某船電力系統(tǒng)大功率負載啟動仿真分析

左紅穩(wěn)，李華兵，肖海瑞，傅振宇

某船電力系統(tǒng)大功率負載啟動仿真分析

左紅穩(wěn)，李華兵，肖海瑞，傅振宇

（中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇江陰 214431）

以某船電力系統(tǒng)為對象，基于MATLAB建立了該船的電力系統(tǒng)仿真模型，并仿真分析了典型工況下大功率負載啟動對電網(wǎng)動態(tài)特性的影響。分析結(jié)果表明，在兩臺機組并網(wǎng)工況下，冷水機組啟動時，導致發(fā)電機轉(zhuǎn)速下降4.8%，電壓下降3.4%，其啟動電流達1300 A；三臺機組并網(wǎng)時，艏側(cè)推啟動使發(fā)電機轉(zhuǎn)速下降5.2%，電壓下降4.6%，其啟動電流達到約1600 A。在有限的船舶電力系統(tǒng)容量下，大型負荷啟動會對電網(wǎng)產(chǎn)生較大的沖擊，造成電網(wǎng)電壓突降和頻率波動，當負載功率增大到一定程度時，會導致電力系統(tǒng)供電品質(zhì)不滿足船舶電力系統(tǒng)標準要求，需要增大機組容量或采取措施降低沖擊的影響。研究對船舶海上作業(yè)合理安排機組在網(wǎng)及有針對性開展設(shè)備維修有指導意義。

大功率負載 Matlab 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性

0 引言

船舶電力系統(tǒng)是一個獨立、非線性、多變量復雜的供電網(wǎng)絡(luò)，其供電容量有限。當大功率負載起動時，起動瞬時電流是其額定電流的幾倍，對容量有限的船舶電網(wǎng)是很大的沖擊，如推進電機、艏側(cè)推等大型電機起動運行時，會造成電網(wǎng)電壓、頻率的波動，對其它在網(wǎng)設(shè)備也會造成破壞[1-2]。尤其是在船舶出海作業(yè)時，航行工況復雜，系統(tǒng)狀態(tài)變化頻繁，電網(wǎng)的不穩(wěn)定或失電，將導致船舶無法航行，甚至癱船。因此有必要分析在不同工況下大功率負載對電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性的影響，以采取相應(yīng)的措施來降低沖擊大小、減輕影響程度，提升電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當前電力系統(tǒng)仿真軟件使用較廣泛的有EMTP、NETOMAC、SPICE、PSCAD、SIMULINK等[3]，而船舶電力系統(tǒng)具有有限、多元、多變、強耦合的特點[4]，MATLAB仿真軟件中的SIMULINK模塊可以直觀的對系統(tǒng)階躍響應(yīng)、穩(wěn)態(tài)特性、瞬態(tài)特性等進行仿真，利用SIMULINK模塊建立某船電力系統(tǒng)仿真模型，通過設(shè)置不同工況條件，研究分析電力系統(tǒng)對不同負載變化的響應(yīng)特性[5-6]。

1 某船電力系統(tǒng)組成及仿真模型

1.1 某船電力系統(tǒng)

某船電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)有5臺發(fā)電機組，每個機組包括柴油機及調(diào)速器、同步發(fā)電機及勵磁調(diào)節(jié)器；同步發(fā)電機組型號相同，額定功率為770 kW，額定轉(zhuǎn)速750 r/min，額定電流1389 A。ACB為主開關(guān)，用來控制發(fā)電機組的入網(wǎng)操作；ISB為聯(lián)絡(luò)開關(guān)，用來控制兩邊電網(wǎng)的同時運行；1為變壓器。發(fā)電機勵磁采用自勵恒壓勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)，電壓的調(diào)節(jié)主要依靠電壓調(diào)節(jié)器AVR進行調(diào)節(jié)。為了提高供電可靠性，聯(lián)絡(luò)開關(guān)與應(yīng)急電站的應(yīng)急配電板連接起來，以保證在主電網(wǎng)失電的情況下，應(yīng)急配電板可以向應(yīng)急設(shè)備供電。該船負荷中主要是異步拖動電機負載，主要包括630 kW的艏側(cè)推、兩屏冷水機組供電屏、消防泵、冷媒水泵、消防泵等功率不同的各類泵浦，其它的為普通日用負載。

