某船電力系統大功率負載啟動仿真分析

左紅穩，李華兵，肖海瑞，傅振宇

某船電力系統大功率負載啟動仿真分析

左紅穩，李華兵，肖海瑞，傅振宇

（中國衛星海上測控部，江蘇江陰 214431）

以某船電力系統為對象，基于MATLAB建立了該船的電力系統仿真模型，并仿真分析了典型工況下大功率負載啟動對電網動態特性的影響。分析結果表明，在兩臺機組并網工況下，冷水機組啟動時，導致發電機轉速下降4.8%，電壓下降3.4%，其啟動電流達1300 A；三臺機組并網時，艏側推啟動使發電機轉速下降5.2%，電壓下降4.6%，其啟動電流達到約1600 A。在有限的船舶電力系統容量下，大型負荷啟動會對電網產生較大的沖擊，造成電網電壓突降和頻率波動，當負載功率增大到一定程度時，會導致電力系統供電品質不滿足船舶電力系統標準要求，需要增大機組容量或采取措施降低沖擊的影響。研究對船舶海上作業合理安排機組在網及有針對性開展設備維修有指導意義。

大功率負載 Matlab 電力系統穩定性

0 引言

船舶電力系統是一個獨立、非線性、多變量復雜的供電網絡，其供電容量有限。當大功率負載起動時，起動瞬時電流是其額定電流的幾倍，對容量有限的船舶電網是很大的沖擊，如推進電機、艏側推等大型電機起動運行時，會造成電網電壓、頻率的波動，對其它在網設備也會造成破壞[1-2]。尤其是在船舶出海作業時，航行工況復雜，系統狀態變化頻繁，電網的不穩定或失電，將導致船舶無法航行，甚至癱船。因此有必要分析在不同工況下大功率負載對電力系統動態穩定性的影響，以采取相應的措施來降低沖擊大小、減輕影響程度，提升電力系統的穩定性。當前電力系統仿真軟件使用較廣泛的有EMTP、NETOMAC、SPICE、PSCAD、SIMULINK等[3]，而船舶電力系統具有有限、多元、多變、強耦合的特點[4]，MATLAB仿真軟件中的SIMULINK模塊可以直觀的對系統階躍響應、穩態特性、瞬態特性等進行仿真，利用SIMULINK模塊建立某船電力系統仿真模型，通過設置不同工況條件，研究分析電力系統對不同負載變化的響應特性[5-6]。

1 某船電力系統組成及仿真模型

1.1 某船電力系統

某船電網結構如圖1所示，該系統有5臺發電機組，每個機組包括柴油機及調速器、同步發電機及勵磁調節器；同步發電機組型號相同，額定功率為770 kW，額定轉速750 r/min，額定電流1389 A。ACB為主開關，用來控制發電機組的入網操作；ISB為聯絡開關，用來控制兩邊電網的同時運行；1為變壓器。發電機勵磁采用自勵恒壓勵磁調節系統，電壓的調節主要依靠電壓調節器AVR進行調節。為了提高供電可靠性，聯絡開關與應急電站的應急配電板連接起來，以保證在主電網失電的情況下，應急配電板可以向應急設備供電。該船負荷中主要是異步拖動電機負載，主要包括630 kW的艏側推、兩屏冷水機組供電屏、消防泵、冷媒水泵、消防泵等功率不同的各類泵浦，其它的為普通日用負載。

1.2 船舶電力系統仿真模型

利用SIMULINK，以某船單臺發電機為建模對象，建立了包含同步發電機、勵磁系統、原動機及調速系統的電力系統仿真模型。該模型由同步發電機、勵磁系統、調速系統、變壓器、異步電動機負荷以及測量顯示設備構成。其中發電機組采用標幺型標準同步發電機，模型中參數值采用標幺值；利用SIMULINK中柴油機的調速模塊如圖2所示，以柴油機轉速為反饋信號，經過積分放大，并與轉矩相乘得到輸出功率，從而實現柴油機調速；依據船舶發電機調壓模塊及PID勵磁調壓系統模塊如圖3所示，以測量電壓、輸出功率、角速度為反饋信號，并加入機端電壓，通過積分放大，調節勵磁電壓，實現機端電壓的調節，這相當于船AVR調壓模塊[7]。由于船舶負載中，大功率異步電動機拖動的設備占多數，因此采用感性負載模型進行仿真。表1為同步發電機參數，表2位各種泵的異步電機參數。

