船舶電力系統負荷擾動故障機理研究

王 勝，施偉鋒，張 威，李曉宇

（上海海事大學 電氣自動化系，上海 201306）

0 引 言

船舶電力系統是一個高階非線性、多變量、強耦合的復雜系統。隨著現代造船技術的不斷發展，對于船舶電力系統的供電性能要求也愈來愈高。要求船舶電力系統不僅在正常情況下對各種船用設備持續供電，而且在故障狀況下也要保障船舶的生存能力。

船舶電力系統可能發生的故障包括：短路、斷相以及各種復雜故障，而三相短路故障是船舶電力系統中危害最為嚴重的故障［1］。由于異步電動機在電力推進船舶電力系統中，約占供電負荷的60%～70%。異步電動機起動產生較大的沖擊電流，一般為電動機額定電流的4～7倍，某些電動機甚至可達8～12倍，對供電網絡沖擊很大，在突加大負載時，由于漏抗和電樞反應使發電機端電壓急劇下降，引起較大電網瞬態電壓降［2］。

針對船舶電力系統的三相短路故障及異步電動機等大負荷擾動對船舶電力系統的影響，本文在介紹所研究的船舶電力系統結構的基礎上，分析了船舶電力系統三相短路故障和大負荷擾動故障機理，并進行了故障仿真分析。

1 短路故障和負荷擾動計算

本文研究船舶電力系統采用樹形配電結構，由三臺柴油發電機、兩臺異步電動機及常規負載構成，相應的船舶電力系統結構圖如圖1所示。

圖1 船舶電力系統結構圖

1.1 短路故障分析

由于船舶電力系統主要由發電機和電動機構成，在船舶電力系統的某一點發生短路時，電力系統中只有發電機和電動機向短路點饋送短路電流。但在計算短路電流時，要考慮發電機、電動機及與其串聯的電纜和變壓器的阻抗對短路電流值和衰減時間的影響［3］。本文研究中采用等效發電機計算法對主配電板A點發生三相短路故障電流進行分析。短路故障電流計算，主要包括發電機、電動機及電纜的阻抗計算與故障點發電機和電動機饋送電流分析。

1.1.1 發電機、電動機及電纜的阻抗計算

（1）發電機阻抗和電阻

發電機直軸次暫態電抗、暫態電抗及電樞電阻Ra的計算，分別采用式（1）～（3）所示公式。

式中，Ur為一次配電系統額定線電壓；IrG為發電機額定電流；SrG為發電機額定視在功率。

（2）電動機電抗、電阻和時間常數

電動機次暫態電抗、定子和轉子電阻RS、RR計算公式：

式中，UrM為電動機額定線電壓；PrM為等效電動機額定功率。

（3）電纜電阻和電抗

電纜和電抗可用下列公式計算［4］：

式中，Re、Xe分別為電纜的電阻和電抗；r、x為單位長度的電纜電阻和電抗；l、a分別表示電纜長度和并聯電纜的根數。

1.1.2 主匯流排處短路，發電機和電動機饋送的短路電流

短路故障點發生在如圖1所示的A地點，計算短路電流時，需要得到發電機向主匯流排饋送的電流和電動機向其饋送的電流。

（1）發電機饋送的電流

發電機次暫態及暫態電動勢和的計算：

在時刻t時，發電機的對稱短路電流IacG、短路電流直流分量idcG及穩態短路電流ipG分別為：

（2）電動機饋送的短路電流

電動機短路饋送電流的計算需考慮電動機次暫態電抗、電動機定子電阻及轉子電阻的影響，相應計算為：

電動機至主匯流排的電纜阻抗：

計及線路阻抗影響的異步電動機次暫態時間常數及直流時間常數TdcMe計算：

電動機饋送的次暫態短路電流初始值、對稱短路電流IacM、短路電流直流分量idcM及峰值短路電流ipM計算：

因此，匯流排A點短路對稱短路電流Iac及短路峰值電流ip分別為各發電機及電動機饋送的短路電流分量之和：

1.2 大負荷擾動機理分析

突加電動機時可以通過計算電網瞬態電壓降來表示對電網的影響。一般電動機起動導致的電網瞬態電壓降與發電機和電動機的基本參數有關。通常發電機帶負載狀態起動電動機時瞬態電壓降比空載時要小，所以通常是按空載起動狀態計算瞬態電壓降。

