船舶交直流混合電力系統(tǒng)短路計算與仿真

蘭　海，劉長慶，曹　融，孟　杰，文書禮

（哈爾濱工程大學(xué)自動化學(xué)院，哈爾濱　150001）

船舶交直流混合電力系統(tǒng)短路計算與仿真

蘭海，劉長慶，曹融，孟杰，文書禮

（哈爾濱工程大學(xué)自動化學(xué)院，哈爾濱150001）

近年來，船舶交直流混合電力系統(tǒng)的優(yōu)越性越來越突出。為實現(xiàn)船舶交直流混合系統(tǒng)短路計算與仿真，文中以VC++6.0為平臺編寫軟件程序，采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計思想，以模型為基礎(chǔ)、以數(shù)據(jù)庫為支撐，在已建立的船舶電力系統(tǒng)仿真平臺基礎(chǔ)上，通過分析計算各個電流源提供的短路電流，實現(xiàn)了船舶交直流混合電力系統(tǒng)任意點短路的可視化仿真計算，并通過實例驗證了計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，該方法具有實際可行性。

船舶交直流混合電力系統(tǒng)；電流源；短路計算；可視化仿真

隨著船舶電力系統(tǒng)的發(fā)展，系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，船舶電網(wǎng)也越來越復(fù)雜，采取物理模擬方法對實際船舶電力系統(tǒng)進(jìn)行仿真越來越難以實現(xiàn)。利用實物或混合類型的仿真方法對船舶電力系統(tǒng)進(jìn)行研究，不僅成本高、靈活性差，而且工序復(fù)雜、實施難度大。相比之下，數(shù)字仿真有著如下優(yōu)勢：①數(shù)字仿真不受系統(tǒng)規(guī)模和結(jié)構(gòu)的限制，工序相對簡單，容易實現(xiàn)；②數(shù)字仿真安全性高，沒有實物仿真可能出現(xiàn)的突發(fā)情況和危險；③數(shù)字仿真具有良好的經(jīng)濟(jì)性，成本低。綜上原因，數(shù)字仿真現(xiàn)已成為分析、研究電力系統(tǒng)必不可少的工具。因此，數(shù)字仿真也是研究船舶電力系統(tǒng)的有效手段。開發(fā)出高效、靈活、具有良好經(jīng)濟(jì)性和實用性的船舶電力系統(tǒng)仿真軟件變得至關(guān)重要[1]。

本文主要分析適用于船舶交直流混合電力系統(tǒng)短路計算方法，并在已建立的仿真平臺中搭建短路計算模塊，實現(xiàn)短路計算仿真。

1　短路計算方法

本文中交直流混合系統(tǒng)的短路計算主要研究的是直流部分線路短路時，各個電流源供給的短路電流瞬時值、最大值以及穩(wěn)態(tài)值，最后計算出短路點的總電流最大峰值和穩(wěn)態(tài)值，并合成瞬時電流曲線。

目前還沒有針對于船舶交直流混合系統(tǒng)直流部分短路的短路計算方法，本文參考IEEE船舶中壓直流系統(tǒng)慣例[2]所推薦的中壓直流電站的短路計算方法，按照文獻(xiàn)[3]陸用中壓直流短路計算方法來計算混合系統(tǒng)直流側(cè)短路時的短路電流。

船舶交直流混合電力系統(tǒng)中直流側(cè)發(fā)生短路故障時，可能提供短路電流的電流源有4種，分別為發(fā)電機(jī)、儲能元件、濾波電容、直流電機(jī)。推進(jìn)電機(jī)通過逆變器連接到直流母線上，當(dāng)直流部分短路時，母線電壓的降低將會導(dǎo)致逆變器換相失敗[5]，停止工作，電力電子器件將電動機(jī)與系統(tǒng)隔離，可有效阻隔推進(jìn)電機(jī)提供的短路電流流入系統(tǒng)，故在計算中可不考慮推進(jìn)電機(jī)這一短路電流源。

