謝嘉令，施偉鋒，卓金寶

?

船舶電力系統(tǒng)燃?xì)廨啓C(jī)組雙機(jī)并聯(lián)運(yùn)行建模與仿真

謝嘉令，施偉鋒，卓金寶

（上海海事大學(xué)，上海 201306）

海洋船舶正朝著超大型方向發(fā)展，燃?xì)廨啓C(jī)憑借其啟動速度快，功率密度大等特點(diǎn)，正越來越多的被應(yīng)用到船舶電力系統(tǒng)的發(fā)電系統(tǒng)中。同時由于全電船的出現(xiàn)，中壓電力系統(tǒng)正逐漸成為大型海洋船舶電力系統(tǒng)的發(fā)展方向。由于電力推進(jìn)船的電動機(jī)單機(jī)容量大于發(fā)電機(jī)單臺容量，通常會使多臺發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，從而保證電站的可靠性以及使發(fā)電機(jī)運(yùn)行在最佳狀態(tài)。本文通過對以燃?xì)廨啓C(jī)作為原動機(jī)的4.16kV船舶中壓電力系統(tǒng)進(jìn)行建模，同時對發(fā)電機(jī)組并車工況進(jìn)行仿真。仿真實驗驗證了此系統(tǒng)模型的正確性，可以用于船舶中壓電力系統(tǒng)運(yùn)行工況的仿真和分析。

船舶中壓電力系統(tǒng) 發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行 自動并車裝置 燃?xì)廨啓C(jī)

0 引言

當(dāng)前，大型海上船舶的推進(jìn)方式從內(nèi)燃機(jī)推進(jìn)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿娏ν七M(jìn)，船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)入了一個新的發(fā)展時期。隨著全電船的應(yīng)用，船舶電力系統(tǒng)的容量與結(jié)構(gòu)發(fā)生了突破性的變化，中壓電力系統(tǒng)成為大型海洋船舶電力系統(tǒng)的發(fā)展方向[1]?，F(xiàn)代船舶發(fā)電系統(tǒng)主要采用柴油機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)作為原動機(jī)。憑借著單機(jī)功率大、體積小、重量輕、機(jī)動性好、可靠性高和震動小等特點(diǎn)，燃?xì)廨啓C(jī)組發(fā)電成為目前電力推進(jìn)船舶的主要發(fā)電技術(shù)之一。為研究燃?xì)廨啓C(jī)組發(fā)電在實際船舶中壓電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，需要建立可以模擬實際系統(tǒng)的數(shù)字仿真模型。

目前已有大量的文獻(xiàn)對船舶中壓電力系統(tǒng)進(jìn)行研究，文獻(xiàn)[4]著重于燃?xì)廨啓C(jī)的電氣特性對燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行建模，文獻(xiàn)[5]采用了分層結(jié)構(gòu)和模塊化設(shè)計，對船舶電力系統(tǒng)進(jìn)行建模并且具有穩(wěn)態(tài)、動態(tài)仿真的功能。文獻(xiàn)[6]對一次典型的發(fā)電機(jī)組逆功率停機(jī)事件進(jìn)行深入剖析，并結(jié)合實際仿真給出具體的建議。文獻(xiàn)[7]對多臺柴油發(fā)電機(jī)組在并聯(lián)運(yùn)行過程中的并車工況進(jìn)行了仿真研究。文獻(xiàn)[8]結(jié)合19100TEU集裝箱船＂大西洋＂輪對中壓電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及特點(diǎn)進(jìn)行建模。上述研究的發(fā)電系統(tǒng)原動機(jī)大多為柴油機(jī)，功率較小。

本文利用Matlab/Simulink仿真軟件，建立了以燃?xì)廨啓C(jī)為原動機(jī)，以推進(jìn)電機(jī)為主要用電單元的4.16kV船舶中壓電力系統(tǒng)模型，最后對發(fā)電機(jī)組并車工況進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明此系統(tǒng)模型可以有效模擬燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組在中壓船舶電力系統(tǒng)中實際運(yùn)行的狀態(tài)，為中壓船舶電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)組的優(yōu)化控制研究提供了基礎(chǔ)。

