船舶綜合電力系統(tǒng)仿真研究

2010-07-23 12:58:10陳次祥劉莉飛唐石青趙躍平

船舶與海洋工程 2010年1期

陳次祥，劉莉飛，唐石青，趙躍平

（704研究所，上海 200030）

0 概述

綜合電力系統(tǒng)以“電力集成”為指導(dǎo)思想來研究船舶電能的產(chǎn)生、輸送、變換、分配及利用電能實(shí)現(xiàn)船舶電力推進(jìn)和高能武器發(fā)射，其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示（其中 G1… Gn代表高功率密度大容量發(fā)電模塊）。綜合電力系統(tǒng)由下列若干個(gè)模塊組成：

1)發(fā)電模塊。經(jīng)環(huán)形電網(wǎng)向全船各區(qū)域配電系統(tǒng)供電；

2)電能調(diào)度及智能管理模塊。對(duì)全船各區(qū)域配電系統(tǒng)實(shí)行電能分配及智能監(jiān)控；

3)區(qū)域配電模塊。將電力輸送到各個(gè)電力區(qū)的負(fù)荷中心,然后再分配到用電設(shè)備,采用區(qū)域配電可使發(fā)電機(jī)的運(yùn)行頻率不受用電設(shè)備對(duì)頻率的嚴(yán)格限制,實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)和整流設(shè)備成本、體積和重量的最佳化、集成化；

4)電力推進(jìn)模塊。用以實(shí)現(xiàn)船舶電力推進(jìn)；

5)高能武器電力變換模塊。為激光武器、電磁炮、電熱化學(xué)炮等高能武器提供物質(zhì)基礎(chǔ)。

每個(gè)模塊都是高度集成化的完整系統(tǒng)，目前國(guó)際上針對(duì)船舶綜合電力系統(tǒng)各個(gè)組成模塊的研究已相當(dāng)深入且具備了一定的規(guī)模[1]。

圖1 船舶綜合電力系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)圖

目前，針對(duì)綜合電力系統(tǒng)的集成技術(shù)研究方式有3種：一是通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)，建立數(shù)學(xué)理論分析模型進(jìn)行各種關(guān)鍵技術(shù)的分析計(jì)算，這種基于物理底層的分析方法對(duì)專業(yè)知識(shí)及數(shù)學(xué)功底要求較高，通用性不強(qiáng)，很難普遍實(shí)施；二是建立1∶1或縮比的物理仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行實(shí)物仿真分析驗(yàn)證，這種方式優(yōu)點(diǎn)是保持和實(shí)際系統(tǒng)近似，試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)論非常可靠，但是成本較高，周期較長(zhǎng)；三是數(shù)字仿真，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字仿真技術(shù)已逐漸在世界范圍內(nèi)興起并成為各行業(yè)進(jìn)行分析計(jì)算的主導(dǎo)工具，就綜合電力系統(tǒng)集成技術(shù)的分析而言，目前國(guó)外包括軍方和民用廠商在內(nèi)的船舶綜合電力系統(tǒng)集成方均采用仿真軟件計(jì)算分析數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)的指導(dǎo)性依據(jù)。

本文以當(dāng)前國(guó)內(nèi)外在船舶綜合電力系統(tǒng)仿真領(lǐng)域使用最為廣泛的 Matlab/Simulink作為目標(biāo)對(duì)象，進(jìn)行綜合電力系統(tǒng)仿真試驗(yàn)分析。

1 綜合電力系統(tǒng)仿真

綜合電力系統(tǒng)的仿真主要分為關(guān)鍵設(shè)備建模與系統(tǒng)仿真，其中關(guān)鍵設(shè)備建模主要是對(duì)船舶綜合電力系統(tǒng)各組成設(shè)備進(jìn)行物理模型抽象，建立在Matlab/Simulink下的模型模塊；系統(tǒng)仿真則是利用各關(guān)鍵設(shè)備模型之間的動(dòng)態(tài)接口，搭建整個(gè)船舶綜合電力系統(tǒng)，然后進(jìn)行系統(tǒng)集成技術(shù)分析。

1.1 設(shè)備建模

1.1.1 發(fā)電設(shè)備建模

發(fā)電設(shè)備建模主要包括原動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)與勵(lì)磁系統(tǒng)模型。

