船舶發(fā)電機組并車穩(wěn)定性建模及仿真

萬偉學，還 芳

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢430064）

船舶發(fā)電機組并車穩(wěn)定性建模及仿真

萬偉學，還 芳

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢430064）

對船舶電站多臺不同容量發(fā)電機組在并聯(lián)運行過程中的并車工況進行了仿真研究，對同步發(fā)電機組并車條件進行了驗證，得到了合閘時刻待并發(fā)電機組與電網(wǎng)的電壓差、頻率差、相位差對并車過程的影響途徑，提出不同容量多臺機組并聯(lián)時參數(shù)配置的建議。

船舶電站 同步發(fā)電機 并車 Matlab/Simulink

0 引言

電力推進船舶通常由多臺同步發(fā)電機組構(gòu)成船舶電站對全船提供電力。當船舶負載發(fā)生變化或者要求冗余備機時，需要多臺發(fā)電機組并聯(lián)運行供電。在機組啟停投入過程中，涉及到同步發(fā)電機組的并車操作。

將一臺發(fā)電機并入船舶電網(wǎng)時，要求并車時的電流沖擊最小，并車后盡快進入同步運行，否則會導致并車失敗甚至是船舶電站解列引起全船失電重大事故。所以，同陸上電網(wǎng)一樣，發(fā)電機組并車時必須滿足以下條件：

1) 待并發(fā)電機與電網(wǎng)相序、頻率一致；

2) 待并發(fā)電機與電網(wǎng)電壓、相位角一致；

由于船舶電網(wǎng)的容量較小，機組間的耦合影響大，給并網(wǎng)操作帶來新的問題[1]。本文建立船舶出柴油-同步發(fā)電機組模型，針對船舶發(fā)電機組并車穩(wěn)定性問題進行仿真研究，以得到影響船舶同步發(fā)電機組并車穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。

1 柴油機發(fā)電機組建模

柴油機和調(diào)速器的組成如圖1所示。

圖1 柴油機和電子調(diào)速器組成

圖中，速度傳感器與發(fā)電機共軸旋轉(zhuǎn)，負荷傳感器檢測發(fā)電機輸出電壓、電流和相位等信號，計算得到輸出功率后轉(zhuǎn)換為電平信號，可以等效為單位反饋環(huán)節(jié)。電子控制裝置獲取速度控制單元計算得到的轉(zhuǎn)速設定、負荷信號和轉(zhuǎn)速信號比例差值，經(jīng)PID控制運算和功率放大后送至電動執(zhí)行機構(gòu)。電動執(zhí)行機構(gòu)獲取控制信號后控制柴油機的進油量以控制柴油機輸出功率，可以等效為一個比例慣性環(huán)節(jié)。柴油機的運動方程可以等效為一個一階慣性環(huán)節(jié)。另外，考慮到柴油機從進油量改變到輸出轉(zhuǎn)矩改變的機械性延時，需要增加一個純延時環(huán)節(jié)，最終可以得到柴油機的傳遞函數(shù)為：

綜上，得到柴油機和調(diào)速器的模型如圖2。

圖2 柴油機和調(diào)速系統(tǒng)模型

圖3 相復勵無刷交流勵磁控制系統(tǒng)的仿真模型

分別提取相復勵勵磁控制系統(tǒng)中相復勵裝置、交流勵磁機和自動電壓控制裝置(AVR)的數(shù)學模型。

相復勵裝置dq坐標系模型：

上式中，Ur為相復勵裝置的輸出電壓；Ud為發(fā)電機d軸電樞端電壓；Uq為發(fā)電機q軸電樞端電壓；，x為移向電抗。

電壓差模型：

式中，Uref為自動調(diào)壓裝置參考電壓；Uf0為勵磁電壓的初始值；Ka為交流勵磁機的有效增益；Tr為低通濾波器時間常數(shù)；Uff為反饋環(huán)節(jié)輸出電壓；ΔU為綜合后的電壓差信號。

