船舶發(fā)電機(jī)組并車穩(wěn)定性建模及仿真

萬偉學(xué)，還 芳

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢430064）

船舶發(fā)電機(jī)組并車穩(wěn)定性建模及仿真

萬偉學(xué)，還 芳

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢430064）

對船舶電站多臺(tái)不同容量發(fā)電機(jī)組在并聯(lián)運(yùn)行過程中的并車工況進(jìn)行了仿真研究，對同步發(fā)電機(jī)組并車條件進(jìn)行了驗(yàn)證，得到了合閘時(shí)刻待并發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)的電壓差、頻率差、相位差對并車過程的影響途徑，提出不同容量多臺(tái)機(jī)組并聯(lián)時(shí)參數(shù)配置的建議。

船舶電站 同步發(fā)電機(jī) 并車 Matlab/Simulink

0 引言

電力推進(jìn)船舶通常由多臺(tái)同步發(fā)電機(jī)組構(gòu)成船舶電站對全船提供電力。當(dāng)船舶負(fù)載發(fā)生變化或者要求冗余備機(jī)時(shí)，需要多臺(tái)發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行供電。在機(jī)組啟停投入過程中，涉及到同步發(fā)電機(jī)組的并車操作。

將一臺(tái)發(fā)電機(jī)并入船舶電網(wǎng)時(shí)，要求并車時(shí)的電流沖擊最小，并車后盡快進(jìn)入同步運(yùn)行，否則會(huì)導(dǎo)致并車失敗甚至是船舶電站解列引起全船失電重大事故。所以，同陸上電網(wǎng)一樣，發(fā)電機(jī)組并車時(shí)必須滿足以下條件：

1) 待并發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)相序、頻率一致；

2) 待并發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)電壓、相位角一致；

由于船舶電網(wǎng)的容量較小，機(jī)組間的耦合影響大，給并網(wǎng)操作帶來新的問題[1]。本文建立船舶出柴油-同步發(fā)電機(jī)組模型，針對船舶發(fā)電機(jī)組并車穩(wěn)定性問題進(jìn)行仿真研究，以得到影響船舶同步發(fā)電機(jī)組并車穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。

1 柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組建模

柴油機(jī)和調(diào)速器的組成如圖1所示。

圖1 柴油機(jī)和電子調(diào)速器組成

圖中，速度傳感器與發(fā)電機(jī)共軸旋轉(zhuǎn)，負(fù)荷傳感器檢測發(fā)電機(jī)輸出電壓、電流和相位等信號(hào)，計(jì)算得到輸出功率后轉(zhuǎn)換為電平信號(hào)，可以等效為單位反饋環(huán)節(jié)。電子控制裝置獲取速度控制單元計(jì)算得到的轉(zhuǎn)速設(shè)定、負(fù)荷信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)比例差值，經(jīng)PID控制運(yùn)算和功率放大后送至電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)獲取控制信號(hào)后控制柴油機(jī)的進(jìn)油量以控制柴油機(jī)輸出功率，可以等效為一個(gè)比例慣性環(huán)節(jié)。柴油機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程可以等效為一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)。另外，考慮到柴油機(jī)從進(jìn)油量改變到輸出轉(zhuǎn)矩改變的機(jī)械性延時(shí)，需要增加一個(gè)純延時(shí)環(huán)節(jié)，最終可以得到柴油機(jī)的傳遞函數(shù)為：

綜上，得到柴油機(jī)和調(diào)速器的模型如圖2。

圖2 柴油機(jī)和調(diào)速系統(tǒng)模型

圖3 相復(fù)勵(lì)無刷交流勵(lì)磁控制系統(tǒng)的仿真模型

分別提取相復(fù)勵(lì)勵(lì)磁控制系統(tǒng)中相復(fù)勵(lì)裝置、交流勵(lì)磁機(jī)和自動(dòng)電壓控制裝置(AVR)的數(shù)學(xué)模型。

相復(fù)勵(lì)裝置dq坐標(biāo)系模型：

上式中，Ur為相復(fù)勵(lì)裝置的輸出電壓；Ud為發(fā)電機(jī)d軸電樞端電壓；Uq為發(fā)電機(jī)q軸電樞端電壓；，x為移向電抗。

電壓差模型：

式中，Uref為自動(dòng)調(diào)壓裝置參考電壓；Uf0為勵(lì)磁電壓的初始值；Ka為交流勵(lì)磁機(jī)的有效增益；Tr為低通濾波器時(shí)間常數(shù)；Uff為反饋環(huán)節(jié)輸出電壓；ΔU為綜合后的電壓差信號(hào)。

