劉秀峰 楊 鋒 王 林 賀慧英

(1. 海軍駐701所軍事代表室，武漢 430064; 2. 海軍工程大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院， 武漢430033)

1 引言

隨著船舶電氣化、智能化的迅速發(fā)展，船上電氣設(shè)備的種類和數(shù)量顯著增加，這些設(shè)備對(duì)電力系統(tǒng)供電品質(zhì)的要求也愈來(lái)愈高。而船舶電力系統(tǒng)是一個(gè)典型的獨(dú)立供電系統(tǒng)，相對(duì)于陸地大電網(wǎng)來(lái)說，其供電容量有限，當(dāng)電力系統(tǒng)所帶的大功率沖擊負(fù)載（如各種泵的驅(qū)動(dòng)電機(jī)）起動(dòng)運(yùn)行時(shí)，將會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生較大的沖擊，影響電力系統(tǒng)本身的運(yùn)行穩(wěn)定性以及電網(wǎng)上其它電氣設(shè)備的安全可靠運(yùn)行[1，2]。因此，在進(jìn)行船舶電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先要分析在這些沖擊負(fù)載的影響下，電力系統(tǒng)的供電品質(zhì)能否滿足船舶電力系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的要求，如果不滿足，則需要考慮增加發(fā)電機(jī)組容量或者想辦法降低沖擊大小。

考慮到船舶電力系統(tǒng)是一個(gè)涉及到多種形式機(jī)電能量的高階、非線性、多變量、強(qiáng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)[3，4]，很難利用理論分析得到準(zhǔn)確的解析結(jié)果，因此考慮采用專業(yè)的電力系統(tǒng)仿真軟件PSCAD[5，6]，通過建立船舶復(fù)雜電力系統(tǒng)的仿真平臺(tái)來(lái)研究大功率異步電機(jī)起動(dòng)對(duì)某船電力系統(tǒng)的影響特性。

2 船舶電力系統(tǒng)組成

本文所研究的某船電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1所示，該系統(tǒng)有兩個(gè)發(fā)電機(jī)組，每個(gè)機(jī)組包括柴油機(jī)及調(diào)速器，同步發(fā)電機(jī)及勵(lì)磁調(diào)節(jié)器；同步發(fā)電機(jī)組型號(hào)相同，功率都是310 kW。QF1、QF2為發(fā)電機(jī)主開關(guān)，用來(lái)控制發(fā)電機(jī)組的入網(wǎng)操作；QF3、QF4為跨接開關(guān)系統(tǒng)，用來(lái)控制兩臺(tái)機(jī)組的并聯(lián)運(yùn)行；T1為照明變壓器。發(fā)電機(jī)勵(lì)磁采用自勵(lì)恒壓勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)，由相復(fù)勵(lì)裝置和自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器組成。為了提高供電可靠性，用跨接線將兩電站的主配電板連接起來(lái)。在一般情況下，跨接線的自動(dòng)開關(guān)接通，由一個(gè)機(jī)組向全船供電。在重負(fù)荷及緊急情況時(shí)，由兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組并聯(lián)供電。該船負(fù)荷中最重要的是異步拖動(dòng)電機(jī)負(fù)載，包括37 kW消防泵電機(jī)、45 kW海水泵電機(jī)、55 kW消防泵電機(jī)以及75 kW滑油泵電機(jī)。其它的可歸結(jié)為普通日用負(fù)載。

圖1 船舶電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 船舶電力系統(tǒng)仿真模型

對(duì)于圖 1所示的船舶電力系統(tǒng)，在正常情況下只由一臺(tái)發(fā)電機(jī)組向全船的負(fù)載供電，此時(shí)電力系統(tǒng)的容量最小，而異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)對(duì)其的影響也最大，因此本文將重點(diǎn)研究單臺(tái)機(jī)組構(gòu)成的電力系統(tǒng)下大功率異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的影響。由此利用PSCAD建立的船舶電力系統(tǒng)仿真模型如圖 2所示。該平臺(tái)由同步發(fā)電機(jī)組、電力網(wǎng)絡(luò)、ZIP負(fù)荷和異步電動(dòng)機(jī)負(fù)荷構(gòu)成。其中發(fā)電機(jī)組是船舶電力系統(tǒng)的核心，對(duì)電力系統(tǒng)的性能有重要影響，其內(nèi)部由同步發(fā)電機(jī)、柴油機(jī)模型、相復(fù)勵(lì)模型和 AVR模型構(gòu)成。模型中的同步發(fā)電機(jī)參數(shù)如表 1所示，各種泵的拖動(dòng)異步電機(jī)參數(shù)如表 2所示，電力網(wǎng)絡(luò)參數(shù)如表3所示。