當(dāng)短路故障發(fā)生時，4種電流源供給短路電流如圖1所示，其中，發(fā)電機(jī)短路電流圖中所示的兩條曲線分別為含有濾波器和不含有濾波器的短路電流曲線。

圖1　4種電流源短路時短路電流曲線Fig.1　Short-circuit current curves of four current source when short-circuit

為了方便計算，4種短路特性曲線可近似為如圖2所示的曲線。

圖2　短路電流近似曲線Fig.2　Approximate curve of short-circuit current

圖中：ip為短路電流峰值；tp為短路電流達(dá)到峰值的短路時間；ik為短路電流穩(wěn)態(tài)值；Tk為短路電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)的短路時間常數(shù)；τ1為短路電流增長時間常數(shù)；τ2為短路電流衰減時間常數(shù)。

短路特性曲線可表示為

每種電流源的時間常數(shù)τ1、τ2取決于各自的元件種類及參數(shù)，時間常數(shù)不同，所得的短路電流曲線也各不相同。

圖3所示為混合系統(tǒng)含有上述4種短路電流源時的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，當(dāng)系統(tǒng)中只包含單個短路電流源時，只需考慮短路電流流經(jīng)的串聯(lián)阻抗以及直流部分線路的電感電抗的影響來計算此電流源供給的短路電流值。當(dāng)系統(tǒng)短路電流源不單一時，可分別計算出各個電流源在短路故障發(fā)生時提供的短路電流。需要說明的是，當(dāng)短路點在直流母線出口處，短路電流不流經(jīng)公共的直流線路時（圖3中F1短路處），短路點短路電流總值即為各個電流源的短路電流值加和。而當(dāng)短路電流流經(jīng)公共直流線路（圖3中F2短路處），各個電流源的短路電流需要進(jìn)行修改再疊加。

圖3　混合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3　Hybrid system structure

1.1發(fā)電機(jī)提供的短路電流

發(fā)電機(jī)是主要的短路電流供應(yīng)者，當(dāng)短路故障發(fā)生時，通過整流器連接的發(fā)電機(jī)回路的等效電路如圖4所示，以整流器為界，將系統(tǒng)分為交流部分和直流部分，短路點在直流側(cè)F處，RN和XN分別為交流側(cè)的等效電阻、電抗，代表圖3中發(fā)電機(jī)、三相輸電線路、變壓器、整流電抗器的電阻、電抗值之和。RDB和LDB分別為直流側(cè)的等效電阻、電感，代表圖3中平滑電抗器、整流器支路以及線路的電阻、電感之和。

圖4　發(fā)電機(jī)回路等效電路Fig.4　Equivalent circuit of generator circuit

式中：RN、XN分別為發(fā)電機(jī)的短路電阻和電抗；RQ、XQ分別為三相交流輸電線路電阻和電抗；RT、XT分別為變壓器的短路電阻和電抗；RR、XR分別為整流電抗器電阻和電抗；RSB、LSB分別為濾波器的電阻、電感；RDL、LDL分別為整流器支路的電阻、電感；RY、LY為直流側(cè)公共線路的電阻、電感。

發(fā)電機(jī)經(jīng)過整流器提供的短路電流穩(wěn)態(tài)值為

式中：C為電壓因數(shù)[7]；Un為整流器三相橋端口處線電壓；λD取決于RN/XN和RDB/RN。

發(fā)電機(jī)經(jīng)過整流器提供的短路電流峰值可表示為

其中，參數(shù)kD取決于

具體參數(shù)計算方法可表示為

1.2儲能元件提供的短路電流

本文中，儲能元件采用的是鋰離子電池組，等效電路如圖5所示，當(dāng)電池組的開路電壓EK未知時，可以用單個電池的開路電壓U（鋰離子電池為2V/個）乘以電池組中電池的串聯(lián)個數(shù)N，乘積作為儲能元件端口電壓。并設(shè)定當(dāng)儲能元件完成充電后放電時，端口電壓為N×1.05U，未完成充電放電時，端口電壓為N×0.9U。

