船舶電力系統(tǒng)3相短路故障仿真

張會(huì)焱，施偉鋒

(上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院，上海 201306)

0 引言

隨著船舶向超大型方向發(fā)展，其電力系統(tǒng)的復(fù)雜程度越來(lái)越高，尤其是全電力推進(jìn)船舶的出現(xiàn)，使船舶電力系統(tǒng)容量和發(fā)電機(jī)單機(jī)容量不斷提高.［1-3］船舶電力系統(tǒng)的數(shù)字仿真成為其設(shè)計(jì)、調(diào)試和各種故障試驗(yàn)所依賴的一種有效且經(jīng)濟(jì)的手段，而船舶電力系統(tǒng)的建模是其系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ).

針對(duì)船舶電力系統(tǒng)的建模與仿真，國(guó)內(nèi)外均有相當(dāng)多的研究.王淼等［4］研究全電力推進(jìn)船舶電力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行系統(tǒng)仿真，但沒(méi)有研究船舶電力系統(tǒng)故障狀態(tài)下的特性;DIAMANTIS等［5］研究船舶電力推進(jìn)電機(jī)的DTC特性;ARENDT［6］建立的船舶電力系統(tǒng)仿真模型考慮柴油發(fā)電機(jī)的特性、軸模型、變螺距模型;陸金銘［7］對(duì)船舶推進(jìn)裝置進(jìn)行仿真研究;夏永明［8］介紹的分布式船舶電站多種發(fā)電方式聯(lián)合運(yùn)行仿真系統(tǒng)構(gòu)成嵌入式物理-數(shù)學(xué)仿真;謝衛(wèi)等［9］對(duì)船用多相無(wú)刷直流推進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行分析建模與仿真;沈愛(ài)弟等［10］根據(jù)電力推進(jìn)系統(tǒng)的特性，對(duì)推進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制、推進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)控制和船舶電網(wǎng)諧波治理進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)出內(nèi)河船舶電力推進(jìn)系統(tǒng);劉崇等［11］設(shè)計(jì)的船舶電力推進(jìn)試驗(yàn)平臺(tái)由發(fā)電機(jī)組、推進(jìn)變頻器、推進(jìn)電機(jī)、負(fù)載變頻器和負(fù)載電機(jī)組成，能夠模擬船舶電力推進(jìn)試驗(yàn)，是實(shí)物結(jié)合軟件的模擬仿真;劉昭等［12］設(shè)計(jì)異步電動(dòng)機(jī)模擬負(fù)載能量回饋方式的交流傳動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)，為港航領(lǐng)域大功率交流傳動(dòng)系統(tǒng)的研制開(kāi)發(fā)提供試驗(yàn)環(huán)境，這是硬件實(shí)物方式的仿真.本文基于發(fā)電機(jī)及負(fù)載的動(dòng)態(tài)特性，搭建船舶電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)字仿真平臺(tái)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)船舶主推進(jìn)電機(jī)3相短路故障進(jìn)行仿真和分析.

1 船舶電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)字仿真平臺(tái)

本文建立的船舶電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)字仿真平臺(tái)，其模型中包含同步發(fā)電機(jī)及其勵(lì)磁系統(tǒng)子模型、柴油發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)子模型、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)子模型和靜態(tài)負(fù)荷子模型等.

1.1 同步發(fā)電機(jī)建模

船舶電力系統(tǒng)的特性很大程度上取決于同步發(fā)電機(jī)子系統(tǒng)的特性，船舶大功率發(fā)電機(jī)組具有頻率與電壓相互作用的特性及非線性特性.本文的船用同步發(fā)電機(jī)模型采用凸極發(fā)電機(jī)，由柴油機(jī)驅(qū)動(dòng).在船舶電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真中，依賴于頻率的同步電機(jī)模型是基于標(biāo)準(zhǔn)IEEE 2.1同步發(fā)電機(jī)模型發(fā)展起來(lái)的，文獻(xiàn)［13］給出其數(shù)學(xué)模型.

