船舶電力系統界面特性仿真

摘 要： 船舶電力系統是一個獨立系統，當負載變化時將引起電網電壓的劇烈波動。為了研究船舶電力系統在負載變化時的穩定性，利用Matlab/Simulink建立了船舶電力系統的仿真模型，包括同步發電機模型、勵磁系統模型、柴油機及調速器模型和負載模型。通過對同步發電機在單機運行狀態下突加、突減負載等不同工況進行動態仿真和分析，得到系統參數的變化情況。仿真結果符合“MLT?STD?1399 300章”規定的船舶電力系統界面的電壓瞬變特性，為我國船舶電力系統的研究提供了參考依據。

關鍵詞： Matlab/Simulink； 船舶電力系統； 界面特性仿真； 電壓瞬變

中圖分類號： TN710?34； U665 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）02?0101?03

Simulation of interface characteristics for marine electric power system

AN Shu， CHEN Yongli

（Department of Vehicle and Electrical Engineering， Ordnance Engineering College， Shijiazhuang 050003， China）

Abstract： The marine electric power system is an independent system， which can cause the fierce fluctuation of the power grid voltage when its load is varied. In order to research the stability of marine electric power system when its load changes， the simulation model of the system was established by means of Matlab/Simulink， in which the synchronous generator model， excitation system model， diesel engine and speed regulator model， and load model are included. The parameters variation conditions of the system were obtained by dynamic simulation and analysis for the synchronous generator in the single generator operation at different working conditions of sudden load increase or decrease. The simulation results accord with the voltage transient characteristics of the marine electrical power system interface defined in “300 Section in MLT?STD?1399： AC Power”， which provides the reference basis for research on marine electric power system in China.

Keywords： Matlab/Simulink； marine electric power system； interface characteristic simulation； voltage transient

0 引 言

船舶上用電設備在不斷增加，為了使船舶電力系統與用電設備相兼容，“MLT?STD?1399 300章”以電壓、頻率、應急狀態等參數規定了船舶電力系統的界面特性。而在用電設備突加或突減時所引起的電壓瞬變會直接影響到船舶電力系統的穩定。船舶上交流電力一般劃分為三類， 其中I型為標準的船舶電力電源，440 V或115 V，60 Hz不接地；Ⅱ型和Ⅲ型應用受到限制。本文應用仿真軟件Matlab對I型440 V，60 Hz不接地船舶電力系統進行了建模，并對突加、突減負載等不同工況進行仿真分析，得出船舶電力系統界面特性的電壓參數變化情況，進一步驗證了“MLT?STD?1399 300章”所規定的船舶電力系統界面的電壓瞬變特性。

1 船舶電力系統建模

船舶電力系統通常由發電裝置、配電裝置、電力網和用電設備（負載）四部分組成。發電裝置通常采用柴油發電機組，船上的用電設備很多，根據負載特性，總體上分為三大類：感應電動機負載、靜負載和無功功率補償負載。船舶電力系統的動態特性主要取決于柴油發電機組與用電設備的共同作用。船舶電力系統總體框圖如圖1所示。

1.1 同步發電機模型

同步發電機是船舶電力系統中的重要元件，它集旋轉與靜止、電磁變化和機械于一體，把機械能轉換為電能，供給整個船舶電力系統使用[1]。同步發電機的運行特性和內部電磁過渡過程是非常復雜的非線性動態過程，對其進行詳細、精確的數學建模十分困難。Matlab軟件中的SimPowerSystems中提供了各種類型的發電機模型，本文直接調用庫中的p.u.標準同步發電機模型[2]。該模型采用5階狀態方程，考慮了定子繞組、轉子繞組的電磁暫態過程以及轉子的機械運動過渡過程，能比較精確地分析系統和電機動態過程。同步發電機模型及其屬性設計對話框如圖2所示。

圖1 船舶電力系統總體框圖

圖2 同步發電機模型及其屬性設計對話框

1.2 勵磁系統模型

本文采用相復勵無刷交流勵磁系統，模型由Simulink組件中的連續系統模塊集進行建模[3?4]，模型框圖如圖3所示。其中：Uref為自動電壓調節器參考電壓；Ud和Uq分別為發電機d軸和q軸的電壓值；Ustab為接地零電壓；iabc為定子三相電流；Uf是勵磁電壓。Ud和Uq產生相復勵的電壓信號，iabc三相電流信號產生相復勵的電流信號，這兩部分信號合成后，一部分送入調節器回路進行閉環調節，另一部分輸出到勵磁機。

