太阳能光伏系统接入船舶电网进行建模仿真。通过计算不同并网容量时系统电压偏差和三个不同节点的短路电流，分析太阳能光伏系统的接入对船舶电网稳定性和可靠性影响的规律。

太阳能光伏系统；ETAP；电压偏差；短路电流计算

0 前言

近年来，船舶节能减排受到全球航运界的重视，相关法规、规范逐渐健全，符合节能减排、绿色环保要求的新能源船舶成为未来船舶的发展趋势。其中，利用太阳能光伏发电为船舶提供辅助或主要能源的太阳能船舶是发展最快的领域之一［1-3］。

然而，随着并网光伏系统功率注入配电网后，系统潮流发生变化，进而影响节点电压偏差。特别是故障情况下，并网光伏系统还将影响船舶电网中的短路电流，使用不当存在安全隐患。与陆地电力系统不同，船舶电网电站容量小，系统稳定性易受负载波动影响。而光伏系统受自然条件的影响，输出功率也不稳定，因此太阳能光伏系统在接入船舶电网之前，有必要评估其对船舶电网的影响，使系统充分发挥太阳能光伏系统的环保性和经济性，同时保证船舶电网的稳定性和可靠性［4-6］。

太阳能光伏系统在民用商船领域的应用还处于初级阶段，常用的船舶计算软件，如COMPASS等并没有提供相应的计算分析功能。本文采用国际通用电力系统综合分析软件ETAP，结合实船案例，通过仿真手段，研究太阳能光伏系统不同并网容量时对船舶电网节点电压偏差和短路电流影响的规律。

1ETAP软件及其模块

ETAP电力及电气系统综合分析计算软件是美国OTI公司（Operation Technology Inc.）自20世纪80年代初开始研发并在全球发行的商业软件。凭借其全球领先的专业经验和专家知识、遵循国际国内最新工程标准、先进的计算机仿真技术及友好的图形界面，在全球电力、石油、船舶、教育等领域获得了广泛应用［7］。

ETAP软件集成了潮流计算、不平衡潮流计算、短路计算、保护整定、暂态温度、电机加速、发电机启动、谐波分析等众多功能模块。ETAP 11.1.1的版本在原有版本的基础上还增加光伏组件模型，使ETAP对光伏系统进行建模仿真成为可能。本文主要介绍仿真研究中所涉及的光伏组件、潮流分析、短路电流计算功能模块。

1.1 光伏组件

光伏组件主要由光伏阵列和光伏逆变器组成。太阳能电池单元是将太阳的光能转换为电能的最小单元。它由硅等半导体结晶薄片构成，每个太阳能电池单元输出电压只有0.5 V左右。为满足系统对输出电压以及工作环境的要求，一般将多个太阳能电池单元串并联连接，然后封装在耐气候的箱中构成太阳能电池板。太阳能电池板根据现场情况安装在光照条件良好的位置组成光伏列阵，光伏列阵再经过光伏逆变器将直流电转变为交流电向负载供电。

在ETAP软件中，光伏阵列和光伏逆变器共同封装在光伏阵列模块中。由于ETAP采用图形化方式建立单线图，只需要将光伏组件图标拖到绘制单线图的图纸上，打开参数设置框配置参数即可。图1为太阳能电池板参数设置框，软件自带丰富的光伏电池数据库方便用户选择使用。同时用户还可以自定义太阳能电池板P-V和I-V曲线。图2为光伏阵列参数选择框，可根据工程实际情况配置不同的太阳能电池板串并联组合，软件会自动计算并显示出光伏阵列所需的太阳能电池板总数、输出电压、功率和总电流大小。图3为光伏逆变器参数设置框，与常规逆变器参数编辑器相同，设置的参数将显示在光伏列阵逆变器页面。

图1 太阳能电池板参数设置框

图2 光伏阵列参数选择框

图3 光伏逆变器参数设置框

1.2潮流分析模块

ETAP潮流分析模块可计算母线电压、支路功率因数、电流、标识和显示处于临界状态的母线电压、标识和显示过载设备等。启动潮流计算、打开并查看输出报告、创建潮流分析案例等操作都在潮流工具条上进行选择，如图4所示。图5为潮流分析案例编辑器，在此可根据系统实际情况进行潮流分析算法选择、连续（或间歇及备用）状态下不同的负荷系数调整、功率因数修正、变压器抽头自动调整等。

图4 潮流工具条

图5 潮流分析案例编辑器

1.3 短路电流计算功能模块

ETAP短路分析模块可计算电力系统中三相、单相、线-线情况下故障短路电流，完全遵从ANSI/ IEEE C37系列标准和IEC 60056、60282、61363、60781、60909、60947标准。其中IEC 61363标准专门针对船舶和恒定海岸设备的电力系统短路电流计算，因此可用来分析并网光伏系统对船舶电网短路电流的影响。短路分析工具条如图6所示。

图6 短路分析工具条

2 船舶并网型太阳能光伏电力系统结构

在船舶并网型太阳能光伏电力系统建模之前，首先设计电力系统单线图，再确定太阳能光伏系统的容量及接入位置。

以上海船舶研究设计院（SDARI）设计的3 800车汽车滚装船为例，该船配备3台柴油发电机（G1、G2、G3）作为主发电机，1台柴油发电机EG作为应急发电机。通过对3 800车汽车滚装船太阳能电池板安装位置的筛选，确定太阳能光伏系统峰值功率为103 kW。该系统通过光伏逆变器接入发电机主汇流排，在光照条件良好的情况下，光伏系统与船舶发电机并网运行，共同向负载提供电能。其电力系统单线图见图7。

