基于直流電網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)仿真研究

張 鵬，石 媛

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基于直流電網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)仿真研究

張 鵬，石 媛

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

對船舶電力系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀以及主電網(wǎng)電制的選擇進行了簡要概述，通過對比國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀以及交流電力系統(tǒng)和直流電力系統(tǒng)的優(yōu)缺點，指出基于直流電網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)是未來船舶電力系統(tǒng)的發(fā)展方向。對基于直流電網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)的負載分配律進行了分析，隨后在MATLAB/Simulink中建立了一種基于直流電網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)的仿真模型，仿真驗證了該系統(tǒng)的可行性。

船舶 電力系統(tǒng) 直流電網(wǎng) 油耗率

0 引言

隨著電力電子技術(shù)以及新型材料的不斷發(fā)展和應(yīng)用，船舶電力系統(tǒng)也迎來了一個快速發(fā)展的階段。傳統(tǒng)的基于交流電網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)因為要保證交流并網(wǎng)時電壓、頻率和相位都相一致，因此發(fā)電機要工作在額定轉(zhuǎn)速下。文獻[1]中通過對柴油機的油耗特性曲線進行分析得出結(jié)論，工作在額定轉(zhuǎn)速下的柴油發(fā)電機組在低負載率的狀態(tài)下其油耗率并不理想。如果柴油機能根據(jù)負載的實際情況始終工作在低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩的情況下，則其油耗水平可以得到明顯降低，經(jīng)濟性得到大幅提升?；谥绷麟娋W(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)由于機組是在直流側(cè)并聯(lián)，因此對發(fā)電機轉(zhuǎn)速沒有要求，可以根據(jù)負載狀況改變原動機轉(zhuǎn)速。文獻[2]和文獻[3]對船舶電力系統(tǒng)電制的選擇與趨勢進行了詳細的分析，指出國際上船舶電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢為基于直流電網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)。文獻[4]中對ABB公司船用直流電網(wǎng)相關(guān)的產(chǎn)品進行了簡要介紹，該產(chǎn)品不僅能夠減少大量的船舶配電設(shè)施，而且最多能夠降低20%的油耗，經(jīng)濟效果明顯。國外其他電氣公司也已經(jīng)有相應(yīng)的產(chǎn)品推出，如西門子的BlueDrivePlusC。國外基于直流電網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)相關(guān)產(chǎn)品已有實船應(yīng)用的案例。國內(nèi)相關(guān)技術(shù)的研究仍比較匱乏，投入的人力物力遠遠不足，亟需引起相關(guān)領(lǐng)域人才的注意。

1電制的選擇

船舶電網(wǎng)的發(fā)展與陸地電網(wǎng)一樣，最早采用的也是直流電力系統(tǒng)。不過早期的直流電力系統(tǒng)采用的是直流發(fā)電機直接給全船電力設(shè)備供電的工作模式。隨著船舶電力系統(tǒng)供電容量的增大，大容量直流發(fā)電機的換相問題一直難以克服。而交流發(fā)電機的產(chǎn)生很好地解決了直流發(fā)電機存在的問題，大大降低了維修和保養(yǎng)的工作量，提高了運行的可靠性。同時變壓器的廣泛應(yīng)用使設(shè)備幾乎可以得到任何需要的電壓，并且電氣設(shè)備重量尺寸小、價格低。因此，自20世紀(jì)30年代開始，船舶電力系統(tǒng)進入了交流的時代。然而，交流電力系統(tǒng)也存在一些固有的問題難以解決，如控制復(fù)雜，電纜要求多等問題。近幾年基于直流電網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)見諸報端，與以往的直流電力系統(tǒng)不同，該電力系統(tǒng)采用交流發(fā)電機帶整流器的形式工作。交流發(fā)電機發(fā)出的交流電經(jīng)整流器整合成直流電能，各用電設(shè)備可采用直接取電或通過逆變器取電的形式從直流電網(wǎng)中吸收電能。

基于交流電網(wǎng)的船舶電站其主回路采用的是三相交流電制，因此使用多組船舶發(fā)電機組同時供電時要保證電壓、頻率、相位三者相一致才能并網(wǎng)。而發(fā)電機輸出交流電的頻率，與轉(zhuǎn)速成正比。因此作為原動機的柴油機，轉(zhuǎn)速必須得維持在額定值才能保證頻率不變。

相較于傳統(tǒng)基于交流電網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)，基于直流電網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)由于主電網(wǎng)采用的是直流電制，因此該系統(tǒng)在并聯(lián)時只需要保證各個發(fā)電機在直流側(cè)的電壓相一致即可，對頻率和相位沒有要求，因此對柴油機的轉(zhuǎn)速不再嚴格限定在額定轉(zhuǎn)速，為柴油機的變速發(fā)電提供了應(yīng)用空間?；谥绷麟娋W(wǎng)的船舶電站使用多組柴油機發(fā)電機組同時運行，發(fā)出的交流電經(jīng)整流后在直流母線側(cè)并聯(lián)，再經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換之后可提供給船舶上的交流用電設(shè)備使用。