圖5　電池組回路等效電路Fig.5　Equivalent circuit of battery circuit

當(dāng)短路故障發(fā)生時，電池組進(jìn)行放電時的短路電流穩(wěn)態(tài)值為

式中，RBB=0.9RB+RBL+RY。

式中，RB、LB為短路時電池內(nèi)電阻、內(nèi)電感串聯(lián)加和。單個電池放電時電池內(nèi)阻大小由電池生產(chǎn)廠家給出，若放電時電池內(nèi)阻未知，可用充滿電時的內(nèi)阻RB乘以一個系數(shù)1.7來代替。若電池的內(nèi)電抗未給出，可按照L=0.2 μH來計算。RBL和LBL分別為電池組所在支路的電阻和電感，RY、LY為直流側(cè)公共線路的電阻、電感。

當(dāng)短路故障發(fā)生時，系統(tǒng)中電池組提供的短路電流峰值為

1.3濾波電容器提供的短路電流

在大多數(shù)電源電路中，整流電路后都要并聯(lián)濾波電容器，整流電路將交流轉(zhuǎn)化為直流，但無論輸出的是直流電壓還是直流電流，都會帶有波紋。這就需要電容器減小整流電壓的脈動程度，將整流后的脈動變?yōu)槠交闹绷麟姟?/p>

電容器所在回路等效電路如圖6所示，在短路故障發(fā)生后，電容器進(jìn)行放電，由于放電過程極為迅速，放電時間極短，短路后1 s放電已經(jīng)結(jié)束，以電容器提供的短路電流穩(wěn)態(tài)值為0；電容器可提供的最大短路電流峰值計算公式為

圖6　電容器所在回路等效電路Fig.6　Equivalent circuit of capacitor circuit

其中

式中：RC為等效直流電容器電阻，其大小由器件說明書給出，若未給出，則按照交流電阻的1.2倍來計算，交流電阻為頻率在100 Hz下電容器的電阻；RCL、LCL為電容器所在支路的電阻和電感；RY、LY為直流側(cè)公共線路的電阻和電感；EC為發(fā)生短路故障時，電容器兩端的電壓值；kC為參數(shù)，其值取決于、ω0，計算公式為

當(dāng)LCB=0時，kC=1。

1.4直流電機(jī)提供的短路電流

當(dāng)系統(tǒng)中含有直流電機(jī)且投入運行，短路故障發(fā)生時，直流電機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)運行狀態(tài)，可看作電流源，向短路故障點提供短路電流。直流電機(jī)連接在系統(tǒng)中的直流母線上，其等效電路如圖7所示。

圖7　直流電機(jī)所在回路等效電路Fig.7　Equivalent circuit of DC motor circuit

令

式中：RM、LM為直流電機(jī)電樞電阻和電感（包括電刷）；RML、LML為直流電機(jī)支路電感；RY、LY為直流側(cè)公共線路的電阻和電感；τM為直流電機(jī)電樞回路的時間常數(shù)，其大小取決于短路位置的不同。直流電機(jī)提供的短路電流穩(wěn)態(tài)值為

式中：LF為短路時勵磁電路的等效飽和電感；L0F為勵磁電路空載時等效不飽和電感；UrM為直流電機(jī)額定電壓；IrM為直流電機(jī)額定電流；n為直流電機(jī)轉(zhuǎn)速；nn為直流電機(jī)額定轉(zhuǎn)速。

短路故障發(fā)生時直流電機(jī)提供的短路電流峰值為

當(dāng)直流電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速或者是減速運行時，即當(dāng)τmec≥10τF時，kM=1，且有

式中：τmec為直流電機(jī)機(jī)械時間常數(shù)；τF為直流電機(jī)電氣時間常數(shù)；J為直流電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量；n0為直流電機(jī)空載時的轉(zhuǎn)速；Mr為直流電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩。

