周瑞平，李 鍵

典型工況下船舶電力系統(tǒng)MATLAB/Simulink仿真

周瑞平，李 鍵

（上海海洋工程裝備制造業(yè)創(chuàng)新中心有限公司，上海 201306）

為提高船舶電力系統(tǒng)的用電穩(wěn)定性，保證船舶在空載、加載、短路等諸多工況下功率分配的合理性，采用模塊化的思想，對船舶原動機及調(diào)速系統(tǒng)、勵磁調(diào)壓系統(tǒng)、同步發(fā)電機及發(fā)電機并車模型進行詳細建模。模擬仿真單臺發(fā)電機和多臺發(fā)電機并車運行下空載運行、突加負載運行、突加異步電機等幾種典型工況，觀察同步發(fā)電機轉(zhuǎn)速及端電壓變化，電網(wǎng)電壓變化，異步電動機電流及電壓變化情況，避免在實船上進行典型工況故障分析和實船實驗測試產(chǎn)生的高昂成本，仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)對船舶電力系統(tǒng)的設計與研究具有積極意義。

船舶電力系統(tǒng) Matlab/Simulink 勵磁調(diào)壓

0 引言

船舶電力系統(tǒng)由發(fā)電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、電網(wǎng)及負載組成，實際船舶電力系統(tǒng)測試過程中，因其實船測試會產(chǎn)生高昂的測試費用以及現(xiàn)場試驗安全可靠性難以評估，因此有必要對船舶整個電力系統(tǒng)模擬仿真，模擬船舶電力系統(tǒng)中突加負載、突加異步電機、同步發(fā)電機并車發(fā)電機組電壓、電流變化情況等幾種典型工況，建立勵磁調(diào)壓系統(tǒng)模型、原動機及調(diào)速系統(tǒng)模型、并車仿真模型，同步發(fā)電機模型、異步電動機模型，最終將各部分模型按照實船電力系統(tǒng)搭建起整體仿真模型，完成對船舶電力系統(tǒng)的研究。

1 船舶電力系統(tǒng)仿真模型建立

1.1 原動機及調(diào)速系統(tǒng)模型

1.2 勵磁系統(tǒng)模型

1）相復勵磁裝置數(shù)學模型

式中：U勵磁調(diào)壓系統(tǒng)輸出電壓，U直軸電樞電壓，U為交軸電樞電壓，為電抗。

2）電壓差數(shù)學模型

式中：U為調(diào)壓器參考電壓，U電壓初始值，K比例增益系數(shù)，U相復勵電壓，U接地零電壓，U反饋輸出電壓。

3）補償器數(shù)學模型

式中：U補償器電壓，T，T分別為超前、滯后時間常數(shù)。

4）放大器數(shù)學模型

使學生受另一個角度看問題的視角的影響，并使學生加深對本族文化和他族文化的理解。Coyle（2007）指出“文化是CLILL的核心內(nèi)容”，學生需要對居住在其他地區(qū)或國家的人有所了解。因此教師有必要通過CLIL課程，培養(yǎng)學生跨文化交際的能力，使之對其他文化持積極包容的態(tài)度。

5）比例飽和環(huán)節(jié)的數(shù)學模型

式中：E電壓調(diào)節(jié)器電壓，E比例飽和環(huán)節(jié)電壓。

6）交流勵磁機的數(shù)學模型

7）反饋環(huán)節(jié)的數(shù)學模型

完整的勵磁相復無刷系統(tǒng)包括七個環(huán)節(jié)，根據(jù)公式（1）～（7）在Simulink中搭建勵磁調(diào)壓系統(tǒng)數(shù)學模型。

1.3 并車控制模型

船舶電力系統(tǒng)并網(wǎng)時，為減少沖擊電流對電網(wǎng)的影響，保證發(fā)電機組的正常運行，采用準同步并車方式，此方式必須保證與待并電網(wǎng)相序一致，待并發(fā)電機與運行發(fā)電機頻率、相角、相位均相同，同步并車模塊仿真模型包括壓差檢測模塊、頻差檢測模塊、壓差檢測模塊。

1） 壓差檢測和控制模塊

通過比較在網(wǎng)發(fā)電機電壓與待并發(fā)電機電壓的差值，判斷其絕對值是否小于設定值，當誤差范圍小于40 V時，輸出脈沖信號1，反之不產(chǎn)生并車信號。

2） 頻差檢測和控制模塊

該模塊首先將正弦波轉(zhuǎn)換為方波信號，通過求解方波的周期，進而得到方波的頻率，最終將在網(wǎng)發(fā)電機的頻率和待并發(fā)電機的頻率做差值，對差值取絕對值。當誤差小于0.5 Hz時，產(chǎn)生并車信號；誤差大于0.5 Hz時，并車信號為0。

3） 相差檢測和控制模塊

相差檢測和控制模塊，通過時間設置進行發(fā)電機并車時間設定。

最后將壓差、相差、頻差三部分檢測和控制模塊封裝成同步發(fā)電機并車模型，當三部分通過邏輯判斷發(fā)出信號1時，斷路器接收到觸發(fā)脈沖信號，完成同步發(fā)電機并車操作。

