集成超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電裝置的船舶電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析

孫玉偉 吳健 劉勇 袁成清 湯旭晶

摘要：針對(duì)在船舶電站中集成超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)（supercritical CO2 Brayton cycle， S-CO2 BC）發(fā)電裝置導(dǎo)致的船舶電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性不明確問題，采用整體等效建模方法構(gòu)建以某一容量為9 400 TEU的集裝箱船為原型的中壓電力系統(tǒng)仿真模型。通過以負(fù)荷靜態(tài)特性為基礎(chǔ)的頻率約束法確定S-CO2 BC發(fā)電裝置的滲透率理論限值，研究不同滲透率等級(jí)下發(fā)生三相短路故障和負(fù)荷突變時(shí)發(fā)電機(jī)組輸出功率、相對(duì)功角、母線電壓和電網(wǎng)頻率等特征參數(shù)的變化規(guī)律，分析滲透率因素與電網(wǎng)發(fā)生電壓失穩(wěn)或功角失穩(wěn)的內(nèi)在關(guān)系。研究結(jié)果表明：S-CO2 BC發(fā)電裝置并網(wǎng)會(huì)降低船舶電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性，當(dāng)滲透率小于理論限值20.26%時(shí)，相對(duì)功角和母線電壓最大瞬時(shí)偏差范圍分別為1.37%～2.68%和1.23%～1.85%;當(dāng)滲透率越限后，電網(wǎng)將發(fā)生功角或電壓失穩(wěn)。

關(guān)鍵詞：

船舶工程; 熱能發(fā)電技術(shù); 超臨界二氧化碳; 船舶電力系統(tǒng); 滲透率; 暫態(tài)穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：? U665.12

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：? A

Analysis on transient stability of ship power system with integrated

supercritical CO2 Brayton cycle power generation device

SUN Yuweia，b，c， WU Jiana， LIU Yonga， YUAN Chengqinga，b，c， TANG Xujinga，b，c*

（a.School of Energy and Power Engineering; b.National Engineering Research Center for Water Transportation Safety;

c.Key Laboratory of Marine Power Engineering & Technology of Ministry of Transport，

Wuhan University of Technology， Wuhan 430063， China）

Abstract：

The integration of supercritical CO2 Brayton cycle （S-CO2 BC） power generation device in a ship power station leads to unclear transient stability of the ship power system. To solve the problem， the overall equivalent modeling method is used to construct a medium-voltage power system simulation model based on a container ship with a capacity of 9 400 TEU. The frequency constraint method based on the static characteristics of the load is used to determine the theoretical limit of the penetration of the S-CO2 BC power generation device， and the variation rules of characteristic parameters such as the generator output power， relative power angle， bus voltage and power grid frequency are studied when the three-phase short circuit fault and load sudden change occur under different penetration levels. The internal relationship between the penetration factor and the voltage instability or power angle instability of the power grid is analyzed. The research results show that the integration of S-CO2 BC power generation device can reduce the transient stability of the system; when the penetration is less than the theoretical limit 20.26%， the maximum instantaneous deviation ranges of relative power angle and bus voltage are 1.37% to 2.68% and 1.23% to 1.85%， respectively; when the penetration exceeds the theoretical limit， the power angle instability or voltage instability of the power grid will occur.

Key words：

ship engineering; thermal power generation technology; supercritical CO2; ship power system; penetration; transient stability

0 引 言

隨著《船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)驗(yàn)證指南（2012）》和《綠色生態(tài)船舶規(guī)范（2020）》的發(fā)布，有效降低船舶能耗、減少污染排放已經(jīng)成為航運(yùn)業(yè)亟待解決的關(guān)鍵問題[1-3]。超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)（supercritical CO2 Brayton cycle，S-CO2 BC）發(fā)電裝置是以超臨界二氧化碳為工質(zhì)的高效動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)（主要包含等熵壓縮、等壓吸熱、等熵膨脹和等壓冷卻4個(gè)過程），已在核電站、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)、空間動(dòng)力系統(tǒng)、飛機(jī)引擎系統(tǒng)中獲得應(yīng)用，且在提高船舶柴油機(jī)燃料利用效率、高溫?zé)煔庥酂崂寐室约按龠M(jìn)節(jié)能減排方面也具有很大的潛力[4-5]。