忽略發電機及線路中的電阻，其等效電抗以X′e表示，假設電網有三臺發電機在網且處于空載狀態，等效發電機的端電壓等于等效發電機的空載電動勢，即：＝q，式中，為等效發電機的端電壓，q為等效發電機的空載電動勢。大負荷電機在t時刻突加入電網，等效電路如圖2。

圖2 發電機突加動態負荷時的等效電路圖

圖3 三臺發電機等效電路圖

2 仿真分析

根據圖1所示的船舶電力系統結構，在 MATLAB＼SimPowerSystem環境下搭建的仿真系統如圖4所示［6～8］。

發電機的參數：額定功率Pn＝3.125 MW，額定電壓Un＝2 400 kV，頻率fn＝60 Hz，直軸電抗Xd＝1.56，暫態電抗＝0.296，次暫態電抗＝0.177，交軸電抗Xq＝1.06，次暫態電抗＝0.177。發電機直軸次暫態短路時間常數＝0.05 s，直軸暫態短路時間常數＝3.7 s，直流時間常數Tdc＝0.05 s。

電動機的參數：額定功率Pn＝2 250 HP，額定電壓Un＝2 400 kV，頻率fn＝60 Hz，轉子電阻rs＝0.029Ω，定子電阻rR＝0.022Ω，電抗＝0.226Ω。同時，此電動機在60 Hz船舶電力系統中的時間常數＝18.67 ms，TdcM＝11.73 ms。

將上述參數代入公式計算可以得到突加動態負荷和短路故障時的數據進而進行分析。

（1）大負荷擾動仿真分析

發電機空載運行，2 s時兩臺電動機 M1、M2電動機同時接入電網，發電機電流、電壓，電動機 M1、M2電流、轉速分別如圖5、圖6所示。

由圖5可知，突加動態電動機負荷時，發電機的轉速減少1%，端電壓下降25%，由于是在發電機空載時突加電動機負載，所以發電機電流會突加至5 000 A，經過3.5 s達到平衡狀態的500 A。由圖6可知，電動機啟動時會產生較大的啟動電流，經過3.5 s的過渡過程達到穩定狀態，穩定運行時電動機轉速為1 800 r／min。

圖4 船舶電力系統仿真系統結構

圖5 大負荷擾動下發電機A相電壓和電流波形

圖6 大負荷擾動下的電動機電流和轉速

（2）三相短路故障仿真分析

船舶電力系統突加負載達到穩定后，在7.5 s時電動機M1近主匯流排處發生三相短路接地故障持續時間為0.1 s，發電機和電動機M1、M2的電流、電壓以及轉速如圖7、圖8所示。

圖7 三相短路故障時，發電機A相電壓和電流

圖8 三相短路故障時，電動機電流和轉速

三相短路故障發生后，由圖7可知，發電機電流有個很大的突變，幅值由500 A突增到13 060 A。同時，由圖8可知，電動機的電流和轉速相比突加動態負荷變化更大，電動機電流由穩定運行電流200 A突加到6 250 A，轉 速 由 額 定 的 1 800 r／min 下 降 到1 600 r／min。在7.6 s時切除短路故障，電力系統能夠恢復到穩定狀態。

3 結束語

本文對船舶同步發電機短路運行過程的仿真實驗結果符合實際情形。該短路過程的仿真研究對船舶安全運行具有重要意義。對船舶電力系統中突加動態負荷時的電流電壓的計算，能夠了解短路故障和正常推進工況的內在機理。

［1］ 趙鵬飛，李杰仁，許曉彥.船舶同步發電機短路過程仿真研究［J］.電氣技術，2008，（3）：46－49.

［2］ 李冬麗，趙躍平，唐石青，等.船舶大容量負載對電力系統的影響［J］.船舶工程，2003，（25）：47－50.

［3］ 中國船級社.鋼制海船入級規范2006（第4分冊）［M］.北京：人民交通出版社，2006.

［4］ 韓 旗.艦船大負載起動電網瞬態電壓降計算和分析［J］.船舶，2012，23（2）：50－52.

［5］ 王正甲，顧偉杰.多機船舶電力系統的瞬態電壓降研究［J］.船舶工程，2014.（51）：75－76.

［6］ 施偉鋒，陳子順.船舶電力系統建模［J］.中國航海，2004，（3）：64－69.

［7］ 王 滿，王浩亮.船舶電力系統仿真［J］.大連海事大學學報：自然科學版，2011，37（1）：35－38.

［8］ 劉 晉.Matlab在電力系統短路故障仿真分析中的應用［J］.電氣技術，2012，（11）：49－52.