船舶電力系統燃氣輪機組雙機并聯運行建模與仿真

謝嘉令，施偉鋒，卓金寶

?

船舶電力系統燃氣輪機組雙機并聯運行建模與仿真

謝嘉令，施偉鋒，卓金寶

（上海海事大學，上海 201306）

海洋船舶正朝著超大型方向發展，燃氣輪機憑借其啟動速度快，功率密度大等特點，正越來越多的被應用到船舶電力系統的發電系統中。同時由于全電船的出現，中壓電力系統正逐漸成為大型海洋船舶電力系統的發展方向。由于電力推進船的電動機單機容量大于發電機單臺容量，通常會使多臺發電機并聯運行，從而保證電站的可靠性以及使發電機運行在最佳狀態。本文通過對以燃氣輪機作為原動機的4.16kV船舶中壓電力系統進行建模，同時對發電機組并車工況進行仿真。仿真實驗驗證了此系統模型的正確性，可以用于船舶中壓電力系統運行工況的仿真和分析。

船舶中壓電力系統 發電機組并聯運行 自動并車裝置 燃氣輪機

0 引言

當前，大型海上船舶的推進方式從內燃機推進逐漸轉變為全電力推進，船舶電力推進系統進入了一個新的發展時期。隨著全電船的應用，船舶電力系統的容量與結構發生了突破性的變化，中壓電力系統成為大型海洋船舶電力系統的發展方向[1]?，F代船舶發電系統主要采用柴油機或燃氣輪機作為原動機。憑借著單機功率大、體積小、重量輕、機動性好、可靠性高和震動小等特點，燃氣輪機組發電成為目前電力推進船舶的主要發電技術之一。為研究燃氣輪機組發電在實際船舶中壓電力系統中的應用，需要建立可以模擬實際系統的數字仿真模型。

目前已有大量的文獻對船舶中壓電力系統進行研究，文獻[4]著重于燃氣輪機的電氣特性對燃氣輪機進行建模，文獻[5]采用了分層結構和模塊化設計，對船舶電力系統進行建模并且具有穩態、動態仿真的功能。文獻[6]對一次典型的發電機組逆功率停機事件進行深入剖析，并結合實際仿真給出具體的建議。文獻[7]對多臺柴油發電機組在并聯運行過程中的并車工況進行了仿真研究。文獻[8]結合19100TEU集裝箱船＂大西洋＂輪對中壓電力系統的結構組成及特點進行建模。上述研究的發電系統原動機大多為柴油機，功率較小。

本文利用Matlab/Simulink仿真軟件，建立了以燃氣輪機為原動機，以推進電機為主要用電單元的4.16kV船舶中壓電力系統模型，最后對發電機組并車工況進行仿真。仿真結果表明此系統模型可以有效模擬燃氣輪機發電機組在中壓船舶電力系統中實際運行的狀態，為中壓船舶電力系統中發電機組的優化控制研究提供了基礎。

1 電力推進船舶電力系統基本結構

某超大型集裝箱船舶中壓電力系統，其基本結構如圖1所示。該船舶采用4.16 kV中壓電力系統，此系統由兩組30MW/ 4.16 kV/ 60 Hz燃氣輪發電機組（1、3號機組）以及一組15MW/ 4.16 kV/ 60 Hz燃氣輪發電機組（2號機組）作為發電單元提供電力，同時備有一組10 MW應急發電機組作為應急發電單元。

中壓電力系統以主配電屏作為電能管理和分配裝置，電力負荷配置有一臺20 MW的主推進電機、一臺15 MV的輔助推進電機和一臺5 MW的側推器，將錨機、起重機和牽引機等統一而成的短時負載，以及將冷藏、通風和220 V低壓系統等負載統一為全時間段消耗電能的基本負載。

2 同步發電機組的并聯運行

2.1 同步發電機的并車條件

對于一個運行中的電站，在進行三相同步發電機準確同步并車操作時，要求待并發電機組與電網的電壓、頻率以及相位一致，若在此瞬間將待并發電機組主開關合閘投入電網，則在待并發電機組與電網（或運行發電機組）之間不會產生沖擊電流，這是準確同步的理想情況。

