艦船動力系統(tǒng)動態(tài)建模仿真與分析

劉舒婷

(長春建筑學(xué)院，吉林 長春130607)

0 引 言

近年來，隨著我國艦船數(shù)量和質(zhì)量的不斷提高，特別是“遼寧”號航母的服役，艦船的動力和動力系統(tǒng)的研究吸引了廣大專家學(xué)者的興趣［1－2］。傳統(tǒng)艦船的動力主要來源于依靠蒸汽機(jī)技術(shù)和內(nèi)燃機(jī)技術(shù)所使用的化石燃料，電力所占的比重較低;艦船上的電力系統(tǒng)往往也獨(dú)立于動力系統(tǒng)，動力系統(tǒng)通常由常規(guī)的熱機(jī)和其他機(jī)械裝置構(gòu)成，電力系統(tǒng)一般只起輔助作用，與艦船推進(jìn)并沒有直接的關(guān)聯(lián)［3－4］。然而最近幾十年中，伴隨著現(xiàn)代艦船的發(fā)展，特別是核動力航母的發(fā)展，電力技術(shù)正逐漸成為艦船的主要動力，將電力技術(shù)和艦船推進(jìn)系統(tǒng)相結(jié)合，正顯示出強(qiáng)大的優(yōu)勢和生命力，電力作為艦船推進(jìn)動力逐步成為明晰的發(fā)展方向。對于電力系統(tǒng)的研究，也正越來越成為艦船動力系統(tǒng)的主要研究方向［5］。

艦船動力系統(tǒng)的主要動力來源是艦船電力，因此，艦船動力系統(tǒng)的設(shè)計主要就是將艦船的發(fā)電設(shè)備和用電設(shè)備有機(jī)地結(jié)合成一個統(tǒng)一的整體系統(tǒng)，從而對艦船發(fā)電、配電和用電等多模塊實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的調(diào)配和控制。本文基于PSCAD/EMTDC 軟件［6－7］建立船舶動力系統(tǒng)動態(tài)仿真模型，為檢驗(yàn)系統(tǒng)接口動態(tài)電能品質(zhì)提供分析平臺。艦船動力系統(tǒng)仿真建模的關(guān)鍵是艦船發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和艦船負(fù)荷的模型建立，對發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的建模分析，可以有利于艦船負(fù)責(zé)人準(zhǔn)確的把握艦船動力的產(chǎn)生以及工作的穩(wěn)定狀況;對負(fù)載模型的建立，有利于分析各個負(fù)荷對船舶電力系統(tǒng)所造成的實(shí)際影響。

1 艦船動力系統(tǒng)的組件模型

1.1 系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)模型

同步發(fā)電機(jī)是社會經(jīng)濟(jì)活動中最常用的一種交流式發(fā)電機(jī)，常被用來分析電力系統(tǒng)的瞬時特性和穩(wěn)態(tài)特性。EMTDC 模型庫為用戶提供了標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)電機(jī)模型。在實(shí)際的發(fā)電過程中，工作人員設(shè)定的發(fā)電機(jī)電壓值和實(shí)際產(chǎn)生的電壓往往存在一定的差距，這就需要使用電壓調(diào)節(jié)器對發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電壓進(jìn)行調(diào)整。自動電壓調(diào)節(jié)器是一種可以自動調(diào)節(jié)電壓的裝置，主要包括電壓測量及比較模塊、PI 調(diào)節(jié)和PWM 波調(diào)制模塊、電路系統(tǒng)驅(qū)動器和功率模塊等組成，具體流程如圖1 所示。

圖1 電壓調(diào)節(jié)裝置流程圖Fig.1 The flow chart of voltage regulation device

發(fā)電機(jī)工作時，確保發(fā)電機(jī)機(jī)組的轉(zhuǎn)速在一定的誤差范圍是系統(tǒng)穩(wěn)定的重要組成部分，因此，對機(jī)組的轉(zhuǎn)速進(jìn)行監(jiān)測和控制調(diào)節(jié)很必要。汽輪機(jī)模型和柴油機(jī)模型是最常用的2 種發(fā)電機(jī)模型，為簡化起見，本文采用汽輪機(jī)模型進(jìn)行仿真設(shè)計。汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要包括轉(zhuǎn)速測量放大、信號調(diào)節(jié)與伺服放大和執(zhí)行等3 個主要功能環(huán)節(jié)。圖2 所示為汽輪機(jī)模型的調(diào)速原理圖。其中，調(diào)速系統(tǒng)的測量放大環(huán)節(jié)的增益K 決定了穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)偏差。信號調(diào)節(jié)與伺服放大模塊的主要作用是將處理后的調(diào)節(jié)信號進(jìn)行一定倍數(shù)的放大，用于控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行模塊采用反饋的設(shè)計方法，是整個調(diào)速系統(tǒng)的具體執(zhí)行單元。

