典型工況下船舶電力系統MATLAB/Simulink仿真

周瑞平，李 鍵

典型工況下船舶電力系統MATLAB/Simulink仿真

周瑞平，李 鍵

（上海海洋工程裝備制造業創新中心有限公司，上海 201306）

為提高船舶電力系統的用電穩定性，保證船舶在空載、加載、短路等諸多工況下功率分配的合理性，采用模塊化的思想，對船舶原動機及調速系統、勵磁調壓系統、同步發電機及發電機并車模型進行詳細建模。模擬仿真單臺發電機和多臺發電機并車運行下空載運行、突加負載運行、突加異步電機等幾種典型工況，觀察同步發電機轉速及端電壓變化，電網電壓變化，異步電動機電流及電壓變化情況，避免在實船上進行典型工況故障分析和實船實驗測試產生的高昂成本，仿真結果的數據對船舶電力系統的設計與研究具有積極意義。

船舶電力系統 Matlab/Simulink 勵磁調壓

0 引言

船舶電力系統由發電系統、配電系統、電網及負載組成，實際船舶電力系統測試過程中，因其實船測試會產生高昂的測試費用以及現場試驗安全可靠性難以評估，因此有必要對船舶整個電力系統模擬仿真，模擬船舶電力系統中突加負載、突加異步電機、同步發電機并車發電機組電壓、電流變化情況等幾種典型工況，建立勵磁調壓系統模型、原動機及調速系統模型、并車仿真模型，同步發電機模型、異步電動機模型，最終將各部分模型按照實船電力系統搭建起整體仿真模型，完成對船舶電力系統的研究。

1 船舶電力系統仿真模型建立

1.1 原動機及調速系統模型

1.2 勵磁系統模型

1）相復勵磁裝置數學模型

式中：U勵磁調壓系統輸出電壓，U直軸電樞電壓，U為交軸電樞電壓，為電抗。

2）電壓差數學模型

式中：U為調壓器參考電壓，U電壓初始值，K比例增益系數，U相復勵電壓，U接地零電壓，U反饋輸出電壓。

3）補償器數學模型

式中：U補償器電壓，T，T分別為超前、滯后時間常數。

4）放大器數學模型

使學生受另一個角度看問題的視角的影響，并使學生加深對本族文化和他族文化的理解。Coyle（2007）指出“文化是CLILL的核心內容”，學生需要對居住在其他地區或國家的人有所了解。因此教師有必要通過CLIL課程，培養學生跨文化交際的能力，使之對其他文化持積極包容的態度。

5）比例飽和環節的數學模型

式中：E電壓調節器電壓，E比例飽和環節電壓。

6）交流勵磁機的數學模型

7）反饋環節的數學模型

完整的勵磁相復無刷系統包括七個環節，根據公式（1）～（7）在Simulink中搭建勵磁調壓系統數學模型。

1.3 并車控制模型

船舶電力系統并網時，為減少沖擊電流對電網的影響，保證發電機組的正常運行，采用準同步并車方式，此方式必須保證與待并電網相序一致，待并發電機與運行發電機頻率、相角、相位均相同，同步并車模塊仿真模型包括壓差檢測模塊、頻差檢測模塊、壓差檢測模塊。

1） 壓差檢測和控制模塊

通過比較在網發電機電壓與待并發電機電壓的差值，判斷其絕對值是否小于設定值，當誤差范圍小于40 V時，輸出脈沖信號1，反之不產生并車信號。

2） 頻差檢測和控制模塊

該模塊首先將正弦波轉換為方波信號，通過求解方波的周期，進而得到方波的頻率，最終將在網發電機的頻率和待并發電機的頻率做差值，對差值取絕對值。當誤差小于0.5 Hz時，產生并車信號；誤差大于0.5 Hz時，并車信號為0。

3） 相差檢測和控制模塊

相差檢測和控制模塊，通過時間設置進行發電機并車時間設定。

最后將壓差、相差、頻差三部分檢測和控制模塊封裝成同步發電機并車模型，當三部分通過邏輯判斷發出信號1時，斷路器接收到觸發脈沖信號，完成同步發電機并車操作。

2 電力系統典型運行工況仿真

2.1 單機突加靜態負載仿真

對柴油發電機突加靜態負載進行仿真驗證。開始時單臺發電機組空載運行，隨后分三次依次加1/3額定功率的靜態負載，直到滿負荷穩定運行，完成仿真。觀察柴油發電機組各個參數變化以及電網電壓、電流的變化情況，并與實船的柴油發電機組臺架試驗的結果進行比較。建立單機運行工況下投切靜態負載仿真模型。

0 s時主開關Switchl閉合，發電機空載穩定運行；2 s時斷路器Break1閉合，L1接入電路；8 s時斷路器Break2閉合，L2接入電路；14 s時Break3閉合，L3接入電路，仿真時間設置為20 s。經過仿真，發電機組各個參數變化曲線如圖2所示。

圖2 電站突加靜態負載時柴油機發電組參數

如圖3所示，加負載時，A相電流及電壓變化；第2 s時突加1/3負載，電網電流增加；第8 s時突加1/3負載，電網電流繼續增加；第14 s時突加1/3負載電網電流繼續增加，最終電網電流趨于穩定。

圖3 電站突加靜態負載時電網、電流參數變化情況

2.2 單機突加異步電動機仿真

異步電機的投切嚴重影響船舶電力系統的穩定性，研究異步電機投入電網和切除電網時，發電機端電壓、轉速、勵磁電壓等的狀態，并進一步通過仿真結果確定異步電機的物理特性。

投入異步電機之前，發電機帶負載運行，6 s時閉合開關。加入異步電機負載后，轉速下降，下降到0.998 pu。為使電網電壓穩定，勵磁電壓增大后恢復穩定，發電機端電壓和軸功率增大，10 s時卸掉異步電機負載時，電機狀態與加入異步電機時狀態相反。

圖4 投切異步電動機發電機組參數

3 單機短路故障仿真

船舶電網中，發生三相短路故障時對電網的破壞尤為嚴重，圖5所示，10 s時發生三相短路故障，發電機軸功率激增，由0.32 pu激增到1 pu，并在故障產生過程中震蕩。此時，勵磁調壓系統急劇增大，發電機端電壓極速下降，由1 pu下降到0.1 pu，電機轉速由1 pu下降到0.5 pu左右。

圖5 電網三相故障時發電機參數

4 發電機組并車模型仿真

實際船舶電力系統中，存在多機運行的情況，多臺發電機運作時，涉及到同步發電機組的并車和解列問題。在進行實際同步發電機組并車運行時，模擬仿真觀察電網并車過程中電網電壓、電流，同步發電機的各項參數是必要的，建立同步發電機仿真模型。

圖6 發電機組電壓和電流波形

同步發電機組并車運行時，兩臺發電機端電壓不同時，進行仿真。如圖6所示，兩臺發電機輸出電壓相差幾乎為零，此時并車操作較為安全，電網沖擊電流不大。發電機并網運行時，初始電流波動較為明顯，在第8秒時，電網沖擊電流很小，實現兩臺發電機組的并車運行。

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MATLAB/Simulink Simulation of Ship Power System under Typical Working Conditions

Zhou Ruiping, Li Jian

（Shanghai Offshore Engineering Equipment Manufacturing Innovation Center Co., Ltd, Shanghai 201306, China）

U665

A

1003-4862（2021）11-0041-04

2021-03-04

周瑞平(1994-)，男，碩士。研究方向：輪機自動化。E-mail: zhouruiping@codia.org.cn