1.2 船舶柴油發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)建模

建?？紤]發(fā)電機(jī)電壓與頻率間的相互作用.系統(tǒng)負(fù)載變化時(shí)，發(fā)電機(jī)的電樞反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)端電壓的變化.這一關(guān)系用隱極發(fā)電機(jī)的電壓平衡方程式描述為

式中:f為發(fā)電機(jī)頻率;N為發(fā)電機(jī)繞組匝數(shù);Φm為發(fā)電機(jī)磁通.由式(1)和(2)可見(jiàn)，發(fā)電機(jī)頻率與端電壓之間存在相互關(guān)系，在控制中須予以考慮.

船舶柴油發(fā)電機(jī)組由柴油原動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、調(diào)速器和相復(fù)勵(lì)調(diào)壓裝置組成.船用柴油發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖1.轉(zhuǎn)速反饋?zhàn)酉到y(tǒng)檢測(cè)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，勵(lì)磁反饋?zhàn)酉到y(tǒng)的相復(fù)勵(lì)調(diào)壓裝置檢測(cè)發(fā)電機(jī)的端電壓和輸出電流兩個(gè)信號(hào).轉(zhuǎn)速控制器控制油門(mén)執(zhí)行器，油門(mén)執(zhí)行器控制柴油機(jī)輸出相應(yīng)的機(jī)械功驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)有功分量.勵(lì)磁機(jī)接收勵(lì)磁控制器的信號(hào)以控制發(fā)電機(jī)輸出符合要求的電壓，調(diào)節(jié)無(wú)功分量.

圖1 船用柴油發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)框圖

建模還考慮發(fā)電機(jī)與柴油機(jī)之間的軸轉(zhuǎn)矩模型.所建立的同步發(fā)電機(jī)組軸轉(zhuǎn)矩模型見(jiàn)圖2.

圖2 同步發(fā)電機(jī)組軸轉(zhuǎn)矩模型示意圖

柴油原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方程為

聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動(dòng)方程為

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方程為

式(3)～(5)中:ωT為原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速;ωC為聯(lián)軸器轉(zhuǎn)速;ωG為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速;ωRef為發(fā)電機(jī)參考轉(zhuǎn)速;θ1為原動(dòng)機(jī)角位移;θ2為聯(lián)軸器角位移;θ3為負(fù)荷角位移;HT為原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;HC為聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;HG為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;D為發(fā)電機(jī)阻尼系數(shù);D1為原動(dòng)機(jī)與聯(lián)軸器間的阻尼系數(shù);D2為聯(lián)軸器與發(fā)電機(jī)間的阻尼系數(shù);K1為原動(dòng)機(jī)的聯(lián)軸器間的彈性系數(shù);K2為聯(lián)軸器與發(fā)電機(jī)間的彈性系數(shù);TT為原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩;TG為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩.

1.3 負(fù)載模型

船舶電力系統(tǒng)負(fù)載包含各種設(shè)備，如照明燈、制冷空調(diào)、電熱器、壓縮機(jī)、變壓器、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)等，因此負(fù)荷模型的建立相當(dāng)復(fù)雜.一般將負(fù)荷模型分為兩大類:靜態(tài)負(fù)荷模型和動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型.

對(duì)于靜態(tài)負(fù)荷模型，任意瞬時(shí)的負(fù)荷特性是該瞬時(shí)母線電壓幅值和頻率的代數(shù)函數(shù).分別考慮靜態(tài)負(fù)荷模型的有功和無(wú)功功率分量.對(duì)于動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型，電動(dòng)機(jī)消耗的能量占電力系統(tǒng)總能量的70%～80%，電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性常常是系統(tǒng)負(fù)荷動(dòng)態(tài)特性的最重要方面.因此，在船舶電力系統(tǒng)建模研究中單獨(dú)考慮電動(dòng)機(jī)負(fù)載.［14-15］

1.4 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載模型

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的負(fù)載是船舶電力系統(tǒng)中的主要負(fù)載之一，這類負(fù)載所占比例很大，其動(dòng)態(tài)特性嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的暫態(tài)過(guò)程.感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型也有多種形式，本文仿真建模所用模型是依賴于頻率的動(dòng)態(tài)模型，文獻(xiàn)［1］給出其數(shù)學(xué)模型.

