張 鵬，石 媛

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基于直流電網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)仿真研究

張 鵬，石 媛

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

對(duì)船舶電力系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀以及主電網(wǎng)電制的選擇進(jìn)行了簡(jiǎn)要概述，通過(guò)對(duì)比國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀以及交流電力系統(tǒng)和直流電力系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，指出基于直流電網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)是未來(lái)船舶電力系統(tǒng)的發(fā)展方向。對(duì)基于直流電網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)的負(fù)載分配律進(jìn)行了分析，隨后在MATLAB/Simulink中建立了一種基于直流電網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)的仿真模型，仿真驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性。

船舶 電力系統(tǒng) 直流電網(wǎng) 油耗率

0 引言

隨著電力電子技術(shù)以及新型材料的不斷發(fā)展和應(yīng)用，船舶電力系統(tǒng)也迎來(lái)了一個(gè)快速發(fā)展的階段。傳統(tǒng)的基于交流電網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)因?yàn)橐ＷC交流并網(wǎng)時(shí)電壓、頻率和相位都相一致，因此發(fā)電機(jī)要工作在額定轉(zhuǎn)速下。文獻(xiàn)[1]中通過(guò)對(duì)柴油機(jī)的油耗特性曲線進(jìn)行分析得出結(jié)論，工作在額定轉(zhuǎn)速下的柴油發(fā)電機(jī)組在低負(fù)載率的狀態(tài)下其油耗率并不理想。如果柴油機(jī)能根據(jù)負(fù)載的實(shí)際情況始終工作在低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩的情況下，則其油耗水平可以得到明顯降低，經(jīng)濟(jì)性得到大幅提升?；谥绷麟娋W(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)由于機(jī)組是在直流側(cè)并聯(lián)，因此對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)]有要求，可以根據(jù)負(fù)載狀況改變?cè)瓌?dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]對(duì)船舶電力系統(tǒng)電制的選擇與趨勢(shì)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，指出國(guó)際上船舶電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)為基于直流電網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)。文獻(xiàn)[4]中對(duì)ABB公司船用直流電網(wǎng)相關(guān)的產(chǎn)品進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，該產(chǎn)品不僅能夠減少大量的船舶配電設(shè)施，而且最多能夠降低20%的油耗，經(jīng)濟(jì)效果明顯。國(guó)外其他電氣公司也已經(jīng)有相應(yīng)的產(chǎn)品推出，如西門(mén)子的BlueDrivePlusC。國(guó)外基于直流電網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)相關(guān)產(chǎn)品已有實(shí)船應(yīng)用的案例。國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)的研究仍比較匱乏，投入的人力物力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，亟需引起相關(guān)領(lǐng)域人才的注意。

1電制的選擇

船舶電網(wǎng)的發(fā)展與陸地電網(wǎng)一樣，最早采用的也是直流電力系統(tǒng)。不過(guò)早期的直流電力系統(tǒng)采用的是直流發(fā)電機(jī)直接給全船電力設(shè)備供電的工作模式。隨著船舶電力系統(tǒng)供電容量的增大，大容量直流發(fā)電機(jī)的換相問(wèn)題一直難以克服。而交流發(fā)電機(jī)的產(chǎn)生很好地解決了直流發(fā)電機(jī)存在的問(wèn)題，大大降低了維修和保養(yǎng)的工作量，提高了運(yùn)行的可靠性。同時(shí)變壓器的廣泛應(yīng)用使設(shè)備幾乎可以得到任何需要的電壓，并且電氣設(shè)備重量尺寸小、價(jià)格低。因此，自20世紀(jì)30年代開(kāi)始，船舶電力系統(tǒng)進(jìn)入了交流的時(shí)代。然而，交流電力系統(tǒng)也存在一些固有的問(wèn)題難以解決，如控制復(fù)雜，電纜要求多等問(wèn)題。近幾年基于直流電網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)見(jiàn)諸報(bào)端，與以往的直流電力系統(tǒng)不同，該電力系統(tǒng)采用交流發(fā)電機(jī)帶整流器的形式工作。交流發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電經(jīng)整流器整合成直流電能，各用電設(shè)備可采用直接取電或通過(guò)逆變器取電的形式從直流電網(wǎng)中吸收電能。

基于交流電網(wǎng)的船舶電站其主回路采用的是三相交流電制，因此使用多組船舶發(fā)電機(jī)組同時(shí)供電時(shí)要保證電壓、頻率、相位三者相一致才能并網(wǎng)。而發(fā)電機(jī)輸出交流電的頻率，與轉(zhuǎn)速成正比。因此作為原動(dòng)機(jī)的柴油機(jī)，轉(zhuǎn)速必須得維持在額定值才能保證頻率不變。