1.2 船舶電力系統(tǒng)仿真模型

利用SIMULINK，以某船單臺發(fā)電機為建模對象，建立了包含同步發(fā)電機、勵磁系統(tǒng)、原動機及調(diào)速系統(tǒng)的電力系統(tǒng)仿真模型。該模型由同步發(fā)電機、勵磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、變壓器、異步電動機負荷以及測量顯示設(shè)備構(gòu)成。其中發(fā)電機組采用標幺型標準同步發(fā)電機，模型中參數(shù)值采用標幺值；利用SIMULINK中柴油機的調(diào)速模塊如圖2所示，以柴油機轉(zhuǎn)速為反饋信號，經(jīng)過積分放大，并與轉(zhuǎn)矩相乘得到輸出功率，從而實現(xiàn)柴油機調(diào)速；依據(jù)船舶發(fā)電機調(diào)壓模塊及PID勵磁調(diào)壓系統(tǒng)模塊如圖3所示，以測量電壓、輸出功率、角速度為反饋信號，并加入機端電壓，通過積分放大，調(diào)節(jié)勵磁電壓，實現(xiàn)機端電壓的調(diào)節(jié)，這相當于船AVR調(diào)壓模塊[7]。由于船舶負載中，大功率異步電動機拖動的設(shè)備占多數(shù)，因此采用感性負載模型進行仿真。表1為同步發(fā)電機參數(shù)，表2位各種泵的異步電機參數(shù)。

圖1 某船電網(wǎng)示意圖

圖2 柴油機調(diào)速系統(tǒng)模型

2 機組單機模型的仿真

仿真時，為能正常對空載狀態(tài)進行仿真，在負載模型設(shè)置有功功率值為10-3kW，無功功率為10-6Var，以此模擬空載時的狀態(tài)。圖4所示為起動后原動機轉(zhuǎn)速特性和勵磁電壓曲線。《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》[8]規(guī)定：原動機起動后轉(zhuǎn)速應(yīng)在5 s內(nèi)穩(wěn)定到額定轉(zhuǎn)速。由圖可知，階躍信號經(jīng)過調(diào)速器的調(diào)節(jié)作用，大約在3 s左右，原動機的轉(zhuǎn)速已經(jīng)上升到額定轉(zhuǎn)速并保持穩(wěn)定，滿足規(guī)定；而勵磁電壓在1 s內(nèi)便達到穩(wěn)定，產(chǎn)生穩(wěn)定的電壓，模型符合要求。

圖3 勵磁系統(tǒng)仿真模型

表1 同步發(fā)電機基本參數(shù)

表2 拖動電機參數(shù)

（a）原動機轉(zhuǎn)速特性曲線 b）勵磁電壓曲線

2.1 單機突加突卸負載仿真試驗

《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》[8]規(guī)定：在空載狀態(tài)下，交流發(fā)電機穩(wěn)態(tài)時突加突卸60%額定電流及功率因數(shù)不超過0.4的對稱負載，其瞬態(tài)電壓降不低于額定電壓的85%，升高值不超過額定電壓的120%；電壓恢復到穩(wěn)定值3%以內(nèi)所需的時間應(yīng)不超過1.5 s。仿真時，設(shè)定發(fā)電機組起動后，第5 s突加450 kW的負載，第8 s突卸此負載，第9s結(jié)束運行。由此得到發(fā)電機轉(zhuǎn)速、機端電壓響應(yīng)曲線如圖5所示。由圖可知，第5s電壓降低為額定電壓的92%，第8s升高到額定電壓的110%，故電壓滿足規(guī)定[5]; 而突加突卸過程中電壓在1.2 s內(nèi)恢復到規(guī)定范圍。因此，仿真結(jié)果滿足《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》要求。

