大型船舶電力系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析

張琦兵 邰能靈 王鵬 倪明杰 衛(wèi)衛(wèi) 傅曉紅

（1. 上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程系，上海 200240; 2. 中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司第七0八研究所，上海 200011 )

1 引言

電力系統(tǒng)除了同步運(yùn)行的穩(wěn)定性外，還包括負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓穩(wěn)定性[1,2]。電壓失穩(wěn)表現(xiàn)為輸電系統(tǒng)電壓劇烈下降，以致于電網(wǎng)解裂。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，特別是北美以及歐洲兩大電網(wǎng)相繼出現(xiàn)大事故后，電壓穩(wěn)定問(wèn)題變得尤為突出，成為大電網(wǎng)的主要危害之一，并且限制著傳輸線的功率極限[3]。

近年來(lái)，船舶電力系統(tǒng)發(fā)展迅速，電壓等級(jí)更高，系統(tǒng)容量也越來(lái)越大，電壓失穩(wěn)后對(duì)電網(wǎng)造成的破壞以及經(jīng)濟(jì)損失不容忽視。所以有必要對(duì)船舶電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性進(jìn)行分析，但目前相關(guān)研究較少。文獻(xiàn)[4]中作者對(duì)船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性作了簡(jiǎn)要介紹。文獻(xiàn)[5]對(duì)船舶電力系統(tǒng)中電壓穩(wěn)定的定義及分類作了總結(jié)，在此基礎(chǔ)上提出了適合于船舶電壓穩(wěn)定分析的負(fù)荷模型及電壓穩(wěn)定指標(biāo)，為船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性研究作鋪墊。文獻(xiàn)[6]側(cè)重于船舶電力系統(tǒng)中的直流配電系統(tǒng)，針對(duì)交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)不同的聯(lián)接結(jié)構(gòu)形式，對(duì)船舶電力系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性進(jìn)行了分析研究。

本文在簡(jiǎn)要介紹電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，提出了兩個(gè)分別表征有功及無(wú)功的靜態(tài)電壓穩(wěn)定指標(biāo)，根據(jù)兩個(gè)指標(biāo)的大小關(guān)系可以判斷引起電網(wǎng)靜態(tài)電壓失穩(wěn)的主要因素。并建立了符合實(shí)際的船舶電力系統(tǒng)模型，利用ETAP軟件對(duì)各個(gè)船舶電力系統(tǒng)運(yùn)行工況進(jìn)行潮流計(jì)算，在此基礎(chǔ)上分別計(jì)算了本文提出的靜態(tài)穩(wěn)定指標(biāo)，對(duì)船舶電力系統(tǒng)各工況下的電壓穩(wěn)定性作了分析。

2 船舶電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定[3]

圖1 簡(jiǎn)化的船舶電力系統(tǒng)等效圖

以圖1所示的簡(jiǎn)化船舶電力系統(tǒng)介紹電壓穩(wěn)定性，電源通過(guò)線路向負(fù)荷區(qū)供電，則傳輸?shù)墓β蕿椋?/p>

從式（1）與式（2）中削去δ可得：

由式（3）可以解得：

圖2 電壓、有功與無(wú)功的關(guān)系

圖2表明，當(dāng)電源電壓、傳輸線路參數(shù)及負(fù)荷給定時(shí)，負(fù)荷端電壓有兩個(gè)運(yùn)行狀態(tài)（式（4）有兩個(gè)解）。對(duì)于電壓較大的運(yùn)行狀態(tài)U'（對(duì)應(yīng)黑色曲面以上的狀態(tài)），當(dāng)負(fù)荷減小時(shí)，負(fù)荷端電壓升高，此運(yùn)行狀態(tài)是穩(wěn)定的；而對(duì)于電壓較小的運(yùn)行狀態(tài)U″（對(duì)應(yīng)黑色曲面下面的狀態(tài)），當(dāng)負(fù)荷減小時(shí)，負(fù)荷端電壓降低，此運(yùn)行狀態(tài)是不穩(wěn)定的。在功率達(dá)到極限值時(shí)，U'=U″，此時(shí)為臨界穩(wěn)定狀態(tài)，因此穩(wěn)定的判據(jù)為：

如圖2中的黑色曲面，即為電壓穩(wěn)定的臨界狀態(tài)。

3 船舶靜態(tài)電壓穩(wěn)定指數(shù)

電力系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定的分析，主要是確定電壓穩(wěn)定臨界點(diǎn)，只有已知電壓穩(wěn)定臨界點(diǎn)，才能得到系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，進(jìn)而準(zhǔn)確判斷系統(tǒng)運(yùn)行狀況，并能適時(shí)采取合理的控制措施。

