基于ETAP的電力推進系統仿真分析

柯常國，吳春吉，李莉紅

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

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基于ETAP的電力推進系統仿真分析

柯常國，吳春吉，李莉紅

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

摘 要：本文以某船電力推進系統設計為具體實例，利用ETAP軟件建立電力系統仿真分析模型，采用ETAP進行短路電流分析計算，通過短路電流計算結果進行斷路器及脫扣器的配合整定，完成電力系統選擇性保護與協調分析，最后通過諧波分析計算驗證電力推進系統設計方案。

關鍵詞：電力推進 仿真 短路電流 諧波分析

0 引言

在船舶電力系統中，由于系統容量有限，設備之間距離短，短路阻抗小，短路電流峰值很大，其值遠遠大于額定電流，過大的短路電流會使電氣設備過熱或受電動力作用而遭到損壞，同時使系統電壓大大降低，破壞用電設備的正常工作，因此短路是船舶電力系統的嚴重故障。為了消除或減輕短路的后果，設計時就需要計算出短路電流，用以正確選擇電氣設備，合理配置保護和自動裝置[1]。

船舶電力推進系統中，變頻器的廣泛應用給船舶帶來了便利的同時，也帶來嚴重的諧波污染[2-3]。

本文結合某工程項目，采用ETAP對船舶電力推進系統進行建模仿真，實現電力推進系統的短路電流計算分析、諧波分析和選擇性保護配合進行分析計算。

1 ETAP軟件建模

ETAP軟件是美國OTI公司研發的全圖形化的電力系統仿真分析、計算高級應用軟件。ETAP計算軟件是包括電力系統設計和測試功能的綜合分析工具。ETAP軟件中，是以工程來管理工作的。在ETAP軟件中，想要實現潮流分析、短路分析、繼電保護配合、諧波分析等，都是以單線圖為基礎的[4-5]。

某船電力推進系統單線圖見圖1。設置主發電機3臺，在航行和作業時為全船供電。主發電機額定功率為1450 kW，3臺發電機可任意臺數長期并聯運行。設置600 kW輔發電機組一臺，輔機組可與主發電機組并聯運行。主要負載包括兩套1500 kW主推進系統、兩套400 kW側推系統和兩套100 kVA照明變壓器等。

利用ETAP軟件建立模型如2圖。

2 短路計算和選擇性保護分析

ETAP短路電流計算模塊提供了IEC、ANSI和GOST三種短路電流計算標準，用戶可以通過界面操作自行選擇。開關設備選型有關的開斷電流（容量）等計算采

圖1 單線圖

圖2 ETAP仿真計算模型

用IEC60909進行計算，ETAP也根據IEC標準63163提供了暫態短路電流計算，暫態短路電流計算用時間函數的形式表示了故障電流的波形，其中考慮到一系列故障后不同時間內影響短路電流的因素。這些因素包括同步電機超瞬變電抗、瞬變電抗、超瞬變時間常數、瞬變時間常數、和直流時間常數，也包括電動機負載饋送電流的衰減。這種計算模型，為孤立的船舶電力系統的保護設備選型和繼電器配合，提供了精確的短路電流計算分析，適用于樹形電網和環形電網。

本文選擇IEC標準進行短路電流計算。如圖3為全速航行工況時BusA_400 V匯流排短路時的短路電流仿真計算結果，最大短路電流77.4 kA（有效值），短路電流瞬時值波形見圖5。計算各工況下的短路電流，為斷路器選型提供依據。

圖3 全速航行工況

圖4 短路電流波形

ETAP元件庫里集成了知名廠家的熔斷器、斷路器的數據模型，根據短路計算對斷路器進行選型和整定，如主發電機組主開關整定值見表1。當各斷路器整定完成后可以繪制出各個保護的整定配合時間-電流曲線并結合短路電流在線調整保護整定值，如圖5為各級保護配合時間-電流曲線圖，通過時間-電流曲線圖可以直觀的分析各級保護配合是否滿足設計要求。當保護配合不滿足設計要求時，通過時間-電流曲線可以在線拖動調整整定值。

