大型船舶電力系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析

張琦兵 邰能靈 王鵬 倪明杰 衛(wèi)衛(wèi) 傅曉紅

（1. 上海交通大學電子信息與電氣工程系，上海 200240; 2. 中國船舶工業(yè)集團公司第七0八研究所，上海 200011 )

1 引言

電力系統(tǒng)除了同步運行的穩(wěn)定性外，還包括負荷節(jié)點的電壓穩(wěn)定性[1,2]。電壓失穩(wěn)表現(xiàn)為輸電系統(tǒng)電壓劇烈下降，以致于電網(wǎng)解裂。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，特別是北美以及歐洲兩大電網(wǎng)相繼出現(xiàn)大事故后，電壓穩(wěn)定問題變得尤為突出，成為大電網(wǎng)的主要危害之一，并且限制著傳輸線的功率極限[3]。

近年來，船舶電力系統(tǒng)發(fā)展迅速，電壓等級更高，系統(tǒng)容量也越來越大，電壓失穩(wěn)后對電網(wǎng)造成的破壞以及經(jīng)濟損失不容忽視。所以有必要對船舶電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性進行分析，但目前相關研究較少。文獻[4]中作者對船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性作了簡要介紹。文獻[5]對船舶電力系統(tǒng)中電壓穩(wěn)定的定義及分類作了總結(jié)，在此基礎上提出了適合于船舶電壓穩(wěn)定分析的負荷模型及電壓穩(wěn)定指標，為船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性研究作鋪墊。文獻[6]側(cè)重于船舶電力系統(tǒng)中的直流配電系統(tǒng)，針對交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)不同的聯(lián)接結(jié)構(gòu)形式，對船舶電力系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性進行了分析研究。

本文在簡要介紹電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的基礎上，提出了兩個分別表征有功及無功的靜態(tài)電壓穩(wěn)定指標，根據(jù)兩個指標的大小關系可以判斷引起電網(wǎng)靜態(tài)電壓失穩(wěn)的主要因素。并建立了符合實際的船舶電力系統(tǒng)模型，利用ETAP軟件對各個船舶電力系統(tǒng)運行工況進行潮流計算，在此基礎上分別計算了本文提出的靜態(tài)穩(wěn)定指標，對船舶電力系統(tǒng)各工況下的電壓穩(wěn)定性作了分析。

2 船舶電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定[3]

圖1 簡化的船舶電力系統(tǒng)等效圖

以圖1所示的簡化船舶電力系統(tǒng)介紹電壓穩(wěn)定性，電源通過線路向負荷區(qū)供電，則傳輸?shù)墓β蕿椋?/p>

從式（1）與式（2）中削去δ可得：

由式（3）可以解得：

圖2 電壓、有功與無功的關系

圖2表明，當電源電壓、傳輸線路參數(shù)及負荷給定時，負荷端電壓有兩個運行狀態(tài)（式（4）有兩個解）。對于電壓較大的運行狀態(tài)U'（對應黑色曲面以上的狀態(tài)），當負荷減小時，負荷端電壓升高，此運行狀態(tài)是穩(wěn)定的；而對于電壓較小的運行狀態(tài)U″（對應黑色曲面下面的狀態(tài)），當負荷減小時，負荷端電壓降低，此運行狀態(tài)是不穩(wěn)定的。在功率達到極限值時，U'=U″，此時為臨界穩(wěn)定狀態(tài)，因此穩(wěn)定的判據(jù)為：

如圖2中的黑色曲面，即為電壓穩(wěn)定的臨界狀態(tài)。

3 船舶靜態(tài)電壓穩(wěn)定指數(shù)

電力系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定的分析，主要是確定電壓穩(wěn)定臨界點，只有已知電壓穩(wěn)定臨界點，才能得到系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，進而準確判斷系統(tǒng)運行狀況，并能適時采取合理的控制措施。