1.5 船舶電力系統(tǒng)總體模型

綜合以上建模分析，針對(duì)某大型全電遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船舶建立船舶電力系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖3.該模型由發(fā)電機(jī)組、電網(wǎng)與配電屏、動(dòng)態(tài)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載及靜態(tài)負(fù)載構(gòu)成.發(fā)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速反饋至柴油原動(dòng)機(jī)的調(diào)速器.

圖3 船舶電力系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)

依據(jù)圖3在MATLAB/SIMULINK SimpowerSystems環(huán)境下建立船舶電力系統(tǒng)仿真平臺(tái).該平臺(tái)考慮船舶電力系統(tǒng)各子系統(tǒng)的特性，特別是發(fā)電機(jī)和推進(jìn)器的動(dòng)態(tài)負(fù)載特性，還考慮發(fā)電機(jī)與柴油機(jī)軸傳動(dòng)之間的動(dòng)態(tài)特性.此仿真平臺(tái)中有3臺(tái)主船舶柴油發(fā)電機(jī)組和1臺(tái)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組，每臺(tái)發(fā)電機(jī)組由同步發(fā)電機(jī)模塊、柴油機(jī)和控制系統(tǒng)模塊構(gòu)成.船用同步發(fā)電機(jī)電氣參數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)參數(shù):Pn=3.125×106W，Vn=2400 V，fn=60 Hz;Rs=0.0036(pu)，p=4;Xd=1.56(pu)，Xd'=0.296(pu)，Xd″=0.177(pu)，Xq=1.06(pu)，Xq'=0，Xq″=0.177(pu);Xl=0.052(pu)，Td'=3.7 s，Td″=0.05 s，Tq″=0.05 s.船舶側(cè)推器由感應(yīng)電機(jī)通過(guò)蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)電氣參數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)參數(shù):Pn=2200 kW，Vn=3000 V，fn=60 Hz;Rs=0.029 Ω，LIs=0.6 × 10－3H;Rr'=0.022 Ω，LIr=0.6 ×10－3H，Lm=34.6 ×10－3H.船用主推進(jìn)器由感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)電氣參數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)參數(shù):Pn=4 MW，Vn=2400 V，fn=60 Hz;Rs=0.00859 Ω，LIs=0.5178 × 10－3H;Rr'=0.00709 Ω，LIr=0.3753 ×10－3H，Lm=10.822 ×10－3H.

2 主推進(jìn)器輸入電纜3相短路故障仿真

大功率主推進(jìn)器輸入電纜3相短路故障仿真如下:3臺(tái)發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行10.1 s，主推進(jìn)器在10.1 s時(shí)啟動(dòng)，主推進(jìn)器在10.2 ～10.5 s發(fā)生輸入電纜3相短路故障，10.4 s時(shí)因短路電流過(guò)大，3臺(tái)發(fā)電機(jī)組的主開(kāi)關(guān)跳閘，停止對(duì)電網(wǎng)供電.

主推進(jìn)器輸入電纜3相短路故障時(shí)主推進(jìn)器轉(zhuǎn)速、定子電流變化曲線見(jiàn)圖4.

圖4 主推進(jìn)器輸入電纜3相短路故障時(shí)主推進(jìn)器轉(zhuǎn)速、定子電流變化曲線

由圖4可見(jiàn)，主推進(jìn)器在10.1 s時(shí)啟動(dòng)加速，10.2 s時(shí)發(fā)生3相短路故障，啟動(dòng)電流大幅減少，轉(zhuǎn)速開(kāi)始下降;3臺(tái)發(fā)電機(jī)組10.4 s時(shí)全部跳閘;此后主推進(jìn)器定子電流變?yōu)?，轉(zhuǎn)速在10.6 s時(shí)下降至10 r/min，隨著時(shí)間的推移轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降，最終在11.2 s時(shí)變?yōu)?.

主推進(jìn)器輸入電纜3相短路故障時(shí)，3臺(tái)發(fā)電機(jī)組端電壓及母線電壓變化曲線見(jiàn)圖5.

