張會焱，施偉鋒

(上海海事大學物流工程學院，上海 201306)

0 引言

隨著船舶向超大型方向發(fā)展，其電力系統(tǒng)的復雜程度越來越高，尤其是全電力推進船舶的出現(xiàn)，使船舶電力系統(tǒng)容量和發(fā)電機單機容量不斷提高.［1-3］船舶電力系統(tǒng)的數(shù)字仿真成為其設計、調(diào)試和各種故障試驗所依賴的一種有效且經(jīng)濟的手段，而船舶電力系統(tǒng)的建模是其系統(tǒng)仿真的基礎.

針對船舶電力系統(tǒng)的建模與仿真，國內(nèi)外均有相當多的研究.王淼等［4］研究全電力推進船舶電力系統(tǒng)的數(shù)學模型并進行系統(tǒng)仿真，但沒有研究船舶電力系統(tǒng)故障狀態(tài)下的特性;DIAMANTIS等［5］研究船舶電力推進電機的DTC特性;ARENDT［6］建立的船舶電力系統(tǒng)仿真模型考慮柴油發(fā)電機的特性、軸模型、變螺距模型;陸金銘［7］對船舶推進裝置進行仿真研究;夏永明［8］介紹的分布式船舶電站多種發(fā)電方式聯(lián)合運行仿真系統(tǒng)構成嵌入式物理-數(shù)學仿真;謝衛(wèi)等［9］對船用多相無刷直流推進電動機進行分析建模與仿真;沈愛弟等［10］根據(jù)電力推進系統(tǒng)的特性，對推進電機運動控制、推進系統(tǒng)運行狀態(tài)控制和船舶電網(wǎng)諧波治理進行研究，設計出內(nèi)河船舶電力推進系統(tǒng);劉崇等［11］設計的船舶電力推進試驗平臺由發(fā)電機組、推進變頻器、推進電機、負載變頻器和負載電機組成，能夠模擬船舶電力推進試驗，是實物結合軟件的模擬仿真;劉昭等［12］設計異步電動機模擬負載能量回饋方式的交流傳動試驗平臺，為港航領域大功率交流傳動系統(tǒng)的研制開發(fā)提供試驗環(huán)境，這是硬件實物方式的仿真.本文基于發(fā)電機及負載的動態(tài)特性，搭建船舶電力系統(tǒng)動態(tài)數(shù)字仿真平臺，并在此基礎上對船舶主推進電機3相短路故障進行仿真和分析.

1 船舶電力系統(tǒng)動態(tài)數(shù)字仿真平臺

本文建立的船舶電力系統(tǒng)動態(tài)數(shù)字仿真平臺，其模型中包含同步發(fā)電機及其勵磁系統(tǒng)子模型、柴油發(fā)電機組控制系統(tǒng)子模型、感應電動機子模型和靜態(tài)負荷子模型等.

1.1 同步發(fā)電機建模

船舶電力系統(tǒng)的特性很大程度上取決于同步發(fā)電機子系統(tǒng)的特性，船舶大功率發(fā)電機組具有頻率與電壓相互作用的特性及非線性特性.本文的船用同步發(fā)電機模型采用凸極發(fā)電機，由柴油機驅動.在船舶電力系統(tǒng)動態(tài)仿真中，依賴于頻率的同步電機模型是基于標準IEEE 2.1同步發(fā)電機模型發(fā)展起來的，文獻［13］給出其數(shù)學模型.

1.2 船舶柴油發(fā)電機組控制系統(tǒng)建模

建模考慮發(fā)電機電壓與頻率間的相互作用.系統(tǒng)負載變化時，發(fā)電機的電樞反應會導致發(fā)電機端電壓的變化.這一關系用隱極發(fā)電機的電壓平衡方程式描述為

式中:f為發(fā)電機頻率;N為發(fā)電機繞組匝數(shù);Φm為發(fā)電機磁通.由式(1)和(2)可見，發(fā)電機頻率與端電壓之間存在相互關系，在控制中須予以考慮.

船舶柴油發(fā)電機組由柴油原動機、發(fā)電機、調(diào)速器和相復勵調(diào)壓裝置組成.船用柴油發(fā)電機控制系統(tǒng)結構框圖見圖1.轉速反饋子系統(tǒng)檢測發(fā)電機的轉速，勵磁反饋子系統(tǒng)的相復勵調(diào)壓裝置檢測發(fā)電機的端電壓和輸出電流兩個信號.轉速控制器控制油門執(zhí)行器，油門執(zhí)行器控制柴油機輸出相應的機械功驅動發(fā)電機旋轉，調(diào)節(jié)有功分量.勵磁機接收勵磁控制器的信號以控制發(fā)電機輸出符合要求的電壓，調(diào)節(jié)無功分量.

