船舶綜合電力系統(tǒng)仿真研究

陳次祥，劉莉飛，唐石青，趙躍平

（704研究所，上海 200030）

0 概 述

綜合電力系統(tǒng)以“電力集成”為指導思想來研究船舶電能的產(chǎn)生、輸送、變換、分配及利用電能實現(xiàn)船舶電力推進和高能武器發(fā)射，其典型結(jié)構如圖1所示（其中 G1… Gn代表高功率密度大容量發(fā)電模塊）。綜合電力系統(tǒng)由下列若干個模塊組成：

1)發(fā)電模塊。經(jīng)環(huán)形電網(wǎng)向全船各區(qū)域配電系統(tǒng)供電；

2)電能調(diào)度及智能管理模塊。對全船各區(qū)域配電系統(tǒng)實行電能分配及智能監(jiān)控；

3)區(qū)域配電模塊。將電力輸送到各個電力區(qū)的負荷中心,然后再分配到用電設備,采用區(qū)域配電可使發(fā)電機的運行頻率不受用電設備對頻率的嚴格限制,實現(xiàn)發(fā)電機和整流設備成本、體積和重量的最佳化、集成化；

4)電力推進模塊。用以實現(xiàn)船舶電力推進；

5)高能武器電力變換模塊。為激光武器、電磁炮、電熱化學炮等高能武器提供物質(zhì)基礎。

每個模塊都是高度集成化的完整系統(tǒng)，目前國際上針對船舶綜合電力系統(tǒng)各個組成模塊的研究已相當深入且具備了一定的規(guī)模[1]。

圖1 船舶綜合電力系統(tǒng)典型結(jié)構圖

目前，針對綜合電力系統(tǒng)的集成技術研究方式有3種：一是通過數(shù)學推導，建立數(shù)學理論分析模型進行各種關鍵技術的分析計算，這種基于物理底層的分析方法對專業(yè)知識及數(shù)學功底要求較高，通用性不強，很難普遍實施；二是建立1∶1或縮比的物理仿真試驗模型進行實物仿真分析驗證，這種方式優(yōu)點是保持和實際系統(tǒng)近似，試驗數(shù)據(jù)和結(jié)論非?？煽?，但是成本較高，周期較長；三是數(shù)字仿真，隨著計算機技術的不斷發(fā)展，數(shù)字仿真技術已逐漸在世界范圍內(nèi)興起并成為各行業(yè)進行分析計算的主導工具，就綜合電力系統(tǒng)集成技術的分析而言，目前國外包括軍方和民用廠商在內(nèi)的船舶綜合電力系統(tǒng)集成方均采用仿真軟件計算分析數(shù)據(jù)作為設計的指導性依據(jù)。

本文以當前國內(nèi)外在船舶綜合電力系統(tǒng)仿真領域使用最為廣泛的 Matlab/Simulink作為目標對象，進行綜合電力系統(tǒng)仿真試驗分析。

1 綜合電力系統(tǒng)仿真

綜合電力系統(tǒng)的仿真主要分為關鍵設備建模與系統(tǒng)仿真，其中關鍵設備建模主要是對船舶綜合電力系統(tǒng)各組成設備進行物理模型抽象，建立在Matlab/Simulink下的模型模塊；系統(tǒng)仿真則是利用各關鍵設備模型之間的動態(tài)接口，搭建整個船舶綜合電力系統(tǒng)，然后進行系統(tǒng)集成技術分析。

1.1 設備建模

1.1.1 發(fā)電設備建模

發(fā)電設備建模主要包括原動機、發(fā)電機與勵磁系統(tǒng)模型。

1.1.1.1 發(fā)電機建模

在Matlab/Simulink中，同步發(fā)電機的模型包括有名值和標幺值兩類，均是在 dp軸坐標系下建立的。該模型的電氣部分是一個6階狀態(tài)空間方程組[2]。另外，該模型還包括一個機械運動方程。

