基于大負(fù)載的中壓供電船舶綜合電力系統(tǒng)仿真研究

胡紅錢，葉 軍，薛明瑞

應(yīng)用研究

基于大負(fù)載的中壓供電船舶綜合電力系統(tǒng)仿真研究

胡紅錢，葉 軍，薛明瑞

（浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江紹興 312000）

配置大功率負(fù)載是航母等現(xiàn)代大型艦船的需要。大功率負(fù)載設(shè)備受工況和海況的多重影響，頻繁的工作極易產(chǎn)生大幅功率波動(dòng)，對(duì)包括電壓、電流、頻率等電網(wǎng)安全穩(wěn)定造成影響和沖擊?；诰C合電力系統(tǒng)構(gòu)建“船舶電站-逆變器-推進(jìn)電機(jī)-螺旋槳”的完整電能鏈，根據(jù)大功率負(fù)載的工作情況，對(duì)大功率負(fù)載投入時(shí)電網(wǎng)的電壓、電流、轉(zhuǎn)速和扭矩等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行理論分析、計(jì)算和仿真，獲得完備數(shù)據(jù)以保障中壓供電大負(fù)荷船舶綜合電力系統(tǒng)的有效運(yùn)行。

綜合電力系統(tǒng) 大功率負(fù)載 中壓供電 負(fù)載特性

0 引言

船舶動(dòng)力與電力合二為一造就了“綜合電力系統(tǒng)（Integrated Power System，IPS）”及“電力推進(jìn)系統(tǒng)”的概念，實(shí)現(xiàn)了全船設(shè)備的集中控制和能源的高效利用，具有配置靈活、調(diào)度統(tǒng)一、穩(wěn)定安全、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，是船舶綜合電力系統(tǒng)的主要發(fā)展方向[1]。隨著現(xiàn)代大型化船舶、大功率推進(jìn)和多樣化設(shè)備需要，功率要求越來越高，電站容量越來越大，中高壓供電逐步取代低壓供電進(jìn)入船舶柴油發(fā)電機(jī)組和供配電設(shè)備領(lǐng)域，而且前景良好[2]。根據(jù)IEEE C37.100規(guī)定：中壓交流電力機(jī)構(gòu)是指額定電壓大于1000 V、小于10000 V的電力系統(tǒng)，對(duì)于額定頻率為60 Hz的電力裝置，中壓的額定值有2.3/4.16/6.6 kV等級(jí)，而額定頻率為50 Hz的電力裝置，中壓的額定值有3.3/6.0/10 kV等級(jí)[3]。與低壓供電相比，現(xiàn)代船舶配置的大功率負(fù)載功率可達(dá)兆瓦級(jí)，其工作時(shí)可能導(dǎo)致電壓、電流、頻率的頻繁波動(dòng)，并受海工況影響而多重疊加，對(duì)發(fā)電機(jī)組、用電設(shè)備和電網(wǎng)等造成不利影響，因此，需要在設(shè)計(jì)階段對(duì)基于大功率負(fù)載的電力系統(tǒng)供電進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，以滿足現(xiàn)在艦船的需要[4]。

1 中壓供電推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

以“泰安口”號(hào)半潛式電力推進(jìn)船的電力系統(tǒng)為例，圖1為其單線原理圖[5]。該系統(tǒng)以兩組額定功率為5200 kVA的主柴油發(fā)電機(jī)、一組5200 kVA備用/貨用柴油發(fā)電機(jī)組為構(gòu)成發(fā)電單元，均采用6.6 kV的中壓供電；以兩臺(tái)800 kW側(cè)推器和一對(duì)4.7 MW的永磁同步電機(jī)帶螺旋漿為主推進(jìn)器；將錨機(jī)、起重機(jī)和牽引等統(tǒng)一為短時(shí)負(fù)載，將冷藏、通風(fēng)和220 V低壓系統(tǒng)等負(fù)載統(tǒng)一為全時(shí)段耗能的基本負(fù)荷；系統(tǒng)以主輔配電屏作為電能管理和分配裝置。

圖1 中壓供電船舶電力系統(tǒng)單線圖

大量文獻(xiàn)對(duì)小功率船舶推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，而大功率推進(jìn)系統(tǒng)是一個(gè)典型的復(fù)雜剛性系統(tǒng)[6]，其過渡時(shí)間常數(shù)跨度非常大，仿真求解數(shù)值法需要足夠長(zhǎng)的時(shí)間以保證求解的穩(wěn)定性，不利于建模分析；此外，螺旋槳與船體的大慣性也加長(zhǎng)了仿真時(shí)間，所以導(dǎo)致對(duì)其的仿真研究較少。例如美國(guó)普渡大學(xué)用戴爾M1530電腦對(duì)基于Simulink的綜合電力系統(tǒng)進(jìn)行10 s的仿真大約花費(fèi)了25分鐘[7]。為了研究船舶大功率電力推進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，本文建立了基于中壓供電和長(zhǎng)過渡常數(shù)的大功率永磁同步電機(jī)電力推進(jìn)數(shù)字仿真系統(tǒng)，并加載大時(shí)間慣性的螺旋槳進(jìn)行工況仿真。

2 中壓供電大功率推進(jìn)電力系統(tǒng)仿真模型

2.1 柴油發(fā)電機(jī)組

柴油發(fā)電機(jī)組是常見的電站能量來源。柴油發(fā)電機(jī)組包括原動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)，其控制系統(tǒng)通常包含兩部分：轉(zhuǎn)速控制與勵(lì)磁控制，如圖2。船舶電力系統(tǒng)中電網(wǎng)的頻率是通過發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，而發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢由原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定。柴油機(jī)通過調(diào)速器控制柴油機(jī)的供油量來改變發(fā)動(dòng)機(jī)的氣功活塞運(yùn)動(dòng)快慢達(dá)到調(diào)速目的。船舶電力系統(tǒng)中電網(wǎng)的電壓指的是同步發(fā)電機(jī)的端電壓，它通過檢測(cè)電網(wǎng)電壓與電流構(gòu)成閉環(huán)由勵(lì)磁（調(diào)壓）系統(tǒng)控制。

