基于Matlab/Simulink船舶電力系統(tǒng)建模與仿真

鄭恒持，王孫清，招 聰，張 煒

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基于Matlab/Simulink船舶電力系統(tǒng)建模與仿真

鄭恒持，王孫清，招 聰，張 煒

（中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇無錫 214082）

為了提高船舶電力系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，保證船舶在各種狀態(tài)下實現(xiàn)功率的最優(yōu)化配置，利用模塊化的建模方法，建立了柴油機(jī)及調(diào)速分系統(tǒng)模型、發(fā)電機(jī)及勵磁分系統(tǒng)模型、同步發(fā)電機(jī)并車控制模塊模型、發(fā)電機(jī)組控制模型。在Matlab/Simulink仿真環(huán)境中對船舶電力系統(tǒng)的典型運(yùn)行工況、常見故障工況以及并車操作進(jìn)行了仿真研究。仿真結(jié)果表明，所建立模型能比較準(zhǔn)確地反映船舶電力系統(tǒng)實際運(yùn)行的情況，同時可以避免在實船上進(jìn)行工況試驗和故障測試的高成本、高危險。其數(shù)據(jù)結(jié)果對船舶電力系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)試及控制方法的研究具有重要參考意義。

船舶電力 仿真 Matlab/Simulink

0 引言

船舶電力系統(tǒng)由發(fā)電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、電力網(wǎng)、電力負(fù)載四部分組成[1]。利用模塊化的建模方法，在Matlab/Simulink仿真環(huán)境中建立了柴油機(jī)及調(diào)速分系統(tǒng)模型、發(fā)電機(jī)及勵磁分系統(tǒng)模型、同步發(fā)電機(jī)并車控制模塊模型、并將轉(zhuǎn)速控制模塊和勵磁控制模塊結(jié)合起來，構(gòu)成發(fā)電機(jī)組控制模塊。通過分析不同擾動下系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)的變化情況，對船舶電力系統(tǒng)進(jìn)行研究。

1 船舶電力系統(tǒng)仿真模型建立

1.1 船舶柴油機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)模型

通過二階模型對船舶柴油機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行組合建模[2]。將實際轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速作差后送入主控制單元，主控制單元與放大單元結(jié)合在一起，構(gòu)成比例微分加二階慣性的控制單元。柴油機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速經(jīng)積分作用變?yōu)檗D(zhuǎn)矩，最后將該轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速相乘得到功率信號。其傳遞函數(shù)如公式（1），在Matlab/Simulink仿真環(huán)境中建立仿真模型如圖1所示。

1.2 勵磁系統(tǒng)模型

參照IEEE推薦的勵磁系統(tǒng)模型，建立可控相復(fù)勵無刷交流勵磁系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型[3]。

1）相復(fù)勵裝置的數(shù)學(xué)模型

2）電壓差數(shù)學(xué)模型

3）補(bǔ)償器的數(shù)學(xué)模型

外部驗證。對新考察的①萘、②苯甲酸甲酯、③苯甲酸乙酯、④苯乙酮、⑤二苯醚、⑥肉桂醇、⑦溴苯、⑧苯甲酸芐酯8種有機(jī)物，使用高效液相色譜實驗測定正辛醇/水分配系數(shù)，使用上述軟件計算6項參數(shù)。參數(shù)計算值、響應(yīng)預(yù)測值、實驗值見表2。

4）放大器的數(shù)學(xué)模型

5）比例飽和環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型

6）交流勵磁機(jī)的數(shù)學(xué)模型

7）反饋環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型

綜上七個環(huán)節(jié)，在Matlab/Simulink仿真環(huán)境中搭建同步發(fā)電機(jī)可控相復(fù)勵無刷交流勵磁系統(tǒng)的仿真模型，如圖2所示。

1.3 同步發(fā)電機(jī)組模型

柴油機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速與同步發(fā)電機(jī)組的輸出端電壓是一對相互耦合的變量[4]。所以，可以將柴油機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)與同步發(fā)電機(jī)的勵磁系統(tǒng)耦合起來，組成同步發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)仿真模型。

為了更真實的模擬船舶電力系統(tǒng)中同步發(fā)電機(jī)組單元，采用Matlab/Simulink仿真環(huán)境中標(biāo)幺制下的同步發(fā)電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)模型（Synchronous Machine pu Fundamental）與發(fā)電機(jī)組控制模型相結(jié)合[5]，構(gòu)成船舶電力系統(tǒng)發(fā)電機(jī)組單元模型。