2.2 單機分兩次突加50% 負載、突卸100% 負載時的暫態(tài)穩(wěn)定性試驗

《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》[9]規(guī)定：發(fā)電柴油機在空負載狀態(tài)下突加50% 額定負載，穩(wěn)定后再加載50%負載時，其瞬時調(diào)速率不大于額定轉(zhuǎn)速的10%；穩(wěn)定調(diào)速率不大于額定轉(zhuǎn)速的5%；卸去在網(wǎng)負載時，穩(wěn)定調(diào)速率不大于額定轉(zhuǎn)速的5%。計算過程中，設(shè)定發(fā)電機起動后，第2s 突加375kW的負載，第5s突加相同大小的負載，第8s突卸此兩負載，第10s結(jié)束仿真。由此得到仿真結(jié)果如圖6所示。

由圖6機端電壓和轉(zhuǎn)速曲線可知，瞬時轉(zhuǎn)速在2s、5s分別下降4.5%、2.3%，電壓最大下降13%，顯然，都在規(guī)定范圍內(nèi)。因此，認為模型滿足《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》要求。

圖5 單機突加突卸50%負荷轉(zhuǎn)速、機端電壓曲線

3 典型工況仿真分析

某船出海作業(yè)時，會根據(jù)航行情況及工作情況而選擇不同的工況。在一些特定工況時，一般四臺機在網(wǎng)，電網(wǎng)總功率較大，可以滿足負載的使用。而在其他工況時，一般兩臺或者三臺機在網(wǎng)，此時設(shè)備啟動的不確定性和和可用功率的減少會對電網(wǎng)產(chǎn)生較大的影響。因此下面重點對常用工況,即兩機及三機在網(wǎng)時負載突變對電網(wǎng)的影響進行仿真分析。

要實現(xiàn)對兩機、三機等多機組并網(wǎng)運行的仿真，首先要建立并車模塊。圖7所示為利用SIMULINK模塊創(chuàng)建的發(fā)電機并網(wǎng)模型。由圖可知，通過對1號、2號機組電壓矢量差、頻率差進行檢測比較，滿足條件時進行并車。并網(wǎng)后，同時，通過檢測不同機組間的電壓差、頻率差，使不同機組共同響應(yīng)負載的變化，達到不同機組并聯(lián)運行的效果。

圖6 單機分兩次突加突卸50%負荷時勵磁電壓、轉(zhuǎn)速、機端電壓曲線

圖7 并聯(lián)模塊

3.1 兩機在網(wǎng)突加突卸負載的穩(wěn)定性

圖8 冷媒水泵、冷水機組啟動時勵磁電壓、轉(zhuǎn)速、機端電壓曲線

兩機在網(wǎng)時，建立兩機在網(wǎng)運行模型，在原有照明、水泵等基本負荷基礎(chǔ)上，設(shè)定2 s時起動一臺冷媒水泵，5 s時起動一臺冷水機組，8 s時冷水機組和冷媒水泵停止運行。9 s后仿真結(jié)束。由此得到電網(wǎng)動態(tài)響應(yīng)曲線如圖8～10所示。

由圖8～10可以看出，隨著在2 s、5 s時負載的啟動，發(fā)電機輸出功率逐漸增大、轉(zhuǎn)速下降、電壓也有略微下降，電流急劇增大，2s后系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。在這一過程中，機端電壓等參數(shù)會有一定波動，但均在合理范圍，這主要是勵磁系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用。其中，冷媒水泵啟動時，啟動電流達400 A，導致發(fā)電機轉(zhuǎn)速下降約3%，機端電壓下降約2.3%，電網(wǎng)電流急劇增加后恢復至工作電流；冷水機組啟動時，啟動電流達到1300 A，導致發(fā)電機轉(zhuǎn)速下降4.8%，電壓下降3.4%，系統(tǒng)電流急劇增加約5倍。某船發(fā)電機主開關(guān)額定電流值為I=1389 A，瞬動電流值為16 kA、動作時間為延時0.06 s，短延時電流值為2I、動作時間為延時0.4 s。由圖可知，冷水機組啟動電流沒有達到主開關(guān)的保護動作值，但會引起電網(wǎng)的波動，對電網(wǎng)在網(wǎng)設(shè)備的穩(wěn)定運行和系統(tǒng)安全產(chǎn)生影響。

