熊 源

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基于MATLAB的溢油回收船電力推進系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)壓降仿真與分析

熊 源

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

本文依據(jù)萬噸級溢油回收船船舶電網(wǎng)設(shè)計要求構(gòu)建滿足系統(tǒng)要求的電力系統(tǒng)，并根據(jù)相關(guān)參數(shù)進行電壓壓降MATLAB仿真，研究和分析船舶電網(wǎng)日常使用和誤操作啟動大型負載對電網(wǎng)的沖擊現(xiàn)象。仿真結(jié)果表明，無勵磁啟動大型負載時電網(wǎng)壓降很明顯，特別是在網(wǎng)功率不足時壓降失真更嚴重，為避免引起保護開關(guān)誤動作，需保證預(yù)充磁變壓器正常投入運行。

溢油回收船 電力推進系統(tǒng) 電壓壓降 MATLAB仿真

0 引言

在船舶配電系統(tǒng)中，電壓壓降是一種常見的電壓擾動，主要指電網(wǎng)電壓有效值在短時間或長時間內(nèi)出現(xiàn)電壓下降的現(xiàn)象。一般可分為穩(wěn)態(tài)壓降和暫態(tài)壓降，其中后者主要是由于電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障或者電網(wǎng)中有大容量負載設(shè)備啟動時對電網(wǎng)造成沖擊引起的現(xiàn)象。電壓暫降會降低電網(wǎng)質(zhì)量，嚴重的可能造成發(fā)電機停機、變頻器失壓保護誤動作和配電板斷路器脫扣，進而造成全船失電事故或?qū)σ恍┟舾须娮釉O(shè)備元器件造成損壞或者造成計算機存儲數(shù)據(jù)丟失，給用戶造成巨大的經(jīng)濟損失。為了避免此類故障的發(fā)生和全面掌握、了解可能出現(xiàn)的電壓暫降幅度和規(guī)律，現(xiàn)采用MATLAB仿真軟件對船舶電力系統(tǒng)進行建模，并根據(jù)具體工況分析電網(wǎng)電壓變化情況。

1 仿真環(huán)境

本船交流電力系統(tǒng)采用AC690V，主電源配置為4臺AC690V柴油發(fā)電機組、1臺AC690V停泊發(fā)電機組和1臺AC400V應(yīng)急發(fā)電機組，對全船電力系統(tǒng)負載進行供電。主要負載包括配電變壓器、主推進移相變壓器、艏側(cè)推移相變壓器等大型負載以及下級負載。根據(jù)提供的設(shè)備參數(shù)在MATLAB建立各個發(fā)電機組和電力系統(tǒng)整體仿真模型，如圖1、2所示。電網(wǎng)參數(shù)的設(shè)定可參考如下：機組電壓為半載整定（50%負荷），主發(fā)電機組電壓調(diào)整率定為2.5%。發(fā)電機空載（0%）電壓約為：

圖1 發(fā)電機模型

圖2 電力系統(tǒng)電網(wǎng)模型圖

2 仿真結(jié)果

2.1 穩(wěn)態(tài)電壓壓降

穩(wěn)態(tài)壓降計算為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時電網(wǎng)各點的壓降，壓降包括發(fā)電機壓降、電纜壓降和變壓器壓降等。運行仿真船舶電網(wǎng)系統(tǒng)，分別測量發(fā)電機組滿載、半載和空載時發(fā)電機輸出端電壓以及各段母線電壓，其結(jié)果如表1所示。其中滿載時計算各段電纜上損耗的壓降如下：

1)發(fā)電機至690 V母線電纜壓降約為2 V；

2)690 V母線至日用變壓器原邊電纜壓降為1V；

3)日用變壓器副邊至400 V母線電纜壓降為0.9V；

4)400 V母線至135 kVA照明變壓器原邊電纜壓降為0.6 V；

5)135 kVA照明變壓器副邊至230 V母線電纜壓降為0.8 V。

穩(wěn)態(tài)壓降計算是按照最惡劣情況進行計算，在實際情況下，負載一般不會工作在滿負荷，所以變壓器和電纜壓降會比計算值要偏小，所以滿載情況下系統(tǒng)各節(jié)點電壓會比計算值稍高。從以上結(jié)果分析，其壓降比顯然遠低于5%，符合船用電網(wǎng)電能質(zhì)量標準。