1.1.1.1 發(fā)電機(jī)建模

在Matlab/Simulink中，同步發(fā)電機(jī)的模型包括有名值和標(biāo)幺值兩類，均是在 dp軸坐標(biāo)系下建立的。該模型的電氣部分是一個(gè)6階狀態(tài)空間方程組[2]。另外，該模型還包括一個(gè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程。

該電路對(duì)應(yīng)的狀態(tài)空間方程組為：

式中：Vd——定子d軸電壓；

Vq——定子q軸電壓；

V——?jiǎng)?lì)磁繞組電壓；

V——d軸阻尼繞組電壓；

V——q軸第1阻尼繞組電壓；

V——q軸第2阻尼繞組電壓；

φ——分別為定子d軸與q軸磁鏈；

φ——?jiǎng)?lì)磁繞組磁鏈；

φ——d軸阻尼繞組磁鏈；

φ——分別為q軸第 1、第2阻尼繞組磁鏈；

Rs——定子繞組電阻；

R——?jiǎng)?lì)磁繞組電阻；

R——d軸阻尼繞組電阻；

R——分別為q軸第1、第2阻尼繞組電阻；

ωR——同步角頻率；

i——分別為定子d軸與q軸電流；

i——?jiǎng)?lì)磁繞組電流；

i——d軸阻尼繞組電流；

i——分別為q軸第1、第2阻尼繞組電流；

L——分別為定子d軸與q軸電感；

i——?jiǎng)?lì)磁繞組電流；

i——d軸阻尼繞組電流；

i——分別為q軸第1、第2阻尼繞組電流。

轉(zhuǎn)子機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程為：

式中：H——時(shí)間常數(shù)；

Ω——角速度；

T——轉(zhuǎn)矩。

1.1.1.2 原動(dòng)機(jī)建模

將柴油機(jī)及調(diào)速器的數(shù)學(xué)模型組合在一起組成船用原動(dòng)機(jī)（主要考慮柴油機(jī)）的底層數(shù)學(xué)模型。同時(shí)，船用柴油機(jī)一般具備一定的調(diào)差，因此在原動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)建模過程中應(yīng)考慮調(diào)速器的調(diào)差性能，這點(diǎn)在多機(jī)并聯(lián)過程中將顯得尤為重要[3]。圖2為考慮調(diào)差系數(shù)的柴油機(jī)及調(diào)速器函數(shù)框圖，圖3為在Matalb/Simulink下的仿真模型框圖。

圖2 柴油機(jī)及調(diào)速器框圖

圖3 柴油機(jī)及調(diào)速器傳遞函數(shù)仿真模型

1.1.1.3 勵(lì)磁系統(tǒng)建模

構(gòu)成相復(fù)勵(lì)交流勵(lì)磁系統(tǒng)的基本元件有：交流勵(lì)磁機(jī)、整流器、相復(fù)勵(lì)電路、電壓差檢測(cè)電路、滯后超前補(bǔ)償器、電壓調(diào)差環(huán)節(jié)等。本文參考IEEE ST2A型勵(lì)磁系統(tǒng)，搭建了相復(fù)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)（交流勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)）的簡(jiǎn)化模型，并根據(jù)實(shí)際的船用勵(lì)磁系統(tǒng)，建立勵(lì)磁系統(tǒng)+AVR模型。

引入無(wú)功電流與調(diào)差電阻作為系統(tǒng)的電壓參考量，便于機(jī)組并車期間的無(wú)功功率分配和穩(wěn)定。這點(diǎn)和實(shí)際的船用勵(lì)磁系統(tǒng)模型保持一致[4,5,6]。

1.1.1.4 調(diào)速試驗(yàn)

為了考核上述原動(dòng)機(jī)及調(diào)速器數(shù)學(xué)模型的正確性，根據(jù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)要求，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)調(diào)速試驗(yàn)和瞬態(tài)調(diào)速試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：

考察系統(tǒng)在突加 0%～40%、40%～70%、70%～100%以及100%～0% 3級(jí)加載和1級(jí)卸載的過程中系統(tǒng)能否滿足瞬態(tài)調(diào)速要求。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 1所示。

表1 瞬態(tài)調(diào)速試驗(yàn)記錄

重點(diǎn)考察系統(tǒng)在功率因數(shù)為1%、20%、50%、75%和 100%額定負(fù)載下系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和頻率是否滿足要求，試驗(yàn)記錄如表2所示。

表2 穩(wěn)態(tài)調(diào)速試驗(yàn)記錄

1.1.1.5 調(diào)壓試驗(yàn)