圖 1超大型集裝箱船舶中壓電力系統結構圖

然而在進行實際并車操作時要達到這種理想情況是不可能的。一般情況下，要求并網時待并發電機組端電壓和電網電壓之間誤差不超過10%，頻率差不超過0.5 Hz，相位差不超過15電角度。

當并車的任一條件不滿足時，發電機組間會產生沖擊電流[3]。當沖擊電流在許可范圍內時，可以將兩臺發電機拉入同步，有助于發電機并車。但是過大的沖擊電流可能會導致并車失敗或者使系統電壓下降，甚至出現跳電，損壞機組等事故。

2.2 自動并車裝置

船舶同步發電機的自動并車裝置包括手動操作的全部邏輯程序，可以自動完成手動并車操作全過程，并且具有以下功能：1）判斷待并發電機與電網電壓差、頻率差和相位差，當任意條件不符合并車要求時，實現閉鎖，不允許發出合閘指令；2）檢測待并發電機與電網的頻差的大小和方向，自動對待并發電機發出調頻信號，縮小頻差，直到滿足并車條件為止；3）當電壓差、頻率差在允許范圍內時，自動捕捉相位條件，相位條件滿足后才允許發出合閘指令；4）合閘指令的發出應該考慮到發電機開關固有動作時間，即需要有提前量，從而保證合閘瞬間具有最小的合閘相位角，并使并車的沖擊電流達到最小。并車裝置大致可以分為三大部分：調壓、調頻與合閘部分，圖2為其原理圖。

3 中壓電力系統建模

3.1 燃氣輪發電機組建模

船舶發電機組是將機械能等其他形式的能量轉化為電能的裝置。燃氣輪機組系統控制框圖如圖3所示。本文注重燃氣輪機組的電氣特性，采用標幺制的隱極同步發電機，選用IEEEAC1A型標準勵磁模型進行建模。

圖2 自動并車裝置原理圖

圖3 燃氣輪機發電機組控制框圖

3.2 準同步并車裝置建模

3.2.1壓差檢測模型

由此我們可以得到如圖4所示的壓差檢測模型。

3.2.2頻差測量模型

為測量頻率，本文通過將待測電壓轉變為方波信號，先測得方波信號的周期，由該周期即可得出電壓的正弦周期，經過換算，即可得出原來正弦波的頻率。根據上述原理建立如圖5所示的頻差模型。

圖5 頻差檢測模型

3.2.3相角差測量模型

根據發電機并車要求，電網與待并機組之間的相角差在±15°內。因此相角差檢測裝置的作用就是檢測電網與待并機組件的相角差是否在要求范圍內，即滿足式(3)

為檢測相角差，同樣先將待并機和電網的電壓正弦波轉變成矩形方波，通過“異或”邏輯運算，得到一系列異或方波，輸出的異或方波的寬度與相角差一致[8]。通過上述原理即可建立如圖6所示的相角差檢測裝置的模型。

3.3 負載建模

推進電機是船舶綜合電力系統中最主要的大功率負載，通常永磁同步電動機和異步電機都可以作為推進電機。本文采用標幺制的鼠籠式異步電動機對推進電機進行建模。設螺旋槳轉矩與電機轉速的平方成正比，即滿足式(4)

為簡化模型，本文將照明設備、電子設備等統一成靜態負載即R-L負載。船舶電力系統中的靜態負載為感性負載，滿足式(5)

且靜態負載一般滿足式(6)

4 系統運行與并車仿真

4.1 單發電機組投切靜態負載仿真

當發電機空載穩定運行時，于4.99s突加功率因數為0.33、功率是發電機功率的60%的靜態負載，穩定運行一段時間后，于10s突卸負載，觀察發電機端電壓變化情況。發電機組端電壓變化如圖8所示。

圖8 發電機端電壓變化曲線

從圖8可知，發電機穩定運行后，其端電壓保持額定電壓，在4.99 s突加60%負載瞬間，端電壓值突降至額定電壓88%，再次穩定后，于10 s突卸負載，端電壓最大上升至113.5%，經過約0.5 s恢復穩定。結果表明該發電機組符合《鋼質海船入籍規范規定》中所提及的發電機組調壓特性要求。