圖9 冷媒水泵、冷水機組啟動時功率、電流曲線

圖10 冷媒水泵、冷水機組啟動電流變化曲線

3.2 三機在網(wǎng)突加突卸負載的穩(wěn)定性

艏側(cè)推是船舶負荷較大的設(shè)備，其功率為630 kW，幾乎相當于一臺發(fā)電機的功率，因此艏側(cè)推的啟動對電網(wǎng)的沖擊較大的。為此，對三機在網(wǎng)時，艏側(cè)推啟動對電網(wǎng)的影響進行仿真。設(shè)置仿真條件為：仿真時間為10 s，2 s時照明、空調(diào)等負載穩(wěn)定運行，5 s 時艏側(cè)推啟動，8 s時斷開。仿真結(jié)果如圖11～13所示。

圖11 艏側(cè)推啟動時勵磁電壓、轉(zhuǎn)速、機端電壓曲線

圖12 艏側(cè)推啟動時電網(wǎng)功率、電流變化曲線

圖13 艏側(cè)推啟動電流變化曲線

由圖11~13可以看出，隨著在2 s、5 s時負載的啟動，發(fā)電機輸出功率逐漸增大、轉(zhuǎn)速下降、電壓也有略微下降，電流急劇增大，由于勵磁系統(tǒng)和調(diào)速器的共同作用，約2 s后系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。其中，艏側(cè)推啟動時其啟動電流達到約1600 A，發(fā)電機轉(zhuǎn)速下降5.2%，電壓下降4.6%。艏側(cè)推主開關(guān)額定電流值為I=1250 A，瞬動電流值為16 kA、延時0.06 s，短延時電流值為2I、延時0.4 s，由此可知，艏側(cè)推啟動電流也沒有達到開關(guān)動作值，但由于其沖擊電流較大，在電網(wǎng)負荷較大、或者開關(guān)接觸不良等情況下，容易導致發(fā)電機主開關(guān)跳閘，影響電網(wǎng)穩(wěn)定和安全。因此需要及時檢測主開關(guān)的性能，以保證在超過限定值時能夠及時動作，切斷過電流負載，保證電網(wǎng)的穩(wěn)定。

4 結(jié)論

以某船電力系統(tǒng)為建模對象，利用SIMULINK模塊建立了發(fā)電機組仿真模型，并驗證了其合理性。同時，通過建立并聯(lián)模塊，仿真分析了兩機、三機并網(wǎng)運行工況時，大功率負載啟動對電力系統(tǒng)的影響。仿真結(jié)果表明：

1）建立的某船電力系統(tǒng)模型符合要求，單機突加突卸負荷試驗中,電壓、轉(zhuǎn)速的波動值均在規(guī)定范圍內(nèi)。

2）兩機在網(wǎng)時，三相異步電機在啟動時會對電網(wǎng)產(chǎn)生一定的沖擊，隨著拖動電機功率的增大，起動瞬間造成的沖擊就越大。尤其冷水機組啟動時，啟動電流達到1300 A，使發(fā)電機轉(zhuǎn)速下降4.8%，電壓下降3.4%。

3）三機在網(wǎng)時，艏側(cè)推啟動電流達約1600 A，導致發(fā)電機轉(zhuǎn)速下降5.2%，電壓下降4.6%，在無法對啟動方式進行優(yōu)化的情況下，這對機組性能提出了更高的要求，對運行操作需要更多地限制。

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Simulation and Analysis of High-power Load Startup of a Ship's Power System

Zuo Hongwen, Li Huabing, Xiao Hairui, Fu Zhenyu

(China Satellite Martine Tracking and Control Department, Jiangyin 214431, Jiangsu, China)

U665.12

A

1003-4862（2019）12-0010-06

2019-09-12

左紅穩(wěn)（1978-），男，工程師。研究方向：船舶動力。E-mail: songyao100@163.com