交流勵磁機模型：

綜上，得到典型PID控制的閉環(huán)反饋勵磁系統(tǒng)模型如圖3。

2 柴油發(fā)電機組并網(wǎng)仿真

2.1 并網(wǎng)仿真模型搭建

為了使船舶同步發(fā)電機組并車電流沖擊最小并且快速進入同步運行，需要選擇合適的合閘時刻，待并發(fā)電機的相序、頻率、電壓幅值和相位角應盡量與電網(wǎng)相同，另外，由于船舶電網(wǎng)的容量小、機組耦合影響的特點，需要選擇合適的調(diào)速器和調(diào)壓器的參數(shù)，使得各機組配合良好[4]。

相序條件是必須滿足的條件，本文對其他幾個條件分別進行建模仿真研究。建立仿真模型如圖4。其中，DG1、DG2為5MVA發(fā)電機組，為研究機組容量和參數(shù)對并車的影響，設置2MVA輔助機組AG1。

合閘信號觸發(fā)模塊檢測機組相位和電網(wǎng)相位差，以控制合閘角度。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5。

2.2 合閘時刻電壓差、頻率差、相位差對并車的影響

為研究合閘時刻電壓差、頻率差、相位差對并車的影響，作如下仿真實驗。

1）DG1機組已經(jīng)并網(wǎng)運行，待投機組DG2輸出電壓幅值比電網(wǎng)電壓高5%，保持合閘角在1°以內(nèi)，頻率一致，仿真結(jié)果見圖6～圖8。

2）DG1機組已經(jīng)并網(wǎng)運行，待投機組DG2輸出電壓幅值比電網(wǎng)高10%，保持合閘角在1°以內(nèi)，頻率一致，仿真結(jié)果見圖9～圖11。

圖4 柴油發(fā)電機組并聯(lián)仿真模型

圖5 合閘信號觸發(fā)模型

圖6 1#發(fā)電機組功率、電壓和轉(zhuǎn)速

圖7 2#發(fā)電機組功率、電壓和轉(zhuǎn)速

由仿真結(jié)果可知，合閘時刻的電壓差主要影響合閘時刻的無功電流。電壓差較大可能造成沖擊電流過大，導致合閘失敗。

圖8 1#，2#發(fā)電機組功率

圖9 1#發(fā)電機組功率、電壓和轉(zhuǎn)速

圖10 2#發(fā)電機組功率、電壓和轉(zhuǎn)速

圖11 1#，2#發(fā)電機組功率

3）DG1機組已經(jīng)并網(wǎng)運行，待投機組DG2輸出電壓頻率比電網(wǎng)電壓高0.5%，保持合閘角在1°以內(nèi)，電壓一致，結(jié)果見圖12～圖14。

圖12 1#發(fā)電機組功率、電壓和轉(zhuǎn)速

圖13 2#發(fā)電機組功率、電壓和轉(zhuǎn)速

圖14 1#，2#發(fā)電機組功率

4）DG1機組已經(jīng)并網(wǎng)運行，待投機組DG2輸出電壓頻率比電網(wǎng)電壓高2.5%，保持合閘角在1°以內(nèi)，電壓一致，見圖15～圖17。

由仿真結(jié)果可知：合閘時刻待并機組與電網(wǎng)的頻率差主要影響的是機組的有功，若頻率差值較大，會引起較大的有功調(diào)節(jié)超調(diào)，增加有功平衡的時間，甚至引起機組負功。