為提高發(fā)電裝置功率密度、實(shí)現(xiàn)循環(huán)結(jié)構(gòu)高度緊湊化，通常在S-CO2 BC發(fā)電裝置中應(yīng)用小直徑、高轉(zhuǎn)速的渦輪透平-發(fā)電機(jī)-壓縮機(jī)（turbo-alternator-compressor，TAC）一體化渦輪永磁同步電機(jī)組，例如美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的分流再壓縮循環(huán)系統(tǒng)中所采用的2臺(tái)120 kW高速渦輪永磁同步電機(jī)組運(yùn)行轉(zhuǎn)速區(qū)間設(shè)定為25 000～75 000 r/min[6]。在結(jié)構(gòu)緊湊的設(shè)備中實(shí)現(xiàn)高功率密度會(huì)導(dǎo)致永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速大幅度升高，其輸出電能難以直接饋入電網(wǎng)。因此，基于船舶主機(jī)煙氣余熱利用的S-CO2 BC發(fā)電裝置還需要解決輸出的416～1 250 Hz三相交流電在運(yùn)行過程中的電制匹配問題，使S-CO2 BC發(fā)電裝置呈現(xiàn)出顯著區(qū)別于傳統(tǒng)同步電源的并網(wǎng)特性。常規(guī)方法是采用基于電力電子變換技術(shù)的變頻變流器進(jìn)行電制變換后并入工頻船舶電網(wǎng)，這會(huì)導(dǎo)致

S-CO2 BC發(fā)電裝置中的旋轉(zhuǎn)設(shè)備不能為電力系統(tǒng)的功率變化提供慣量支撐作用，進(jìn)而降低電力系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量[7]。S-CO2 BC發(fā)電裝置具有典型的非旋轉(zhuǎn)、零慣量特性，該并網(wǎng)特性會(huì)導(dǎo)致S-CO2 BC發(fā)電裝置在并網(wǎng)時(shí)影響船舶電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。當(dāng)前針對(duì)船舶電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性問題的文獻(xiàn)資料具有重要的參考價(jià)值，如文獻(xiàn)[8]根據(jù)船舶綜合電力系統(tǒng)的特點(diǎn)，在VC++6.0軟件平臺(tái)上開發(fā)了描述其暫態(tài)過程的仿真軟件，并驗(yàn)證了其可行性。除電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真工具的開發(fā)外，暫態(tài)穩(wěn)定理論的研究工作也受到重視。如文獻(xiàn)[9]在建立船舶電力系統(tǒng)設(shè)備等值模型的基礎(chǔ)上建立系統(tǒng)能量函數(shù)，提出了一種可定量描述系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)定裕度的暫態(tài)分析方法。此外，部分文獻(xiàn)通過船舶電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定特征參數(shù)研究新能源發(fā)電裝置并網(wǎng)導(dǎo)致的問題。如文獻(xiàn)[10]分析了并網(wǎng)光伏容量對(duì)船舶電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的影響，設(shè)置了不同并網(wǎng)光伏容量等級(jí)，并通過電壓和頻率等特征參數(shù)體現(xiàn)并網(wǎng)電力系統(tǒng)暫態(tài)時(shí)的電能質(zhì)量。上述文獻(xiàn)從不同角度研究了船舶電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性問題，但在具體船舶電力系統(tǒng)模型下針對(duì)S-CO2 BC發(fā)電裝置并網(wǎng)過程對(duì)傳統(tǒng)船舶電網(wǎng)的影響問題少有涉及，S-CO2 BC發(fā)電裝置的工程應(yīng)用缺乏理論指導(dǎo)。