圖5 主推進(jìn)器輸入電纜3相短路故障時(shí)3臺(tái)發(fā)電機(jī)組端電壓及母線電壓變化曲線

由圖5可以看出:10.1 s時(shí)大功率主推進(jìn)器的啟動(dòng)使得3臺(tái)發(fā)電機(jī)組端電壓及母線電壓減小到額定電壓的58%，這是由該電力系統(tǒng)仿真平臺(tái)中4 MW的靜態(tài)負(fù)載所致;10.1～10.2 s因主推進(jìn)器啟動(dòng)，電壓一開(kāi)始下降較為厲害，隨后有小幅增加;10.2 s時(shí)因主推進(jìn)器輸入電纜發(fā)生3相短路故障，3臺(tái)發(fā)電機(jī)組端電壓及母線電壓進(jìn)一步減小;因短路電流太大，10.4 s時(shí)3臺(tái)發(fā)電機(jī)組全部跳閘，此后3臺(tái)發(fā)電機(jī)組端電壓開(kāi)始逐步恢復(fù)到額定值，而母線電壓則變?yōu)?.

主推進(jìn)器輸入電纜3相短路故障時(shí)，3臺(tái)發(fā)電機(jī)組及母線的a相電流變化曲線見(jiàn)圖6.

圖6 主推進(jìn)器輸入電纜3相短路故障時(shí)3臺(tái)發(fā)電機(jī)組及母線的a相電流變化曲線

從圖6可以發(fā)現(xiàn):10.1 s時(shí)因主推進(jìn)器啟動(dòng)，3臺(tái)發(fā)電機(jī)組及母線的a相電流都增加;10.2 s時(shí)因主推進(jìn)器發(fā)生3相短路故障，3臺(tái)發(fā)電機(jī)組及母線的a相電流進(jìn)一步增加;因短路電流太大，10.4 s時(shí)3臺(tái)發(fā)電機(jī)組的主開(kāi)關(guān)跳閘，此后3臺(tái)發(fā)電機(jī)組及母線的a相電流全部變?yōu)?.

主推進(jìn)器輸入電纜3相短路故障時(shí)，3臺(tái)發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)矩功率、勵(lì)磁電壓、端電壓、轉(zhuǎn)速和勵(lì)磁電流曲線見(jiàn)圖7.仿真記錄的1，2，3號(hào)發(fā)電機(jī)組的柴油機(jī)輸出功率Pmec，轉(zhuǎn)速、勵(lì)磁系統(tǒng)反饋電壓Vf，端電壓Vt，勵(lì)磁電流ifd都使用標(biāo)幺值 (pu).

從圖7可以看出:10.1 s時(shí)因主推進(jìn)器的啟動(dòng)，3臺(tái)發(fā)電機(jī)組輸入的Pmec開(kāi)始增加，Vf上升到飽和值，轉(zhuǎn)速有少量跌落，ifd有所增加;10.2～10.5 s因主推進(jìn)器輸入電纜3相短路故障，3臺(tái)發(fā)電機(jī)組輸入的Pmec進(jìn)一步增加至1后波動(dòng)衰減，Vf保持在飽和值6，轉(zhuǎn)速跌落至98%，ifd增加到飽和值6;10.4 s因短路電流過(guò)大，3臺(tái)發(fā)電機(jī)組的主開(kāi)關(guān)跳閘，3臺(tái)發(fā)電機(jī)組輸入的Pmec繼續(xù)波動(dòng)并減小為0，Vf保持在飽和值6，轉(zhuǎn)速開(kāi)始逐步回升到額定值1，ifd開(kāi)始逐步減小到額定值1.可以看出，3臺(tái)參數(shù)相同的發(fā)電機(jī)組在主推進(jìn)器輸入電纜3相短路故障發(fā)生的整個(gè)過(guò)程中動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)基本一樣.

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)全電力推進(jìn)船舶電力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，利用MATLAB/SIMULINK SimpowerSystems建立其動(dòng)態(tài)數(shù)字仿真平臺(tái)，依托此仿真平臺(tái)對(duì)船舶電力系統(tǒng)進(jìn)行主推進(jìn)器輸入電纜3相短路故障仿真.該數(shù)字仿真平臺(tái)可以對(duì)船舶電力系統(tǒng)故障進(jìn)行有效動(dòng)態(tài)及穩(wěn)態(tài)仿真模擬，為船舶電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、測(cè)試和故障試驗(yàn)提供一種有效且經(jīng)濟(jì)的手段.

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