圖1 某船電網示意圖

圖2 柴油機調速系統模型

2 機組單機模型的仿真

仿真時，為能正常對空載狀態進行仿真，在負載模型設置有功功率值為10-3kW，無功功率為10-6Var，以此模擬空載時的狀態。圖4所示為起動后原動機轉速特性和勵磁電壓曲線。《鋼質海船入級規范》[8]規定：原動機起動后轉速應在5 s內穩定到額定轉速。由圖可知，階躍信號經過調速器的調節作用，大約在3 s左右，原動機的轉速已經上升到額定轉速并保持穩定，滿足規定；而勵磁電壓在1 s內便達到穩定，產生穩定的電壓，模型符合要求。

圖3 勵磁系統仿真模型

表1 同步發電機基本參數

表2 拖動電機參數

（a）原動機轉速特性曲線 b）勵磁電壓曲線

2.1 單機突加突卸負載仿真試驗

《鋼質海船入級規范》[8]規定：在空載狀態下，交流發電機穩態時突加突卸60%額定電流及功率因數不超過0.4的對稱負載，其瞬態電壓降不低于額定電壓的85%，升高值不超過額定電壓的120%；電壓恢復到穩定值3%以內所需的時間應不超過1.5 s。仿真時，設定發電機組起動后，第5 s突加450 kW的負載，第8 s突卸此負載，第9s結束運行。由此得到發電機轉速、機端電壓響應曲線如圖5所示。由圖可知，第5s電壓降低為額定電壓的92%，第8s升高到額定電壓的110%，故電壓滿足規定[5]; 而突加突卸過程中電壓在1.2 s內恢復到規定范圍。因此，仿真結果滿足《鋼質海船入級規范》要求。

2.2 單機分兩次突加50% 負載、突卸100% 負載時的暫態穩定性試驗

《鋼質海船入級規范》[9]規定：發電柴油機在空負載狀態下突加50% 額定負載，穩定后再加載50%負載時，其瞬時調速率不大于額定轉速的10%；穩定調速率不大于額定轉速的5%；卸去在網負載時，穩定調速率不大于額定轉速的5%。計算過程中，設定發電機起動后，第2s 突加375kW的負載，第5s突加相同大小的負載，第8s突卸此兩負載，第10s結束仿真。由此得到仿真結果如圖6所示。

由圖6機端電壓和轉速曲線可知，瞬時轉速在2s、5s分別下降4.5%、2.3%，電壓最大下降13%，顯然，都在規定范圍內。因此，認為模型滿足《鋼質海船入級規范》要求。

圖5 單機突加突卸50%負荷轉速、機端電壓曲線

3 典型工況仿真分析

某船出海作業時，會根據航行情況及工作情況而選擇不同的工況。在一些特定工況時，一般四臺機在網，電網總功率較大，可以滿足負載的使用。而在其他工況時，一般兩臺或者三臺機在網，此時設備啟動的不確定性和和可用功率的減少會對電網產生較大的影響。因此下面重點對常用工況,即兩機及三機在網時負載突變對電網的影響進行仿真分析。

要實現對兩機、三機等多機組并網運行的仿真，首先要建立并車模塊。圖7所示為利用SIMULINK模塊創建的發電機并網模型。由圖可知，通過對1號、2號機組電壓矢量差、頻率差進行檢測比較，滿足條件時進行并車。并網后，同時，通過檢測不同機組間的電壓差、頻率差，使不同機組共同響應負載的變化，達到不同機組并聯運行的效果。

圖6 單機分兩次突加突卸50%負荷時勵磁電壓、轉速、機端電壓曲線

圖7 并聯模塊

3.1 兩機在網突加突卸負載的穩定性

圖8 冷媒水泵、冷水機組啟動時勵磁電壓、轉速、機端電壓曲線

兩機在網時，建立兩機在網運行模型，在原有照明、水泵等基本負荷基礎上，設定2 s時起動一臺冷媒水泵，5 s時起動一臺冷水機組，8 s時冷水機組和冷媒水泵停止運行。9 s后仿真結束。由此得到電網動態響應曲線如圖8～10所示。

