基于S函數(shù)的船舶電站并網(wǎng)時(shí)變參數(shù)在線實(shí)時(shí)仿真

胡紅錢，施偉鋒，卓金寶

(1. 上海海事大學(xué) 電氣自動(dòng)化系，上海 201306；2. 浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 紹興 200231)

0 引 言

與陸地電力系統(tǒng)相比，船舶電力系統(tǒng)容量小，現(xiàn)代艦船的推進(jìn)電機(jī)容量通常可與單臺(tái)發(fā)電機(jī)組容量相當(dāng)[1]。為保障船舶充足的動(dòng)力及其他設(shè)備供電需求，自動(dòng)準(zhǔn)同期并網(wǎng)是船舶電站自動(dòng)化的主要功能之一。準(zhǔn)同期并網(wǎng)需滿足[2]：1）待并發(fā)電機(jī)組電壓Uw等于在網(wǎng)運(yùn)行發(fā)電機(jī)組電壓Ug；2）待并發(fā)電機(jī)組頻率fw等于在網(wǎng)運(yùn)行發(fā)電機(jī)組頻率fg；3）待并發(fā)電機(jī)組相位θw等于在網(wǎng)運(yùn)行發(fā)電機(jī)組相位θg。當(dāng)并網(wǎng)操作不當(dāng)?shù)臅r(shí)候，電網(wǎng)試圖將不符合要求的待并機(jī)組拉入電網(wǎng)，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)產(chǎn)生較大的沖擊電流[3]。這種沖擊電流，一方面可能導(dǎo)致供電中斷，甚至損壞機(jī)組；另一方面強(qiáng)行并網(wǎng)可能導(dǎo)致電網(wǎng)電壓瞬間大幅跌落，影響負(fù)載運(yùn)行，甚至引起繼電保護(hù)裝置的誤動(dòng)作造成重大安全事故。由于在船舶離靠岸、進(jìn)出狹窄水道、遇到異常天氣引起的海浪、機(jī)組檢修等特殊情況下需要頻繁的并/解網(wǎng)機(jī)組[4]，所以并網(wǎng)成為船舶電站研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容，對(duì)保障艦船安全穩(wěn)定運(yùn)行有重要意義。

根據(jù)準(zhǔn)同期并網(wǎng)三條件已有大量文獻(xiàn)進(jìn)行了并網(wǎng)建模[5 - 8]，其中的條件（1）用 Simulink 工具箱中RMS模塊計(jì)算電壓有效值，但是這種RMS模塊設(shè)置參數(shù)通常只能是靜態(tài)的，不適合進(jìn)行時(shí)變參數(shù)仿真。針對(duì)該問(wèn)題本論文提出通過(guò)S函數(shù)在線修改模塊參數(shù)的方法進(jìn)行時(shí)變參數(shù)的仿真，以提高仿真精度，準(zhǔn)確抓住并網(wǎng)時(shí)機(jī)。

1 S 函數(shù)在線實(shí)時(shí)仿真原理

1.1 RMS模塊電壓有效值在線仿真

Simulink工具箱提供的RMS模塊提供了簡(jiǎn)易的電壓有效值計(jì)算途徑，該模塊的計(jì)算公式如下：

以上分析可知，Simulink工具箱建模在時(shí)變參數(shù)建模與仿真時(shí)，常用的操作不但不方便，而且可能會(huì)對(duì)仿真結(jié)果產(chǎn)生不利影響，甚至根本無(wú)法進(jìn)行仿真。這樣的缺陷使得Simulink在時(shí)變參數(shù)模型應(yīng)用中受阻，特別是在對(duì)時(shí)變參數(shù)的依賴比較多的系統(tǒng)辨識(shí)、自適應(yīng)控制系統(tǒng)中局限性愈加明顯，因此，迫切需要一種既能利用Simulink工具箱模塊，又適合時(shí)變系統(tǒng)的建模方法。

1.2 S函數(shù)電壓有效值在線實(shí)時(shí)仿真

S函數(shù)是Simulink中位于Simulink/User-Defined Functions下的一個(gè)可內(nèi)嵌S函數(shù)的S函數(shù)模塊。通過(guò)Simulink在仿真過(guò)程中不斷重復(fù)調(diào)用S函數(shù)模塊執(zhí)行內(nèi)嵌的S函數(shù)并輸出仿真結(jié)果，因此可以在通過(guò)S函數(shù)進(jìn)行RMS模塊的參數(shù)更改，以此實(shí)現(xiàn)時(shí)變參數(shù)的在線實(shí)時(shí)仿真目的。