由第1節(jié)的分析可知，節(jié)點電壓靜態(tài)穩(wěn)定的判據(jù)為式（5），對（1）及（2）進行式（5）的計算得：

令：

則，可定義節(jié)點電壓靜態(tài)穩(wěn)定指數(shù)：

當SVSI＜0時，節(jié)點電壓是靜態(tài)穩(wěn)定的，而當SVSI≥0時，節(jié)點電壓是靜態(tài)不穩(wěn)定的。SVSI的絕對值可以衡量靜態(tài)穩(wěn)定裕度，絕對值越大，靜態(tài)穩(wěn)定性越好。圖3與圖4是對應于表1中的參數(shù)，考慮負荷功率變化時，利用式（4），式（8）及式（9）計算的電壓、SVSIp和SVSIQ曲線。其中圖3與圖4對應不同的功率因數(shù)。如圖所示，SVSIp和SVSIQ能很好地衡量節(jié)點電壓穩(wěn)定的情況。圖3中當負荷功率因數(shù)較高時，SVSIp較SVSIQ大，而且，SVSIp最先穿越零點。所以，功率因數(shù)較高時，有功對電壓穩(wěn)定的影響更大，節(jié)點電壓臨界穩(wěn)定點由，SVSIp決定。圖4中，功率因數(shù)較低，需要的無功增多，當負荷增加到一定程度時，SVSIQ大于SVSIp并先穿越零點。此時，無功對電壓穩(wěn)定的影響更大，節(jié)點的電壓臨界穩(wěn)定點由SVSIQ決定。比較圖 3與圖4可知，功率因數(shù)較低的負荷需要更多的無功，更容易發(fā)生電壓靜態(tài)失穩(wěn)。

表1 算例參數(shù)

圖3 P-U，P-SVSI曲線（PF＝0.85）

圖4 P-U，P-SVSI曲線（PF＝0.6）

另外，由圖可知，無論是SVSIp還是SVSIQ先穿越零點，此時電壓并未到達真正的電壓臨界穩(wěn)定點，可見式（8）、式（9）及式（10）計算的穩(wěn)定指數(shù)趨于保守。但實際由于其誤差很小，是可以忽略的。采用SVSIp與SVSIQ兩個參數(shù)的好處在于，能分別對有功及無功對電壓穩(wěn)定的影響進行評估，從而更有利于負荷或發(fā)電機的調(diào)整。對于連接多條支路的母線節(jié)點，可以分別計算每條支路的SVSI，然后取最大值。

4 典型船舶電力系統(tǒng)

4.1 典型船舶電力系統(tǒng)模型的建立

本文利用ETAP仿真軟件建立船舶電力系統(tǒng)仿真模型，ETAP是美國歐特艾公司用于發(fā)電、輸電、配電和工業(yè)電力系統(tǒng)的設計、仿真和運行的綜合分析軟件。如圖 5為根據(jù)某條 LNG船建立的船舶電力系統(tǒng)仿真模型。全船共有四臺發(fā)電機，容量分別為：11 MW、11 MW、11 MW及5.5 MW。系統(tǒng)仿真中，只計及船舶中壓 6.6 kV系統(tǒng)，對于0.45 kV及以下負荷網(wǎng)絡，由于對船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析影響較小，在此采用集中等效負荷的方法。船舶電力系統(tǒng)中，主要為電動機負荷，各電動機的容量具體如圖5所示。

4.2 運行工況

船舶電力系統(tǒng)隨船舶的不同任務而具有不同的運行工況。不同的工況下，負荷以及運行的同步發(fā)電機各不一樣，明確各工況下運行的發(fā)電機及負荷對船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析具有重要作用。船舶電力系統(tǒng)一般隨船舶運行的不同分為以下幾種工況：

圖5 船舶電力系統(tǒng)仿真模型

a) 岸電工況：即由岸邊陸地上的電力系統(tǒng)對船舶進行供電，此時，船舶四臺同步發(fā)電機全部停運，而只有部分生活負荷；

b) 停泊工況：電力推進系統(tǒng)及裝卸貨電機全部處于不工作狀態(tài)，運行負荷較少，由 G4一臺發(fā)電機供電維持部分船舶上的生活用電；

c) 裝卸貨工況：是指船舶處于裝卸貨的工作狀態(tài)時船舶電力系統(tǒng)的運行情況，此時，推進部分停運，而全部的裝卸貨電機滿負載運行，由G1與 G4兩臺發(fā)電機組進行供電，同時有少量的生活用電。

