大功率异步电机起动对船舶电力系统的影响仿真分析

刘秀峰 杨 锋 王 林 贺慧英

(1. 海军驻701所军事代表室，武汉 430064; 2. 海军工程大学电气与信息工程学院， 武汉430033)

1 引言

随着船舶电气化、智能化的迅速发展，船上电气设备的种类和数量显著增加，这些设备对电力系统供电品质的要求也愈来愈高。而船舶电力系统是一个典型的独立供电系统，相对于陆地大电网来说，其供电容量有限，当电力系统所带的大功率冲击负载（如各种泵的驱动电机）起动运行时，将会对电力系统产生较大的冲击，影响电力系统本身的运行稳定性以及电网上其它电气设备的安全可靠运行[1，2]。因此，在进行船舶电力系统设计时，首先要分析在这些冲击负载的影响下，电力系统的供电品质能否满足船舶电力系统标准的要求，如果不满足，则需要考虑增加发电机组容量或者想办法降低冲击大小。

考虑到船舶电力系统是一个涉及到多种形式机电能量的高阶、非线性、多变量、强耦合的复杂系统[3，4]，很难利用理论分析得到准确的解析结果，因此考虑采用专业的电力系统仿真软件PSCAD[5，6]，通过建立船舶复杂电力系统的仿真平台来研究大功率异步电机起动对某船电力系统的影响特性。

2 船舶电力系统组成

本文所研究的某船电力系统结构如图 1所示，该系统有两个发电机组，每个机组包括柴油机及调速器，同步发电机及励磁调节器；同步发电机组型号相同，功率都是310 kW。QF1、QF2为发电机主开关，用来控制发电机组的入网操作；QF3、QF4为跨接开关系统，用来控制两台机组的并联运行；T1为照明变压器。发电机励磁采用自励恒压励磁调节系统，由相复励装置和自动电压调节器组成。为了提高供电可靠性，用跨接线将两电站的主配电板连接起来。在一般情况下，跨接线的自动开关接通，由一个机组向全船供电。在重负荷及紧急情况时，由两台发电机组并联供电。该船负荷中最重要的是异步拖动电机负载，包括37 kW消防泵电机、45 kW海水泵电机、55 kW消防泵电机以及75 kW滑油泵电机。其它的可归结为普通日用负载。

图1 船舶电力系统结构图

3 船舶电力系统仿真模型

对于图 1所示的船舶电力系统，在正常情况下只由一台发电机组向全船的负载供电，此时电力系统的容量最小，而异步电动机起动对其的影响也最大，因此本文将重点研究单台机组构成的电力系统下大功率异步电动机起动的影响。由此利用PSCAD建立的船舶电力系统仿真模型如图 2所示。该平台由同步发电机组、电力网络、ZIP负荷和异步电动机负荷构成。其中发电机组是船舶电力系统的核心，对电力系统的性能有重要影响，其内部由同步发电机、柴油机模型、相复励模型和 AVR模型构成。模型中的同步发电机参数如表 1所示，各种泵的拖动异步电机参数如表 2所示，电力网络参数如表3所示。

表1 同步发电机基本参数

表3 电力网络参数

4 仿真分析

根据上节所建立的某船电力系统仿真模型及设备参数，对不同功率的异步电动机直接起动特性进行仿真分析，得到的仿真结果见图3～图6。

图3 37 kW消防泵电机直接起动对电力系统的影响

图4 45 kW海水泵电机直接起动对电力系统的影响

图5 55 kW消防泵电机直接起动对电力系统的影响

图6 75 kW滑油泵电机直接起动对电力系统的影响

根据仿真结果，得到单台负载直接起动对单台机组电力系统瞬态压降和电压变化率的影响情况如表4所示。

表4 单台负载起动引起的电网瞬态压降及电压变化率

由表4可见：

对于泵类负载，随着拖动电机功率的增大，对电网电压的冲击影响就越大，即拖动电机功率越大，起动瞬间造成的电网瞬态压降就越大。对于只有一台发电机工作的电网，对电网电压冲击影响最大的 75 kW 滑油泵起动时的电压跌幅是18.5%，超过船舶电力系统标准的要求，而其它负载起动引起的电压瞬态变化率都可满足船舶电力系统标准要求。

5 结束语

本文以某船的电力系统为例，利用电力系统专业仿真软件 PSCAD建立了其仿真模型，利用该模型对该船所配置的几种不同大功率异步电动机直接起动特性及其对电力系统的影响进行了仿真分析。仿真结果表明：当异步电动机直接起动时，会产生很大的冲击电流，引起电力系统压降及频率波动，并且随着异步电动机功率的增大，影响随之增大，当 75 kW 的滑油泵拖动电机直接起动时，引起的电网压降达到了 18.5%，超过了船舶电力系统标准的要求，需要考虑采用星-三角或软起动方法来降低起动冲击的影响。

[1]范啸平, 王敏. 现代舰船综合电力推进技术综述[J].上海造船, 2007, 72(4)：34-37.

[2]甄洪斌, 张晓锋, 沈兵等. 武脉冲负荷对舰船综合电力系统的冲击作用研究. 中国电机工程学报,2006, 26(12): 85-88.

[3]Sergio Sebastibn Martin, Mbnica Bernab. Model and performance simulation for over current relay and fault-circuit-breaker using Simulink[J]. International Journal of Electrical Engineering Education.2006,43(1):80-90.

[4]赵春峰. 船舶主电力系统建模与仿真研究[D]. 大连：大连海事大学，2007.

[5]林良真, 叶林. 电磁暂态分析软件包PSCAD/EMTDC [J]. 电网技术,2000,24(1)：65-66.

[6]Modeling and analysis of custom power systems by PSCAD/EMTDC[J]. IEEE Transactions On Power Delivery, VOL. 17, NO. 1, JANUARY 2002: 266-272.