利用S函數(shù)進(jìn)行并網(wǎng)電壓時(shí)變參數(shù)在線實(shí)時(shí)仿真包含2個(gè)步驟：1）建立包含S函數(shù)模塊的時(shí)變參數(shù)Simulink模型；2）編寫與S函數(shù)程序，更新RMS模塊頻率時(shí)變參數(shù)。如圖1所示，frequent_check模塊為時(shí)變參數(shù)的計(jì)算模塊，f-sys為頻率更新S函數(shù)模塊，本文S函數(shù)命名為f_sys.m文件（要求與S函數(shù)模塊名同名）。

圖1 電壓有效值在線實(shí)時(shí)仿真實(shí)現(xiàn)模型Fig.1 The model of real time simulation of voltage RMS

f_sys.m文件包括初始化、連續(xù)狀態(tài)更新、離散狀態(tài)更新、當(dāng)前輸出、計(jì)算下一采樣點(diǎn)等幾個(gè)階段。可利用利用Set_param函數(shù)在當(dāng)前輸出段進(jìn)行RMS模型所需時(shí)變參數(shù)的設(shè)置。Set_param函數(shù)是用來(lái)更改Simulink模塊參數(shù)的函數(shù)，其格式為：set_param（‘模塊對(duì)象’，‘參數(shù) 1’，值 1，‘參數(shù) 2’，值 2，...）[10]，其中模塊對(duì)象即為需要設(shè)置參數(shù)的模塊名，并且要求跟該對(duì)象在mdl文件同路徑，參數(shù)n為需要設(shè)置參數(shù)的名字，值n為對(duì)應(yīng)參數(shù)的值，且必須是字符串形式給出。

在第1次啟動(dòng)仿真的開始時(shí)刻，Simulink開始執(zhí)行，遇到含有該變量的S函數(shù)模塊時(shí)，會(huì)因?yàn)橄到y(tǒng)還沒執(zhí)行到set_param函數(shù)從而無(wú)法得知該變量名對(duì)應(yīng)的參數(shù)值出現(xiàn)仿真報(bào)錯(cuò)現(xiàn)象。因此，S函數(shù)中添加條件判斷語(yǔ)句，保證第1次啟動(dòng)仿真時(shí)該變量中使用的是固定機(jī)組頻率值50。

圖2 船舶電站并網(wǎng)檢測(cè)與控制器模型Fig.2 The Gird detection and controller model for ship power station

2 船舶電站并網(wǎng)檢測(cè)與控制器建模

根據(jù)并網(wǎng)三條件建立船舶電站并網(wǎng)檢測(cè)與控制器仿真模型，如圖2所示。其中V_sys為在網(wǎng)機(jī)組輸入電壓，V_match為待并網(wǎng)機(jī)組輸入電壓，comd為并網(wǎng)命令，paralling_OK為并網(wǎng)時(shí)機(jī)指令，hebing為自建船舶電站并網(wǎng)檢測(cè)與控制Simulink模塊。核心模塊包括頻差、電壓差和相差檢測(cè)3部分，分別如圖3～圖5所示。頻差控制在1%以內(nèi)，電壓差控制在10%以內(nèi)，相位差控制在5°以內(nèi)，符合船級(jí)社要求。