由第1節(jié)的分析可知，節(jié)點(diǎn)電壓靜態(tài)穩(wěn)定的判據(jù)為式（5），對(duì)（1）及（2）進(jìn)行式（5）的計(jì)算得：

令：

則，可定義節(jié)點(diǎn)電壓靜態(tài)穩(wěn)定指數(shù)：

當(dāng)SVSI＜0時(shí)，節(jié)點(diǎn)電壓是靜態(tài)穩(wěn)定的，而當(dāng)SVSI≥0時(shí)，節(jié)點(diǎn)電壓是靜態(tài)不穩(wěn)定的。SVSI的絕對(duì)值可以衡量靜態(tài)穩(wěn)定裕度，絕對(duì)值越大，靜態(tài)穩(wěn)定性越好。圖3與圖4是對(duì)應(yīng)于表1中的參數(shù)，考慮負(fù)荷功率變化時(shí)，利用式（4），式（8）及式（9）計(jì)算的電壓、SVSIp和SVSIQ曲線。其中圖3與圖4對(duì)應(yīng)不同的功率因數(shù)。如圖所示，SVSIp和SVSIQ能很好地衡量節(jié)點(diǎn)電壓穩(wěn)定的情況。圖3中當(dāng)負(fù)荷功率因數(shù)較高時(shí)，SVSIp較SVSIQ大，而且，SVSIp最先穿越零點(diǎn)。所以，功率因數(shù)較高時(shí)，有功對(duì)電壓穩(wěn)定的影響更大，節(jié)點(diǎn)電壓臨界穩(wěn)定點(diǎn)由，SVSIp決定。圖4中，功率因數(shù)較低，需要的無(wú)功增多，當(dāng)負(fù)荷增加到一定程度時(shí)，SVSIQ大于SVSIp并先穿越零點(diǎn)。此時(shí)，無(wú)功對(duì)電壓穩(wěn)定的影響更大，節(jié)點(diǎn)的電壓臨界穩(wěn)定點(diǎn)由SVSIQ決定。比較圖 3與圖4可知，功率因數(shù)較低的負(fù)荷需要更多的無(wú)功，更容易發(fā)生電壓靜態(tài)失穩(wěn)。

表1 算例參數(shù)

圖3 P-U，P-SVSI曲線（PF＝0.85）

圖4 P-U，P-SVSI曲線（PF＝0.6）

另外，由圖可知，無(wú)論是SVSIp還是SVSIQ先穿越零點(diǎn)，此時(shí)電壓并未到達(dá)真正的電壓臨界穩(wěn)定點(diǎn)，可見式（8）、式（9）及式（10）計(jì)算的穩(wěn)定指數(shù)趨于保守。但實(shí)際由于其誤差很小，是可以忽略的。采用SVSIp與SVSIQ兩個(gè)參數(shù)的好處在于，能分別對(duì)有功及無(wú)功對(duì)電壓穩(wěn)定的影響進(jìn)行評(píng)估，從而更有利于負(fù)荷或發(fā)電機(jī)的調(diào)整。對(duì)于連接多條支路的母線節(jié)點(diǎn)，可以分別計(jì)算每條支路的SVSI，然后取最大值。

4 典型船舶電力系統(tǒng)

4.1 典型船舶電力系統(tǒng)模型的建立

本文利用ETAP仿真軟件建立船舶電力系統(tǒng)仿真模型，ETAP是美國(guó)歐特艾公司用于發(fā)電、輸電、配電和工業(yè)電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真和運(yùn)行的綜合分析軟件。如圖 5為根據(jù)某條 LNG船建立的船舶電力系統(tǒng)仿真模型。全船共有四臺(tái)發(fā)電機(jī)，容量分別為：11 MW、11 MW、11 MW及5.5 MW。系統(tǒng)仿真中，只計(jì)及船舶中壓 6.6 kV系統(tǒng)，對(duì)于0.45 kV及以下負(fù)荷網(wǎng)絡(luò)，由于對(duì)船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析影響較小，在此采用集中等效負(fù)荷的方法。船舶電力系統(tǒng)中，主要為電動(dòng)機(jī)負(fù)荷，各電動(dòng)機(jī)的容量具體如圖5所示。