系統(tǒng)在50%額定負(fù)載進(jìn)行整定，重點(diǎn)考察系統(tǒng)帶功率因數(shù)為 0.8的負(fù)載，在 20%、50%、75%和100%額定負(fù)載下系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和頻率，瞬態(tài)調(diào)壓試驗(yàn)記錄如表3，穩(wěn)態(tài)調(diào)壓試驗(yàn)記錄如表4。

表3 瞬態(tài)調(diào)壓試驗(yàn)記錄

表4 穩(wěn)態(tài)調(diào)壓試驗(yàn)記錄

1.1.2配電設(shè)備建模

在船舶綜合電力系統(tǒng)中，系統(tǒng)的配電主要考慮問題有兩個(gè)：一是大容量日用變壓器及預(yù)充磁建模；另一個(gè)是推進(jìn)變壓器的移相建模問題。

1.1.2.1 大容量日用變壓器及預(yù)充磁

預(yù)充磁變壓器的連接方式如圖4所示，一般其容量為主變壓器的1%，變比相當(dāng)。進(jìn)行預(yù)充磁時(shí)，主變壓器為預(yù)充磁變壓器的負(fù)載，相對(duì)于變壓器正常工作狀態(tài)，預(yù)充磁變壓器工作一段時(shí)間之后，主變壓器內(nèi)部通過預(yù)充磁建立穩(wěn)態(tài)的交變磁通，當(dāng)變壓器主開關(guān)合上時(shí)，由于內(nèi)部磁通的穩(wěn)定，不會(huì)造成系統(tǒng)磁通的突變，沖擊電流隨之消失[7]。根據(jù)圖4所示的實(shí)際系統(tǒng)，搭建大容量日用變壓器及預(yù)充磁模型并進(jìn)行仿真試驗(yàn)驗(yàn)證，波形見圖5。

圖4 變壓器預(yù)充磁示意圖

圖5 帶預(yù)充磁變壓器空載合閘試驗(yàn)波形

1.1.2.2 推進(jìn)變壓器移相處理

推進(jìn)變壓器的移相主要用于進(jìn)行諧波抑制，目前主要有12脈波整流（移相30°）、24脈波整流（移相15°）及虛擬48脈波整流（移相7.5°）。實(shí)船上應(yīng)用最多時(shí)是12脈波整流對(duì)應(yīng)于單推進(jìn)工況及24脈波整流對(duì)應(yīng)雙推進(jìn)工況。本文將主要針對(duì)24脈波整流變壓器進(jìn)行移相建模。系統(tǒng)仿真波形如圖6所示。

圖6 移相變壓器仿真波形

1.1.3 用電設(shè)備建模

綜合電力系統(tǒng)的負(fù)載主要考慮為推進(jìn)負(fù)載和一般的日用負(fù)載，由于推進(jìn)負(fù)載占系統(tǒng)負(fù)載的比例達(dá)到80%以上，其動(dòng)態(tài)特性對(duì)供電系統(tǒng)的影響最為明顯，因此，本文將注重對(duì)推進(jìn)電機(jī)的建模分析，采用矢量控制方式的推進(jìn)電機(jī)仿真模型及仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 矢量控制推進(jìn)電機(jī)仿真

1.2 系統(tǒng)集成分析

目前，綜合電力系統(tǒng)仿真分析的工作主要包括系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析、故障分析及諧波分析等。針對(duì)系統(tǒng)集成進(jìn)行的試驗(yàn)曲線見圖8、9、10。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文進(jìn)行了船舶綜合電力系統(tǒng)仿真初探，完成了在 Matlab/Simulink仿真平臺(tái)下的船用綜合電力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模及系統(tǒng)分析，為船用綜合電力系統(tǒng)集成技術(shù)的研究與設(shè)計(jì)提供了一種有效的工具。但是，相對(duì)于國(guó)外較為成熟的仿真技術(shù)而言，目前最大的差距在于仿真模型的驗(yàn)證問題，國(guó)外在這方面積累了大量的工程數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，其仿真數(shù)據(jù)與工程數(shù)據(jù)庫(kù)之間有一個(gè)相互交互的過程。但在國(guó)內(nèi)則顯得非常缺乏，一方面緣于我國(guó)綜合電力系統(tǒng)事業(yè)的剛剛起步，缺乏相應(yīng)的工程數(shù)據(jù)；另一方面則缺少在系統(tǒng)集成方面的研發(fā)投入。