朱 浩，劉建政，劉輝峰

（1.清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京 100084；2.中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇江陰 214431）

航天測量船電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的仿真研究

朱 浩1,2，劉建政1，劉輝峰2

（1.清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京 100084；2.中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇江陰 214431）

以某航天測量船為例，分析了其電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成，基于MATLAB/Simulink軟件建立了柴油發(fā)電機(jī)組和不同類型負(fù)載的仿真模型，進(jìn)而構(gòu)建了該船的電力系統(tǒng)仿真模型。利用模型仿真分析了海上航行工況下負(fù)載順序啟動(dòng)對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，得到了柴油發(fā)電機(jī)組和負(fù)載的運(yùn)行波形。仿真結(jié)果表明，不同負(fù)載類型對穩(wěn)定性的影響是不同的，負(fù)載功率越大對穩(wěn)定性的影響也越大。利用該模型可以對其他工況下電力系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，也可以為測量船電力系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)提供參考。

電力系統(tǒng)穩(wěn)定性；航天測量船；建模；仿真

0 引言

船舶電力系統(tǒng)是一個(gè)孤立電力系統(tǒng)，具有不同于傳統(tǒng)陸地?zé)o窮大電網(wǎng)的特點(diǎn)，具體表現(xiàn)在：發(fā)電機(jī)與負(fù)載之間傳輸距離短，相互耦合作用較強(qiáng)；系統(tǒng)供電容量有限，單個(gè)負(fù)載功率與發(fā)電機(jī)的功率具有可比性；電壓和頻率不能近似為恒定值，而是受負(fù)載影響處于動(dòng)態(tài)變化過程中[1,2]。航天測量船電力系統(tǒng)是船舶電力系統(tǒng)的一種特殊類型，除了具備普通船舶電力系統(tǒng)的特點(diǎn)之外，還有一些特殊之處，如負(fù)載設(shè)備的類型更多、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。航天測量船在執(zhí)行航天器的海上測控任務(wù)時(shí)，航行工況復(fù)雜，系統(tǒng)狀態(tài)變化頻繁，一旦出現(xiàn)問題，會(huì)對船舶航行和人員安全產(chǎn)生很大威脅，甚至產(chǎn)生事故，因此電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行是航天測量船執(zhí)行任務(wù)的重要保證，其穩(wěn)定性逐漸受到重視。

航天測量船電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性主要指系統(tǒng)運(yùn)行于平衡狀態(tài)下，在遭受干擾后能夠恢復(fù)到平衡狀態(tài)的能力。擾動(dòng)一般是隨著電氣負(fù)載的變化而發(fā)生，電力系統(tǒng)必須通過控制不斷地進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)負(fù)載的變化，始終連續(xù)平穩(wěn)地供電[3]。由于航天測量船電力系統(tǒng)高階、非線性等特點(diǎn)，很難應(yīng)用理論分析直觀地得到系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，因此可以采用MATLAB/Simulink仿真軟件及 SimPowerSystems工具包，建立測量船電力系統(tǒng)的基本模型，運(yùn)用時(shí)域仿真的方法，在航行工況下仿真負(fù)載變化對測量船電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響[4]。

1 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本原理

測量船電力系統(tǒng)穩(wěn)定性主要包括電壓的穩(wěn)定性和頻率的穩(wěn)定性。電壓穩(wěn)定是測量船電力系統(tǒng)在額定運(yùn)行條件下和遭受擾動(dòng)之后，系統(tǒng)中所有母線都持續(xù)地保持可接受的電壓波動(dòng)的能力。當(dāng)有擾動(dòng)或者增加負(fù)載造成漸進(jìn)的、不可控制的電壓降落時(shí)，系統(tǒng)就進(jìn)入了電壓不穩(wěn)定狀態(tài)。造成電壓不穩(wěn)定的主要因素是電力系統(tǒng)無法滿足無功功率的供給需求和平衡。對于測量船上的用電設(shè)備，當(dāng)系統(tǒng)實(shí)際電壓值偏離額定值時(shí)，用電設(shè)備的效率就會(huì)降低，偏離額定值較大時(shí)，運(yùn)行工況會(huì)惡化，甚至?xí)?dǎo)致設(shè)備的損壞。頻率穩(wěn)定與電壓穩(wěn)定的基本原理相似，造成頻率不穩(wěn)定的直接原因是發(fā)電機(jī)組有功功率輸出的不穩(wěn)定和轉(zhuǎn)速的不穩(wěn)定。

為了滿足測量船電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和安全性，必須對發(fā)電機(jī)的電壓和頻率進(jìn)行控制。測量船電力系統(tǒng)采用柴油發(fā)電機(jī)組作為發(fā)電裝置，在對同步發(fā)電機(jī)的電壓控制方式上，采用自動(dòng)電壓調(diào)整器，對同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁進(jìn)行控制，使得負(fù)載變化時(shí)自動(dòng)維持電壓恒定，達(dá)到對同步發(fā)電機(jī)端電壓與電網(wǎng)電壓的調(diào)節(jié)作用。而對頻率的控制主要依靠調(diào)速器對柴油機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)頻率的穩(wěn)定[5]。