本研究通過建立集成S-CO2 BC發(fā)電裝置的船舶電力系統(tǒng)仿真模型，重點(diǎn)分析滲透率等級(jí)不同時(shí)船舶電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，為S-CO2 BC發(fā)電裝置面向?qū)嵈募夹g(shù)應(yīng)用、集成方案設(shè)計(jì)和安全性論證提供基礎(chǔ)理論支撐。

1 S-CO2 BC發(fā)電裝置特性分析及建模

1.1 動(dòng)力循環(huán)與變流饋電耦合問題分析

S-CO2 BC發(fā)電裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。循環(huán)工質(zhì)在壓縮機(jī)中經(jīng)過等熵壓縮過程后加壓至高溫高壓狀態(tài)，然后經(jīng)過回?zé)崞魑u輪機(jī)排出工質(zhì)的熱量，接著在換熱器中進(jìn)行等壓吸熱過程，吸收船舶柴油主機(jī)高溫?zé)煔庵械臒崮?，最后在渦輪機(jī)中進(jìn)行等熵膨脹過程并驅(qū)動(dòng)永磁同步發(fā)電機(jī)輸出電能。渦輪做功后排出的工質(zhì)分別經(jīng)過高溫回?zé)崞骱偷蜏鼗責(zé)崞麽尫挪糠譄崃浚缓蠓至鳛閮陕罚ㄒ宦饭べ|(zhì)進(jìn)入預(yù)冷器進(jìn)行等壓冷卻過程，再進(jìn)入主壓縮機(jī)和低溫回?zé)崞?另一路工質(zhì)直接進(jìn)入再壓縮機(jī)），最終匯合進(jìn)入高溫回?zé)崞?。TAC一體化渦輪永磁同步電機(jī)組的高功率密度和緊湊結(jié)構(gòu)特性導(dǎo)致永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速高達(dá)55 000 r/min，因此S-CO2 BC發(fā)電裝置輸出的三相交流電頻率接近1 000 Hz，需要通過整流器將高頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，再通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)楣ゎl（60 Hz/50 Hz）交流電后才能饋入船舶電網(wǎng)。

當(dāng)船舶柴油主機(jī)運(yùn)行工況發(fā)生變化時(shí)，換熱器吸收的熱量也會(huì)發(fā)生變化。為保證動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)始終處于高效運(yùn)行點(diǎn)，需通過TAC機(jī)組轉(zhuǎn)速和運(yùn)控閥進(jìn)行各節(jié)點(diǎn)的流量、溫度和壓力的動(dòng)態(tài)調(diào)控，進(jìn)而減少輸出功率波動(dòng)[11]。本研究在布雷頓熱力循環(huán)調(diào)節(jié)特性良好的前提下，聚焦于研究船舶柴油主機(jī)在穩(wěn)定工況時(shí)S-CO2 BC發(fā)電裝置的并網(wǎng)特性。該并網(wǎng)特性的影響主要體現(xiàn)在以下方面：（1）電力電子設(shè)備的投入使得具有多時(shí)間尺度控制的船舶電力系統(tǒng)變得更為復(fù)雜，從而加大了解耦分析的難度[12];（2）由功率半導(dǎo)體器件組成的電力電子設(shè)備不需要轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)，沒有阻尼繞組，因此極大地減小了電力網(wǎng)絡(luò)區(qū)域間的阻尼，導(dǎo)致在交流側(cè)系統(tǒng)故障時(shí)無法有效抑制振蕩[13];（3）S-CO2 BC發(fā)電裝置會(huì)使船舶電力系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小，加快系統(tǒng)擾動(dòng)后頻率變化的速率;（4）S-CO2 BC發(fā)電裝置輸出的電磁功

率不受功角方程制約，不能瞬時(shí)分擔(dān)系統(tǒng)狀態(tài)變化時(shí)的擾動(dòng)功率，使系統(tǒng)抵抗擾動(dòng)的能力下降。由并網(wǎng)特性引起的上述問題導(dǎo)致S-CO2 BC發(fā)電裝置在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)影響船舶電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，因此本文通過建立能夠體現(xiàn)并網(wǎng)特性的仿真模型確定其影響機(jī)理和影響程度。

