船舶電力系統(tǒng)界面特性仿真

摘 要： 船舶電力系統(tǒng)是一個獨立系統(tǒng)，當負載變化時將引起電網(wǎng)電壓的劇烈波動。為了研究船舶電力系統(tǒng)在負載變化時的穩(wěn)定性，利用Matlab/Simulink建立了船舶電力系統(tǒng)的仿真模型，包括同步發(fā)電機模型、勵磁系統(tǒng)模型、柴油機及調(diào)速器模型和負載模型。通過對同步發(fā)電機在單機運行狀態(tài)下突加、突減負載等不同工況進行動態(tài)仿真和分析，得到系統(tǒng)參數(shù)的變化情況。仿真結(jié)果符合“MLT?STD?1399 300章”規(guī)定的船舶電力系統(tǒng)界面的電壓瞬變特性，為我國船舶電力系統(tǒng)的研究提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞： Matlab/Simulink； 船舶電力系統(tǒng)； 界面特性仿真； 電壓瞬變

中圖分類號： TN710?34； U665 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）02?0101?03

Simulation of interface characteristics for marine electric power system

AN Shu， CHEN Yongli

（Department of Vehicle and Electrical Engineering， Ordnance Engineering College， Shijiazhuang 050003， China）

Abstract： The marine electric power system is an independent system， which can cause the fierce fluctuation of the power grid voltage when its load is varied. In order to research the stability of marine electric power system when its load changes， the simulation model of the system was established by means of Matlab/Simulink， in which the synchronous generator model， excitation system model， diesel engine and speed regulator model， and load model are included. The parameters variation conditions of the system were obtained by dynamic simulation and analysis for the synchronous generator in the single generator operation at different working conditions of sudden load increase or decrease. The simulation results accord with the voltage transient characteristics of the marine electrical power system interface defined in “300 Section in MLT?STD?1399： AC Power”， which provides the reference basis for research on marine electric power system in China.

Keywords： Matlab/Simulink； marine electric power system； interface characteristic simulation； voltage transient

0 引 言

船舶上用電設(shè)備在不斷增加，為了使船舶電力系統(tǒng)與用電設(shè)備相兼容，“MLT?STD?1399 300章”以電壓、頻率、應(yīng)急狀態(tài)等參數(shù)規(guī)定了船舶電力系統(tǒng)的界面特性。而在用電設(shè)備突加或突減時所引起的電壓瞬變會直接影響到船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。船舶上交流電力一般劃分為三類， 其中I型為標準的船舶電力電源，440 V或115 V，60 Hz不接地；Ⅱ型和Ⅲ型應(yīng)用受到限制。本文應(yīng)用仿真軟件Matlab對I型440 V，60 Hz不接地船舶電力系統(tǒng)進行了建模，并對突加、突減負載等不同工況進行仿真分析，得出船舶電力系統(tǒng)界面特性的電壓參數(shù)變化情況，進一步驗證了“MLT?STD?1399 300章”所規(guī)定的船舶電力系統(tǒng)界面的電壓瞬變特性。

1 船舶電力系統(tǒng)建模

船舶電力系統(tǒng)通常由發(fā)電裝置、配電裝置、電力網(wǎng)和用電設(shè)備（負載）四部分組成。發(fā)電裝置通常采用柴油發(fā)電機組，船上的用電設(shè)備很多，根據(jù)負載特性，總體上分為三大類：感應(yīng)電動機負載、靜負載和無功功率補償負載。船舶電力系統(tǒng)的動態(tài)特性主要取決于柴油發(fā)電機組與用電設(shè)備的共同作用。船舶電力系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

1.1 同步發(fā)電機模型

同步發(fā)電機是船舶電力系統(tǒng)中的重要元件，它集旋轉(zhuǎn)與靜止、電磁變化和機械于一體，把機械能轉(zhuǎn)換為電能，供給整個船舶電力系統(tǒng)使用[1]。同步發(fā)電機的運行特性和內(nèi)部電磁過渡過程是非常復(fù)雜的非線性動態(tài)過程，對其進行詳細、精確的數(shù)學建模十分困難。Matlab軟件中的SimPowerSystems中提供了各種類型的發(fā)電機模型，本文直接調(diào)用庫中的p.u.標準同步發(fā)電機模型[2]。該模型采用5階狀態(tài)方程，考慮了定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組的電磁暫態(tài)過程以及轉(zhuǎn)子的機械運動過渡過程，能比較精確地分析系統(tǒng)和電機動態(tài)過程。同步發(fā)電機模型及其屬性設(shè)計對話框如圖2所示。

圖1 船舶電力系統(tǒng)總體框圖

圖2 同步發(fā)電機模型及其屬性設(shè)計對話框

1.2 勵磁系統(tǒng)模型

本文采用相復(fù)勵無刷交流勵磁系統(tǒng)，模型由Simulink組件中的連續(xù)系統(tǒng)模塊集進行建模[3?4]，模型框圖如圖3所示。其中：Uref為自動電壓調(diào)節(jié)器參考電壓；Ud和Uq分別為發(fā)電機d軸和q軸的電壓值；Ustab為接地零電壓；iabc為定子三相電流；Uf是勵磁電壓。Ud和Uq產(chǎn)生相復(fù)勵的電壓信號，iabc三相電流信號產(chǎn)生相復(fù)勵的電流信號，這兩部分信號合成后，一部分送入調(diào)節(jié)器回路進行閉環(huán)調(diào)節(jié)，另一部分輸出到勵磁機。