圖3 頻差檢測(cè)Fig.3 Frequency difference detection

圖4 電壓差檢測(cè)Fig.4 Voltage difference detection

圖5 相位差檢測(cè)Fig.5 Phase difference detection

頻率檢測(cè)frequent_check模塊首先將正弦電壓波形通過(guò)正負(fù)滯環(huán)比較環(huán)節(jié)整形成矩形方波，然后檢測(cè)矩形波的上升沿和下降沿，再通過(guò)計(jì)算下降沿時(shí)間減去上升沿時(shí)間獲得半周期時(shí)間，由此獲得電壓周期，最后計(jì)算出時(shí)變電壓頻率。由于仿真開始第1周期內(nèi)檢測(cè)周期很小，頻率無(wú)窮，故通過(guò)比較器進(jìn)行消除。通過(guò)頻率檢測(cè)獲得的在網(wǎng)運(yùn)行機(jī)組頻率和待并網(wǎng)機(jī)組頻率，由頻率差模塊計(jì)算得到頻差鎖定fre_OK命令。具體頻率檢測(cè)如圖6所示。頻率檢測(cè)模塊用于檢測(cè)在網(wǎng)機(jī)組與待并機(jī)組的頻率，并將檢測(cè)的時(shí)變頻率送至S函數(shù)模塊進(jìn)行RMS模塊頻率設(shè)置，再由電壓差檢測(cè)模塊獲得電壓差鎖定Vol_OK和相位差檢測(cè)模塊獲得并網(wǎng)時(shí)刻deltaphi_OK命令，待3個(gè)并網(wǎng)條件都滿足，即可發(fā)出并網(wǎng)時(shí)刻指令paralling_OK合閘指令。

圖6 頻率檢測(cè)Fig.6 Frequency detection

圖7 船舶電站 Matlab 并網(wǎng)仿真模型圖Fig.7 The Matlab simulation model diagram of the grid of ship power station

3 船舶電站并網(wǎng)建模與仿真

基于以上分析建立船舶電站并網(wǎng)Matlab仿真模型，如圖7所示。其中的發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁機(jī)模型采用Matlab推薦模型。采用2臺(tái)發(fā)電機(jī)，1臺(tái)為在網(wǎng)機(jī)組，1臺(tái)為待并網(wǎng)機(jī)組，每臺(tái)發(fā)電機(jī)的參數(shù)為：MVA，V，Hz，，，，，，，，，，；為了配合模型啟動(dòng)，空載負(fù)載為1 W；實(shí)際有效負(fù)載為2 MVA。

0 s發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)，3 s將第1臺(tái)發(fā)電機(jī)組接入電網(wǎng)，給2 MVA負(fù)載供電。10 s發(fā)起待并機(jī)組并網(wǎng)命令，由自建Matlab并網(wǎng)模塊paralleling模塊檢測(cè)判斷并網(wǎng)條件并發(fā)出合閘指令，完成整個(gè)并網(wǎng)過(guò)程，仿真結(jié)果如圖8～圖12所示。

圖8 固定常量設(shè)置 RMS 計(jì)算值Fig.8 The RMS calculation value by constant setting

圖8 為常量參數(shù)設(shè)置的RMS計(jì)算值。圖9為采用本文所述的S函數(shù)在線修改模塊參數(shù)的RMS計(jì)算值，從圖中可以看出該值與所測(cè)試對(duì)象的值完全一致。

圖9 在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)置 RMS 計(jì)算值Fig.9 The RMS calculation value by S-function

圖10 為在網(wǎng)機(jī)組與待并網(wǎng)機(jī)組的A相壓差信號(hào)。2臺(tái)發(fā)電機(jī)組的電壓差也周期波動(dòng)，符合壓差信號(hào):

圖10 并網(wǎng)時(shí)序Fig.10 Grid time sequence

圖11 為A相并網(wǎng)完成時(shí)電壓差局部放大圖。在10 s時(shí)發(fā)起并網(wǎng)命令，在11.85 s自動(dòng)發(fā)出合閘命令，合閘后電壓差0 V，如圖11所示。并網(wǎng)時(shí)刻在網(wǎng)運(yùn)行機(jī)組與待并網(wǎng)機(jī)組A相電壓波形如圖12所示。

圖12 在網(wǎng)發(fā)電機(jī)組與待并網(wǎng)發(fā)電機(jī)組A相電壓相位差Fig.12 Phase difference between a net generator and a grid generator set of A phase

4 結(jié) 語(yǔ)

利用S函數(shù)大大擴(kuò)展了Simulink時(shí)變系統(tǒng)的建模與仿真，并成功應(yīng)用于船舶電網(wǎng)并網(wǎng)檢測(cè)與控制的電壓有效值時(shí)變參數(shù)的檢測(cè)中，通過(guò)仿真表明提高了時(shí)變參數(shù)的仿真精度，達(dá)到了良好的并網(wǎng)電壓參數(shù)的檢測(cè)與控制效果。