d) 正常航行工況：是指船舶處于一般航行狀態(tài)，船舶電力推進部分帶70%負載運行。由于電力推進占全船主要負荷，此時運行的同步發(fā)電機有G1、G2及G3。裝卸貨電機不工作，但是有船員正常的生活用電。

e) 全速航行工況：是指船舶推進負荷部分帶載90%以上，為了保持供電，G1、G2、G3及G4全部運行供電。無裝卸用電，少量生活用電。

上述各種工況中，岸電工況因由陸地電力系統(tǒng)供電，一般不存在穩(wěn)定性問題，所以本文主要分析停泊工況、裝卸貨工況、正常航行工況及全速航行工況。

5 船舶電力系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析

對于圖5所示的船舶電力系統(tǒng)，主要有8條母線節(jié)點，在不同工況下進行潮流計算，利用潮流計算的數(shù)據(jù)，可以計算出各種工況下船舶電力系統(tǒng)母線節(jié)點的靜態(tài)電壓的穩(wěn)定情況及穩(wěn)定裕度。

表2至表4為不同工況下SVSI的計算結(jié)果，如表中數(shù)據(jù)所示，各種工況下船舶電力系統(tǒng)電壓總是靜態(tài)穩(wěn)定的，而且有很大的穩(wěn)定裕度，主要是因為船舶電網(wǎng)覆蓋面積較小，電網(wǎng)中電纜長度較短。另外，對比各表中SVSIp與SVSIQ可知，船舶電力系統(tǒng)在各種工況下，皆有SVSIQ＜SVSIp，SVSI由SVSIQ決定。說明船舶電網(wǎng)的電壓不穩(wěn)定現(xiàn)象主要由無功不足引起，這是因為船舶電網(wǎng)中存在大量電動機。例如除推進系統(tǒng)所用同步電動機外，還有大量異步電動機負荷，而無論同步電機還是異步電機，它們在正常運行時對無功的需求均很大。

表2 裝卸貨工況

表3 正常航行工況

表4 全速航行工況

6 結(jié)束語

船舶電力系統(tǒng)容量的迅速擴大需要對系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性進行分析，本文提出了兩個船舶電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定新指標，能分別對有功及無功引起的電壓失穩(wěn)進行衡量。在此基礎上，建立了符合實際的船舶電力仿真系統(tǒng)，利用本文提出的電壓穩(wěn)定性指標對不同工況下船舶電力系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性進行了分析。分析結(jié)果表明，由于船舶電力系統(tǒng)供電較集中，電壓靜態(tài)穩(wěn)定性較好。由于船舶電力系統(tǒng)中沖擊負荷較多，應該重點考慮大容量沖擊負荷對船舶電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響。

[1] Kundur P., Paserba J., Ajjarapu V., Andersson G., Bose A., Canizares C., Hatziargyriou N., Hill D., Stankovic A., Taylor C., Van Cursem T., Vittal V. Definition and Classification of Power System Stability[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2004 (3): 1387-1401.

[2] Yorino N., Masuda Y., Sasaki H., Nishikame K.,Tamura Y., Kitagawa M., Ohshimo A. Classification and Analysis of Voltage Stabilities in Power Systems[J]. Electrical Engineering in Japan, 1991 (5):60-71.

[3] Van Cutsem T. Voltage Instability: Phenomena,Countermeasures, and Analysis methods[J].Proceedings of the IEEE, 2000 (2): 208-227.

[4] Bromhead J. R. Offshore Electrical Systems[J]. IEEE Proceedings C: Generation Transmission and Distribution, 1986 (7): 457-461.

[5] Zhaomin, Fanyinhai. The Voltage Stability Research of Ship Electric Power System[C]. IPEMC 2006:CES/IEEE 5th International Power Electronics and Motion Control Conference, August 14, 2006 - August 16, 2006, 2007: 1968-1972.

[6] Rudraraju S. R., Srivastava A. K., Srivastava S. C.,Schulz N. N. Small Signal Stability Analysis of a Shipboard MVDC Power System[C]. IEEE Electric Ship Technologies Symposium, ESTS 2009, April 20,2009 - April 22, 2009, 2009: 135-141.

[7] ETAP產(chǎn)品介紹.http://www.otichina.com/products.htm[OL]