4.2 運(yùn)行工況

船舶電力系統(tǒng)隨船舶的不同任務(wù)而具有不同的運(yùn)行工況。不同的工況下，負(fù)荷以及運(yùn)行的同步發(fā)電機(jī)各不一樣，明確各工況下運(yùn)行的發(fā)電機(jī)及負(fù)荷對(duì)船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析具有重要作用。船舶電力系統(tǒng)一般隨船舶運(yùn)行的不同分為以下幾種工況：

圖5 船舶電力系統(tǒng)仿真模型

a) 岸電工況：即由岸邊陸地上的電力系統(tǒng)對(duì)船舶進(jìn)行供電，此時(shí)，船舶四臺(tái)同步發(fā)電機(jī)全部停運(yùn)，而只有部分生活負(fù)荷；

b) 停泊工況：電力推進(jìn)系統(tǒng)及裝卸貨電機(jī)全部處于不工作狀態(tài)，運(yùn)行負(fù)荷較少，由 G4一臺(tái)發(fā)電機(jī)供電維持部分船舶上的生活用電；

c) 裝卸貨工況：是指船舶處于裝卸貨的工作狀態(tài)時(shí)船舶電力系統(tǒng)的運(yùn)行情況，此時(shí)，推進(jìn)部分停運(yùn)，而全部的裝卸貨電機(jī)滿負(fù)載運(yùn)行，由G1與 G4兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行供電，同時(shí)有少量的生活用電。

d) 正常航行工況：是指船舶處于一般航行狀態(tài)，船舶電力推進(jìn)部分帶70%負(fù)載運(yùn)行。由于電力推進(jìn)占全船主要負(fù)荷，此時(shí)運(yùn)行的同步發(fā)電機(jī)有G1、G2及G3。裝卸貨電機(jī)不工作，但是有船員正常的生活用電。

e) 全速航行工況：是指船舶推進(jìn)負(fù)荷部分帶載90%以上，為了保持供電，G1、G2、G3及G4全部運(yùn)行供電。無(wú)裝卸用電，少量生活用電。

上述各種工況中，岸電工況因由陸地電力系統(tǒng)供電，一般不存在穩(wěn)定性問(wèn)題，所以本文主要分析停泊工況、裝卸貨工況、正常航行工況及全速航行工況。

5 船舶電力系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析

對(duì)于圖5所示的船舶電力系統(tǒng)，主要有8條母線節(jié)點(diǎn)，在不同工況下進(jìn)行潮流計(jì)算，利用潮流計(jì)算的數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出各種工況下船舶電力系統(tǒng)母線節(jié)點(diǎn)的靜態(tài)電壓的穩(wěn)定情況及穩(wěn)定裕度。

表2至表4為不同工況下SVSI的計(jì)算結(jié)果，如表中數(shù)據(jù)所示，各種工況下船舶電力系統(tǒng)電壓總是靜態(tài)穩(wěn)定的，而且有很大的穩(wěn)定裕度，主要是因?yàn)榇半娋W(wǎng)覆蓋面積較小，電網(wǎng)中電纜長(zhǎng)度較短。另外，對(duì)比各表中SVSIp與SVSIQ可知，船舶電力系統(tǒng)在各種工況下，皆有SVSIQ＜SVSIp，SVSI由SVSIQ決定。說(shuō)明船舶電網(wǎng)的電壓不穩(wěn)定現(xiàn)象主要由無(wú)功不足引起，這是因?yàn)榇半娋W(wǎng)中存在大量電動(dòng)機(jī)。例如除推進(jìn)系統(tǒng)所用同步電動(dòng)機(jī)外，還有大量異步電動(dòng)機(jī)負(fù)荷，而無(wú)論同步電機(jī)還是異步電機(jī)，它們?cè)谡＿\(yùn)行時(shí)對(duì)無(wú)功的需求均很大。

表2 裝卸貨工況

表3 正常航行工況

表4 全速航行工況

6 結(jié)束語(yǔ)

船舶電力系統(tǒng)容量的迅速擴(kuò)大需要對(duì)系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性進(jìn)行分析，本文提出了兩個(gè)船舶電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定新指標(biāo)，能分別對(duì)有功及無(wú)功引起的電壓失穩(wěn)進(jìn)行衡量。在此基礎(chǔ)上，建立了符合實(shí)際的船舶電力仿真系統(tǒng)，利用本文提出的電壓穩(wěn)定性指標(biāo)對(duì)不同工況下船舶電力系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明，由于船舶電力系統(tǒng)供電較集中，電壓靜態(tài)穩(wěn)定性較好。由于船舶電力系統(tǒng)中沖擊負(fù)荷較多，應(yīng)該重點(diǎn)考慮大容量沖擊負(fù)荷對(duì)船舶電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響。

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