基于MATLAB的溢油回收船電力推進系統穩態和暫態壓降仿真與分析

熊 源

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基于MATLAB的溢油回收船電力推進系統穩態和暫態壓降仿真與分析

熊 源

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

本文依據萬噸級溢油回收船船舶電網設計要求構建滿足系統要求的電力系統，并根據相關參數進行電壓壓降MATLAB仿真，研究和分析船舶電網日常使用和誤操作啟動大型負載對電網的沖擊現象。仿真結果表明，無勵磁啟動大型負載時電網壓降很明顯，特別是在網功率不足時壓降失真更嚴重，為避免引起保護開關誤動作，需保證預充磁變壓器正常投入運行。

溢油回收船 電力推進系統 電壓壓降 MATLAB仿真

0 引言

在船舶配電系統中，電壓壓降是一種常見的電壓擾動，主要指電網電壓有效值在短時間或長時間內出現電壓下降的現象。一般可分為穩態壓降和暫態壓降，其中后者主要是由于電力系統發生短路故障或者電網中有大容量負載設備啟動時對電網造成沖擊引起的現象。電壓暫降會降低電網質量，嚴重的可能造成發電機停機、變頻器失壓保護誤動作和配電板斷路器脫扣，進而造成全船失電事故或對一些敏感電子設備元器件造成損壞或者造成計算機存儲數據丟失，給用戶造成巨大的經濟損失。為了避免此類故障的發生和全面掌握、了解可能出現的電壓暫降幅度和規律，現采用MATLAB仿真軟件對船舶電力系統進行建模，并根據具體工況分析電網電壓變化情況。

1 仿真環境

本船交流電力系統采用AC690V，主電源配置為4臺AC690V柴油發電機組、1臺AC690V停泊發電機組和1臺AC400V應急發電機組，對全船電力系統負載進行供電。主要負載包括配電變壓器、主推進移相變壓器、艏側推移相變壓器等大型負載以及下級負載。根據提供的設備參數在MATLAB建立各個發電機組和電力系統整體仿真模型，如圖1、2所示。電網參數的設定可參考如下：機組電壓為半載整定（50%負荷），主發電機組電壓調整率定為2.5%。發電機空載（0%）電壓約為：

圖1 發電機模型

圖2 電力系統電網模型圖

2 仿真結果

2.1 穩態電壓壓降

穩態壓降計算為系統穩態運行時電網各點的壓降，壓降包括發電機壓降、電纜壓降和變壓器壓降等。運行仿真船舶電網系統，分別測量發電機組滿載、半載和空載時發電機輸出端電壓以及各段母線電壓，其結果如表1所示。其中滿載時計算各段電纜上損耗的壓降如下：

1)發電機至690 V母線電纜壓降約為2 V；

2)690 V母線至日用變壓器原邊電纜壓降為1V；

3)日用變壓器副邊至400 V母線電纜壓降為0.9V；

4)400 V母線至135 kVA照明變壓器原邊電纜壓降為0.6 V；

5)135 kVA照明變壓器副邊至230 V母線電纜壓降為0.8 V。

穩態壓降計算是按照最惡劣情況進行計算，在實際情況下，負載一般不會工作在滿負荷，所以變壓器和電纜壓降會比計算值要偏小，所以滿載情況下系統各節點電壓會比計算值稍高。從以上結果分析，其壓降比顯然遠低于5%，符合船用電網電能質量標準。

2.2 暫態電壓壓降

瞬態壓降計算為假定在某個負載突然投入系統時系統電網各點的電壓降，由于變頻負荷在投入時通常負荷是緩慢增加，對電網瞬態沖擊可以忽略。由于主推進變壓器、消防泵變壓器，日用變壓器均配有預充磁裝置，啟動電流無沖擊，對電網瞬態沖擊可以忽略。現分析在無勵磁啟動該類設備時對電網造成的電壓沖擊并與有勵磁啟動時做比較。在無勵磁時，延時0.5 s合閘開關，觀察電壓和電流波形；有勵磁時，選擇容量為啟動設備2%大小的預充磁變壓器，先預充磁1.5 s，然后合閘開關，觀察電壓和電流波形。

1）無勵磁啟動主推進設備

考慮四臺發電機組在網的條件下，主推進變壓器不經過預勵磁直接空載合閘啟動對690 V電網的沖擊所造成的壓降，從圖3（a）中可知母線壓降約為20 V，推進設備啟動電流涌流峰值約6200 A。而圖3（b）中在有勵磁啟動條件下，電壓壓降<1 V，沖擊電流430 A。

（a）

（b）

圖3 滿載啟動主推進電壓電流波形圖

2）電站部分發生接地或短路故障時，主推進設備會直接不預勵磁的情況下直接接到另一部分電站上產生的瞬時壓降影響

考慮2臺發電機組在網的條件下，主推進設備不經過預勵磁直接啟動時對690 V電網的沖擊所造成的壓降，從圖4（a）中可知母線壓降約為40 V，推進設備啟動電流涌流峰值約5800 A；圖4（b）中，給定勵磁的情況下，壓降僅為1 V。

（a）

（b）

圖4 半載啟動主推進電壓電流波形圖

3）停泊發電機400 kW在網時，直接起動最大電機瞬時電壓降

考慮1臺停泊發電機組在網的條件下，主推進設備不經過預勵磁直接啟動時對690 V電網的沖擊所造成的壓降。從圖5（a）中可知母線壓降約為170 V，推進設備啟動電流涌流峰值約2500 A；圖5（b）中母線電壓下降為4 V，沖擊電流為210 A。

（a）

（b）

圖5 停泊啟動主推進電壓電流波形圖

4）停泊發電機400 kW在網時，接入主變壓器時的瞬時電壓降

考慮1臺停泊發電機組在網的條件下，配電變壓器不經過預勵磁直接啟動時對690 V電網的沖擊所造成的壓降，從圖6（a）中可知母線壓降約為105 V，推進設備啟動電流涌流峰值約1700 A；圖6（b）中電壓壓降接近5 V，沖擊電流150 A。計算壓降均為該段母線最大瞬態壓降，綜合對比勵磁前后的電壓壓降和沖擊電流，后者大大改善，電壓壓降很小，沖擊電流減小一個級數，不會引起斷路器脫扣，結果表明在預充磁下系統母線瞬態壓降滿足CCS規范要求。

3 總結

通過MATLAB仿真對溢油回收船電力電網進行電壓降分析，能夠較為清楚的表明系統穩態和暫態壓降的大小，壓降的幅度與電網在網運行機組功率大小以及啟動負載的大小有直接關系。全載啟動和半載啟動時壓降別為20 V和40 V，電網沖擊電流較大，可能引起保護開關誤操作；若單臺停泊機組在網時，啟動推進負載壓降很大，會引起發電機停機和保護開關脫扣致使全船失電。因此為避免此類事故發生，船用大型負載啟動時需確保預充磁正常運行，避免啟動時對電網沖擊較大，導致較大的電壓壓降。

（a）

（b）

圖6 停泊啟動配電變壓器電壓電流波形圖

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Simulation and Analysis of Steady and Transient Voltage Drop for OSRV propulsion System Based on MATLAB

Xiong Yuan

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

TH311

A

1003-4862（2017）07-0041-03

2016-11-14

熊源（1989-），男，碩士。研究方向：電氣工程。