由圖8～10可以看出，隨著在2 s、5 s時負載的啟動，發電機輸出功率逐漸增大、轉速下降、電壓也有略微下降，電流急劇增大，2s后系統趨于穩定。在這一過程中，機端電壓等參數會有一定波動，但均在合理范圍，這主要是勵磁系統的調節作用。其中，冷媒水泵啟動時，啟動電流達400 A，導致發電機轉速下降約3%，機端電壓下降約2.3%，電網電流急劇增加后恢復至工作電流；冷水機組啟動時，啟動電流達到1300 A，導致發電機轉速下降4.8%，電壓下降3.4%，系統電流急劇增加約5倍。某船發電機主開關額定電流值為I=1389 A，瞬動電流值為16 kA、動作時間為延時0.06 s，短延時電流值為2I、動作時間為延時0.4 s。由圖可知，冷水機組啟動電流沒有達到主開關的保護動作值，但會引起電網的波動，對電網在網設備的穩定運行和系統安全產生影響。

圖9 冷媒水泵、冷水機組啟動時功率、電流曲線

圖10 冷媒水泵、冷水機組啟動電流變化曲線

3.2 三機在網突加突卸負載的穩定性

艏側推是船舶負荷較大的設備，其功率為630 kW，幾乎相當于一臺發電機的功率，因此艏側推的啟動對電網的沖擊較大的。為此，對三機在網時，艏側推啟動對電網的影響進行仿真。設置仿真條件為：仿真時間為10 s，2 s時照明、空調等負載穩定運行，5 s 時艏側推啟動，8 s時斷開。仿真結果如圖11～13所示。

圖11 艏側推啟動時勵磁電壓、轉速、機端電壓曲線

圖12 艏側推啟動時電網功率、電流變化曲線

圖13 艏側推啟動電流變化曲線

由圖11~13可以看出，隨著在2 s、5 s時負載的啟動，發電機輸出功率逐漸增大、轉速下降、電壓也有略微下降，電流急劇增大，由于勵磁系統和調速器的共同作用，約2 s后系統趨于穩定。其中，艏側推啟動時其啟動電流達到約1600 A，發電機轉速下降5.2%，電壓下降4.6%。艏側推主開關額定電流值為I=1250 A，瞬動電流值為16 kA、延時0.06 s，短延時電流值為2I、延時0.4 s，由此可知，艏側推啟動電流也沒有達到開關動作值，但由于其沖擊電流較大，在電網負荷較大、或者開關接觸不良等情況下，容易導致發電機主開關跳閘，影響電網穩定和安全。因此需要及時檢測主開關的性能，以保證在超過限定值時能夠及時動作，切斷過電流負載，保證電網的穩定。

4 結論

以某船電力系統為建模對象，利用SIMULINK模塊建立了發電機組仿真模型，并驗證了其合理性。同時，通過建立并聯模塊，仿真分析了兩機、三機并網運行工況時，大功率負載啟動對電力系統的影響。仿真結果表明：

1）建立的某船電力系統模型符合要求，單機突加突卸負荷試驗中,電壓、轉速的波動值均在規定范圍內。

2）兩機在網時，三相異步電機在啟動時會對電網產生一定的沖擊，隨著拖動電機功率的增大，起動瞬間造成的沖擊就越大。尤其冷水機組啟動時，啟動電流達到1300 A，使發電機轉速下降4.8%，電壓下降3.4%。

3）三機在網時，艏側推啟動電流達約1600 A，導致發電機轉速下降5.2%，電壓下降4.6%，在無法對啟動方式進行優化的情況下，這對機組性能提出了更高的要求，對運行操作需要更多地限制。

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Simulation and Analysis of High-power Load Startup of a Ship's Power System

Zuo Hongwen, Li Huabing, Xiao Hairui, Fu Zhenyu

(China Satellite Martine Tracking and Control Department, Jiangyin 214431, Jiangsu, China)

U665.12

A

1003-4862（2019）12-0010-06

2019-09-12

左紅穩（1978-），男，工程師。研究方向：船舶動力。E-mail: songyao100@163.com