相較于傳統(tǒng)基于交流電網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)，基于直流電網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)由于主電網(wǎng)采用的是直流電制，因此該系統(tǒng)在并聯(lián)時(shí)只需要保證各個(gè)發(fā)電機(jī)在直流側(cè)的電壓相一致即可，對(duì)頻率和相位沒(méi)有要求，因此對(duì)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速不再?lài)?yán)格限定在額定轉(zhuǎn)速，為柴油機(jī)的變速發(fā)電提供了應(yīng)用空間。基于直流電網(wǎng)的船舶電站使用多組柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組同時(shí)運(yùn)行，發(fā)出的交流電經(jīng)整流后在直流母線側(cè)并聯(lián)，再經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換之后可提供給船舶上的交流用電設(shè)備使用。

2功率的分配

2.1數(shù)學(xué)模型分析

基于直流電網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。由若干臺(tái)柴油機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行，發(fā)出的三相交流電經(jīng)整流之后并入直流電網(wǎng)，直流側(cè)可安裝濾波電容以提高供電質(zhì)量。在實(shí)際的工程應(yīng)用時(shí)，對(duì)于若干臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組，當(dāng)其穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，一般要求各機(jī)組之間的功率分配符合各自的容量之比。

轉(zhuǎn)子側(cè)方程為

轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程為

三相不控整流橋兩側(cè)交、直流電壓、電流與有功功率之間的關(guān)系可以描述為如下方程式：

將此極坐標(biāo)形式帶入上述直流側(cè)電壓、電流方程，可得

由此可知，三相不控整流發(fā)電機(jī)交流側(cè)的機(jī)端電壓和電流之間相角之差為常數(shù)[5]。

2.2穩(wěn)態(tài)功率的分配

對(duì)于如圖1中所示的并聯(lián)運(yùn)行的整流同步發(fā)電機(jī)的功率分配問(wèn)題，由轉(zhuǎn)子側(cè)方程可知，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)有

代入定子側(cè)方程，可得

對(duì)此，將定子側(cè)端電壓和端電流轉(zhuǎn)換成極坐標(biāo)形式，則有：

整理可得

2系統(tǒng)建模

現(xiàn)有的基于交流電網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)其結(jié)構(gòu)大致為，調(diào)速器控制原動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使其穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行；勵(lì)磁調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁，使發(fā)電機(jī)電壓能夠穩(wěn)定在額定電壓附近；發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相交流電電壓、相位和頻率一致的情況下可以直接并網(wǎng)，各個(gè)負(fù)載從電網(wǎng)中汲取電能?？梢钥闯?，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的目標(biāo)值是恒定不變的，基于直流電網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)可以此為基礎(chǔ)，通過(guò)改變調(diào)速器和勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的目標(biāo)值進(jìn)而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的可變控制。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。負(fù)載的信號(hào)實(shí)時(shí)反饋給綜合控制器，控制器一旦檢測(cè)到負(fù)載的變化，通過(guò)改變調(diào)速器的給定值調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，從而使整個(gè)船舶電站工作在油耗率比較理想的狀態(tài)，如此可以達(dá)到降低油耗，提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)的目的。

以圖2為藍(lán)本，在MATLAB/Simulink中搭建了基于直流電網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)仿真模型，如圖3所示。采用兩臺(tái)柴油機(jī)各自帶著一臺(tái)同步發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，根據(jù)負(fù)載的實(shí)際情形實(shí)時(shí)改變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，使柴油發(fā)電機(jī)組始終工作在大轉(zhuǎn)矩低轉(zhuǎn)速的情形下，以此實(shí)現(xiàn)降低油耗的目的。

圖3基于直流電網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)仿真模型

3 仿真分析

如圖4中所示，雙機(jī)并聯(lián)仿真中，兩臺(tái)機(jī)組能夠?qū)崿F(xiàn)功率的平均分配，且在負(fù)載變換的過(guò)程中能夠保持穩(wěn)定。

如圖5所示，發(fā)電機(jī)組根據(jù)負(fù)載的實(shí)際情形工作在不同的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的匹配點(diǎn)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器能夠確保發(fā)電機(jī)維持在綜合控制器給出的目標(biāo)轉(zhuǎn)速下。經(jīng)過(guò)與基于交流電網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)相比較，系統(tǒng)的油耗率有明顯下降。經(jīng)多次仿真驗(yàn)證，得出如圖6所示的恒速發(fā)電模式與變速發(fā)電模式的油耗率對(duì)比曲線。從圖中可以看出，在負(fù)載率低于80%的情況下，該系統(tǒng)均能有可觀的節(jié)油效果，最大能夠降低20%左右的油耗。

4結(jié)論

本文通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外船舶電力系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀，以及基于直流電網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)的特點(diǎn)，得出直流電網(wǎng)船舶電力系統(tǒng)能夠降低系統(tǒng)油耗，提升經(jīng)濟(jì)性的結(jié)論。通過(guò)分析多機(jī)并聯(lián)運(yùn)行下機(jī)組之間的功率分配率，在MATLAB中建立了多機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的仿真模型。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與可行性。

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Research on Simulation of Ship’S Power System Based on DC Power Grid

Zhang Peng, Shi Yuan

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM743

A

1003-4862（2016）09-0053-04

2016-04-15

張鵬（1983-），男，工程師。研究方向：電力技術(shù)應(yīng)用。