图7 3800车汽车滚装船并网型太阳能光伏电力系统单线图

图7 中，MSB1 AC 440 V——主配电板AC 440 V配电屏；T1、T2——主变压器；MSB 220 V——主配电板AC 220 V配电屏；5L——No.5照明分电箱；406 P——AC 440 V分配电板；BT——首侧推；EM1——等效发电机；Load1、Load2、Load3、Load5、Load6——等效负载；ESB 440 V——AC 440 V应急配电板；T5、T6——应急变压器；2EL2——No.2应急照明分电箱；PVA——光伏系统。

3 基于ETAP的系统实船建模仿真研究

3.1 建模仿真

利用ETAP软件对船舶并网光伏系统进行建模分为两步，首先根据项目实际情况利用软件提供的各种设备模型建立单线图，然后输入各组件参数。建模完成后再利用软件提供的潮流计算、短路计算功能模块对模型进行仿真计算，得到系统的节点电压偏差和不同节点的短路电流水平。

3 800车汽车滚装船的光伏阵列由375块太阳能电池组成，通过15串25并联接，采用英利PANDA 60 Cell 400 mm系列的单晶硅太阳能电池板，设计选型参数如表1所示。

表1 3800车汽车滚装船太阳能电池组件选型表

结合3 800车汽车滚装船的实船数据及太阳能光伏系统的设计参数，通过ETAP软件根据图7所示单线图进行建模，得到3 800车汽车滚装船太阳能光伏系统并网方案的仿真模型见图8。

图8 并网改造方案ETAP仿真模型（图片来源：ETAP软件建模界面截图）

3.2 节点电压偏差计算

利用潮流计算模块对电力系统模型进行潮流分析，由于太阳能光伏系统可根据实际使用情况自由调节输出功率，本次仿真除研究不同光伏系统并网容量对系统节点电压偏差的影响外，还增加了1个并网容量为300 kW的虚拟工况（通过调节图8所示的光伏组件PVA3容量）进行仿真，以研究大容量太阳能光伏系统接入船舶电网时对系统的影响。

根据图8仿真模型计算得到的终端节点照明分电箱（5L）在不同光伏系统并网容量情况下和未接入光伏系统情况下的电压偏差对比见表2。

表2 并网改造方案节点（5L）电压偏差

3.3 短路电流计算

分别在主配电板AC 440 V配电屏、主配电板AC 220 V配电屏和终端节点（5L）处进行三相短路分析。利用软件短路电流计算模块进行系统短路电流仿真计算，得到不同并网容量下3个短路点短路电流计算结果如表3所示。

表3 短路电流计算结果

3.4 结论和建议

通过对并网改造方案进行建模仿真计算可以发现，光伏系统的接入对原船舶电力系统的节点电压偏差影响较小（如表1所示）。其原因在于，船舶电力网络属于辐射式网络，仅由主配电板AC 440 V汇流排提供整个电力系统的电压和功率，即主配电板AC 440 V汇流排为PV节点。而本项目光伏系统并网接入点亦为该PV节点，不影响系统的潮流分布，因而对系统各节点电压偏差影响较小。

另外，从表3可以看出，不同容量的太阳能光伏系统通过主配电板AC440 V汇流排接入原船舶电力系统中后，各短路点的短路电流略有上升且基本一致，这说明光伏系统向原系统注入了一定量的短路电流。但因光伏逆变器对输出的短路电流进行了限制，使得光伏系统输出的短路电流与发电机输出的短路电流相比微乎其微，因而对原电力系统几乎不造成影响。在接入光伏系统后，原系统不需要做任何改造。针对并网容量为300 kW的虚拟工况进行仿真的结果显示，即使进一步提高并网容量，对船舶电网的影响也是在规范允许范围之内。由此可知，该船电力系统设计接入更大容量光伏系统仍能保证原系统稳定性和可靠性要求，对并网光伏系统的保护应该更加注重光伏逆变器对光伏系统自身的保护。

4 结语

本文应用ETAP软件对SDARI设计的3 800车汽车滚装船并网太阳能光伏系统进行建模仿真，仿真的结果符合预期，因而从理论和仿真两方面验证了光伏系统并网方案的可行性。随着光伏系统的能量转换效率的进一步提高和生产成本的进一步下降，其在船舶上的应用价值一定会得以凸显。

［1］石浛锟.船舶光伏并网发电系统运行特性研究［D］.武汉：武汉理工大学，2014.

［2］李俊峰，王斯成.2011中国光伏发展报告［M］.北京：中国环境科学出版社，2011.

［3］严新平.新能源在船舶上的应用进展及展望［J］.船海工程，2010，39（6）：111-115.

［4］崔弘，夏成军，罗宗杰，等.分布式电源并网对配网系统的影响［J］.电气应用，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］熊军.分布式电源对配网的影响及准入容量的确定［D］.杭州：浙江大学，2006.

［7］美国OTI公司.ETAP用户手册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，高级工程师，长期从事船舶电气设计工作。

黄剑（1989—），男，助理工程师，从事船舶电气设计工作。

邓静妲（1988—），女，助理工程师，从事船舶电气设计工作。