圖2 汽輪機(jī)模型的調(diào)速原理圖Fig.2 The steam turbine speed control principle diagram of the model

1.2 系統(tǒng)的負(fù)載模型

艦船電力系統(tǒng)中的負(fù)載種類和數(shù)量有很多，各負(fù)載的工作特性也有很大差異，目前典型的負(fù)載數(shù)學(xué)模型主要將系統(tǒng)的負(fù)載分為靜態(tài)負(fù)載和動態(tài)負(fù)載兩部分。靜態(tài)負(fù)載主要是指ZIP 負(fù)載，動態(tài)負(fù)載主要是指異步電動機(jī)負(fù)載。

靜態(tài)負(fù)載主要包括恒阻抗型、恒電流型和恒功率型以及這3 種互相組合的負(fù)荷，各負(fù)荷的比重依據(jù)實(shí)際情況有所不同。在EMTDC 中，恒阻抗負(fù)荷直接采用電阻電容電感模型構(gòu)成，恒電流負(fù)荷可采用電流源控制模型，恒功率負(fù)荷，可以通過受控電流源模型的電壓反饋來實(shí)現(xiàn)。

異步電動機(jī)是實(shí)際船舶系統(tǒng)中常用的負(fù)載裝置，EMTDC 模型庫提供了異步電動機(jī)的模型。軟件中提供的參數(shù)輸入方式有多種，考慮到本文的具體情況，采用的模型參數(shù)輸入方式是基于電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩－轉(zhuǎn)差曲線，通過設(shè)置電動機(jī)的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，如額定功率、額定轉(zhuǎn)差、效率、啟動電流/額定電流、最大/額定轉(zhuǎn)矩等參數(shù)。

2 艦船動力系統(tǒng)的組件仿真分析

2.1 發(fā)電機(jī)裝置的調(diào)速系統(tǒng)仿真分析

首先對發(fā)電機(jī)的仿真參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，主要參數(shù)設(shè)置如下:發(fā)電機(jī)額定功率為1.5 MW，1.125 MVar，功率因子選擇0.8，輸出電壓額定值為400 V。采用恒功率負(fù)荷模型進(jìn)行分析，負(fù)載從0 增加至滿載的動態(tài)過程，用正向斜坡限幅函數(shù)表示，范圍為［0，1.5］;負(fù)載從滿載減少至0 的動態(tài)過程，用負(fù)向斜坡限幅函數(shù)來表示，范圍為［0，1］。在調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速仿真之下，發(fā)電機(jī)裝置的輸出功率和輸出電壓隨時間的變化曲線如圖3 所示。

圖3 發(fā)電機(jī)輸出動率和輸出電壓隨時間變化曲線Fig.3 The generator output rate and output voltage curve over time

由圖3 的仿真結(jié)果可知，0 ～5 s 內(nèi)，發(fā)電機(jī)在無負(fù)載的情況下穩(wěn)定運(yùn)行;發(fā)電機(jī)負(fù)載在5 ～15 s內(nèi)由0 逐漸增加;15 ～20 s 發(fā)電機(jī)在滿負(fù)載的情況下穩(wěn)定運(yùn)行;發(fā)電機(jī)負(fù)載在20 ～30 s 內(nèi)逐漸減少為0;30 ～35 s 發(fā)電機(jī)無負(fù)載運(yùn)行;之后重復(fù)前面的狀態(tài)。發(fā)電機(jī)的輸出電壓基本穩(wěn)定，偏差率約為5%。仿真結(jié)果表明調(diào)速系統(tǒng)基本滿足發(fā)電機(jī)發(fā)電功率和發(fā)電電壓的要求。

2.2 系統(tǒng)負(fù)載模型的仿真分析

艦船的負(fù)載主要包括靜態(tài)負(fù)載和動態(tài)負(fù)載，本文重點(diǎn)對靜態(tài)負(fù)載中的恒功率負(fù)載模型和動態(tài)負(fù)載中的異步電動機(jī)進(jìn)行仿真分析。

恒功率負(fù)載模型是通過受控電流源模型的電壓反饋來實(shí)現(xiàn)的。具體的實(shí)現(xiàn)方式是，設(shè)定負(fù)載的功率和功率因子，在系統(tǒng)正常運(yùn)行的過程中，負(fù)載的電流隨著負(fù)載的電壓增大或減小而呈現(xiàn)相反的變化趨勢，最終保證負(fù)載的功率基本維持不變。