1.2 S-CO2 BC發(fā)電裝置數(shù)學(xué)模型

1.2.1 永磁同步發(fā)電機(jī)模型

S-CO2 BC發(fā)電裝置采用緊湊式高速永磁同步發(fā)電機(jī)作為發(fā)電設(shè)備。與采用中速柴油機(jī)拖動(dòng)的同步發(fā)電機(jī)相比，高速永磁同步發(fā)電機(jī)具有功率密度大、空間體積小、過載能力高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。圖2所示為

dq坐標(biāo)系下的永磁同步發(fā)電機(jī)等效電路，其中：ud和uq為電壓;id和iq為電流;Rs為定子電阻;

ωs為角速度;Ld和Lq為定子電感;Ψf為永磁體磁鏈。

通過分析等效電路可以推導(dǎo)出永磁同步發(fā)電機(jī)的電壓方程：

1.2.2 整流器模型

整流器采用三相電壓型脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation，PWM）全控整流電路，abc坐標(biāo)系下的理想開關(guān)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖3。圖3中：ua、ub和uc為交流側(cè)三相電壓;ia、ib和ic為交流側(cè)三相電流;Sa、Sb和Sc為理想開關(guān)器件的開關(guān)函數(shù)（當(dāng)

開關(guān)函數(shù)值為0時(shí)，上橋臂開關(guān)斷開;當(dāng)開關(guān)函數(shù)值為1時(shí)，上橋臂開關(guān)閉合）;

idc為直流側(cè)電流;C為濾波電容;udc為直流側(cè)電壓。通過調(diào)控整流器交流側(cè)的電壓幅值和相位，可使電流波形接近正弦，在直流側(cè)可抑制電壓波動(dòng)并保證中間電壓的平衡。

3.1 三相短路故障

設(shè)置擾動(dòng)故障：0.50 s時(shí)母線FP發(fā)生三相短路故障，0.65 s時(shí)故障清除，故障持續(xù)時(shí)間150 ms。運(yùn)行仿真算例，仿真結(jié)果見圖7和8，特征參數(shù)變化過程的第一擺極值、最大瞬時(shí)偏差和曲線收斂時(shí)長(zhǎng)見表3，其中最大瞬時(shí)偏差取自第一擺振蕩后。

在不加入S-CO2 BC發(fā)電裝置的情況下，即當(dāng)滲透率為0時(shí)，系統(tǒng)中因發(fā)生三相短路故障而激增的感性電流會(huì)影響柴油發(fā)電機(jī)定子電樞的磁通，電樞反應(yīng)起到去磁作用，使柴油發(fā)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)不飽和，進(jìn)而使得與發(fā)電機(jī)相連的母線MSB1電壓降低，同時(shí)導(dǎo)致系統(tǒng)有功功率增大至4.52 MW，無功功率增大至2.89 MV·A。在故障清除后，勵(lì)磁系統(tǒng)快速響應(yīng)系統(tǒng)電壓的變化，勵(lì)磁電流增大，系統(tǒng)電壓經(jīng)過阻

尼振蕩過程恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。三相短路故障還會(huì)破

壞并聯(lián)發(fā)電機(jī)組之間的同步狀態(tài)，使相對(duì)功角產(chǎn)生

波動(dòng)，但在3.21 s時(shí)就能恢復(fù)至初始值，保證并聯(lián)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，短路導(dǎo)致柴油發(fā)電機(jī)的負(fù)荷突然增大，轉(zhuǎn)子電磁阻力相應(yīng)增大，進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)速下降，因此與發(fā)電機(jī)相連的母線MSB1頻率有小幅度降低。在故障清除后，調(diào)速系統(tǒng)響應(yīng)轉(zhuǎn)速的變化而動(dòng)作，減少發(fā)電機(jī)的輸出功率，使轉(zhuǎn)速和頻率恢復(fù)至初始狀態(tài)。從滲透率為0的曲線變化和特征參數(shù)可知，船舶電網(wǎng)在發(fā)生三相短路故障時(shí)具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，系統(tǒng)能夠保持暫態(tài)穩(wěn)定。