其中，W為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定值，V為勵磁電壓參考值，是控制系統(tǒng)的綜合輸入端，P為原動機(jī)輸出的機(jī)械功率，V為發(fā)電機(jī)勵磁電壓，V為發(fā)電機(jī)輸出端電壓，為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

1.4 船舶電力系統(tǒng)整體仿真模型

建立船舶電力系統(tǒng)整體仿真模型，如圖1所示。這是一個雙機(jī)帶負(fù)載并聯(lián)運(yùn)行的仿真模型，由主開關(guān)（Switch）控制每臺發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)或脫網(wǎng)，通過主配電板向電動機(jī)及靜態(tài)負(fù)載供電。模型中同時設(shè)有電壓、電流檢測模塊，對需要的電壓、電流進(jìn)行檢測，并通過示波器進(jìn)行顯示；還有故障設(shè)置模塊(Three-phase Fault)，可對常見的故障進(jìn)行設(shè)置。

2 電力系統(tǒng)典型運(yùn)行工況仿真

為確保航行的安全性，需要電力系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。為了驗證所建模型的正確性，對發(fā)電機(jī)組空載啟動、單機(jī)投切靜態(tài)負(fù)載以及單機(jī)投切電動機(jī)三種典型工況進(jìn)行仿真試驗。

2.1 發(fā)電機(jī)組空載啟動仿真

通過一號發(fā)電機(jī)組的空載啟動試驗，來檢測柴油機(jī)的調(diào)速性能。

仿真過程：斷開主開關(guān)Switch1、Switch2，當(dāng)啟動條件具備，發(fā)電機(jī)組空載啟動。由圖2可以看出，隨著柴油機(jī)的輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩P的增加，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸上升并開始建立電壓，4s左右發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定值，其額定空載轉(zhuǎn)速略高于其額定轉(zhuǎn)速，符合實際情況。勵磁電壓V在端電壓V為零時很大，隨著電壓的逐漸升高而慢慢減小，最終穩(wěn)定在一個定值。

圖1 船舶電力系統(tǒng)整體仿真模型

圖2 空載啟動過程中發(fā)電機(jī)參數(shù)

2.2 單機(jī)投切靜態(tài)負(fù)載仿真

單臺發(fā)電機(jī)組帶1/3的額定靜態(tài)負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行，然后依次加1/3額定靜態(tài)負(fù)載，滿負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行后卸掉新加的負(fù)載，觀察發(fā)電機(jī)組參數(shù)變化。

由圖3知，開始時電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，2 s時突加負(fù)載，電網(wǎng)電流增大，發(fā)電機(jī)輸出功率加大，轉(zhuǎn)速降低，勵磁系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，加大勵磁電壓，使得發(fā)電機(jī)端電壓逐漸回升，調(diào)速系統(tǒng)也開始工作，轉(zhuǎn)速逐漸恢復(fù)；同理8 s時繼續(xù)加負(fù)載，勵磁電壓、端電壓以及速度調(diào)節(jié)過程上個過程相同；14 s時切除新加的兩個負(fù)載，發(fā)電機(jī)組及電網(wǎng)各參數(shù)的變化與加載時相反。

2.3 單機(jī)投切異步電動機(jī)仿真

異步電動機(jī)是重要的動力負(fù)載，其投切過程也直接影響著電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。尤其是當(dāng)異步電動機(jī)的功率與同步發(fā)電機(jī)容量相當(dāng)時，其影響更加顯著[5]。

仿真過程：電機(jī)帶功率因數(shù)為0.8的阻感性負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行，4 s時突加異步電動機(jī)，10 s切掉異步電動機(jī)負(fù)載。仿真結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，異步電動機(jī)投入運(yùn)行時，原動機(jī)輸出功率大幅增加，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速稍有下降，端電壓出現(xiàn)波動，勵磁系統(tǒng)迅速投入調(diào)節(jié)，切除異步電動機(jī)調(diào)節(jié)過程相反。

圖3 電站投切靜態(tài)負(fù)載時發(fā)電機(jī)參數(shù)

3 典型故障仿真試驗

船舶電力系統(tǒng)的故障一般包括兩種：電網(wǎng)故障和發(fā)電機(jī)組故障[6]。

3.1 電網(wǎng)故障仿真

電網(wǎng)A相發(fā)生接地故障時，電網(wǎng)電阻劇減，電網(wǎng)電流突增；因為電磁功率正比于電流與電壓的乘積[7]，所以發(fā)電機(jī)輸出的電磁功率會增加，導(dǎo)致其電磁力矩也增加。