發電機組空載穩定運行，于10 s突加50%額定負載，穩定后于20 s再加剩余的50%。觀察原動機瞬時轉速。發電機組轉速變化如圖9所示

圖9 發電機轉速變化曲線

4.2 雙機并車運行

4.2.1不考慮發電機組并車條件

一臺待并的30 MVA汽輪機，帶18 MVA的負載啟動，另一臺30 MVA的汽輪機在網運行，10 s前在網的負載有2個10MW的靜態負載。于7.266 s時發出并車指令（0為不發出，1為發出），7.304 s時合閘（0為不合閘，1為合閘）并車成功，觀察電網沖擊電流以及發電機各項參數變化情況。

圖10并車指令與合閘指令

圖12 兩發電機組轉速變化曲線

圖13 兩發電機組端電壓變化曲線

從圖10～圖14可以發現，并車指令于7.266 s發出，但是由于此時不符合并車條件，并車裝置于7.304 s左右才發出合閘指令，此時并網發電機在兩臺發電機組間引起數倍于額定電流的沖擊電流，過大的沖擊電流可能會引起設備損壞。

圖14 兩發電機組輸出功率變化曲線

4.2.2考慮發電機組并車條件

現將并車信號于最小壓差時刻發出即待并機于4.869 s時并入電網，仿真數據如圖所示

圖15 合閘壓差與沖擊電流

圖16兩發電機組轉速變化曲線

通過圖15～圖18可知，并車瞬間，兩發電機間沖擊電流很小。并車過程中，發電機各參數變化平穩。并車瞬間發電機端電壓略高于其額定電壓，其原因是為了向系統輸入無功功率。并車前由于1號機組負載較大，故1號機組發出的功率大于2號機組。并車后由于調頻調載的作用，使得兩臺發電機有功功率得到平均分配。

通過對雙機并車運行進行模擬仿真后可知，在合適的時機合閘，可以減小發電機間的沖擊電流，從而延長設備使用壽命。其次發電機組的自動調壓裝置通過調節發電機勵磁電流對電壓進行控制，這為并聯發電機負荷均分提供了基礎。

圖18 兩發電機組輸出功率變化曲線

5 結論

本文根據船舶發電機組的并車原理，基于Matlab/Simulink仿真工具對某超大型集裝箱船舶中壓電力系統的并網過程進行了仿真分析。分析了發電機組的調壓特性與調速性能，仿真結果表明本文所建立的燃氣輪機發電機組仿真系統可以反映船舶電力系統運行狀態，可以用于船舶中壓電力系統仿真研究；通過對并車工況的仿真，證明了并車裝置的有效性以及合閘時機選擇的重要性。通過上述仿真實驗，進一步表明該電力系統模型有能力對船舶實際運行的情況進行仿真。

[4] 施偉鋒,許曉彥. 船舶電力系統建模與控制[M]. 北京:電子工業出版社, 2012.

[5] 薛士龍. 船舶電力系統及其自動控制[M].北京:電子工業出版社,2012.

[6] 姜錦范. 船舶電站及自動化[M].大連:大連海事大學出版社,2006.

[7] 卓金寶,施偉鋒,張威. 船舶電力推進中燃氣輪機發電機組建模與仿真[J]. 計算機仿真, 2016,33(12):143-147.

[8] 王淼. 全電力推進船舶電力系統的數字仿真[J].電工技術學報,2016,21(4):62-67.

[9] 邢瑞江. 基于Matlab的大機組程序逆功率停機事件的分析[J]. 發電技術,2015,36(164):36-38.

[10] 萬偉學. 船舶發電機組并車穩定性建模及仿真[J].船電技術,2016,36(12):40-45.

[11] 鄭恒持. 船舶中壓電力系統建模與仿真[D]. 遼寧：大連海事大學,2017.

Modeling and Simulation of Parallel Operation on Gas Turbine Sets of Marine Electric Power System

Xie Jialing, Shi Weifeng, Zuo Jinbao

（Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China）

TM 31

A

1003-4862（2017）11-0008-05

2017-09-15

謝嘉令（1991-），男，碩士生。研究方向：船舶、港口系統的建模與控制。