圖1 船用柴油發(fā)電機控制系統(tǒng)框圖

建模還考慮發(fā)電機與柴油機之間的軸轉矩模型.所建立的同步發(fā)電機組軸轉矩模型見圖2.

圖2 同步發(fā)電機組軸轉矩模型示意圖

柴油原動機轉動方程為

聯(lián)軸器轉動方程為

發(fā)電機轉動方程為

式(3)～(5)中:ωT為原動機轉速;ωC為聯(lián)軸器轉速;ωG為發(fā)電機轉速;ωRef為發(fā)電機參考轉速;θ1為原動機角位移;θ2為聯(lián)軸器角位移;θ3為負荷角位移;HT為原動機轉動慣量;HC為聯(lián)軸器轉動慣量;HG為發(fā)電機轉動慣量;D為發(fā)電機阻尼系數(shù);D1為原動機與聯(lián)軸器間的阻尼系數(shù);D2為聯(lián)軸器與發(fā)電機間的阻尼系數(shù);K1為原動機的聯(lián)軸器間的彈性系數(shù);K2為聯(lián)軸器與發(fā)電機間的彈性系數(shù);TT為原動機轉矩;TG為發(fā)電機轉矩.

1.3 負載模型

船舶電力系統(tǒng)負載包含各種設備，如照明燈、制冷空調(diào)、電熱器、壓縮機、變壓器、感應電動機和同步電動機等，因此負荷模型的建立相當復雜.一般將負荷模型分為兩大類:靜態(tài)負荷模型和動態(tài)負荷模型.

對于靜態(tài)負荷模型，任意瞬時的負荷特性是該瞬時母線電壓幅值和頻率的代數(shù)函數(shù).分別考慮靜態(tài)負荷模型的有功和無功功率分量.對于動態(tài)負荷模型，電動機消耗的能量占電力系統(tǒng)總能量的70%～80%，電動機的動態(tài)特性常常是系統(tǒng)負荷動態(tài)特性的最重要方面.因此，在船舶電力系統(tǒng)建模研究中單獨考慮電動機負載.［14-15］

1.4 感應電動機負載模型

感應電動機驅動的負載是船舶電力系統(tǒng)中的主要負載之一，這類負載所占比例很大，其動態(tài)特性嚴重影響電力系統(tǒng)的暫態(tài)過程.感應電動機的數(shù)學模型也有多種形式，本文仿真建模所用模型是依賴于頻率的動態(tài)模型，文獻［1］給出其數(shù)學模型.

1.5 船舶電力系統(tǒng)總體模型

綜合以上建模分析，針對某大型全電遠洋運輸船舶建立船舶電力系統(tǒng)模型結構，見圖3.該模型由發(fā)電機組、電網(wǎng)與配電屏、動態(tài)感應電動機負載及靜態(tài)負載構成.發(fā)電機的輸出轉速反饋至柴油原動機的調(diào)速器.

圖3 船舶電力系統(tǒng)模型結構

依據(jù)圖3在MATLAB/SIMULINK SimpowerSystems環(huán)境下建立船舶電力系統(tǒng)仿真平臺.該平臺考慮船舶電力系統(tǒng)各子系統(tǒng)的特性，特別是發(fā)電機和推進器的動態(tài)負載特性，還考慮發(fā)電機與柴油機軸傳動之間的動態(tài)特性.此仿真平臺中有3臺主船舶柴油發(fā)電機組和1臺應急柴油發(fā)電機組，每臺發(fā)電機組由同步發(fā)電機模塊、柴油機和控制系統(tǒng)模塊構成.船用同步發(fā)電機電氣參數(shù)及標準參數(shù):Pn=3.125×106W，Vn=2400 V，fn=60 Hz;Rs=0.0036(pu)，p=4;Xd=1.56(pu)，Xd'=0.296(pu)，Xd″=0.177(pu)，Xq=1.06(pu)，Xq'=0，Xq″=0.177(pu);Xl=0.052(pu)，Td'=3.7 s，Td″=0.05 s，Tq″=0.05 s.船舶側推器由感應電機通過蝸輪蝸桿機構驅動，感應電動機電氣參數(shù)及標準參數(shù):Pn=2200 kW，Vn=3000 V，fn=60 Hz;Rs=0.029 Ω，LIs=0.6 × 10－3H;Rr'=0.022 Ω，LIr=0.6 ×10－3H，Lm=34.6 ×10－3H.船用主推進器由感應電機驅動，電動機電氣參數(shù)及標準參數(shù):Pn=4 MW，Vn=2400 V，fn=60 Hz;Rs=0.00859 Ω，LIs=0.5178 × 10－3H;Rr'=0.00709 Ω，LIr=0.3753 ×10－3H，Lm=10.822 ×10－3H.