表1 主斷路器整定值

圖5 時間-電流保護配合圖

同時，ETAP提供短路故障模擬功能，選擇短路點并選擇故障類型，模擬各斷路器保護動作的動作次序，直觀的觀測短路故障發生后各斷路器的動作時間和順序，從而驗證斷路器的選擇性保護是否協調。

圖6 G1出線端短路模擬

3 諧波分析

ETAP諧波分析基于IEEE5l9標準，可實現諧波分析、諧波共振和頻率掃描分析，對電壓電流總RMS值、電壓電流總合成峰值、諧波失真度進行分析。ETAP中諧波源為模擬電壓諧波源和電流諧波源。該軟件元件庫已經自帶知名廠家如Rockwell、ABB等各種諧波源類型及用戶可擴展的諧波源庫，也可以自定義添加。如圖7，將712所低壓系列化變頻器的諧波源添加到諧波庫中，原始數據均通過工信部研究項目典型系統驗證試驗實測得到。

圖7 自定義添加諧波庫

諧波分析首先要通過諧波分析案例編輯器來進行諧波計算參數的設定，如圖8，參數包括精度、頻率掃描范圍、基頻、系統負荷工況、報告選項、諧波源模型選項等。因該系統的基頻(即基波)為50 Hz，而通常考慮的諧波影響最多為100次，因此將頻率掃描范圍設定為50 Hz～5000 Hz。

圖8 諧波分析案例設置

運行諧波計算的結果直接顯示在單線圖上，可通過完整的文本報告和諧波分析波形進行查看。經過分析計算，全速航行工況400 V電網電壓總諧波畸變0.72%，230 V電網電壓總諧波畸變0.38%。最惡劣工況為單側推進運行工況，400 V電網電壓總諧波畸變3.69%，230 V電網電壓總諧波畸變2.87%，均滿足船級社要求。圖9和圖10為400 V母線電壓及變頻器輸入電壓諧波畸變圖譜和電壓波形。

圖9 諧波圖譜

計算中發現，單發電機組供電單主推進系統運行工況，不帶任何日用負荷，當推進功率70%額定功率時，400 V電網電壓總諧波畸變5.09%，經過容量計算，當推進功率達70%時，加上日用負荷，機組負荷率將達到100%，變頻器的功率限制功能將會限制推進功率，避免這種工況的出現。

圖10 變頻器輸入和400 V母線電壓波形

4 結束語

本文對使用ETAP軟件進行電力推進系統不同工況的短路計算、保護整定配合、諧波分析，對電力推進系統設計進行了驗證。同時將模型建立、短路計算、諧波分析的結合在一起，形成統一的計算分析報告，避免重復建模分析，消除了不同軟件之間計算結果的細微差異，大大減輕了計算分析的工作量。

參考文獻：

[1]趙殿禮.船舶電氣設備及系統[M].大連海事大學出版社,2009.

[2]王毅,李和明,等.多電平PWM逆變電路諧波分析與輸出濾波器設計[J].中國電機工程學報,2003,(10):78-82.

[3]STEINKE J K.Use of an LC filter to achieve a motor-friendly performance of the PWM voltage source inverter [J].IEEE Trans.on Energy Conversion,1999,(3):649 -654.

[4]馮煜埕,陳陳.電力系統分析軟件ETAP的特點與功能簡介[J].上海電力,2004(5):417～420.

[5]ETAP電力及電氣系統綜合分析計算軟件應用培訓例題使用手冊,歐特艾遠東（南京）計算機技術有限公司,2010.9.

Simulation Analysis of the Electric Propulsion System Based on ETAP

Ke Changguo,Wu Chunji,Li Lihong
（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion,Wuhan 430064,China）

Abstract:Taken the design of a ship electric propulsion system for an example,the simulation analysis model of the power system is built,and the short-circuit current is calculated by use of ETAP.According to the calculation result,the breakers and its trip devices are coordinated for the selectivity protection analysis.At last,the design of the electric propulsion system is verified by the harmonic analysis.

Keywords:Electric Propulsion,Simulation,Short-circuit Current,Harmonic Analysis

作者簡介：柯常國(1976-),男，高級工程師。研究方向：船舶電力推進。

收稿日期：2015-12-16

中圖分類號：TM728

文獻標識碼：A

文章編號：1003-4862（2016）02-00071-04