當(dāng)τmec<10τF時，kM為參數(shù)，其值大小取決于ω0，因此有

1.5短路故障點的短路電流

當(dāng)計算短路點總電流時，若短路點位于母線出口處，各個電流源提供的短路電流不流經(jīng)公共直流線路時，直接將各個電流源的短路電流疊加即可求出短路故障點的總短路電流值。當(dāng)短路電流流經(jīng)公共直流線路到達(dá)短路點時，需要對各個電流源提供的短路電流進(jìn)行修正，具體修正方法如下。

將計算出的各個電流源的短路電流峰值和穩(wěn)態(tài)值均乘以一個修正系數(shù)σj，即

式中：ipcorj為修正后電流源短路電流峰值；ikcorj為修正后電流源短路電流穩(wěn)態(tài)值。

修正系數(shù)σj可表示為

其中，Rij、Rresj取值由表1給出。

各個電流源修正后的短路電流計算完成后，相加即可求出短路點總的短路電流。短路點短路電流瞬時值為

表1　各電流源Rij、Rrefj取值Tab.1　Rij、Rrefjvalue of the current source

2　船舶交直流混合系統(tǒng)仿真平臺

2.1平臺基本框架

本文介紹的電力系統(tǒng)仿真平臺是基于面向?qū)ο蟮目梢暬抡嫫脚_，其前期工作如文獻(xiàn)[6-8]中所述，此軟件是以VC++6.0為平臺編寫的，其主要功能為：繪制電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，對系統(tǒng)中元件進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，最終實現(xiàn)任意搭建的船舶電力系統(tǒng)的潮流、短路等分析計算，實現(xiàn)對系統(tǒng)的仿真功能。整個軟件包括可視化圖形界面、數(shù)據(jù)的輸入輸出、系統(tǒng)拓?fù)浞治龉δ?、高級?yīng)用算法等幾個部分[9]。

可視化圖形界面是人機(jī)交互的接口，其主要功能為：仿真軟件文件操作、系統(tǒng)圖的設(shè)計與繪制、元件數(shù)據(jù)編輯以及高級應(yīng)用算法的調(diào)用等部分組成?？梢暬瘓D形界面作為一個載體，為用戶提供直觀、清晰的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，方便用戶進(jìn)行各種操作，本文的系統(tǒng)界面如圖8所示。

圖8　船舶綜合電力系統(tǒng)仿真界面Fig.8　Figure of ship integrated power system simulation interface

2.2交直流混合系統(tǒng)短路計算仿真模塊

短路計算模塊是在仿真平臺的基礎(chǔ)上，建立一個短路計算的算法類，其所有的仿真功能函數(shù)進(jìn)行封裝。封裝后的算法類，作為平臺中的計算模塊，建立模塊與主程序的接口，將算法程序添加到系統(tǒng)中，等待調(diào)用。仿真軟件在用戶界面上提供短路計算仿真按鈕對算法控件進(jìn)行調(diào)用，連接好系統(tǒng)后，通過用鼠標(biāo)單擊短路計算功能按鈕，調(diào)用短路計算的響應(yīng)函數(shù)，選擇短路故障點的位置，軟件根據(jù)搭建的系統(tǒng)圖，分析拓?fù)潢P(guān)系，進(jìn)行計算。分析完系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)后，系統(tǒng)會響應(yīng)相應(yīng)的對話框，用戶在對話框的引導(dǎo)下完成仿真分析操作，計算短路電流。

混合系統(tǒng)短路計算對話框示意如圖9所示，用戶填寫短路點距離本線路首端的位置，點擊“OK”進(jìn)行計算，4個區(qū)域分別顯示4種電流源提供的短路電流峰值及穩(wěn)態(tài)值的計算結(jié)果，對話框右方短路點總短路電流區(qū)域為故障點短路電流計算結(jié)果。

圖9　交直流混合系統(tǒng)短路計算對話框示意Fig.9　Short-circuit calculation dialog of AC-DC hybrid system