當(dāng)滲透率為10%時(shí)，系統(tǒng)各特征參數(shù)的變化規(guī)律與未加入S-CO2 BC發(fā)電裝置時(shí)的相似。然而，從表3、圖7和圖8中可以看出，除了頻率外，特征參數(shù)的最大瞬時(shí)偏差和曲線收斂時(shí)長(zhǎng)均增加，曲線振蕩次數(shù)和程度也增加。從頻率變化可知，基于電力電子設(shè)備并網(wǎng)的S-CO2 BC發(fā)電裝置會(huì)承擔(dān)發(fā)電機(jī)的一部分負(fù)荷，提高發(fā)電機(jī)的調(diào)速性能，但同時(shí)該部分功率對(duì)系統(tǒng)無慣量支撐作用，相當(dāng)于等效折減了系統(tǒng)的總體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，使系統(tǒng)抵抗擾動(dòng)的能力變?nèi)酢．?dāng)系統(tǒng)的總體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小到一定程度時(shí)，系統(tǒng)暫態(tài)

穩(wěn)定性將會(huì)變差。當(dāng)滲透率為20%時(shí)，特征參數(shù)均出現(xiàn)大幅度振蕩過程，電能質(zhì)量急劇惡化，尤其是

發(fā)電機(jī)的有功功率的最大瞬時(shí)偏差達(dá)到了80.95%，最終維持在4.02 MW，使發(fā)電機(jī)處于過載狀態(tài)。無功功率也出現(xiàn)了大幅度的降低，最大瞬時(shí)偏差可達(dá)88.43%。相對(duì)功角不能恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)，并聯(lián)機(jī)組間失去同步。電壓最大瞬時(shí)偏差為15.04%，遠(yuǎn)超過滲透率為10%時(shí)的4.05%，船舶電力系統(tǒng)同時(shí)發(fā)生功角和電壓失穩(wěn)。當(dāng)滲透率進(jìn)一步增大至30%時(shí)，失穩(wěn)現(xiàn)象更為明顯，該現(xiàn)象驗(yàn)證了頻率約束法在計(jì)算S-CO2 BC發(fā)電裝置滲透率理論限值時(shí)的適用性。此外，由各特征參數(shù)第一擺極值可知，S-CO2 BC發(fā)電裝置在系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障瞬間系統(tǒng)未受到影響，但隨著滲透率的增大，發(fā)電機(jī)組之間的相對(duì)功角值會(huì)增大，系統(tǒng)功角失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)增加。

3.2 負(fù)荷突變工況

設(shè)置擾動(dòng)故障：0.50 s時(shí)在母線MSB2處突加20%負(fù)荷，0.65 s時(shí)卸除20%負(fù)荷，負(fù)荷突變擾動(dòng)持續(xù)時(shí)間150 ms。運(yùn)行仿真算例，仿真結(jié)果見圖9和10，特征參數(shù)變化過程的第一擺極值、最大瞬時(shí)偏差和曲線收斂時(shí)長(zhǎng)見表4。

在不加入S-CO2 BC發(fā)電裝置的情況下，在0.5 s時(shí)突加20%負(fù)荷后，平衡節(jié)點(diǎn)發(fā)電機(jī)的有功功率和無功功率輸出增加，并處于程度較低的過載狀態(tài)。由于柴油發(fā)電機(jī)組具有一定的承受過載的能力，并且負(fù)荷突變擾動(dòng)及時(shí)清除，有功功率和無功功率在3 s內(nèi)就能恢復(fù)至初始穩(wěn)定狀態(tài)。由于負(fù)荷變化破壞了系統(tǒng)的初始穩(wěn)定狀態(tài)，各機(jī)組需要根據(jù)負(fù)荷系數(shù)均勻分配多出的負(fù)荷，因此各機(jī)組的同步狀態(tài)也