恒功率負(fù)載的電壓和電流值隨時間的仿真變化曲線如圖4 所示。仿真時間為4 s，輸入端電壓在2 s 時由380 V 突變至420 V，恒阻抗負(fù)載的功率為0.3 MW，額定功率因子為0.8。圖5 中，恒功率負(fù)載輸入端電流隨著端電壓的變化而變化且成相反態(tài)勢，全過程中負(fù)載功率不變。

圖4 恒功率負(fù)荷端電壓、電流隨時間變化曲線Fig.4 The constant power load terminal voltage，current curve of change over time

轉(zhuǎn)速控制和轉(zhuǎn)矩控制是異步電動機(jī)的常用控制方式，為簡化起見，本文采用轉(zhuǎn)矩的控制方式，并建立相應(yīng)的模型。恒轉(zhuǎn)矩異步電動機(jī)的仿真控制參數(shù)設(shè)置為:功率因子0.87，額定轉(zhuǎn)矩2.0。仿真結(jié)果如圖5 所示。

圖5 電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩隨時間的變化曲線Fig.5 Motor speed and torque curve of change over time

從仿真結(jié)果可以看出，由于3 s 前電動機(jī)定子未通電，轉(zhuǎn)速為0，3 s 后電動機(jī)開始啟動，轉(zhuǎn)速由0 上升，此時電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩很大，隨后逐漸減小，與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等時轉(zhuǎn)速保持不變，為0.984。仿真結(jié)果表明，電動機(jī)模型基本符合需求，能夠在設(shè)定參數(shù)下穩(wěn)定地運(yùn)行。

3 艦船動力系統(tǒng)的工況仿真分析

系統(tǒng)中有大量的A 類、B 類、C 類負(fù)載，各類負(fù)載的重要性不一，所有的負(fù)載并不是在同時運(yùn)行的。為了模擬一個實(shí)際的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)，選擇工作負(fù)荷為:全部的A 類負(fù)荷、70%的B 類負(fù)荷、以及50%的C 類負(fù)荷?；诖耍到y(tǒng)的負(fù)載主要包括各類靜態(tài)負(fù)載、供電設(shè)備、消防泵、排水泵等，總功率為2.4 MW。

電力系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)往往先于負(fù)載啟動。因此，發(fā)電機(jī)啟動并穩(wěn)定后，負(fù)載才可以開始啟動工作。由于系統(tǒng)總負(fù)載較大，一次性加入全部負(fù)載會導(dǎo)致系統(tǒng)功率、電壓、電流等指標(biāo)出現(xiàn)劇烈突變而引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定，因此仿真過程中，將系統(tǒng)的全部負(fù)載分4 步添加到仿真系統(tǒng)中。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，配電控制板A 和B 及其各自的2 個子面板的電壓和電流值的仿真結(jié)果如表1 所示。由表中可知，系統(tǒng)穩(wěn)定時，各監(jiān)測點(diǎn)的電壓狀態(tài)滿足電壓的暫態(tài)穩(wěn)定性要求。

表1 配電控制板電壓及電流值仿真結(jié)果Tab.1

圖6 為系統(tǒng)從啟動到穩(wěn)定的全過程中，配電控制板A 及子面板A1 的電壓隨時間的變化曲線圖。由圖可知，分步加入負(fù)載后，系統(tǒng)中各點(diǎn)均能在不到5 s的時間內(nèi)完成自我調(diào)節(jié)，最終保證電壓值得穩(wěn)定。由仿真結(jié)果可知，系統(tǒng)的瞬時電壓始終處于暫態(tài)電壓范圍內(nèi)，因此，系統(tǒng)的暫穩(wěn)態(tài)特性滿足要求。

圖6 配電控制板A 及A1 的電壓隨時間變化曲線Fig.6 The voltage of distribution panel A and A1 curve over time

4 結(jié) 語

隨著艦船電氣化水平的不斷提升，電力正越來越成為艦船的主要動力。本文基于PSCAD/EMTDC軟件，對艦船動力系統(tǒng)進(jìn)行了動態(tài)仿真，首先對艦船動力系統(tǒng)的關(guān)鍵組件——發(fā)電機(jī)和負(fù)載進(jìn)行了建模仿真，最后對整個系統(tǒng)進(jìn)行了工況穩(wěn)定性仿真分析。仿真結(jié)果表明，發(fā)電機(jī)、電動機(jī)等系統(tǒng)的各組件工作穩(wěn)定，滿足其組件特性;整個動力系統(tǒng)在工況下運(yùn)行平穩(wěn)，逐次添加負(fù)載后均能在5 s 內(nèi)回歸穩(wěn)定狀態(tài)。本文的研究成果可為艦船動力系統(tǒng)的設(shè)計與仿真分析提供一定的參考。

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