2 電力系統(tǒng)典型運行工況仿真

2.1 單機突加靜態(tài)負載仿真

對柴油發(fā)電機突加靜態(tài)負載進行仿真驗證。開始時單臺發(fā)電機組空載運行，隨后分三次依次加1/3額定功率的靜態(tài)負載，直到滿負荷穩(wěn)定運行，完成仿真。觀察柴油發(fā)電機組各個參數(shù)變化以及電網(wǎng)電壓、電流的變化情況，并與實船的柴油發(fā)電機組臺架試驗的結(jié)果進行比較。建立單機運行工況下投切靜態(tài)負載仿真模型。

0 s時主開關(guān)Switchl閉合，發(fā)電機空載穩(wěn)定運行；2 s時斷路器Break1閉合，L1接入電路；8 s時斷路器Break2閉合，L2接入電路；14 s時Break3閉合，L3接入電路，仿真時間設置為20 s。經(jīng)過仿真，發(fā)電機組各個參數(shù)變化曲線如圖2所示。

圖2 電站突加靜態(tài)負載時柴油機發(fā)電組參數(shù)

如圖3所示，加負載時，A相電流及電壓變化；第2 s時突加1/3負載，電網(wǎng)電流增加；第8 s時突加1/3負載，電網(wǎng)電流繼續(xù)增加；第14 s時突加1/3負載電網(wǎng)電流繼續(xù)增加，最終電網(wǎng)電流趨于穩(wěn)定。

圖3 電站突加靜態(tài)負載時電網(wǎng)、電流參數(shù)變化情況

2.2 單機突加異步電動機仿真

異步電機的投切嚴重影響船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，研究異步電機投入電網(wǎng)和切除電網(wǎng)時，發(fā)電機端電壓、轉(zhuǎn)速、勵磁電壓等的狀態(tài)，并進一步通過仿真結(jié)果確定異步電機的物理特性。

投入異步電機之前，發(fā)電機帶負載運行，6 s時閉合開關(guān)。加入異步電機負載后，轉(zhuǎn)速下降，下降到0.998 pu。為使電網(wǎng)電壓穩(wěn)定，勵磁電壓增大后恢復穩(wěn)定，發(fā)電機端電壓和軸功率增大，10 s時卸掉異步電機負載時，電機狀態(tài)與加入異步電機時狀態(tài)相反。

圖4 投切異步電動機發(fā)電機組參數(shù)

3 單機短路故障仿真

船舶電網(wǎng)中，發(fā)生三相短路故障時對電網(wǎng)的破壞尤為嚴重，圖5所示，10 s時發(fā)生三相短路故障，發(fā)電機軸功率激增，由0.32 pu激增到1 pu，并在故障產(chǎn)生過程中震蕩。此時，勵磁調(diào)壓系統(tǒng)急劇增大，發(fā)電機端電壓極速下降，由1 pu下降到0.1 pu，電機轉(zhuǎn)速由1 pu下降到0.5 pu左右。

圖5 電網(wǎng)三相故障時發(fā)電機參數(shù)

4 發(fā)電機組并車模型仿真

實際船舶電力系統(tǒng)中，存在多機運行的情況，多臺發(fā)電機運作時，涉及到同步發(fā)電機組的并車和解列問題。在進行實際同步發(fā)電機組并車運行時，模擬仿真觀察電網(wǎng)并車過程中電網(wǎng)電壓、電流，同步發(fā)電機的各項參數(shù)是必要的，建立同步發(fā)電機仿真模型。

圖6 發(fā)電機組電壓和電流波形

同步發(fā)電機組并車運行時，兩臺發(fā)電機端電壓不同時，進行仿真。如圖6所示，兩臺發(fā)電機輸出電壓相差幾乎為零，此時并車操作較為安全，電網(wǎng)沖擊電流不大。發(fā)電機并網(wǎng)運行時，初始電流波動較為明顯，在第8秒時，電網(wǎng)沖擊電流很小，實現(xiàn)兩臺發(fā)電機組的并車運行。

[1] 鄭恒持, 王孫清, 招聰, 張煒. 基于Matlab/Simulink船舶電力系統(tǒng)建模與仿真[J]. 船電技術(shù), 2019, 39(7): 20-24.

[2] 侯林其, 船舶電力系統(tǒng)建模與仿真研究[D]. 大連：大連海事大學, 2016.

[3] 朱志宇, 劉維亭. 船舶電力系統(tǒng)的數(shù)學建模和魯棒控制器設計[J]. 電機與控制學報, 2007, 11(3): 290-297.

[4] 劉其輝, 賀益康, 張建華. 交流勵磁變速恒頻風力發(fā)電機的運行控制及建模仿真[J]. 中國電機工程學報, 2006, 26(5): 43-50.

[5] 薛士龍. 船舶電力系統(tǒng)及其自動控制[J]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2012.

[6] 申喜, 唐穎, 魏文軒等. 基于Siraulink的船舶電力系統(tǒng)的仿真[J]. 艦船電子工程, 2013, 33(9): 91-9

MATLAB/Simulink Simulation of Ship Power System under Typical Working Conditions

Zhou Ruiping, Li Jian

（Shanghai Offshore Engineering Equipment Manufacturing Innovation Center Co., Ltd, Shanghai 201306, China）

U665

A

1003-4862（2021）11-0041-04

2021-03-04

周瑞平(1994-)，男，碩士。研究方向：輪機自動化。E-mail: zhouruiping@codia.org.cn