1 電力推進(jìn)船舶電力系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

某超大型集裝箱船舶中壓電力系統(tǒng)，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。該船舶采用4.16 kV中壓電力系統(tǒng)，此系統(tǒng)由兩組30MW/ 4.16 kV/ 60 Hz燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組（1、3號機(jī)組）以及一組15MW/ 4.16 kV/ 60 Hz燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組（2號機(jī)組）作為發(fā)電單元提供電力，同時備有一組10 MW應(yīng)急發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急發(fā)電單元。

中壓電力系統(tǒng)以主配電屏作為電能管理和分配裝置，電力負(fù)荷配置有一臺20 MW的主推進(jìn)電機(jī)、一臺15 MV的輔助推進(jìn)電機(jī)和一臺5 MW的側(cè)推器，將錨機(jī)、起重機(jī)和牽引機(jī)等統(tǒng)一而成的短時負(fù)載，以及將冷藏、通風(fēng)和220 V低壓系統(tǒng)等負(fù)載統(tǒng)一為全時間段消耗電能的基本負(fù)載。

2 同步發(fā)電機(jī)組的并聯(lián)運(yùn)行

2.1 同步發(fā)電機(jī)的并車條件

對于一個運(yùn)行中的電站，在進(jìn)行三相同步發(fā)電機(jī)準(zhǔn)確同步并車操作時，要求待并發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)的電壓、頻率以及相位一致，若在此瞬間將待并發(fā)電機(jī)組主開關(guān)合閘投入電網(wǎng)，則在待并發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)（或運(yùn)行發(fā)電機(jī)組）之間不會產(chǎn)生沖擊電流，這是準(zhǔn)確同步的理想情況。

圖 1超大型集裝箱船舶中壓電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

然而在進(jìn)行實際并車操作時要達(dá)到這種理想情況是不可能的。一般情況下，要求并網(wǎng)時待并發(fā)電機(jī)組端電壓和電網(wǎng)電壓之間誤差不超過10%，頻率差不超過0.5 Hz，相位差不超過15電角度。

當(dāng)并車的任一條件不滿足時，發(fā)電機(jī)組間會產(chǎn)生沖擊電流[3]。當(dāng)沖擊電流在許可范圍內(nèi)時，可以將兩臺發(fā)電機(jī)拉入同步，有助于發(fā)電機(jī)并車。但是過大的沖擊電流可能會導(dǎo)致并車失敗或者使系統(tǒng)電壓下降，甚至出現(xiàn)跳電，損壞機(jī)組等事故。

2.2 自動并車裝置

船舶同步發(fā)電機(jī)的自動并車裝置包括手動操作的全部邏輯程序，可以自動完成手動并車操作全過程，并且具有以下功能：1）判斷待并發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)電壓差、頻率差和相位差，當(dāng)任意條件不符合并車要求時，實現(xiàn)閉鎖，不允許發(fā)出合閘指令；2）檢測待并發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的頻差的大小和方向，自動對待并發(fā)電機(jī)發(fā)出調(diào)頻信號，縮小頻差，直到滿足并車條件為止；3）當(dāng)電壓差、頻率差在允許范圍內(nèi)時，自動捕捉相位條件，相位條件滿足后才允許發(fā)出合閘指令；4）合閘指令的發(fā)出應(yīng)該考慮到發(fā)電機(jī)開關(guān)固有動作時間，即需要有提前量，從而保證合閘瞬間具有最小的合閘相位角，并使并車的沖擊電流達(dá)到最小。并車裝置大致可以分為三大部分：調(diào)壓、調(diào)頻與合閘部分，圖2為其原理圖。

3 中壓電力系統(tǒng)建模

3.1 燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組建模

船舶發(fā)電機(jī)組是將機(jī)械能等其他形式的能量轉(zhuǎn)化為電能的裝置。燃?xì)廨啓C(jī)組系統(tǒng)控制框圖如圖3所示。本文注重燃?xì)廨啓C(jī)組的電氣特性，采用標(biāo)幺制的隱極同步發(fā)電機(jī)，選用IEEEAC1A型標(biāo)準(zhǔn)勵磁模型進(jìn)行建模。

