船舶綜合電力系統(tǒng)建模與故障仿真

董 鈺，施偉鋒，張 威，卓金寶

?

船舶綜合電力系統(tǒng)建模與故障仿真

董 鈺，施偉鋒，張 威，卓金寶

（上海海事大學(xué)，上海 201306）

船舶電力系統(tǒng)發(fā)生故障會影響船舶的安全運行。采用數(shù)字仿真技術(shù)可以方便地對船舶電力系統(tǒng)故障進行仿真，應(yīng)用MATLAB/SimPowerSystem軟件建立環(huán)形配電的電力系統(tǒng)仿真模型并進行船舶在正常工況和發(fā)生常見短路故障時的仿真與研究。根據(jù)對所建模型進行故障仿真所得出的參數(shù)變化情況，可以有效地分析故障發(fā)生的原因和影響，從而減少此類故障的發(fā)生。

船舶電力系統(tǒng) 建模 故障仿真 短路

0 引言

船舶電力系統(tǒng)的主要功能是為船舶上配置的各種機械設(shè)備提供電能，并且通過輸電線路將電能配送至各用電設(shè)備。近年來，電力推進憑借機動性能好、操作靈活等特點得到了很好的推廣，同時船舶的運行工況較多，因此對船舶電力系統(tǒng)的故障分析更為關(guān)鍵。

常見的船舶電力系統(tǒng)故障類型有大負荷擾動，短路，斷路等。當船舶電力系統(tǒng)某個部位發(fā)生故障時，很可能影響到其他電氣設(shè)備甚至波及到整個電力系統(tǒng)，產(chǎn)生嚴重的后果[1]。若某處發(fā)生故障時，系統(tǒng)可以馬上識別故障并排除故障，就能保證船舶的正常運行。采用計算機數(shù)字仿真技術(shù)，能在不發(fā)生實際故障的條件下通過對電力系統(tǒng)建模仿真得到故障時系統(tǒng)中各項參數(shù)的變化情況，為故障機理的研究提供有效的數(shù)據(jù)支持。目前有許多文獻對船舶電力系統(tǒng)建模并仿真，研究發(fā)生故障時系統(tǒng)中參數(shù)的變化情況，以便更好地了解故障機理。文獻[2]中的模型是樹狀配電的船舶電力系統(tǒng)，文獻[3]中的模型是以柴油發(fā)電機組為發(fā)電單元的船舶區(qū)域配電系統(tǒng)，兩者均對系統(tǒng)中短路故障進行了仿真與分析；文獻[4]對船舶電力系統(tǒng)中突加、突減大負荷進行了仿真，文獻[5]則對船舶模擬訓(xùn)練電力系統(tǒng)模型的多種常見故障狀態(tài)進行了仿真試驗。

本文搭建的船舶電力系統(tǒng)模型屬于中壓混合動力系統(tǒng)，額定電壓為4160 V，以兩臺柴油發(fā)電機組和兩臺燃氣輪機發(fā)電機組構(gòu)成發(fā)電單元，采用環(huán)狀電網(wǎng)供電，且對此模型進行短路故障仿真與分析。

1 船舶綜合電力系統(tǒng)模型

在該船舶綜合電力系統(tǒng)模型中，發(fā)電單元由兩臺參數(shù)相同的柴油發(fā)電機組G1、G2和兩臺參數(shù)相同的燃氣輪機組G3、G4組成，M1、M2表示電力推進電機，T1-T4表示變壓器，L1-L4表示電力系統(tǒng)負載。

1.1發(fā)電機組模型

船舶上的發(fā)電機組是將機械能等其他形式能量轉(zhuǎn)化為電能的裝置，在該模型中，柴油發(fā)電機組采用標幺制的凸極同步發(fā)電機模型，燃氣輪機組采用標幺制的隱極同步發(fā)電機模型。

發(fā)電機組可用如下四階動態(tài)方程描述：

發(fā)電機輸出的有功功率、無功功率和端電壓表達式如下：

1.2推進電機模型

推進電機是船舶電力系統(tǒng)中最主要的大功率負載，它可以實現(xiàn)機械能與電能之間的相互轉(zhuǎn)化，從而使船舶前進。通常，永磁同步電動機和異步電動機都可以作為推進電機。本模型將標幺制的鼠籠異步電動機模型作為推進電機模型。其中籠型轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)比較特別，為了便于分析，將靜止坐標系中的異步電動機模型轉(zhuǎn)換到d-q坐標系，可用如下四階電壓平衡方程[6]描述：