圖3 勵磁系統(tǒng)模型框圖

1.3 柴油機及調(diào)速器模型

在柴油發(fā)電機組中，柴油機的主要作用是提供原動力，柴油機自身沒有自動調(diào)速能力，因此必須裝設(shè)調(diào)速器。本文柴油機與調(diào)速器組合采用二階環(huán)節(jié)進行建模[5]，模型框圖如圖4所示。圖中，nref（p.u.），n（p.u.）為柴油機參考轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速的標幺值，Pmec（p.u.）為輸出機械功率的標幺值。

圖4 柴油機及調(diào)速器模型框圖

1.4 負載模型

船舶電力系統(tǒng)中的負載有多種分類方法，由于本文主要通過突加、突減負載來模擬大擾動，以驗證電力系統(tǒng)的界面特性，因此采用SimPowerSystems中提供的靜態(tài)負載模型進行建模。而船舶電力系統(tǒng)中容性負載較少，故采用三相并聯(lián)的RL負載作為仿真模型。

按照上述建模方法，在Matlab的Simulink交互式仿真環(huán)境下，把柴油機調(diào)速模型以及勵磁系統(tǒng)進行封裝，所建立的船舶電力系統(tǒng)仿真模型如圖5所示。

圖5 船舶電力系統(tǒng)仿真模型

2 船舶電力系統(tǒng)仿真

在上述船舶電力系統(tǒng)仿真模型中，同步發(fā)電機容量為2 500 kV·A、額定電壓為440 V，額定頻率為60 Hz。電力系統(tǒng)帶功率因數(shù)為0.8，67.5%額定功率負載運行，在1 s和2 s時通過突加、突減不同功率大小的負載來得到電力系統(tǒng)的瞬態(tài)壓降。

同步發(fā)電機組帶載啟動后，第1 s突加負載L1（cos φ=0.8，50%PN），第2 s突減負載L1，第3 s結(jié)束運行。系統(tǒng)突加、突減負載過程中電力系統(tǒng)的線電壓波形如圖6所示。為了便于分析船舶電力系統(tǒng)的瞬態(tài)壓降，得電力系統(tǒng)線電壓的有效值變化如圖7所示，由圖7可知，系統(tǒng)帶67.5%PN負載啟動，經(jīng)過0.8 s后電壓達到穩(wěn)定值，啟動過程結(jié)束；在1 s時，系統(tǒng)突加50%PN負載，電壓瞬變，經(jīng)過0.029 s達到最小值377.8 V，再經(jīng)0.175 s達到最大值450.2 V，在1.18 s系統(tǒng)重新穩(wěn)定；在2 s時，系統(tǒng)突減50%PN負載，電壓再次瞬變，經(jīng)過0.04 s達到最大值516.5 V，再經(jīng)0.427 s達到最小值431.93 V，在2.316 s系統(tǒng)重新穩(wěn)定。

圖6 突加、突減50%PN負載時電力系統(tǒng)線電壓波形

圖7 突加、突減50%PN負載時電力系統(tǒng)線電壓有效值波形

為了分析船舶電力系統(tǒng)電壓瞬變，分別突加、突減50%PN，75%PN，100%PN，功率因數(shù)分別為0.8，0.6，0.4的負載，通過Matlab仿真，得到各種工況下的電壓瞬變值，如表1、表2所示。

表1 突加負載時的電壓瞬變值

表2 突減負載時的電壓瞬變值

由表1數(shù)據(jù)可知，突加負載時，隨著負載的增加，電壓瞬變的最小值隨之降低，而從穩(wěn)態(tài)到達最小值的時間基本相同，從最小值升到最大值的時間逐漸增加，最大值卻隨之減小，整個瞬變過程的恢復(fù)時間逐漸增加。由表2數(shù)據(jù)可知，突減負載時，隨著負載的增加，電壓瞬變的最大值隨之增加，而從穩(wěn)態(tài)到達最大值的時間基本相同，從最大值降到最小值的時間逐漸增加，最小值也隨之增大，整個瞬變過程的恢復(fù)時間逐漸增加。

綜合表1和表2可知， 440 V、I型60 Hz船舶電力系統(tǒng)電壓瞬變符合“MLT?STD?1399 300章”中的規(guī)定：在I型電力系統(tǒng)中，用電設(shè)備的突然啟動可能導致電壓在0.001～0.06 s內(nèi)降至瞬變電壓的最低值。而后，電壓可能以每秒20%～75%標稱電壓的速度增至最高值，電壓將在2 s內(nèi)恢復(fù)到用電設(shè)備電壓容差包絡(luò)線內(nèi)[6]（418～462 V）。用電設(shè)備從電力系統(tǒng)的突然切斷可能導致電壓在0.001～0.03 s內(nèi)增至瞬變電壓的最高值。而后，電壓可能以每秒20%～75%標稱電壓的速度降至最低值，電壓將在2 s內(nèi)恢復(fù)到用電設(shè)備的電壓容差包絡(luò)線內(nèi)（418～462 V）。

3 結(jié) 語

本文利用Matlab/Simulink對船舶電力系統(tǒng)中各個主要組成部分進行了建模，并對I型電力系統(tǒng)模型在不同工況下進行了仿真，用具體生動的圖形、確鑿的數(shù)據(jù)得出了仿真結(jié)果，觀察了電力系統(tǒng)電壓參數(shù)的變化情況，定性地分析了電力系統(tǒng)的界面特性，為船舶電力系統(tǒng)的研究提供了參考。

參考文獻

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