圖2 發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速與勵(lì)磁控制框圖

2.2 永磁同步電機(jī)

永磁同步電機(jī)是大型電力推進(jìn)船舶的主流推進(jìn)方式，具有更高的功率密度和功率因素、更大的轉(zhuǎn)矩密度和更小的電磁轉(zhuǎn)矩波紋系數(shù)及低噪聲、高效率、小體積、好維護(hù)等特點(diǎn)[8]，成為未來船舶推進(jìn)電機(jī)的重要選擇。假設(shè)永磁同步電機(jī)可以忽略一些僅有微小影響的參數(shù)：具電導(dǎo)率為零，有正弦波反電勢(shì)，漏磁通的、磁路飽和、渦流損耗及磁滯損耗可以忽略和定子各相繞組參數(shù)一致情況下，利用轉(zhuǎn)子兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系在d-q軸下得到其數(shù)學(xué)模型[9]：

2.3 船槳?jiǎng)恿δＰ?/h3>

船舶通過推進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳產(chǎn)生向前推力，克服船舶的航行阻力使船舶航行。小功率推進(jìn)系統(tǒng)仿真甚至可通過直接給推進(jìn)電機(jī)設(shè)定一個(gè)小數(shù)值的恒定量作為螺旋槳負(fù)載轉(zhuǎn)矩進(jìn)行模擬，而實(shí)際上大功率螺旋槳自身所處海況和運(yùn)行工況多變，是一個(gè)具有大時(shí)間慣性的螺旋槳轉(zhuǎn)矩，是一個(gè)船-槳復(fù)雜大慣性系統(tǒng)模型，其建模對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的仿真具有重大的影響。參照文獻(xiàn)[10-11]，建立如下船槳模型：

進(jìn)速比：

推力：

扭矩：

推力減額系數(shù)：

螺旋槳有效推力：

船槳運(yùn)動(dòng)方程：

船體總阻力：

2.4 永磁同步電機(jī)的逆變控制策略

圖3 船槳模型

圖4 永磁同步電機(jī)矢量控制結(jié)構(gòu)圖

3 大功率負(fù)載設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的影響

以某豪華游輪為例，建立其綜合電力系統(tǒng)模型。游輪質(zhì)量16299 t，附水質(zhì)量1303 t，螺旋槳直徑D=1.5 m；發(fā)電機(jī)組采用6.6 kV中壓交流供電，總裝機(jī)容量5.125 MW；推進(jìn)系統(tǒng)為直軸型，電機(jī)為永磁同步電機(jī)，功率達(dá)2×1 MW。仿真時(shí)間為1 s，永磁同步電機(jī)從0s開始啟動(dòng)轉(zhuǎn)速為200 r/min，0.3 s時(shí)加速為460 r/min，圖5～圖9分別是發(fā)電機(jī)組中壓供電電壓、永磁同步電機(jī)三相電流、永磁同步推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速、螺旋槳負(fù)載輸入扭矩。

圖5 發(fā)電機(jī)組中壓供電相間電壓Vbc

圖6 永磁同步電機(jī)ABC相電流

圖8 螺旋槳負(fù)載轉(zhuǎn)矩

從圖中可以看出，發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定建壓，電壓有效值6.6 kV，峰值9.3 kV，如圖5。機(jī)組電壓經(jīng)整流器輸出穩(wěn)定直流電壓供推進(jìn)變頻器驅(qū)動(dòng)推進(jìn)電機(jī)，推進(jìn)電機(jī)輸出穩(wěn)定工作電流，如圖6。穩(wěn)定的電流保障大負(fù)載螺旋槳負(fù)載扭矩輸入穩(wěn)定，且轉(zhuǎn)速跟隨設(shè)定。同時(shí)可以看到，負(fù)載電流、轉(zhuǎn)矩同步并隨著轉(zhuǎn)速的增加而快速增加，如圖7、圖8。根據(jù)=9550×可知，左右舷推進(jìn)實(shí)際負(fù)載功率達(dá)2×1.13 MW，可與電站容量相匹配，屬大負(fù)載。

4 結(jié)語

本文從“船舶電站-逆變器-永磁推進(jìn)電機(jī)-螺旋槳”的主電力供應(yīng)鏈角度構(gòu)建完整中壓交流船舶綜合電力系統(tǒng)，結(jié)合船槳特性進(jìn)行大功率負(fù)載運(yùn)行分析，驗(yàn)證系統(tǒng)的暫穩(wěn)態(tài)特性，為大功率電力系統(tǒng)的裝置選型、系統(tǒng)建模和逆變控制等提供參考依據(jù)和借鑒價(jià)值，并為系統(tǒng)設(shè)計(jì)與故障等特性分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

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Simulation research on medium voltage power supply ship integrated power system based on large load

Hu Hongqian, Ye Jun, Xue Mingrui

(Zhejiang Industry Polytechnic College, Zhejiang 312000)

TM561

A

1003-4862（2022）12-0030-04

2022-09-04

浙江省教育廳一般科研項(xiàng)目（Y202146575）

胡紅錢（1983-），男，博士，副教授。主要研究方向船舶電力系統(tǒng)及其故障診斷。E-mail：hu_hongqian@126.com