2 測量船電力系統(tǒng)組成與建模

2.1 電力系統(tǒng)組成

測量船電力系統(tǒng)以多臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組為核心，在主配電屏、應(yīng)急配電屏和負(fù)載屏的控制下，對測量船的各負(fù)載設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)供電。其電網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式采用支狀配電布局形式，每一個(gè)子系統(tǒng)的饋電線都是由主配電屏直接引出，與分配電箱連接。

每個(gè)發(fā)電機(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，發(fā)電機(jī)的功率為 770kW，發(fā)電機(jī)處于并聯(lián)運(yùn)行狀態(tài)[6,7]。測量船電力系統(tǒng)的負(fù)載主要包括照明、空調(diào)、冷卻水、測控雷達(dá)、各種泵、錨機(jī)、側(cè)推器以及減搖鰭等。在不同工況時(shí)，負(fù)載的工作情況不完全相同。

2.2 柴油發(fā)電機(jī)組模型

柴油發(fā)電機(jī)組模型包括同步發(fā)電機(jī)模型、柴油機(jī)及調(diào)速器模型和調(diào)壓勵(lì)磁模型，建立的模型如圖 1所示[8-10]。

圖1 柴油發(fā)電機(jī)組模型

模型中同步發(fā)電機(jī)采用標(biāo)幺值模型，因此，所有參數(shù)都取成單位化的數(shù)值，給定柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和給定發(fā)電機(jī)端電壓均取單位值1，同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電壓作為反饋信號(hào)輸入給對應(yīng)調(diào)節(jié)器中。

2.3 負(fù)載模型

測量船電力系統(tǒng)中基本為感性負(fù)載，且在航行工況時(shí)，系統(tǒng)總的功率因素約為0.8，因此在仿真模型中，使用三相并聯(lián)阻感負(fù)載模型來仿真實(shí)際系統(tǒng)中的相關(guān)靜態(tài)負(fù)載，且單個(gè)負(fù)載的功率因素設(shè)置為0.8。各種泵類負(fù)載采用異步電動(dòng)機(jī)模型表示，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速之間的相關(guān)系數(shù)由具體泵的電氣參數(shù)通過計(jì)算求得。

2.4 電力系統(tǒng)模型

測量船在海上航行工況時(shí)，由兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行向全船負(fù)載供電，此時(shí)負(fù)載主要包括100kW照明、400kW空調(diào)、130kW冷卻水、75kW主用泵、50kW滑油泵以及3套測控雷達(dá)。由此利用MATLAB/Simulink建立的模型如圖 2所示。模型中，不考慮線路阻抗引起的電壓降以及發(fā)電機(jī)組空載時(shí)所消耗的功率。

圖2 測量船電力系統(tǒng)仿真模型

3 仿真分析

根據(jù)測量船在海上航行工況時(shí)各設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況，仿真負(fù)載順序啟動(dòng)狀態(tài)下電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。設(shè)置仿真條件為：仿真時(shí)間為22s，初始狀態(tài)下照明、空調(diào)、冷卻水負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行，1s時(shí)滑油泵啟動(dòng)，7s時(shí)總用泵啟動(dòng)，13s時(shí)雷達(dá)1工作，16s時(shí)雷達(dá)2工作，19s時(shí)雷達(dá)3工作[11]。仿真結(jié)果如圖3、4、5所示。

圖3為1號(hào)柴油發(fā)電機(jī)組仿真波形。圖3(a)為發(fā)電機(jī)輸出功率，隨著負(fù)載的逐個(gè)啟動(dòng)，發(fā)電機(jī)輸出功率逐漸增大。圖 3(b)為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)負(fù)載啟動(dòng)時(shí)，由于總的負(fù)載功率突然增大，導(dǎo)致柴油機(jī)轉(zhuǎn)速下降，而后在調(diào)速器的作用下，柴油機(jī)輸出功率增大，轉(zhuǎn)速逐步恢復(fù)至額定值。圖 3(c)是發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓波形，圖3(d)是發(fā)電機(jī)輸出端電壓波形，當(dāng)負(fù)載啟動(dòng)時(shí)，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出端電壓下降，勵(lì)磁系統(tǒng)通過強(qiáng)勵(lì)磁來增加勵(lì)磁電壓，使發(fā)電機(jī)輸出電壓能夠穩(wěn)定在額定值。

在仿真參數(shù)設(shè)置中，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組平均分配系統(tǒng)負(fù)載功率，因此2號(hào)發(fā)電機(jī)組仿真運(yùn)行波形與1號(hào)發(fā)電機(jī)組一致。

