許麗霞，施偉鋒，張威

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電力系統(tǒng)穩(wěn)定器在船舶電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

許麗霞，施偉鋒，張威

（上海海事大學(xué)，上海 201306）

本文首先介紹了電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）的原理；然后，結(jié)合所搭建的船舶電力系統(tǒng)（大功率柴油發(fā)電機(jī)組）數(shù)字仿真模型，研究PSS在船舶電力系統(tǒng)中的應(yīng)用；最后，通過(guò)對(duì)船舶電力系統(tǒng)在有、無(wú)PSS作用下的典型故障工況的對(duì)比仿真與分析，說(shuō)明PSS能夠有效提高船舶電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性。

船舶電力系統(tǒng) 勵(lì)磁控制 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器 暫態(tài)穩(wěn)定性 供電可靠性

0 引言

隨著船舶電力系統(tǒng)容量的不斷擴(kuò)大，系統(tǒng)運(yùn)行方式和負(fù)荷變化對(duì)系統(tǒng)阻尼特性的影響日益突出。電力系統(tǒng)阻尼特性的日益惡化，影響了系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性和供電可靠性，而船舶電力系統(tǒng)作為一個(gè)獨(dú)立電力系統(tǒng)，其運(yùn)行環(huán)境決定了船舶必須盡可能保證持續(xù)穩(wěn)定供電[1]。電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）是一種附加勵(lì)磁裝置，能夠補(bǔ)償發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)由于慣性產(chǎn)生的負(fù)阻尼，有效抑制系統(tǒng)低頻振蕩，是提高船舶電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的重要方法之一。因此，將電力系統(tǒng)穩(wěn)定器用于提高船舶電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性具有很高的研究?jī)r(jià)值。

1 PSS原理

當(dāng)電力系統(tǒng)受到干擾時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角出現(xiàn)振蕩，而電壓調(diào)節(jié)器及勵(lì)磁系統(tǒng)具有慣性，其提供的附加轉(zhuǎn)矩的相位落后于轉(zhuǎn)子振蕩的角度，它的一個(gè)分量與轉(zhuǎn)速反相位，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子振蕩角度加大，引發(fā)系統(tǒng)振蕩[2]，也就是低頻振蕩。

圖1 電壓調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的負(fù)阻尼轉(zhuǎn)矩和電壓

圖2 PSS產(chǎn)生的負(fù)阻尼轉(zhuǎn)矩和電壓

圖3 PSS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 PSS結(jié)構(gòu)及參數(shù)計(jì)算

2.1 PSS結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器有PSS1A、PSS2B、PSS3B、PSS4B。

圖4 PSS1A結(jié)構(gòu)圖

圖5 PSS2B結(jié)構(gòu)圖

圖6 PSS3B結(jié)構(gòu)圖

綜上所述，本文選擇PSS1A應(yīng)用于船舶電力系統(tǒng)中。

2.2 PSS參數(shù)計(jì)算

電力系統(tǒng)穩(wěn)定器參數(shù)計(jì)算方法主要有相位補(bǔ)償法和特征根配置法兩種方法。相位補(bǔ)償法是建立在同步轉(zhuǎn)矩和阻尼轉(zhuǎn)矩的基礎(chǔ)上，根據(jù)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)產(chǎn)生的負(fù)阻尼計(jì)算PSS增益環(huán)節(jié)和相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)的參數(shù)。特征根配置法與相位補(bǔ)償法唯一不同之處在于：將發(fā)電機(jī)傳遞函數(shù)的特征方程分成實(shí)數(shù)部分和虛數(shù)部分，但是在計(jì)算過(guò)程中需先設(shè)定發(fā)電機(jī)時(shí)間常數(shù)，且與發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)沒(méi)有直觀的聯(lián)系因此，因此，文章用相位補(bǔ)償法的計(jì)算PSS參數(shù)。

圖7 PSS4B結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)PSS的工作原理，PSS參數(shù)的整定與發(fā)電機(jī)及其勵(lì)磁系統(tǒng)密切相關(guān)，發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁系統(tǒng)傳遞函數(shù)用表示，PSS傳遞函數(shù)用G(S)表示。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，求取發(fā)電機(jī)及其勵(lì)磁系統(tǒng)脈沖響應(yīng)曲線，結(jié)合最小二乘擬合方法，求得的等效表達(dá)式為：

加入PSS后，阻尼0增加到1，且自然振蕩頻率不變，則有：

根據(jù)PSS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，可知：

將系統(tǒng)的阻尼提高到0.5，即1=0.5時(shí)，系統(tǒng)會(huì)有較理想的動(dòng)態(tài)特性。將（1）、（2）及1帶入（3）式得：

實(shí)際工程中，運(yùn)用PSS對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)，在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，需經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試，才能得到較合適的PSS參數(shù)[6-8]。