圖4 電站投切異步電動機(jī)時發(fā)電機(jī)參數(shù)

在t=4 s時A相發(fā)生短路故障，原動機(jī)輸出的機(jī)械功率突增，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，發(fā)電機(jī)端電壓會產(chǎn)生波動，勵磁系統(tǒng)為了保持端電壓恒定會進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。故障期間電網(wǎng)A相電流大幅增加，B、C兩相電流也有所上升；A相電壓接近0，B、C兩相電壓增大。0.5 s后，發(fā)電機(jī)主開關(guān)跳閘，發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行，發(fā)電機(jī)輸出端電壓為空載電壓，電網(wǎng)電壓為零，整個過程結(jié)束。

3.2 發(fā)電機(jī)組故障跳閘仿真

發(fā)電機(jī)組故障跳閘最容易導(dǎo)致全船失電。一旦出現(xiàn)故障跳閘，電力系統(tǒng)必須及時作出響應(yīng)。而柴油機(jī)的反應(yīng)時間相對較長，因此，在研究發(fā)電機(jī)組跳閘時，要著重考慮柴油機(jī)的加載特性和反應(yīng)時間[8]。

1）發(fā)電機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行

圖5為發(fā)電機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時單機(jī)跳閘的仿真結(jié)果。故障前：1、2號發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行，各帶55%的額定負(fù)荷。在第4 s的時候，2號發(fā)電機(jī)組故障跳閘，1號發(fā)電機(jī)組迅速升到110%額定負(fù)荷而過載。此時，1號發(fā)電機(jī)組頻率開始減小，在6.4 s時，頻率減少到規(guī)定的最低值54 Hz[9]。此刻切除2號發(fā)電機(jī)組跳閘前所承擔(dān)的全部負(fù)載量，從而降低1號發(fā)電機(jī)所承擔(dān)的負(fù)載，使其頻率逐漸回升。

圖5 低負(fù)荷時發(fā)電機(jī)組跳閘功率及頻率變化曲線

圖6 高負(fù)荷時發(fā)電機(jī)組跳閘功率及頻率變化曲線

2）發(fā)電機(jī)組高負(fù)荷運(yùn)行

圖6為兩臺機(jī)組高負(fù)荷運(yùn)行時，1號發(fā)電機(jī)組突然跳閘的仿真結(jié)果。故障前：雙機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行，各帶80%的額定負(fù)荷，在第4 s的時候，2號發(fā)電機(jī)組突然跳閘，1號發(fā)電機(jī)組所承擔(dān)的負(fù)荷迅速上升，達(dá)到110%的負(fù)荷時過載。此時電網(wǎng)頻率急劇下降，大約0.75 s后，降低到最低值54 Hz。除去故障前2號發(fā)電機(jī)組所承擔(dān)的全部負(fù)載量，從而使得1號發(fā)電機(jī)承擔(dān)的負(fù)載有所減少，進(jìn)而使其頻率回升。

將圖5和圖6中曲線進(jìn)行對比，可以看出，當(dāng)雙機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時，發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷越高，一臺機(jī)組發(fā)生跳閘故障時，另一臺機(jī)組頻率下降的越快，安全反應(yīng)時間越短，對電力系統(tǒng)的故障反應(yīng)要求越高。

4 結(jié)語

在MATLAB/Simulink環(huán)境下建立了某船舶電力系統(tǒng)仿真模型，對幾個典型工況及故障進(jìn)行了仿真研究。結(jié)果表明，工況及故障仿真可以獲得電力系統(tǒng)電氣參數(shù)的變化，通過對結(jié)果進(jìn)行分析，對于提高船舶電力系統(tǒng)供電可靠性及系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)試及控制方法的研究具有重要參考意義。

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Modeling and Simulation of Marine Voltage Power System Based on Matlab/Simulink

Zheng Hengchi, Wang Sunqing, Zhao Cong, Zhang Wei

(China Ship Scientific Research Centre, Wuxi 214082, Jiangsu, China)

U665

A

1003-4862（2019）07-0020-05

2019-01-07

鄭恒持（1990-）男，工程師。研究方向：船舶電力系統(tǒng)設(shè)計。E-mail: 602242643@qq.com