發(fā)生了變化，相對(duì)功角的最大瞬時(shí)偏差為2.15%。同時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出功率增大導(dǎo)致電樞電流增大，系統(tǒng)電壓相應(yīng)降低，母線MSB1電壓振蕩的第一擺極值為96.89%，降低幅度為3.11%。柴油發(fā)電機(jī)的電磁功率對(duì)系統(tǒng)負(fù)荷變化更為敏感，隨著負(fù)荷的增加而快速提高，但原動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械功率受機(jī)械慣性作用響應(yīng)較慢，因此發(fā)電機(jī)組負(fù)荷的增大會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降低，進(jìn)而使得系統(tǒng)頻率降低了0.28%。在0.65 s時(shí)卸除20%負(fù)荷后，電壓、無功功率在勵(lì)磁系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下經(jīng)過阻尼振蕩過程恢復(fù)至初始穩(wěn)定狀態(tài)，轉(zhuǎn)速和有功功率在調(diào)速系統(tǒng)的作用下逐漸恢復(fù)至初始穩(wěn)定狀態(tài)。從滲透率為0的曲線變化和特征參數(shù)可知，船舶電網(wǎng)在負(fù)荷突變擾動(dòng)時(shí)也具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，系統(tǒng)能夠保持暫態(tài)穩(wěn)定。

由圖9、圖10和表4可知：當(dāng)滲透率分別為10%和20%時(shí)，系統(tǒng)各特征參數(shù)的變化規(guī)律與未加入S-CO2 BC發(fā)電裝置時(shí)的相似;隨著滲透率從0增大到20%，特征參數(shù)的最大瞬時(shí)偏差增大，收斂時(shí)長(zhǎng)相應(yīng)地增加。由于S-CO2 BC發(fā)電裝置承擔(dān)了一部分負(fù)荷，增大了發(fā)電機(jī)的備用容量，從而提高了系統(tǒng)的調(diào)速性能，因此隨著滲透率的增加頻率能夠更快地恢復(fù)穩(wěn)定。然而，與三相短路故障工況相比，在S-CO2 BC發(fā)電裝置滲透率為20%時(shí)，負(fù)荷突變擾動(dòng)不會(huì)使系統(tǒng)發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，系統(tǒng)能保持較好的暫態(tài)穩(wěn)定性。當(dāng)滲透率為30%時(shí)，特征參數(shù)相對(duì)于其他滲透率等級(jí)發(fā)生了顯著的變化，柴油發(fā)電機(jī)過載，并聯(lián)發(fā)電機(jī)組之間失去同步，電壓和頻率的振蕩過程劇烈，并且不能在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)定。

對(duì)比表3和表4數(shù)據(jù)可知，與三相短路故障相比，負(fù)荷突變擾動(dòng)對(duì)船舶電力系統(tǒng)電網(wǎng)特征參數(shù)的影響較小，因此S-CO2 BC發(fā)電裝置在負(fù)荷突變擾動(dòng)下能保持系統(tǒng)穩(wěn)定的滲透率仍然在滲透率理論限值之內(nèi)。由各特征參數(shù)第一擺極值可知，S-CO2 BC發(fā)電裝置在系統(tǒng)發(fā)生負(fù)荷突變擾動(dòng)瞬間不對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，但隨著滲透率的增大，同樣會(huì)增大發(fā)電機(jī)組之間的相對(duì)功角值，增加系統(tǒng)功角失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié) 論

將采用高速永磁同步發(fā)電機(jī)，并經(jīng)過電力電子設(shè)備變流的S-CO2 BC發(fā)電裝置并入工頻船舶電力系統(tǒng)，會(huì)導(dǎo)致以傳統(tǒng)柴油同步發(fā)電機(jī)組為主電源的船舶電力系統(tǒng)暫態(tài)耦合響應(yīng)更為復(fù)雜，因此，對(duì)其暫態(tài)穩(wěn)定性問題的研究具有工程應(yīng)用