交流勵(lì)磁機(jī)模型：

綜上，得到典型PID控制的閉環(huán)反饋勵(lì)磁系統(tǒng)模型如圖3。

2 柴油發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)仿真

2.1 并網(wǎng)仿真模型搭建

為了使船舶同步發(fā)電機(jī)組并車電流沖擊最小并且快速進(jìn)入同步運(yùn)行，需要選擇合適的合閘時(shí)刻，待并發(fā)電機(jī)的相序、頻率、電壓幅值和相位角應(yīng)盡量與電網(wǎng)相同，另外，由于船舶電網(wǎng)的容量小、機(jī)組耦合影響的特點(diǎn)，需要選擇合適的調(diào)速器和調(diào)壓器的參數(shù)，使得各機(jī)組配合良好[4]。

相序條件是必須滿足的條件，本文對其他幾個(gè)條件分別進(jìn)行建模仿真研究。建立仿真模型如圖4。其中，DG1、DG2為5MVA發(fā)電機(jī)組，為研究機(jī)組容量和參數(shù)對并車的影響，設(shè)置2MVA輔助機(jī)組AG1。

合閘信號(hào)觸發(fā)模塊檢測機(jī)組相位和電網(wǎng)相位差，以控制合閘角度。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5。

2.2 合閘時(shí)刻電壓差、頻率差、相位差對并車的影響

為研究合閘時(shí)刻電壓差、頻率差、相位差對并車的影響，作如下仿真實(shí)驗(yàn)。

1）DG1機(jī)組已經(jīng)并網(wǎng)運(yùn)行，待投機(jī)組DG2輸出電壓幅值比電網(wǎng)電壓高5%，保持合閘角在1°以內(nèi)，頻率一致，仿真結(jié)果見圖6～圖8。

2）DG1機(jī)組已經(jīng)并網(wǎng)運(yùn)行，待投機(jī)組DG2輸出電壓幅值比電網(wǎng)高10%，保持合閘角在1°以內(nèi)，頻率一致，仿真結(jié)果見圖9～圖11。

圖4 柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)仿真模型

圖5 合閘信號(hào)觸發(fā)模型

圖6 1#發(fā)電機(jī)組功率、電壓和轉(zhuǎn)速

圖7 2#發(fā)電機(jī)組功率、電壓和轉(zhuǎn)速

由仿真結(jié)果可知，合閘時(shí)刻的電壓差主要影響合閘時(shí)刻的無功電流。電壓差較大可能造成沖擊電流過大，導(dǎo)致合閘失敗。

圖8 1#，2#發(fā)電機(jī)組功率

圖9 1#發(fā)電機(jī)組功率、電壓和轉(zhuǎn)速

圖10 2#發(fā)電機(jī)組功率、電壓和轉(zhuǎn)速

圖11 1#，2#發(fā)電機(jī)組功率

3）DG1機(jī)組已經(jīng)并網(wǎng)運(yùn)行，待投機(jī)組DG2輸出電壓頻率比電網(wǎng)電壓高0.5%，保持合閘角在1°以內(nèi)，電壓一致，結(jié)果見圖12～圖14。

圖12 1#發(fā)電機(jī)組功率、電壓和轉(zhuǎn)速

圖13 2#發(fā)電機(jī)組功率、電壓和轉(zhuǎn)速

圖14 1#，2#發(fā)電機(jī)組功率

4）DG1機(jī)組已經(jīng)并網(wǎng)運(yùn)行，待投機(jī)組DG2輸出電壓頻率比電網(wǎng)電壓高2.5%，保持合閘角在1°以內(nèi)，電壓一致，見圖15～圖17。

由仿真結(jié)果可知：合閘時(shí)刻待并機(jī)組與電網(wǎng)的頻率差主要影響的是機(jī)組的有功，若頻率差值較大，會(huì)引起較大的有功調(diào)節(jié)超調(diào)，增加有功平衡的時(shí)間，甚至引起機(jī)組負(fù)功。

圖15 1#發(fā)電機(jī)組功率、電壓和轉(zhuǎn)速

5）DG1機(jī)組已經(jīng)并網(wǎng)運(yùn)行，待投機(jī)組DG2機(jī)端電壓和頻率與電網(wǎng)保持一致，合閘角為5°，仿真結(jié)果見圖18～圖20。

圖16 2#發(fā)電機(jī)組功率、電壓和轉(zhuǎn)速

圖17 1#，2#發(fā)電機(jī)組功率

6）DG1機(jī)組已經(jīng)并網(wǎng)運(yùn)行，待投機(jī)組DG2機(jī)端電壓和頻率與電網(wǎng)保持一致，合閘角為10°，仿真結(jié)果見圖21～圖23。