該電路對應的狀態(tài)空間方程組為：

式中：Vd——定子d軸電壓；

Vq——定子q軸電壓；

V——勵磁繞組電壓；

V——d軸阻尼繞組電壓；

V——q軸第1阻尼繞組電壓；

V——q軸第2阻尼繞組電壓；

φ——分別為定子d軸與q軸磁鏈；

φ——勵磁繞組磁鏈；

φ——d軸阻尼繞組磁鏈；

φ——分別為q軸第 1、第2阻尼繞組磁鏈；

Rs——定子繞組電阻；

R——勵磁繞組電阻；

R——d軸阻尼繞組電阻；

R——分別為q軸第1、第2阻尼繞組電阻；

ωR——同步角頻率；

i——分別為定子d軸與q軸電流；

i——勵磁繞組電流；

i——d軸阻尼繞組電流；

i——分別為q軸第1、第2阻尼繞組電流；

L——分別為定子d軸與q軸電感；

i——勵磁繞組電流；

i——d軸阻尼繞組電流；

i——分別為q軸第1、第2阻尼繞組電流。

轉(zhuǎn)子機械運動方程為：

式中：H——時間常數(shù)；

Ω——角速度；

T——轉(zhuǎn)矩。

1.1.1.2 原動機建模

將柴油機及調(diào)速器的數(shù)學模型組合在一起組成船用原動機（主要考慮柴油機）的底層數(shù)學模型。同時，船用柴油機一般具備一定的調(diào)差，因此在原動機的數(shù)學建模過程中應考慮調(diào)速器的調(diào)差性能，這點在多機并聯(lián)過程中將顯得尤為重要[3]。圖2為考慮調(diào)差系數(shù)的柴油機及調(diào)速器函數(shù)框圖，圖3為在Matalb/Simulink下的仿真模型框圖。

圖2 柴油機及調(diào)速器框圖

圖3 柴油機及調(diào)速器傳遞函數(shù)仿真模型

1.1.1.3 勵磁系統(tǒng)建模

構成相復勵交流勵磁系統(tǒng)的基本元件有：交流勵磁機、整流器、相復勵電路、電壓差檢測電路、滯后超前補償器、電壓調(diào)差環(huán)節(jié)等。本文參考IEEE ST2A型勵磁系統(tǒng)，搭建了相復勵勵磁系統(tǒng)（交流勵磁機的勵磁系統(tǒng)）的簡化模型，并根據(jù)實際的船用勵磁系統(tǒng)，建立勵磁系統(tǒng)+AVR模型。

引入無功電流與調(diào)差電阻作為系統(tǒng)的電壓參考量，便于機組并車期間的無功功率分配和穩(wěn)定。這點和實際的船用勵磁系統(tǒng)模型保持一致[4,5,6]。

1.1.1.4 調(diào)速試驗

為了考核上述原動機及調(diào)速器數(shù)學模型的正確性，根據(jù)相關的標準要求，進行穩(wěn)態(tài)調(diào)速試驗和瞬態(tài)調(diào)速試驗。試驗數(shù)據(jù)如下：

考察系統(tǒng)在突加 0%～40%、40%～70%、70%～100%以及100%～0% 3級加載和1級卸載的過程中系統(tǒng)能否滿足瞬態(tài)調(diào)速要求。試驗數(shù)據(jù)如表 1所示。

表1 瞬態(tài)調(diào)速試驗記錄

重點考察系統(tǒng)在功率因數(shù)為1%、20%、50%、75%和 100%額定負載下系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和頻率是否滿足要求，試驗記錄如表2所示。

表2 穩(wěn)態(tài)調(diào)速試驗記錄

1.1.1.5 調(diào)壓試驗

系統(tǒng)在50%額定負載進行整定，重點考察系統(tǒng)帶功率因數(shù)為 0.8的負載，在 20%、50%、75%和100%額定負載下系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和頻率，瞬態(tài)調(diào)壓試驗記錄如表3，穩(wěn)態(tài)調(diào)壓試驗記錄如表4。

