柯常國(guó)，吳春吉，李莉紅

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

?

基于ETAP的電力推進(jìn)系統(tǒng)仿真分析

柯常國(guó)，吳春吉，李莉紅

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

摘 要：本文以某船電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為具體實(shí)例，利用ETAP軟件建立電力系統(tǒng)仿真分析模型，采用ETAP進(jìn)行短路電流分析計(jì)算，通過(guò)短路電流計(jì)算結(jié)果進(jìn)行斷路器及脫扣器的配合整定，完成電力系統(tǒng)選擇性保護(hù)與協(xié)調(diào)分析，最后通過(guò)諧波分析計(jì)算驗(yàn)證電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：電力推進(jìn) 仿真 短路電流 諧波分析

0 引言

在船舶電力系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)容量有限，設(shè)備之間距離短，短路阻抗小，短路電流峰值很大，其值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于額定電流，過(guò)大的短路電流會(huì)使電氣設(shè)備過(guò)熱或受電動(dòng)力作用而遭到損壞，同時(shí)使系統(tǒng)電壓大大降低，破壞用電設(shè)備的正常工作，因此短路是船舶電力系統(tǒng)的嚴(yán)重故障。為了消除或減輕短路的后果，設(shè)計(jì)時(shí)就需要計(jì)算出短路電流，用以正確選擇電氣設(shè)備，合理配置保護(hù)和自動(dòng)裝置[1]。

船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中，變頻器的廣泛應(yīng)用給船舶帶來(lái)了便利的同時(shí)，也帶來(lái)嚴(yán)重的諧波污染[2-3]。

本文結(jié)合某工程項(xiàng)目，采用ETAP對(duì)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，實(shí)現(xiàn)電力推進(jìn)系統(tǒng)的短路電流計(jì)算分析、諧波分析和選擇性保護(hù)配合進(jìn)行分析計(jì)算。

1 ETAP軟件建模

ETAP軟件是美國(guó)OTI公司研發(fā)的全圖形化的電力系統(tǒng)仿真分析、計(jì)算高級(jí)應(yīng)用軟件。ETAP計(jì)算軟件是包括電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和測(cè)試功能的綜合分析工具。ETAP軟件中，是以工程來(lái)管理工作的。在ETAP軟件中，想要實(shí)現(xiàn)潮流分析、短路分析、繼電保護(hù)配合、諧波分析等，都是以單線圖為基礎(chǔ)的[4-5]。

某船電力推進(jìn)系統(tǒng)單線圖見(jiàn)圖1。設(shè)置主發(fā)電機(jī)3臺(tái)，在航行和作業(yè)時(shí)為全船供電。主發(fā)電機(jī)額定功率為1450 kW，3臺(tái)發(fā)電機(jī)可任意臺(tái)數(shù)長(zhǎng)期并聯(lián)運(yùn)行。設(shè)置600 kW輔發(fā)電機(jī)組一臺(tái)，輔機(jī)組可與主發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行。主要負(fù)載包括兩套1500 kW主推進(jìn)系統(tǒng)、兩套400 kW側(cè)推系統(tǒng)和兩套100 kVA照明變壓器等。

利用ETAP軟件建立模型如2圖。

2 短路計(jì)算和選擇性保護(hù)分析

ETAP短路電流計(jì)算模塊提供了IEC、ANSI和GOST三種短路電流計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，用戶可以通過(guò)界面操作自行選擇。開(kāi)關(guān)設(shè)備選型有關(guān)的開(kāi)斷電流（容量）等計(jì)算采

圖1 單線圖

圖2 ETAP仿真計(jì)算模型

用IEC60909進(jìn)行計(jì)算，ETAP也根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)63163提供了暫態(tài)短路電流計(jì)算，暫態(tài)短路電流計(jì)算用時(shí)間函數(shù)的形式表示了故障電流的波形，其中考慮到一系列故障后不同時(shí)間內(nèi)影響短路電流的因素。這些因素包括同步電機(jī)超瞬變電抗、瞬變電抗、超瞬變時(shí)間常數(shù)、瞬變時(shí)間常數(shù)、和直流時(shí)間常數(shù)，也包括電動(dòng)機(jī)負(fù)載饋送電流的衰減。這種計(jì)算模型，為孤立的船舶電力系統(tǒng)的保護(hù)設(shè)備選型和繼電器配合，提供了精確的短路電流計(jì)算分析，適用于樹(shù)形電網(wǎng)和環(huán)形電網(wǎng)。

本文選擇IEC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行短路電流計(jì)算。如圖3為全速航行工況時(shí)BusA_400 V匯流排短路時(shí)的短路電流仿真計(jì)算結(jié)果，最大短路電流77.4 kA（有效值），短路電流瞬時(shí)值波形見(jiàn)圖5。計(jì)算各工況下的短路電流，為斷路器選型提供依據(jù)。

圖3 全速航行工況

圖4 短路電流波形

ETAP元件庫(kù)里集成了知名廠家的熔斷器、斷路器的數(shù)據(jù)模型，根據(jù)短路計(jì)算對(duì)斷路器進(jìn)行選型和整定，如主發(fā)電機(jī)組主開(kāi)關(guān)整定值見(jiàn)表1。當(dāng)各斷路器整定完成后可以繪制出各個(gè)保護(hù)的整定配合時(shí)間-電流曲線并結(jié)合短路電流在線調(diào)整保護(hù)整定值，如圖5為各級(jí)保護(hù)配合時(shí)間-電流曲線圖，通過(guò)時(shí)間-電流曲線圖可以直觀的分析各級(jí)保護(hù)配合是否滿足設(shè)計(jì)要求。當(dāng)保護(hù)配合不滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，通過(guò)時(shí)間-電流曲線可以在線拖動(dòng)調(diào)整整定值。