圖18 1#發(fā)電機(jī)組功率、電壓和轉(zhuǎn)速

圖19 1#發(fā)電機(jī)組功率、電壓和轉(zhuǎn)速

圖20 1#，2#發(fā)電機(jī)組功率

圖21 1#發(fā)電機(jī)組功率、電壓和轉(zhuǎn)速

由仿真結(jié)果可知：合閘時(shí)刻待并發(fā)電機(jī)組電壓和電網(wǎng)電壓的相位差會(huì)影響并車后的有功和無功的調(diào)節(jié)。不合理的合閘角會(huì)使得控制器出現(xiàn)較大的超調(diào)，甚至合閘失敗。

2.3 不同容量多臺(tái)機(jī)組并車

某些船舶電站是由不同容量的機(jī)組并聯(lián)供電，這就涉及到大小機(jī)組的并聯(lián)問題。不同容量的機(jī)組在機(jī)組特性、參數(shù)上相差較大，所以需要對這種情況單獨(dú)考慮。另外，在多臺(tái)機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，為了讓各機(jī)組能夠相互配合，需要對參數(shù)作一些調(diào)整。圖24～圖27為不同容量多臺(tái)機(jī)組并聯(lián)仿真結(jié)果。

圖22 2#發(fā)電機(jī)組功率、電壓和轉(zhuǎn)速

圖23 1#，2#發(fā)電機(jī)組功率

圖24 1#發(fā)電機(jī)組功率、電壓和轉(zhuǎn)速

從仿真結(jié)果可知，在不同容量機(jī)組并聯(lián)時(shí)，大機(jī)組慣性較大，響應(yīng)時(shí)間慢，對整體功率分配影響大，小機(jī)組慣性小，響應(yīng)時(shí)間短。為了能讓大小機(jī)組配合良好，在配置控制參數(shù)時(shí)，可以合理配置控制器的響應(yīng)速度，有利于不同容量機(jī)組和多臺(tái)機(jī)組的并聯(lián)運(yùn)行。

圖25 2#發(fā)電機(jī)組功率、電壓和轉(zhuǎn)速

圖26 1#輔助發(fā)電機(jī)組功率、電壓和轉(zhuǎn)速

仿真機(jī)組參數(shù)見表1。

3 結(jié)論

本文對船舶電站多臺(tái)不同容量發(fā)電機(jī)組在并聯(lián)運(yùn)行過程中的并車條件進(jìn)行了仿真研究，對船舶柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行了建模，并通過仿真總結(jié)得出合閘時(shí)刻待并發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)的電壓差、頻率差、相位差對并車過程的影響途徑，進(jìn)一步的驗(yàn)證了發(fā)電機(jī)組無功、有功和功角，對同步發(fā)電機(jī)組并車條件。與陸上電網(wǎng)相區(qū)別，給出不同容量多臺(tái)機(jī)組并聯(lián)時(shí)參數(shù)配置的建議以及應(yīng)注意的問題。能夠?yàn)橹蟮拇半娬镜脑O(shè)計(jì)提供借鑒。

表1 仿真機(jī)組參數(shù)

[1] 張翠, 張敏, 王繼濤. 船舶不同容量柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行分析[J]. 航海工程, 2014, (8)： 146-149.

[2] 姜錦范． 船舶電站及自動(dòng)化[M]. 大連： 大連海事大學(xué)出版社, 2005．

[3] 余中毅, 張丹瑞等. 船舶電站同步發(fā)電機(jī)組綜合控制算法[J]. 中國航海, 2009, (12)： 31-35.

[4] 林華峰．船舶電站及電力拖動(dòng)[M]．哈爾濱： 哈爾濱工程大學(xué)出版杜, 2006．

Modeling and Simulation of Generator Paralleling Stability for Ships

Wan Weixue, Huan Fan

( Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

The status of multiple units with different capacity in parallel operation of marine power station is simulated, and the condition of the synchronous motor group is verified. The influence of the voltage difference, frequency difference, and phase difference of generator set and power grid at switching-in moment on the process of parallel operation is obtained. The suggestion of parameter configuration for the parallel connection of several units with different capacity is given.

marine power plant; synchronous generator; parallel operation; Matlab/Simulink

TM743

A

1003-4862（2016）12-0040-06

2016-5-18

萬偉學(xué)（1982-），男，工程師。研究方向：船舶電氣工程。