3 船舶電力系統(tǒng)模型

在SimPowerSystems環(huán)境中建立船舶電力系統(tǒng)供電模型，如圖8所示。主要模塊與參數(shù)有：

2）原動(dòng)機(jī)及調(diào)速系統(tǒng)：包括柴油機(jī)及其調(diào)速器模塊、電機(jī)信號(hào)分離模塊。

3）電動(dòng)機(jī)為六相同步電動(dòng)機(jī)：

4）變壓器：包括6相變壓器和3相變壓器。6相變壓器電壓等級(jí)240/240 V，3相變壓器電壓等級(jí)2400/240 V。

4 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器在船舶電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

在無(wú)PSS控制、PSS控制工況下，分別對(duì)船舶電力系統(tǒng)進(jìn)行兩相短路、重載過(guò)負(fù)荷仿真試驗(yàn)。仿真運(yùn)行結(jié)果分別如圖9、圖10。

兩相短路故障：系統(tǒng)設(shè)置4.0~4.8 s之間發(fā)生故障，故障地點(diǎn)為電動(dòng)機(jī)定子側(cè)輸入端。

重載引起的過(guò)負(fù)荷故障：系統(tǒng)設(shè)置在4.0s發(fā)生故障。

根據(jù)圖9（a1）、（b1）和圖10（a2）、（b2）可知，與無(wú)PSS控制時(shí)相比，PSS對(duì)船舶電力系統(tǒng)的控制具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）PSS能在一定程度上提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性，具體表現(xiàn)在：

對(duì)于電力系統(tǒng)重載過(guò)負(fù)荷故障：

無(wú)PSS控制時(shí)，發(fā)電機(jī)在4.0~5.0 s間發(fā)生3次較大振蕩；在6.0~8.0 s時(shí)發(fā)生3次較大振蕩；在9.0~10.0 s時(shí)，再次發(fā)生2次較大振蕩；電動(dòng)機(jī)在4.0~5.0 s發(fā)生2次大的振蕩；在6.0~7.0 s之間發(fā)生3次較大振蕩；在9 s發(fā)生大的振蕩。

PSS控制時(shí)，發(fā)電機(jī)在4.0~5.0 s之間發(fā)生2次振蕩；電動(dòng)機(jī)在7.0~8.0 s之間發(fā)生3次振蕩。

PSS控制電機(jī)轉(zhuǎn)速振蕩次數(shù)少于無(wú)PSS控制振蕩次數(shù)，且系統(tǒng)由暫態(tài)至穩(wěn)態(tài)過(guò)渡時(shí)，曲線更平滑。

圖10 過(guò)負(fù)荷故障仿真結(jié)果圖

2）PSS能縮短電力系統(tǒng)由暫態(tài)至穩(wěn)態(tài)的過(guò)渡時(shí)間，提高系統(tǒng)的快速性。具體表現(xiàn)在：

對(duì)于電力系統(tǒng)兩相短路故障，無(wú)PSS控制時(shí)系統(tǒng)在4.0~10.0 s由暫態(tài)過(guò)渡到穩(wěn)態(tài)，持續(xù)時(shí)間為6 s。PSS控制時(shí)系統(tǒng)在4.0~7.8 s由暫態(tài)過(guò)渡到穩(wěn)態(tài)，持續(xù)時(shí)間為3.8 s。PSS比無(wú)PSS控制過(guò)渡時(shí)間縮短2.2 s。

對(duì)于重載過(guò)負(fù)荷故障，無(wú)PSS控制時(shí)系統(tǒng)可能失去穩(wěn)定。PSS控制時(shí)系統(tǒng)在4.0~8.2 s由暫態(tài)過(guò)渡到穩(wěn)態(tài)，持續(xù)時(shí)間為4.2 s。PSS比無(wú)PSS控制過(guò)渡時(shí)間大大縮短。

但是PSS對(duì)船舶電力系統(tǒng)的控制仍然存在問(wèn)題，主要表現(xiàn)在：

1）船舶電力系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中，負(fù)荷變化量大，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)仿真整定的PSS不能根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行合適的參數(shù)調(diào)整，自適應(yīng)不夠。如系統(tǒng)重載過(guò)負(fù)荷時(shí)，系統(tǒng)暫態(tài)持續(xù)時(shí)間為4.2 s，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。因此，不能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)精確控制。

2）PSS對(duì)船舶電力系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)，控制精度不高，如系統(tǒng)重載過(guò)負(fù)荷時(shí)，電機(jī)振蕩幅度較大。

綜上所述，PSS為發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)提供附加勵(lì)磁，對(duì)抑制船舶電力系統(tǒng)低頻振蕩具有有效性，但還需要進(jìn)一步的研究以提高PSS對(duì)船舶電力系統(tǒng)故障暫態(tài)過(guò)程的改善。

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Application of Power System Stabilizer to Ship Power System

Xu Lixia, Shi Weifeng, Zhang Wei

(Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

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TM74

A

1003-4862（2014）12-0031-04

2014-05-19

高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金（20123121110003）；上海市教委科研創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目（12ZZ155）。

許麗霞(1988-)，女，碩士生。研究方向：船舶電力系統(tǒng)。