2.2 暫態(tài)電壓壓降

瞬態(tài)壓降計算為假定在某個負載突然投入系統(tǒng)時系統(tǒng)電網(wǎng)各點的電壓降，由于變頻負荷在投入時通常負荷是緩慢增加，對電網(wǎng)瞬態(tài)沖擊可以忽略。由于主推進變壓器、消防泵變壓器，日用變壓器均配有預(yù)充磁裝置，啟動電流無沖擊，對電網(wǎng)瞬態(tài)沖擊可以忽略。現(xiàn)分析在無勵磁啟動該類設(shè)備時對電網(wǎng)造成的電壓沖擊并與有勵磁啟動時做比較。在無勵磁時，延時0.5 s合閘開關(guān)，觀察電壓和電流波形；有勵磁時，選擇容量為啟動設(shè)備2%大小的預(yù)充磁變壓器，先預(yù)充磁1.5 s，然后合閘開關(guān)，觀察電壓和電流波形。

1）無勵磁啟動主推進設(shè)備

考慮四臺發(fā)電機組在網(wǎng)的條件下，主推進變壓器不經(jīng)過預(yù)勵磁直接空載合閘啟動對690 V電網(wǎng)的沖擊所造成的壓降，從圖3（a）中可知母線壓降約為20 V，推進設(shè)備啟動電流涌流峰值約6200 A。而圖3（b）中在有勵磁啟動條件下，電壓壓降<1 V，沖擊電流430 A。

（a）

（b）

圖3 滿載啟動主推進電壓電流波形圖

2）電站部分發(fā)生接地或短路故障時，主推進設(shè)備會直接不預(yù)勵磁的情況下直接接到另一部分電站上產(chǎn)生的瞬時壓降影響

考慮2臺發(fā)電機組在網(wǎng)的條件下，主推進設(shè)備不經(jīng)過預(yù)勵磁直接啟動時對690 V電網(wǎng)的沖擊所造成的壓降，從圖4（a）中可知母線壓降約為40 V，推進設(shè)備啟動電流涌流峰值約5800 A；圖4（b）中，給定勵磁的情況下，壓降僅為1 V。

（a）

（b）

圖4 半載啟動主推進電壓電流波形圖

3）停泊發(fā)電機400 kW在網(wǎng)時，直接起動最大電機瞬時電壓降

考慮1臺停泊發(fā)電機組在網(wǎng)的條件下，主推進設(shè)備不經(jīng)過預(yù)勵磁直接啟動時對690 V電網(wǎng)的沖擊所造成的壓降。從圖5（a）中可知母線壓降約為170 V，推進設(shè)備啟動電流涌流峰值約2500 A；圖5（b）中母線電壓下降為4 V，沖擊電流為210 A。

（a）

（b）

圖5 停泊啟動主推進電壓電流波形圖

4）停泊發(fā)電機400 kW在網(wǎng)時，接入主變壓器時的瞬時電壓降

考慮1臺停泊發(fā)電機組在網(wǎng)的條件下，配電變壓器不經(jīng)過預(yù)勵磁直接啟動時對690 V電網(wǎng)的沖擊所造成的壓降，從圖6（a）中可知母線壓降約為105 V，推進設(shè)備啟動電流涌流峰值約1700 A；圖6（b）中電壓壓降接近5 V，沖擊電流150 A。計算壓降均為該段母線最大瞬態(tài)壓降，綜合對比勵磁前后的電壓壓降和沖擊電流，后者大大改善，電壓壓降很小，沖擊電流減小一個級數(shù)，不會引起斷路器脫扣，結(jié)果表明在預(yù)充磁下系統(tǒng)母線瞬態(tài)壓降滿足CCS規(guī)范要求。

3 總結(jié)

通過MATLAB仿真對溢油回收船電力電網(wǎng)進行電壓降分析，能夠較為清楚的表明系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)壓降的大小，壓降的幅度與電網(wǎng)在網(wǎng)運行機組功率大小以及啟動負載的大小有直接關(guān)系。全載啟動和半載啟動時壓降別為20 V和40 V，電網(wǎng)沖擊電流較大，可能引起保護開關(guān)誤操作；若單臺停泊機組在網(wǎng)時，啟動推進負載壓降很大，會引起發(fā)電機停機和保護開關(guān)脫扣致使全船失電。因此為避免此類事故發(fā)生，船用大型負載啟動時需確保預(yù)充磁正常運行，避免啟動時對電網(wǎng)沖擊較大，導(dǎo)致較大的電壓壓降。

（a）

（b）

圖6 停泊啟動配電變壓器電壓電流波形圖

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Simulation and Analysis of Steady and Transient Voltage Drop for OSRV propulsion System Based on MATLAB

Xiong Yuan

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

TH311

A

1003-4862（2017）07-0041-03

2016-11-14

熊源（1989-），男，碩士。研究方向：電氣工程。