圖15 1#發(fā)電機組功率、電壓和轉(zhuǎn)速

5）DG1機組已經(jīng)并網(wǎng)運行，待投機組DG2機端電壓和頻率與電網(wǎng)保持一致，合閘角為5°，仿真結(jié)果見圖18～圖20。

圖16 2#發(fā)電機組功率、電壓和轉(zhuǎn)速

圖17 1#，2#發(fā)電機組功率

6）DG1機組已經(jīng)并網(wǎng)運行，待投機組DG2機端電壓和頻率與電網(wǎng)保持一致，合閘角為10°，仿真結(jié)果見圖21～圖23。

圖18 1#發(fā)電機組功率、電壓和轉(zhuǎn)速

圖19 1#發(fā)電機組功率、電壓和轉(zhuǎn)速

圖20 1#，2#發(fā)電機組功率

圖21 1#發(fā)電機組功率、電壓和轉(zhuǎn)速

由仿真結(jié)果可知：合閘時刻待并發(fā)電機組電壓和電網(wǎng)電壓的相位差會影響并車后的有功和無功的調(diào)節(jié)。不合理的合閘角會使得控制器出現(xiàn)較大的超調(diào)，甚至合閘失敗。

2.3 不同容量多臺機組并車

某些船舶電站是由不同容量的機組并聯(lián)供電，這就涉及到大小機組的并聯(lián)問題。不同容量的機組在機組特性、參數(shù)上相差較大，所以需要對這種情況單獨考慮。另外，在多臺機組并聯(lián)運行時，為了讓各機組能夠相互配合，需要對參數(shù)作一些調(diào)整。圖24～圖27為不同容量多臺機組并聯(lián)仿真結(jié)果。

圖22 2#發(fā)電機組功率、電壓和轉(zhuǎn)速

圖23 1#，2#發(fā)電機組功率

圖24 1#發(fā)電機組功率、電壓和轉(zhuǎn)速

從仿真結(jié)果可知，在不同容量機組并聯(lián)時，大機組慣性較大，響應時間慢，對整體功率分配影響大，小機組慣性小，響應時間短。為了能讓大小機組配合良好，在配置控制參數(shù)時，可以合理配置控制器的響應速度，有利于不同容量機組和多臺機組的并聯(lián)運行。

圖25 2#發(fā)電機組功率、電壓和轉(zhuǎn)速

圖26 1#輔助發(fā)電機組功率、電壓和轉(zhuǎn)速

仿真機組參數(shù)見表1。

3 結(jié)論

本文對船舶電站多臺不同容量發(fā)電機組在并聯(lián)運行過程中的并車條件進行了仿真研究，對船舶柴油發(fā)電機組進行了建模，并通過仿真總結(jié)得出合閘時刻待并發(fā)電機組與電網(wǎng)的電壓差、頻率差、相位差對并車過程的影響途徑，進一步的驗證了發(fā)電機組無功、有功和功角，對同步發(fā)電機組并車條件。與陸上電網(wǎng)相區(qū)別，給出不同容量多臺機組并聯(lián)時參數(shù)配置的建議以及應注意的問題。能夠為之后的船舶電站的設計提供借鑒。

表1 仿真機組參數(shù)

[1] 張翠, 張敏, 王繼濤. 船舶不同容量柴油發(fā)電機組并聯(lián)運行分析[J]. 航海工程, 2014, (8)： 146-149.

[2] 姜錦范． 船舶電站及自動化[M]. 大連： 大連海事大學出版社, 2005．

[3] 余中毅, 張丹瑞等. 船舶電站同步發(fā)電機組綜合控制算法[J]. 中國航海, 2009, (12)： 31-35.

[4] 林華峰．船舶電站及電力拖動[M]．哈爾濱： 哈爾濱工程大學出版杜, 2006．

Modeling and Simulation of Generator Paralleling Stability for Ships

Wan Weixue, Huan Fan

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

The status of multiple units with different capacity in parallel operation of marine power station is simulated, and the condition of the synchronous motor group is verified. The influence of the voltage difference, frequency difference, and phase difference of generator set and power grid at switching-in moment on the process of parallel operation is obtained. The suggestion of parameter configuration for the parallel connection of several units with different capacity is given.

marine power plant; synchronous generator; parallel operation; Matlab/Simulink

TM743

A

1003-4862（2016）12-0040-06

2016-5-18

萬偉學（1982-），男，工程師。研究方向：船舶電氣工程。