2 主推進器輸入電纜3相短路故障仿真

大功率主推進器輸入電纜3相短路故障仿真如下:3臺發(fā)電機組并網(wǎng)穩(wěn)定運行10.1 s，主推進器在10.1 s時啟動，主推進器在10.2 ～10.5 s發(fā)生輸入電纜3相短路故障，10.4 s時因短路電流過大，3臺發(fā)電機組的主開關跳閘，停止對電網(wǎng)供電.

主推進器輸入電纜3相短路故障時主推進器轉速、定子電流變化曲線見圖4.

圖4 主推進器輸入電纜3相短路故障時主推進器轉速、定子電流變化曲線

由圖4可見，主推進器在10.1 s時啟動加速，10.2 s時發(fā)生3相短路故障，啟動電流大幅減少，轉速開始下降;3臺發(fā)電機組10.4 s時全部跳閘;此后主推進器定子電流變?yōu)?，轉速在10.6 s時下降至10 r/min，隨著時間的推移轉速繼續(xù)下降，最終在11.2 s時變?yōu)?.

主推進器輸入電纜3相短路故障時，3臺發(fā)電機組端電壓及母線電壓變化曲線見圖5.

圖5 主推進器輸入電纜3相短路故障時3臺發(fā)電機組端電壓及母線電壓變化曲線

由圖5可以看出:10.1 s時大功率主推進器的啟動使得3臺發(fā)電機組端電壓及母線電壓減小到額定電壓的58%，這是由該電力系統(tǒng)仿真平臺中4 MW的靜態(tài)負載所致;10.1～10.2 s因主推進器啟動，電壓一開始下降較為厲害，隨后有小幅增加;10.2 s時因主推進器輸入電纜發(fā)生3相短路故障，3臺發(fā)電機組端電壓及母線電壓進一步減小;因短路電流太大，10.4 s時3臺發(fā)電機組全部跳閘，此后3臺發(fā)電機組端電壓開始逐步恢復到額定值，而母線電壓則變?yōu)?.

主推進器輸入電纜3相短路故障時，3臺發(fā)電機組及母線的a相電流變化曲線見圖6.

圖6 主推進器輸入電纜3相短路故障時3臺發(fā)電機組及母線的a相電流變化曲線

從圖6可以發(fā)現(xiàn):10.1 s時因主推進器啟動，3臺發(fā)電機組及母線的a相電流都增加;10.2 s時因主推進器發(fā)生3相短路故障，3臺發(fā)電機組及母線的a相電流進一步增加;因短路電流太大，10.4 s時3臺發(fā)電機組的主開關跳閘，此后3臺發(fā)電機組及母線的a相電流全部變?yōu)?.

主推進器輸入電纜3相短路故障時，3臺發(fā)電機組轉矩功率、勵磁電壓、端電壓、轉速和勵磁電流曲線見圖7.仿真記錄的1，2，3號發(fā)電機組的柴油機輸出功率Pmec，轉速、勵磁系統(tǒng)反饋電壓Vf，端電壓Vt，勵磁電流ifd都使用標幺值 (pu).

從圖7可以看出:10.1 s時因主推進器的啟動，3臺發(fā)電機組輸入的Pmec開始增加，Vf上升到飽和值，轉速有少量跌落，ifd有所增加;10.2～10.5 s因主推進器輸入電纜3相短路故障，3臺發(fā)電機組輸入的Pmec進一步增加至1后波動衰減，Vf保持在飽和值6，轉速跌落至98%，ifd增加到飽和值6;10.4 s因短路電流過大，3臺發(fā)電機組的主開關跳閘，3臺發(fā)電機組輸入的Pmec繼續(xù)波動并減小為0，Vf保持在飽和值6，轉速開始逐步回升到額定值1，ifd開始逐步減小到額定值1.可以看出，3臺參數(shù)相同的發(fā)電機組在主推進器輸入電纜3相短路故障發(fā)生的整個過程中動態(tài)變化趨勢基本一樣.

3 結束語

根據(jù)全電力推進船舶電力系統(tǒng)的數(shù)學模型，利用MATLAB/SIMULINK SimpowerSystems建立其動態(tài)數(shù)字仿真平臺，依托此仿真平臺對船舶電力系統(tǒng)進行主推進器輸入電纜3相短路故障仿真.該數(shù)字仿真平臺可以對船舶電力系統(tǒng)故障進行有效動態(tài)及穩(wěn)態(tài)仿真模擬，為船舶電力系統(tǒng)的設計、測試和故障試驗提供一種有效且經(jīng)濟的手段.

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