其中，、、、、、分別表示直軸和交軸的定子電流、電壓和磁通；、、、、、分別表示直軸和交軸的轉(zhuǎn)子電流、電壓和磁通；為轉(zhuǎn)子同步角速度；為轉(zhuǎn)子電氣角速度；為定子電阻；為轉(zhuǎn)子電阻。

設(shè)螺旋槳轉(zhuǎn)矩與電機轉(zhuǎn)速滿足如下關(guān)系[7]：

其中，p表示螺旋槳轉(zhuǎn)矩；pQ表示轉(zhuǎn)矩系數(shù)；表示靜水密度；表示螺旋槳直徑；p表示轉(zhuǎn)速。

1.3輸電線與負載模型

在該船舶綜合電力系統(tǒng)中，由于輸電線路較短，采用RLC串聯(lián)支路等效輸電線。在建模時，系統(tǒng)中的負載比較復(fù)雜，一般被分為照明設(shè)備、電子設(shè)備等靜態(tài)模型和電機負載等動態(tài)模型，本模型中的負載模型采用SimPowerSystem中提供的靜態(tài)負載模型，即R-L負載。

靜態(tài)負載在d-q-0坐標系中滿足微分方程[8]：

1.4 船舶綜合電力系統(tǒng)模型的建立

根據(jù)圖1的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，綜合以上建立的各部分模型，可得到以下船舶綜合電力系統(tǒng)模型，如圖2所示。

圖2 船舶綜合電力系統(tǒng)仿真圖

2 船舶綜合電力系統(tǒng)仿真與分析

2.1短路故障分析

在船舶電力系統(tǒng)中，導(dǎo)致發(fā)生短路故障的原因可能為人為誤操作或者絕緣損壞[9]。當某個位置短路時，系統(tǒng)中會產(chǎn)生幾倍于正常電流的短路電流，可能損壞系統(tǒng)中的設(shè)備。除此之外，大的短路電流還會使電網(wǎng)電壓大幅度降低，導(dǎo)致用電設(shè)備的工作受到影響，甚至?xí)拐麄€電力系統(tǒng)不能穩(wěn)定運行。

本文基于IEC61363標準分析電力系統(tǒng)的短路電流，采用以下假設(shè)[10]以便計算。

1）系統(tǒng)中的電容均忽略不計，短路電弧阻抗均忽略不計；

2）若某處短路，則該處的相電壓瞬時值為零且短路電流的路徑不隨短路故障的發(fā)生而變化；

3）電力系統(tǒng)中三相同時發(fā)生短路；

4）故障發(fā)生前發(fā)電機正常運行。

由于無功元件不會產(chǎn)生短路電流，某處發(fā)生短路時只有發(fā)電機和電動機會產(chǎn)生短路電流。因此短路點的短路電流是系統(tǒng)中所有發(fā)電機和電動機產(chǎn)生的短路電流總和。

同步發(fā)電機產(chǎn)生的短路電流計算方法為[11]：

（7）

（8）

（10）

異步電動機產(chǎn)生的短路電流計算方法如下：

（12）

（13）

2.2船舶綜合電力系統(tǒng)模型參數(shù)

仿真系統(tǒng)電機參數(shù)如下：

該模型的負荷參數(shù)如表1：

2.3仿真分析

通過對該綜合電力系統(tǒng)模型在正常運行的情況下進行仿真來驗證該模型的正確性[12]，再分析船舶電力系統(tǒng)發(fā)生短路時的各項參數(shù)變化。

1）正常工況

圖3為正常工況下，船舶中發(fā)電機G1的軸功率、A相電壓和A相電流的變化圖像。從圖中可以看出，啟動后，發(fā)電機的軸功率增大，在1.6 s達到峰值0.7 pu，經(jīng)過4 s的波動后穩(wěn)定在0.52 pu，A相電壓經(jīng)過4 s的波動后穩(wěn)定在5900 V，A相電流也逐漸穩(wěn)定在700 A，說明發(fā)電機能夠穩(wěn)定運行。

2）單相短路故障

對該船舶綜合電力系統(tǒng)模型進行發(fā)電機G1端和負載L1端單相接地短路故障仿真，設(shè)置為6 s時單相短路故障，持續(xù)0.1 s，在6.1 s時切除故障，故障相為a相。

從圖4可以看出，G1發(fā)電機6 s單相短路后，發(fā)電機軸功率開始波動，12.5 s時趨于穩(wěn)定；發(fā)電機A相電壓由5875 V突降到3000V，A相電流由665 A突增到73500 A。