圖2 自動并車裝置原理圖

圖3 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組控制框圖

3.2 準(zhǔn)同步并車裝置建模

3.2.1壓差檢測模型

由此我們可以得到如圖4所示的壓差檢測模型。

3.2.2頻差測量模型

為測量頻率，本文通過將待測電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榉讲ㄐ盘?，先測得方波信號的周期，由該周期即可得出電壓的正弦周期，經(jīng)過換算，即可得出原來正弦波的頻率。根據(jù)上述原理建立如圖5所示的頻差模型。

圖5 頻差檢測模型

3.2.3相角差測量模型

根據(jù)發(fā)電機(jī)并車要求，電網(wǎng)與待并機(jī)組之間的相角差在±15°內(nèi)。因此相角差檢測裝置的作用就是檢測電網(wǎng)與待并機(jī)組件的相角差是否在要求范圍內(nèi)，即滿足式(3)

為檢測相角差，同樣先將待并機(jī)和電網(wǎng)的電壓正弦波轉(zhuǎn)變成矩形方波，通過“異或”邏輯運(yùn)算，得到一系列異或方波，輸出的異或方波的寬度與相角差一致[8]。通過上述原理即可建立如圖6所示的相角差檢測裝置的模型。

3.3 負(fù)載建模

推進(jìn)電機(jī)是船舶綜合電力系統(tǒng)中最主要的大功率負(fù)載，通常永磁同步電動機(jī)和異步電機(jī)都可以作為推進(jìn)電機(jī)。本文采用標(biāo)幺制的鼠籠式異步電動機(jī)對推進(jìn)電機(jī)進(jìn)行建模。設(shè)螺旋槳轉(zhuǎn)矩與電機(jī)轉(zhuǎn)速的平方成正比，即滿足式(4)

為簡化模型，本文將照明設(shè)備、電子設(shè)備等統(tǒng)一成靜態(tài)負(fù)載即R-L負(fù)載。船舶電力系統(tǒng)中的靜態(tài)負(fù)載為感性負(fù)載，滿足式(5)

且靜態(tài)負(fù)載一般滿足式(6)

4 系統(tǒng)運(yùn)行與并車仿真

4.1 單發(fā)電機(jī)組投切靜態(tài)負(fù)載仿真

當(dāng)發(fā)電機(jī)空載穩(wěn)定運(yùn)行時，于4.99s突加功率因數(shù)為0.33、功率是發(fā)電機(jī)功率的60%的靜態(tài)負(fù)載，穩(wěn)定運(yùn)行一段時間后，于10s突卸負(fù)載，觀察發(fā)電機(jī)端電壓變化情況。發(fā)電機(jī)組端電壓變化如圖8所示。

圖8 發(fā)電機(jī)端電壓變化曲線

從圖8可知，發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后，其端電壓保持額定電壓，在4.99 s突加60%負(fù)載瞬間，端電壓值突降至額定電壓88%，再次穩(wěn)定后，于10 s突卸負(fù)載，端電壓最大上升至113.5%，經(jīng)過約0.5 s恢復(fù)穩(wěn)定。結(jié)果表明該發(fā)電機(jī)組符合《鋼質(zhì)海船入籍規(guī)范規(guī)定》中所提及的發(fā)電機(jī)組調(diào)壓特性要求。

發(fā)電機(jī)組空載穩(wěn)定運(yùn)行，于10 s突加50%額定負(fù)載，穩(wěn)定后于20 s再加剩余的50%。觀察原動機(jī)瞬時轉(zhuǎn)速。發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速變化如圖9所示

圖9 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線

4.2 雙機(jī)并車運(yùn)行

4.2.1不考慮發(fā)電機(jī)組并車條件

一臺待并的30 MVA汽輪機(jī)，帶18 MVA的負(fù)載啟動，另一臺30 MVA的汽輪機(jī)在網(wǎng)運(yùn)行，10 s前在網(wǎng)的負(fù)載有2個10MW的靜態(tài)負(fù)載。于7.266 s時發(fā)出并車指令（0為不發(fā)出，1為發(fā)出），7.304 s時合閘（0為不合閘，1為合閘）并車成功，觀察電網(wǎng)沖擊電流以及發(fā)電機(jī)各項參數(shù)變化情況。