價(jià)值。研究結(jié)論如下：（1）S-CO2 BC發(fā)電裝置并入船舶電網(wǎng)會(huì)降低船舶電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。在發(fā)生三相短路故障時(shí)，滲透率為10%比滲透率為0情況下的有功功率

最大瞬時(shí)偏差

提高7.54%，無功功率最大瞬時(shí)偏差提高23.60%，相對(duì)功角最大瞬時(shí)偏差提高1.37%，電壓最大瞬時(shí)偏差提高1.85%;在突變負(fù)荷工況時(shí)，滲透率為10%比滲透率為0情況下的有功功率最大瞬時(shí)偏差提高1.38%，無功功率最大瞬時(shí)偏差提高11.42%，相對(duì)功角最大瞬時(shí)偏差提高2.68%，

電壓最大瞬時(shí)偏差提高1.23%。

（2）隨著S-CO2 BC發(fā)電裝置滲透率的增大，系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性受影響的程度逐漸增大并發(fā)生暫態(tài)功角或電壓失穩(wěn)。盡管S-CO2 BC發(fā)電

裝置

并網(wǎng)不影響系統(tǒng)受擾后特征參數(shù)的第一擺極值變化，但是隨著滲透率的增大，相對(duì)功角值的增大會(huì)提高系統(tǒng)功角失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。在發(fā)生三相短路故障時(shí)：當(dāng)滲透率達(dá)到20%時(shí)發(fā)生功角失穩(wěn)，滲透率為20%比滲透率為10%情況下的電壓

最大瞬時(shí)偏差

提高10.99%;在滲透率增加到30%時(shí)系統(tǒng)同時(shí)發(fā)生電壓和功角失穩(wěn)現(xiàn)象。在突變負(fù)荷工況時(shí)：滲透率為20%比滲透率為10%情況下的最大相對(duì)功角偏差提高2.68%，電壓最大瞬時(shí)偏差提高1.23%;在滲透率增加到30%時(shí)系統(tǒng)同時(shí)發(fā)生功角和電壓失穩(wěn)。

（3）三相短路故障比負(fù)荷突變工況更容易導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)，對(duì)S-CO2 BC發(fā)電裝置滲透率的敏感性較強(qiáng)。在發(fā)生三相短路故障時(shí)，滲透率從10%增加到20%會(huì)導(dǎo)致電壓最大瞬時(shí)偏差出現(xiàn)大幅度變化，為10.99%。而在突變負(fù)荷工況時(shí)，滲透率從20%增加到30%才會(huì)導(dǎo)致電壓最大瞬時(shí)偏差出現(xiàn)大幅度變化，為17.1%。在發(fā)生三相短路故障時(shí)滲透率達(dá)到20%就會(huì)出現(xiàn)功角失穩(wěn)，而在突變負(fù)荷工況時(shí)滲透率達(dá)到30%才出現(xiàn)此現(xiàn)象。

（4）針對(duì)滲透率理論限值為20.26%的船舶電力系統(tǒng)，三相短路故障和突變負(fù)荷工況的仿真結(jié)果可驗(yàn)證基于負(fù)荷靜態(tài)特性的頻率約束法對(duì)S-CO2 BC發(fā)電裝置的適用性。

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（編輯 賈裙平）

收稿日期： 2021-02-26

修回日期： 2021-05-12

基金項(xiàng)目： 工業(yè)和信息化部高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目（[2017]614）

作者簡(jiǎn)介：

孫玉偉（1985—），男，湖北十堰人，副教授，博士，研究方向?yàn)榇靶履茉磻?yīng)用、船舶電力系統(tǒng)及自動(dòng)化控制，

（E-mail）ywsun@whut.edu.cn

通信聯(lián)系人。（E-mail）txj73@whut.edu.cn