從圖5可以看出，當6 s時負載L1端單相短路故障發(fā)生時，發(fā)電機G1的軸功率從0.53 pu突增為1.1 pu；發(fā)電機A相電壓由穩(wěn)定值5850 V突降到2950 V，發(fā)電機A相電流由穩(wěn)定值680 A突增到5050 A，切除故障后，經(jīng)過5 s的波動逐漸恢復(fù)到700 A。

3）三相短路故障

三相短路是對稱短路，對電網(wǎng)危害較大。對該系統(tǒng)模型的發(fā)電機G1端和負荷L1端進行三相短路故障仿真，設(shè)置為6 s三相短路故障，持續(xù)0.1 s，6.1 s時切除故障，故障相為a相。

從圖6可以看出，在G1發(fā)電機6 s發(fā)生三相短路后，發(fā)電機G1的軸功率開始波動，A相電壓由5850 V突降到0 V，A相電流由670 A突然增加到60000 A，切除故障后恢復(fù)至700 A。

從圖7可以看出，負荷L1端在6 s三相短路后，發(fā)電機G1的軸功率開始波動，6.1 s切除故障后，經(jīng)過7s軸功率恢復(fù)至穩(wěn)定值0.52 pu；發(fā)電機A相電壓由5850 V突降到0 V，A相電流由670 A突增降到4800 A，切除故障后穩(wěn)定至700 A。

對比單相短路和三相短路的參數(shù)變化圖像可知，三相短路較單相短路危害更大，參數(shù)變化幅度大，使電力系統(tǒng)不能穩(wěn)定運行。無論是單相短路還是三相短路，都會在短路瞬間產(chǎn)生非常大的短路電流，引起電力系統(tǒng)的波動。

3 結(jié)論

本文在MATLAB/SimPowerSystem的環(huán)境下建立了中壓混合動力的船舶綜合電力系統(tǒng)模型，著重進行了不同位置的單相短路故障和三相短路故障仿真，得到了短路故障發(fā)生時電力系統(tǒng)各參數(shù)的變化圖像。通過分析可知不同位置、不同故障類型對電力系統(tǒng)的影響不同。單相短路和三相短路都會在電網(wǎng)中產(chǎn)生非常大的短路電流，但三相短路故障對系統(tǒng)危害更大，這對保證船舶安全可靠運行具有重要意義。

[1] 蘭海, 盧芳, 孟杰. 船舶電力系統(tǒng)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2013.

[2] 王勝, 施偉鋒, 張威, 等. 船舶電力系統(tǒng)負荷擾動故障機理研究[J]. 通信電源技術(shù), 2015,32（5）: 58-61.

[3] 張威, 施偉鋒, 周俊深. 船舶區(qū)域配電系統(tǒng)建模與故障仿真分析[J]. 中國航海, 2013, 6（4）: 42-46 .

[4] 王滿, 王浩亮. 船舶電力系統(tǒng)仿真[J]. 大連海事大學(xué)學(xué)報, 2011, 37(1): 35-38

[5] 潘昕, 侯新國, 夏立, 馮源. 船舶電力系統(tǒng)的建模與仿真[J]. 電力科學(xué)與工程, 2013,29(04): 49-53.

[6] 施偉鋒, 許曉彥. 船舶電力系統(tǒng)建模與控制[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2012.

[7] 卓金寶, 施偉鋒, 張威. 船舶電力系統(tǒng)中燃氣輪發(fā)電機組建模與仿真[J]. 計算機仿真, 2016,33(12):143-147.

[8] 王煥文. 艦船電力系統(tǒng)及其自動裝置[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2004.

[9] 龐科旺. 船舶電力系統(tǒng)設(shè)計[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2010.

[10] 中國船級社. 鋼制海船入級規(guī)范2006（第4分冊）[M]. 北京: 人民交通出版社, 2006.

[11] 邰能靈, 王鵬, 倪明杰. 大型船舶電力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2012.

[12] 趙巖. 船舶電力系統(tǒng)短路電流計算方法研究[D]. 黑龍江: 哈爾濱工程大學(xué), 2009.

Modeling and Fault Simulation of Ship Integrated Power System

Dong Yu, Shi Weifeng, Zhang Wei, Zhuo Jinbao

(Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

TM743

A

1003-4862（2017）08-0064-05

2017-04-06

董鈺(1993-)，女，碩士生。研究方向：船舶電力系統(tǒng)及其自動化。E-mail: 1320855215@qq.com