圖3 勵磁系統模型框圖

1.3 柴油機及調速器模型

在柴油發電機組中，柴油機的主要作用是提供原動力，柴油機自身沒有自動調速能力，因此必須裝設調速器。本文柴油機與調速器組合采用二階環節進行建模[5]，模型框圖如圖4所示。圖中，nref（p.u.），n（p.u.）為柴油機參考轉速和實際轉速的標幺值，Pmec（p.u.）為輸出機械功率的標幺值。

圖4 柴油機及調速器模型框圖

1.4 負載模型

船舶電力系統中的負載有多種分類方法，由于本文主要通過突加、突減負載來模擬大擾動，以驗證電力系統的界面特性，因此采用SimPowerSystems中提供的靜態負載模型進行建模。而船舶電力系統中容性負載較少，故采用三相并聯的RL負載作為仿真模型。

按照上述建模方法，在Matlab的Simulink交互式仿真環境下，把柴油機調速模型以及勵磁系統進行封裝，所建立的船舶電力系統仿真模型如圖5所示。

圖5 船舶電力系統仿真模型

2 船舶電力系統仿真

在上述船舶電力系統仿真模型中，同步發電機容量為2 500 kV·A、額定電壓為440 V，額定頻率為60 Hz。電力系統帶功率因數為0.8，67.5%額定功率負載運行，在1 s和2 s時通過突加、突減不同功率大小的負載來得到電力系統的瞬態壓降。

同步發電機組帶載啟動后，第1 s突加負載L1（cos φ=0.8，50%PN），第2 s突減負載L1，第3 s結束運行。系統突加、突減負載過程中電力系統的線電壓波形如圖6所示。為了便于分析船舶電力系統的瞬態壓降，得電力系統線電壓的有效值變化如圖7所示，由圖7可知，系統帶67.5%PN負載啟動，經過0.8 s后電壓達到穩定值，啟動過程結束；在1 s時，系統突加50%PN負載，電壓瞬變，經過0.029 s達到最小值377.8 V，再經0.175 s達到最大值450.2 V，在1.18 s系統重新穩定；在2 s時，系統突減50%PN負載，電壓再次瞬變，經過0.04 s達到最大值516.5 V，再經0.427 s達到最小值431.93 V，在2.316 s系統重新穩定。

圖6 突加、突減50%PN負載時電力系統線電壓波形

圖7 突加、突減50%PN負載時電力系統線電壓有效值波形

為了分析船舶電力系統電壓瞬變，分別突加、突減50%PN，75%PN，100%PN，功率因數分別為0.8，0.6，0.4的負載，通過Matlab仿真，得到各種工況下的電壓瞬變值，如表1、表2所示。

表1 突加負載時的電壓瞬變值

表2 突減負載時的電壓瞬變值

由表1數據可知，突加負載時，隨著負載的增加，電壓瞬變的最小值隨之降低，而從穩態到達最小值的時間基本相同，從最小值升到最大值的時間逐漸增加，最大值卻隨之減小，整個瞬變過程的恢復時間逐漸增加。由表2數據可知，突減負載時，隨著負載的增加，電壓瞬變的最大值隨之增加，而從穩態到達最大值的時間基本相同，從最大值降到最小值的時間逐漸增加，最小值也隨之增大，整個瞬變過程的恢復時間逐漸增加。

綜合表1和表2可知， 440 V、I型60 Hz船舶電力系統電壓瞬變符合“MLT?STD?1399 300章”中的規定：在I型電力系統中，用電設備的突然啟動可能導致電壓在0.001～0.06 s內降至瞬變電壓的最低值。而后，電壓可能以每秒20%～75%標稱電壓的速度增至最高值，電壓將在2 s內恢復到用電設備電壓容差包絡線內[6]（418～462 V）。用電設備從電力系統的突然切斷可能導致電壓在0.001～0.03 s內增至瞬變電壓的最高值。而后，電壓可能以每秒20%～75%標稱電壓的速度降至最低值，電壓將在2 s內恢復到用電設備的電壓容差包絡線內（418～462 V）。

3 結 語

本文利用Matlab/Simulink對船舶電力系統中各個主要組成部分進行了建模，并對I型電力系統模型在不同工況下進行了仿真，用具體生動的圖形、確鑿的數據得出了仿真結果，觀察了電力系統電壓參數的變化情況，定性地分析了電力系統的界面特性，為船舶電力系統的研究提供了參考。

參考文獻

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