圖3 1# 柴油發(fā)電機(jī)組仿真波形

圖4 滑油泵電機(jī)直接啟動(dòng)仿真波形

由圖3得知，泵類負(fù)載啟動(dòng)對功率、頻率和勵(lì)磁的影響較大，恢復(fù)時(shí)間較長，這是由其自身異步電機(jī)的啟動(dòng)特性所決定。而恒功率負(fù)載在啟動(dòng)瞬間會(huì)引起較大的電壓降落，對其它參數(shù)的影響較小。

圖4滑油泵在1s時(shí)啟動(dòng)仿真波形。因?yàn)椴捎昧酥苯訂?dòng)方式，啟動(dòng)電流較大，當(dāng)電機(jī)在2s時(shí)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，電機(jī)電流下降，進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響已在圖3中給出。

圖5 總用泵電機(jī)直接啟動(dòng)仿真波形

圖5為總用泵在7s時(shí)啟動(dòng)仿真波形。其工作過程與圖 4滑油泵相似。但由于總用泵功率大于滑油泵，因此其啟動(dòng)電流也較大，對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響也更大，即系統(tǒng)電壓和頻率的變化范圍更大，這一點(diǎn)可由圖3得知。

4 結(jié)束語

本文以某航天測量船的電力系統(tǒng)為例，利用MATLAB軟件建立其仿真模型，對海上航行工況下電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明，建立的航天測量船電力系統(tǒng)模型是正確的，泵類負(fù)載與恒功率負(fù)載的啟動(dòng)運(yùn)行對測量船電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響是不同的，泵類負(fù)載因?yàn)槠渥陨懋惒诫姍C(jī)的工作特性，在啟動(dòng)過程中對功率需求較大，對系統(tǒng)頻率的影響也較大，因此在發(fā)生多個(gè)泵類負(fù)載同時(shí)啟動(dòng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)功率容量不足的情況發(fā)生，對于這一情況，可以考慮增加一臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組以增加電力系統(tǒng)容量。利用該模型可以對航天測量船在其他工況下電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，同時(shí)對測量船電力系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)具有一定的意義。

[1] 施偉峰, 許曉彥. 船舶電力系統(tǒng)建模與控制[M].北京: 電子工業(yè)出版社, 2012: 8-9.

[2] 王滿, 王浩亮. 船舶電力系統(tǒng)仿真[J]. 大連海事大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 37(1): 35-38.

[3] 邰能靈, 王鵬, 倪明杰. 大型船舶電力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2012: 314-316.

[4] 陳立偉, 汪晨棟, 馮馳, 等. 基于時(shí)域仿真的船舶電力系統(tǒng)暫態(tài)分析[J]. 應(yīng)用科技, 2014, 41(5): 14-18.

[5] 馬振佳. 船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性研究[D]. 大連: 大連海事大學(xué), 2013.

[6] 潘昕, 侯新國, 夏立, 等. 船舶電力系統(tǒng)的建模與仿真[J]. 電力科學(xué)與工程, 2013, 29(4): 49-53.

[7] 賈園. 柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行穩(wěn)定性的研究[D].北京: 華北電力大學(xué), 2009.

[8] 申喜, 唐穎, 魏文軒, 等. 基于Simulink的船舶電力系統(tǒng)的仿真[J]. 艦船電子工程, 2013, 33(9): 91-95.

[9] 李玉生, 陳瑞. 基于PSCAD的船用柴油發(fā)電機(jī)組仿真分析[J]. 船電技術(shù), 2010, 30(11): 11-16.

[10] 劉秀峰, 楊鋒, 王林, 等. 大功率異步電機(jī)啟動(dòng)對船舶電力系統(tǒng)的影響仿真分析[J]. 船電技術(shù), 2011,31(8): 5-9.

[11] 孫才勤, 王貝貝, 張靈杰, 等. 船舶電力系統(tǒng)中同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)建模與仿真[J]. 大連海事大學(xué)學(xué)報(bào),2013, 39(1): 99-102.

Simulation and Study on Stability of TT&C Ship Power System

ZHU Hao1,2, LIU Jian-zheng1, LIU Hui-feng2
(1. Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2. Maritime Satellite TT&C Department of China, Jiangyin 214431, China)

This paper analyzes the structure and composition of a TT&C ship power system. Based on MATLAB/Simulink software, the models of the diesel generator set and different types of loads are created before the simulation model of the whole ship power system is constructed. The impacts on power system stability caused by loads startup are simulated under the sailing condition. The running waveforms of the diesel generator set and the loads are given by the simulation model. The results show that different kinds of loads cause different impacts on the stability, and the impacts increase with the load power. The model can be used for analyzing the stability under other conditions, and also provides a reference for analyzing and designing the TT&C ship power system.

power system stability; TT&C Ship; modeling; simulation

U665.12

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.06.001

朱浩（1983-），男，碩士研究生，工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行分析與仿真等。