計算完成后，點擊每個區(qū)域中“瞬時值”按鈕，可提供短路故障發(fā)生時每個電流源以及短路點的短路電流實時曲線圖。

3　船舶交直流混合電力系統(tǒng)短路計算仿真

按照文獻(xiàn)[9]中所給的范例，建立船舶交直流混合電力系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖10所示。系統(tǒng)由交流發(fā)電機(jī)發(fā)電，經(jīng)整流連接在直流母線上，同時，儲能元件、電容器、直流電機(jī)也與直流母線相連。

3.1Line1短路

設(shè)置短路故障點在Line1線路上，設(shè)置短路位置距首端為100%，點擊“OK”進(jìn)行計算，計算結(jié)果如圖11所示。

點擊各個電流源的“瞬時值”按鈕，繪制4種電流源的電流曲線如圖12中圖（a）～（d）所示。

點擊短路點總電流“瞬時值”按鈕，得到短路點短路瞬時電流如圖13所示。

3.2Line2短路

設(shè)置短路故障點在Line2線路上，設(shè)置短路位置距首端為0，點擊“OK”進(jìn)行計算，計算結(jié)果如圖14所示。

圖10　交直流混合電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.10　Structure diagram of AC-DC hybrid system

各個電流源的電流曲線如圖15所示。

短路點短路瞬時電流如圖16所示。

3.3Line3短路

設(shè)置短路故障點在Line3線路上，設(shè)置短路位置距首端為0，點擊“OK”進(jìn)行計算，計算結(jié)果如圖17所示。

各個電流源的電流如圖18所示。短路點短路瞬時電流如圖19所示。

3.4計算結(jié)果分析

將程序計算結(jié)果與參考文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)相對比，計算差值比，3種短路計算情況如表2～4所示。

表中數(shù)據(jù)可以看出，此軟件的仿真計算結(jié)果與參考文獻(xiàn)一致，而電流曲線圖的圖形趨勢以及取值也與參考文獻(xiàn)一致，證明了仿真軟件中建模的正確性和有效性，實現(xiàn)了船舶交直流混合系統(tǒng)短路計算仿真。

圖11　電纜1線路短路時計算結(jié)果對話框Fig.11　Calculation results dialog of Line1 short-circuit

圖12　電纜1線路短路時各個短路電流源短路電流Fig.12　Short-circuit currents of short circuit current source when Line1 short-circuit

圖13　電纜1線路短路時短路點短路電流Fig.13　Short-circuit current when Line1 short-circuit

圖14　Line2線路短路時計算結(jié)果對話框Fig.14　Calculation results dialog of Line2 short-circuit

圖15　電纜2線路短路時各個短路電流源短路電流Fig.15　Short-circuit currents of short circuit current source when Line2 short-circuit

圖16　電纜2線路短路時短路點短路電流Fig.16　Short-circuit current curve when Line2 shortcircuit

圖17　電纜3線路短路時計算結(jié)果對話框Fig.17　Calculation results dialog of Line3 short-circuit

圖18　電纜3線路短路時各個短路電流源短路電流Fig.18　Short-circuit currents of short-circuit current source when Line3 short-circuit

圖19　電纜3線路短路時短路點短路電流Fig.19　Short-circuit currents when Line3 short-circuit

表2　電纜1線路短路時短路電流計算結(jié)果Tab.2　Short-circuit current calculation results when Line1 short-circuit

表3　電纜2線路短路時短路電流計算結(jié)果Tab.3　Short-circuit current calculation results when Line2 short-circuit

表4　電纜3線路短路時短路電流計算結(jié)果Tab.4　Short-circuit current calculation results when Line3 short-circuit

4　結(jié)語

通過對某船交直流混合電力系統(tǒng)進(jìn)行短路計算仿真，設(shè)計不同的短路點，計算各個電流源提供的短路電流穩(wěn)態(tài)值、峰值，短路故障點處短路電流穩(wěn)態(tài)值以及短路電流峰值，計算結(jié)果以及電流均與參考文獻(xiàn)相一致，說明仿真軟件運行的正確有效，能夠完成仿真要求。

[1]曾玲（Zeng Ling）.艦船電力系統(tǒng)潮流計算與動態(tài)仿真（Study on Load Flow Calculation Method and Dynamic Simulation for Shipboard Power System）[D].武漢：華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院（Wuhan：College of Electrical&Electronic Engineering，Huazhong Universi?ty of Science and Technology），2007.

