随着环保法规的日益严格，国际海事组织对航运船舶的废气和温室气体排放的管控力度逐步加强。作为应对，世界各航运大国已开始探索实船应用诸如风能、太阳能、核能、生物质能和燃料电池等清洁能源技术，以开发新型节能环保的“绿色船舶”[1-2]。太阳能船舶，或称应用太阳能光伏技术的船舶，采用在船舶电力系统中集成零污染、零排放的太阳能光伏系统为基本技术方案，在降低常规柴油同步发电机组设计功率的同时，通过在航行营运中最大程度地利用光伏电能，实现船舶在寿命周期内燃油消耗量和温室气体排放量的显著下降。当前，太阳能船舶已发展成为最具节能减排潜力的绿色船舶之一。

船舶电网是一个孤立且容量较小的微电网，随着现代船舶自动化设备及电力电子器件的大规模应用，船舶电网面临着严峻的电能质量问题[3]，不佳的电能质量不但会影响船舶电气负载的正常工作，造成船舶能源浪费，甚至引起设备故障，严重威胁船员及船舶安全[4-5]。在船舶电力系统中集成大容量并网光伏系统，相当于增加一个零惯性的逆变电源，其在并网切入、输出功率大幅波动以及离网切出环节会对船舶电力系统的运行状态产生影响，引发电网电压偏差、谐波、畸变率等电能质量问题[6]。倘若柴油发电机组的原动机调速器和发电机励磁装置不能及时响应，补偿因光伏并网功率突变引起的功率波动或电网电能质量恶化，极易诱发发电机组过载或逆功率运行、配电网短路过载保护或全船失电等重大故障。

本文以我国首艘应用并网型光伏系统的远洋汽车滚装船“中远腾飞”轮电力系统为研究对象，引入光伏渗透率概念[7-8]，即光伏并网功率占在网运行船舶柴油发电机组额定功率的百分比，采用电力系统仿真建模的方法，对比分析不同光伏渗透率条件下，光伏并网切入和离网切出运行对光电-船电并网电力系统暂态电能质量的影响问题。

1 光伏发电系统数学模型

将太阳能光伏电池简化为一个电流源，其输出电流只与光照强度相关，在光照恒定时，输出电流IL不随负载状态变化。图1是光伏电池等效电路，串联电阻Rs是实际工程应用中太阳能电池板电极以及半导体材料、导线等所带来的损耗内阻(实际工作中，串联电阻相对较小，一般不超过5 Ω)，随着使用时间的增加，该阻值逐渐增大，光伏电池输出功率随之降低；并联电阻Rsh用以模拟实际应用中光伏电池和电极因制作过程中表面划痕以及细小的裂痕所造成的局部短路和漏电(在光伏电池数学模型中，并联电阻一般设定在大于1 000 Ω)；V是在闭环电路中光伏电池在负载侧建立的端电压[9]。

在实际工程应用中，光伏电池生产厂家通常只提供5个主要技术参数，即：标准情况下的开路电压Voc、短路电流Isc、最大功率点电压Vm、最大功率点电流Im和最大功率点功率Pm。在保证计算精度需求的前提下，一般采用如下工程计算方法：

图1 光伏电池等效电路图Fig.1 Equivalent circuit diagram of solar cell

考虑到光伏实际运行环境中太阳能辐射强度和外界环境温度的变化，对式(1)进行相应的修正：

ΔI=αG/GrefΔT+(G/Gref-1)Isc

ΔV=-βΔT-RsΔI

ΔT=T-Tref

式中：T为外部环境的实际热力学温度，K；G为外部环境的实际太阳辐射强度，W/m2；Tref为标准测试环境下外部环境的热力学温度参考值，取值为298 K；Gref为标准测试环境下的太阳辐射强度参考值，取值1 000 W/m2；根据光伏生产厂家给定的参考数据，α和β分别为参考日照温度下的光伏电池的电流变化温度修正系数和电压变化温度修正系数，分别设定为0.015 A/℃和0.7 V/℃。

2 船舶并网光伏电力系统控制策略

采用恒功率逆变控制策略实现光伏系统与船舶电网的并网运行控制，其中：恒功率控制策略分为内、外双环结构。外环为电压环，主要功能在于通过改变参考电压来调整光伏模块的有功、无功功率，并为内环提供参考电流信号；内环为电流环，通过采用PI控制器，使逆变器输出电流趋于参考电流值。控制策略原理如图2所示[10-11]。

图2 船舶并网光伏逆变器双环控制策略Fig.2 Double loop control strategy of grid-connected inverter for photovotaics-ship power system

在恒功率逆变控制策略中，采用Park变换计算得到逆变器输出电压和输出电流在dq轴上的电压分量vd、vq和电流分量id、iq[12-13]。

分别dq轴上对电压和电流进行双环控制、PI控制和Park逆变换，获得调制信号Ud和Uq，再经正弦脉冲宽度调制(sinusoidal pulse width modulation，SPWM)调至即可生成6路PWM控制信号控制三相逆变器输出。