表1 同步發(fā)電機(jī)基本參數(shù)

表3 電力網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

4 仿真分析

根據(jù)上節(jié)所建立的某船電力系統(tǒng)仿真模型及設(shè)備參數(shù)，對(duì)不同功率的異步電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)特性進(jìn)行仿真分析，得到的仿真結(jié)果見圖3～圖6。

圖3 37 kW消防泵電機(jī)直接起動(dòng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響

圖4 45 kW海水泵電機(jī)直接起動(dòng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響

圖5 55 kW消防泵電機(jī)直接起動(dòng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響

圖6 75 kW滑油泵電機(jī)直接起動(dòng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響

根據(jù)仿真結(jié)果，得到單臺(tái)負(fù)載直接起動(dòng)對(duì)單臺(tái)機(jī)組電力系統(tǒng)瞬態(tài)壓降和電壓變化率的影響情況如表4所示。

表4 單臺(tái)負(fù)載起動(dòng)引起的電網(wǎng)瞬態(tài)壓降及電壓變化率

由表4可見：

對(duì)于泵類負(fù)載，隨著拖動(dòng)電機(jī)功率的增大，對(duì)電網(wǎng)電壓的沖擊影響就越大，即拖動(dòng)電機(jī)功率越大，起動(dòng)瞬間造成的電網(wǎng)瞬態(tài)壓降就越大。對(duì)于只有一臺(tái)發(fā)電機(jī)工作的電網(wǎng)，對(duì)電網(wǎng)電壓沖擊影響最大的 75 kW 滑油泵起動(dòng)時(shí)的電壓跌幅是18.5%，超過船舶電力系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的要求，而其它負(fù)載起動(dòng)引起的電壓瞬態(tài)變化率都可滿足船舶電力系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以某船的電力系統(tǒng)為例，利用電力系統(tǒng)專業(yè)仿真軟件 PSCAD建立了其仿真模型，利用該模型對(duì)該船所配置的幾種不同大功率異步電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)特性及其對(duì)電力系統(tǒng)的影響進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明：當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，引起電力系統(tǒng)壓降及頻率波動(dòng)，并且隨著異步電動(dòng)機(jī)功率的增大，影響隨之增大，當(dāng) 75 kW 的滑油泵拖動(dòng)電機(jī)直接起動(dòng)時(shí)，引起的電網(wǎng)壓降達(dá)到了 18.5%，超過了船舶電力系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的要求，需要考慮采用星-三角或軟起動(dòng)方法來(lái)降低起動(dòng)沖擊的影響。

[1]范嘯平, 王敏. 現(xiàn)代艦船綜合電力推進(jìn)技術(shù)綜述[J].上海造船, 2007, 72(4)：34-37.

[2]甄洪斌, 張曉鋒, 沈兵等. 武脈沖負(fù)荷對(duì)艦船綜合電力系統(tǒng)的沖擊作用研究. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2006, 26(12): 85-88.

[3]Sergio Sebastibn Martin, Mbnica Bernab. Model and performance simulation for over current relay and fault-circuit-breaker using Simulink[J]. International Journal of Electrical Engineering Education.2006,43(1):80-90.

[4]趙春峰. 船舶主電力系統(tǒng)建模與仿真研究[D]. 大連：大連海事大學(xué)，2007.

[5]林良真, 葉林. 電磁暫態(tài)分析軟件包PSCAD/EMTDC [J]. 電網(wǎng)技術(shù),2000,24(1)：65-66.

[6]Modeling and analysis of custom power systems by PSCAD/EMTDC[J]. IEEE Transactions On Power Delivery, VOL. 17, NO. 1, JANUARY 2002: 266-272.