[2]IEEE Std 1709—2010，IEEE recommended practice for 1 kV to 35 kV medium-voltage DC power systems on ships[S].

[3]黃靖，張曉鋒，蔣心怡（Huang Jing，Zhang Xiaofeng，Ji?ang Xinyi）.一種啟發(fā)式艦船電力網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治龇椒ǎ℉euristic topology processor for the shipboard power system network）[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報（Pro?ceedings of the CSU-EPSA），2008，20（2）：110-116.

[4]吳萍，林偉芳，孫華東，等（Wu Ping，Lin Weifang，Sun Huadong，et al）.多饋入直流輸電系統(tǒng)換相失敗機(jī)制及特性（Research and electromechanical transient simula?tion on mechanism of commutation failure in multi-in?feed HVDC power transmission system）[J].電網(wǎng)技術(shù)（Power System Technology），2012，36（5）：269-274.

[5] 徐濱海（Xu Binhai）.船舶電力系統(tǒng)仿真建模及拓?fù)浞治觯∕odeling and Topology Analysis of Ship Power Simu?lation System）[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)自動化學(xué)院（Harbin：College of Automation，Harbin Engineering University），2010.

[6]張銳（Zhang Rui）.船舶汽輪發(fā)電系統(tǒng)建模與穩(wěn)態(tài)仿真分析（Ship Steam Turbine Power System Modeling And Steady-state Simulation Analysis）[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)自動化學(xué)院（Harbin：College of Automation，Harbin Engineering University），2012.

[7]雒永鋒（Luo Yongfeng）.基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)的船舶電力系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)庫研究（Research for Database of Ship Power System Simulation Based on Object-Oriented）[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)自動化學(xué)院（Harbin：College of Automation，Harbin Engineering University），2010.

[8]Lan Hai，Zhang Rui，Xu Binhai，et al.The analysis and realization of ship power system simulation function mod?ule[C]//International Conference on Electrical and Con?trol Engineering，Yichang，China，2011：872-875.

[9]Draft IEC 1660-3，Short circuit currents in DC auxiliary installations in power plants and substations-Part 3：Ex?amples of calculations[S].

Short-circuit Calculation and Simulation of Ship AC-DC Hybrid Power System

LAN Hai，LIU Changqing，CAO Rong，MENG Jie，WEN Shuli
（Department of Automation，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

In recent years，the superiority of the system of AC-DC hybrid power system is more and more prominent，To realize short circuit calculation and simulation of ship AC/DC hybrid power system，in this paper，we program in soft?ware VC++6.0，take the object-oriented program design as theory，take the model as basis and take the database as sup?port，through the analysis of the short circuit current of calculation of the current source based on the established simu?lation platform of ship power system，realize the visualization simulation calculation of arbitrary point short circuit of ship AC/DC hybrid power system，and the accuracy of the calculation result is verified by an example，this method has practical feasibility.

ship AC-DC hybrid power system；current source；short circuit calculation；visualization simulation

TM744

A

1003-8930（2016）02-0061-08

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.02.010

蘭海（1975—），男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為電力系統(tǒng)分析與控制、非線性控制理論及應(yīng)用。Email：lanhai@hrbeu.edu.cn

劉長慶（1988—），男，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)及其自動化。Email：liuchangqing001@126.com

曹融（1988—），女，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)及其自動化。Email：caorongdeyouxiang@163.com

2013-06-17；

2015-07-06

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費支持（heucfz1305）