2功率的分配

2.1數(shù)學(xué)模型分析

基于直流電網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。由若干臺柴油機作為原動機，帶動同步發(fā)電機運行，發(fā)出的三相交流電經(jīng)整流之后并入直流電網(wǎng)，直流側(cè)可安裝濾波電容以提高供電質(zhì)量。在實際的工程應(yīng)用時，對于若干臺并聯(lián)運行的發(fā)電機組，當(dāng)其穩(wěn)定運行時，一般要求各機組之間的功率分配符合各自的容量之比。

轉(zhuǎn)子側(cè)方程為

轉(zhuǎn)子運動方程為

三相不控整流橋兩側(cè)交、直流電壓、電流與有功功率之間的關(guān)系可以描述為如下方程式：

將此極坐標(biāo)形式帶入上述直流側(cè)電壓、電流方程，可得

由此可知，三相不控整流發(fā)電機交流側(cè)的機端電壓和電流之間相角之差為常數(shù)[5]。

2.2穩(wěn)態(tài)功率的分配

對于如圖1中所示的并聯(lián)運行的整流同步發(fā)電機的功率分配問題，由轉(zhuǎn)子側(cè)方程可知，系統(tǒng)穩(wěn)定運行時有

代入定子側(cè)方程，可得

對此，將定子側(cè)端電壓和端電流轉(zhuǎn)換成極坐標(biāo)形式，則有：

整理可得

2系統(tǒng)建模

現(xiàn)有的基于交流電網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)其結(jié)構(gòu)大致為，調(diào)速器控制原動機和發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，使其穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速運行；勵磁調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁，使發(fā)電機電壓能夠穩(wěn)定在額定電壓附近；發(fā)電機發(fā)出的三相交流電電壓、相位和頻率一致的情況下可以直接并網(wǎng)，各個負載從電網(wǎng)中汲取電能?？梢钥闯?，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和勵磁調(diào)節(jié)器的目標(biāo)值是恒定不變的，基于直流電網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)可以此為基礎(chǔ)，通過改變調(diào)速器和勵磁調(diào)節(jié)器的目標(biāo)值進而實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的可變控制。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。負載的信號實時反饋給綜合控制器，控制器一旦檢測到負載的變化，通過改變調(diào)速器的給定值調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，從而使整個船舶電站工作在油耗率比較理想的狀態(tài)，如此可以達到降低油耗，提高系統(tǒng)經(jīng)濟的目的。

以圖2為藍本，在MATLAB/Simulink中搭建了基于直流電網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)仿真模型，如圖3所示。采用兩臺柴油機各自帶著一臺同步發(fā)電機運轉(zhuǎn)，根據(jù)負載的實際情形實時改變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，使柴油發(fā)電機組始終工作在大轉(zhuǎn)矩低轉(zhuǎn)速的情形下，以此實現(xiàn)降低油耗的目的。

圖3基于直流電網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)仿真模型

3 仿真分析

如圖4中所示，雙機并聯(lián)仿真中，兩臺機組能夠?qū)崿F(xiàn)功率的平均分配，且在負載變換的過程中能夠保持穩(wěn)定。

如圖5所示，發(fā)電機組根據(jù)負載的實際情形工作在不同的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的匹配點，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器能夠確保發(fā)電機維持在綜合控制器給出的目標(biāo)轉(zhuǎn)速下。經(jīng)過與基于交流電網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)相比較，系統(tǒng)的油耗率有明顯下降。經(jīng)多次仿真驗證，得出如圖6所示的恒速發(fā)電模式與變速發(fā)電模式的油耗率對比曲線。從圖中可以看出，在負載率低于80%的情況下，該系統(tǒng)均能有可觀的節(jié)油效果，最大能夠降低20%左右的油耗。

4結(jié)論

本文通過分析國內(nèi)外船舶電力系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀，以及基于直流電網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)的特點，得出直流電網(wǎng)船舶電力系統(tǒng)能夠降低系統(tǒng)油耗，提升經(jīng)濟性的結(jié)論。通過分析多機并聯(lián)運行下機組之間的功率分配率，在MATLAB中建立了多機并聯(lián)運行的仿真模型。仿真結(jié)果驗證了該系統(tǒng)的經(jīng)濟性與可行性。

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Research on Simulation of Ship’S Power System Based on DC Power Grid

Zhang Peng, Shi Yuan

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

TM743

A

1003-4862（2016）09-0053-04

2016-04-15

張鵬（1983-），男，工程師。研究方向：電力技術(shù)應(yīng)用。