表3 瞬態(tài)調(diào)壓試驗記錄

表4 穩(wěn)態(tài)調(diào)壓試驗記錄

1.1.2配電設備建模

在船舶綜合電力系統(tǒng)中，系統(tǒng)的配電主要考慮問題有兩個：一是大容量日用變壓器及預充磁建模；另一個是推進變壓器的移相建模問題。

1.1.2.1 大容量日用變壓器及預充磁

預充磁變壓器的連接方式如圖4所示，一般其容量為主變壓器的1%，變比相當。進行預充磁時，主變壓器為預充磁變壓器的負載，相對于變壓器正常工作狀態(tài)，預充磁變壓器工作一段時間之后，主變壓器內(nèi)部通過預充磁建立穩(wěn)態(tài)的交變磁通，當變壓器主開關合上時，由于內(nèi)部磁通的穩(wěn)定，不會造成系統(tǒng)磁通的突變，沖擊電流隨之消失[7]。根據(jù)圖4所示的實際系統(tǒng)，搭建大容量日用變壓器及預充磁模型并進行仿真試驗驗證，波形見圖5。

圖4 變壓器預充磁示意圖

圖5 帶預充磁變壓器空載合閘試驗波形

1.1.2.2 推進變壓器移相處理

推進變壓器的移相主要用于進行諧波抑制，目前主要有12脈波整流（移相30°）、24脈波整流（移相15°）及虛擬48脈波整流（移相7.5°）。實船上應用最多時是12脈波整流對應于單推進工況及24脈波整流對應雙推進工況。本文將主要針對24脈波整流變壓器進行移相建模。系統(tǒng)仿真波形如圖6所示。

圖6 移相變壓器仿真波形

1.1.3 用電設備建模

綜合電力系統(tǒng)的負載主要考慮為推進負載和一般的日用負載，由于推進負載占系統(tǒng)負載的比例達到80%以上，其動態(tài)特性對供電系統(tǒng)的影響最為明顯，因此，本文將注重對推進電機的建模分析，采用矢量控制方式的推進電機仿真模型及仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 矢量控制推進電機仿真

1.2 系統(tǒng)集成分析

目前，綜合電力系統(tǒng)仿真分析的工作主要包括系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析、故障分析及諧波分析等。針對系統(tǒng)集成進行的試驗曲線見圖8、9、10。

3 結(jié) 語

本文進行了船舶綜合電力系統(tǒng)仿真初探，完成了在 Matlab/Simulink仿真平臺下的船用綜合電力系統(tǒng)的數(shù)學建模及系統(tǒng)分析，為船用綜合電力系統(tǒng)集成技術的研究與設計提供了一種有效的工具。但是，相對于國外較為成熟的仿真技術而言，目前最大的差距在于仿真模型的驗證問題，國外在這方面積累了大量的工程數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，其仿真數(shù)據(jù)與工程數(shù)據(jù)庫之間有一個相互交互的過程。但在國內(nèi)則顯得非常缺乏，一方面緣于我國綜合電力系統(tǒng)事業(yè)的剛剛起步，缺乏相應的工程數(shù)據(jù)；另一方面則缺少在系統(tǒng)集成方面的研發(fā)投入。

圖8 無功功率分配曲線

圖9 有功功率分配曲線

圖10 諧波分析

[1]馬偉明. 船舶動力的發(fā)展方向—綜合電力系統(tǒng)[R].IMECE特約報告.

[2]倪以信，陳壽孫，張寶霖. 動態(tài)電力系統(tǒng)理論與分析[M].北京：清華大學出版社，2002.

[3]韋韓英. 船舶柴油發(fā)電機系統(tǒng)仿真[D]. 上海：上海海運學院, 2003.

[4]王學君. 船舶電力系統(tǒng)勵磁模擬與同步電動發(fā)電變頻機組運行分析[D]. 北京：清華大學電機工程與應用電子技術系.

[5]李基成. 現(xiàn)代同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)設計及應用[M]. 北京：中國電力出版社，2002.

[6]王煥文. 船舶電力系統(tǒng)及自動裝置[M]. 北京：科學出版社，2004.

[7]施偉峰，陳子順. 船舶電力系統(tǒng)建模[J]. 中國航海，2004, (3)∶ 64-69.