圖10并車指令與合閘指令

圖12 兩發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速變化曲線

圖13 兩發(fā)電機(jī)組端電壓變化曲線

從圖10～圖14可以發(fā)現(xiàn)，并車指令于7.266 s發(fā)出，但是由于此時不符合并車條件，并車裝置于7.304 s左右才發(fā)出合閘指令，此時并網(wǎng)發(fā)電機(jī)在兩臺發(fā)電機(jī)組間引起數(shù)倍于額定電流的沖擊電流，過大的沖擊電流可能會引起設(shè)備損壞。

圖14 兩發(fā)電機(jī)組輸出功率變化曲線

4.2.2考慮發(fā)電機(jī)組并車條件

現(xiàn)將并車信號于最小壓差時刻發(fā)出即待并機(jī)于4.869 s時并入電網(wǎng)，仿真數(shù)據(jù)如圖所示

圖15 合閘壓差與沖擊電流

圖16兩發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速變化曲線

通過圖15～圖18可知，并車瞬間，兩發(fā)電機(jī)間沖擊電流很小。并車過程中，發(fā)電機(jī)各參數(shù)變化平穩(wěn)。并車瞬間發(fā)電機(jī)端電壓略高于其額定電壓，其原因是為了向系統(tǒng)輸入無功功率。并車前由于1號機(jī)組負(fù)載較大，故1號機(jī)組發(fā)出的功率大于2號機(jī)組。并車后由于調(diào)頻調(diào)載的作用，使得兩臺發(fā)電機(jī)有功功率得到平均分配。

通過對雙機(jī)并車運(yùn)行進(jìn)行模擬仿真后可知，在合適的時機(jī)合閘，可以減小發(fā)電機(jī)間的沖擊電流，從而延長設(shè)備使用壽命。其次發(fā)電機(jī)組的自動調(diào)壓裝置通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵磁電流對電壓進(jìn)行控制，這為并聯(lián)發(fā)電機(jī)負(fù)荷均分提供了基礎(chǔ)。

圖18 兩發(fā)電機(jī)組輸出功率變化曲線

5 結(jié)論

本文根據(jù)船舶發(fā)電機(jī)組的并車原理，基于Matlab/Simulink仿真工具對某超大型集裝箱船舶中壓電力系統(tǒng)的并網(wǎng)過程進(jìn)行了仿真分析。分析了發(fā)電機(jī)組的調(diào)壓特性與調(diào)速性能，仿真結(jié)果表明本文所建立的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組仿真系統(tǒng)可以反映船舶電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，可以用于船舶中壓電力系統(tǒng)仿真研究；通過對并車工況的仿真，證明了并車裝置的有效性以及合閘時機(jī)選擇的重要性。通過上述仿真實驗，進(jìn)一步表明該電力系統(tǒng)模型有能力對船舶實際運(yùn)行的情況進(jìn)行仿真。

[4] 施偉鋒,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.

[5] 薛士龍. 船舶電力系統(tǒng)及其自動控制[M].北京:電子工業(yè)出版社,2012.

[6] 姜錦范. 船舶電站及自動化[M].大連:大連海事大學(xué)出版社,2006.

[7] 卓金寶,施偉鋒,張威. 船舶電力推進(jìn)中燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組建模與仿真[J]. 計算機(jī)仿真, 2016,33(12):143-147.

[8] 王淼. 全電力推進(jìn)船舶電力系統(tǒng)的數(shù)字仿真[J].電工技術(shù)學(xué)報,2016,21(4):62-67.

[9] 邢瑞江. 基于Matlab的大機(jī)組程序逆功率停機(jī)事件的分析[J]. 發(fā)電技術(shù),2015,36(164):36-38.

[10] 萬偉學(xué). 船舶發(fā)電機(jī)組并車穩(wěn)定性建模及仿真[J].船電技術(shù),2016,36(12):40-45.

[11] 鄭恒持. 船舶中壓電力系統(tǒng)建模與仿真[D]. 遼寧：大連海事大學(xué),2017.

Modeling and Simulation of Parallel Operation on Gas Turbine Sets of Marine Electric Power System

Xie Jialing, Shi Weifeng, Zuo Jinbao

（Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China）

TM 31

A

1003-4862（2017）11-0008-05

2017-09-15

謝嘉令（1991-），男，碩士生。研究方向：船舶、港口系統(tǒng)的建模與控制。