表1 主斷路器整定值

圖5 時(shí)間-電流保護(hù)配合圖

同時(shí)，ETAP提供短路故障模擬功能，選擇短路點(diǎn)并選擇故障類(lèi)型，模擬各斷路器保護(hù)動(dòng)作的動(dòng)作次序，直觀的觀測(cè)短路故障發(fā)生后各斷路器的動(dòng)作時(shí)間和順序，從而驗(yàn)證斷路器的選擇性保護(hù)是否協(xié)調(diào)。

圖6 G1出線端短路模擬

3 諧波分析

ETAP諧波分析基于IEEE5l9標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)諧波分析、諧波共振和頻率掃描分析，對(duì)電壓電流總RMS值、電壓電流總合成峰值、諧波失真度進(jìn)行分析。ETAP中諧波源為模擬電壓諧波源和電流諧波源。該軟件元件庫(kù)已經(jīng)自帶知名廠家如Rockwell、ABB等各種諧波源類(lèi)型及用戶可擴(kuò)展的諧波源庫(kù)，也可以自定義添加。如圖7，將712所低壓系列化變頻器的諧波源添加到諧波庫(kù)中，原始數(shù)據(jù)均通過(guò)工信部研究項(xiàng)目典型系統(tǒng)驗(yàn)證試驗(yàn)實(shí)測(cè)得到。

圖7 自定義添加諧波庫(kù)

諧波分析首先要通過(guò)諧波分析案例編輯器來(lái)進(jìn)行諧波計(jì)算參數(shù)的設(shè)定，如圖8，參數(shù)包括精度、頻率掃描范圍、基頻、系統(tǒng)負(fù)荷工況、報(bào)告選項(xiàng)、諧波源模型選項(xiàng)等。因該系統(tǒng)的基頻(即基波)為50 Hz，而通?？紤]的諧波影響最多為100次，因此將頻率掃描范圍設(shè)定為50 Hz～5000 Hz。

圖8 諧波分析案例設(shè)置

運(yùn)行諧波計(jì)算的結(jié)果直接顯示在單線圖上，可通過(guò)完整的文本報(bào)告和諧波分析波形進(jìn)行查看。經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，全速航行工況400 V電網(wǎng)電壓總諧波畸變0.72%，230 V電網(wǎng)電壓總諧波畸變0.38%。最?lèi)毫庸r為單側(cè)推進(jìn)運(yùn)行工況，400 V電網(wǎng)電壓總諧波畸變3.69%，230 V電網(wǎng)電壓總諧波畸變2.87%，均滿足船級(jí)社要求。圖9和圖10為400 V母線電壓及變頻器輸入電壓諧波畸變圖譜和電壓波形。

圖9 諧波圖譜

計(jì)算中發(fā)現(xiàn)，單發(fā)電機(jī)組供電單主推進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行工況，不帶任何日用負(fù)荷，當(dāng)推進(jìn)功率70%額定功率時(shí)，400 V電網(wǎng)電壓總諧波畸變5.09%，經(jīng)過(guò)容量計(jì)算，當(dāng)推進(jìn)功率達(dá)70%時(shí)，加上日用負(fù)荷，機(jī)組負(fù)荷率將達(dá)到100%，變頻器的功率限制功能將會(huì)限制推進(jìn)功率，避免這種工況的出現(xiàn)。

圖10 變頻器輸入和400 V母線電壓波形

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)使用ETAP軟件進(jìn)行電力推進(jìn)系統(tǒng)不同工況的短路計(jì)算、保護(hù)整定配合、諧波分析，對(duì)電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證。同時(shí)將模型建立、短路計(jì)算、諧波分析的結(jié)合在一起，形成統(tǒng)一的計(jì)算分析報(bào)告，避免重復(fù)建模分析，消除了不同軟件之間計(jì)算結(jié)果的細(xì)微差異，大大減輕了計(jì)算分析的工作量。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙殿禮.船舶電氣設(shè)備及系統(tǒng)[M].大連海事大學(xué)出版社,2009.

[2]王毅,李和明,等.多電平PWM逆變電路諧波分析與輸出濾波器設(shè)計(jì)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2003,(10):78-82.

[3]STEINKE J K.Use of an LC filter to achieve a motor-friendly performance of the PWM voltage source inverter [J].IEEE Trans.on Energy Conversion,1999,(3):649 -654.

[4]馮煜埕,陳陳.電力系統(tǒng)分析軟件ETAP的特點(diǎn)與功能簡(jiǎn)介[J].上海電力,2004(5):417～420.

[5]ETAP電力及電氣系統(tǒng)綜合分析計(jì)算軟件應(yīng)用培訓(xùn)例題使用手冊(cè),歐特艾遠(yuǎn)東（南京）計(jì)算機(jī)技術(shù)有限公司,2010.9.

Simulation Analysis of the Electric Propulsion System Based on ETAP

Ke Changguo,Wu Chunji,Li Lihong
（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion,Wuhan 430064,China）

Abstract:Taken the design of a ship electric propulsion system for an example,the simulation analysis model of the power system is built,and the short-circuit current is calculated by use of ETAP.According to the calculation result,the breakers and its trip devices are coordinated for the selectivity protection analysis.At last,the design of the electric propulsion system is verified by the harmonic analysis.

Keywords:Electric Propulsion,Simulation,Short-circuit Current,Harmonic Analysis

作者簡(jiǎn)介：柯常國(guó)(1976-),男，高級(jí)工程師。研究方向：船舶電力推進(jìn)。

收稿日期：2015-12-16

中圖分類(lèi)號(hào)：TM728

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-4862（2016）02-00071-04