航天测量船电力系统稳定性的仿真研究

朱 浩，刘建政，刘辉峰

（1.清华大学电机工程与应用电子技术系，北京 100084；2.中国卫星海上测控部，江苏江阴 214431）

航天测量船电力系统稳定性的仿真研究

朱 浩1,2，刘建政1，刘辉峰2

（1.清华大学电机工程与应用电子技术系，北京 100084；2.中国卫星海上测控部，江苏江阴 214431）

以某航天测量船为例，分析了其电力系统的结构和组成，基于MATLAB/Simulink软件建立了柴油发电机组和不同类型负载的仿真模型，进而构建了该船的电力系统仿真模型。利用模型仿真分析了海上航行工况下负载顺序启动对电力系统稳定性的影响，得到了柴油发电机组和负载的运行波形。仿真结果表明，不同负载类型对稳定性的影响是不同的，负载功率越大对稳定性的影响也越大。利用该模型可以对其他工况下电力系统稳定性进行分析，也可以为测量船电力系统的分析和设计提供参考。

电力系统稳定性；航天测量船；建模；仿真

0 引言

船舶电力系统是一个孤立电力系统，具有不同于传统陆地无穷大电网的特点，具体表现在：发电机与负载之间传输距离短，相互耦合作用较强；系统供电容量有限，单个负载功率与发电机的功率具有可比性；电压和频率不能近似为恒定值，而是受负载影响处于动态变化过程中[1,2]。航天测量船电力系统是船舶电力系统的一种特殊类型，除了具备普通船舶电力系统的特点之外，还有一些特殊之处，如负载设备的类型更多、系统结构更加复杂。航天测量船在执行航天器的海上测控任务时，航行工况复杂，系统状态变化频繁，一旦出现问题，会对船舶航行和人员安全产生很大威胁，甚至产生事故，因此电力系统的稳定运行是航天测量船执行任务的重要保证，其稳定性逐渐受到重视。

航天测量船电力系统的稳定性主要指系统运行于平衡状态下，在遭受干扰后能够恢复到平衡状态的能力。扰动一般是随着电气负载的变化而发生，电力系统必须通过控制不断地进行调整，以适应负载的变化，始终连续平稳地供电[3]。由于航天测量船电力系统高阶、非线性等特点，很难应用理论分析直观地得到系统的运行状态，因此可以采用MATLAB/Simulink仿真软件及 SimPowerSystems工具包，建立测量船电力系统的基本模型，运用时域仿真的方法，在航行工况下仿真负载变化对测量船电力系统稳定性的影响[4]。

1 电力系统稳定性的基本原理

测量船电力系统稳定性主要包括电压的稳定性和频率的稳定性。电压稳定是测量船电力系统在额定运行条件下和遭受扰动之后，系统中所有母线都持续地保持可接受的电压波动的能力。当有扰动或者增加负载造成渐进的、不可控制的电压降落时，系统就进入了电压不稳定状态。造成电压不稳定的主要因素是电力系统无法满足无功功率的供给需求和平衡。对于测量船上的用电设备，当系统实际电压值偏离额定值时，用电设备的效率就会降低，偏离额定值较大时，运行工况会恶化，甚至会导致设备的损坏。频率稳定与电压稳定的基本原理相似，造成频率不稳定的直接原因是发电机组有功功率输出的不稳定和转速的不稳定。

为了满足测量船电力系统运行的可靠性和安全性，必须对发电机的电压和频率进行控制。测量船电力系统采用柴油发电机组作为发电装置，在对同步发电机的电压控制方式上，采用自动电压调整器，对同步发电机的励磁进行控制，使得负载变化时自动维持电压恒定，达到对同步发电机端电压与电网电压的调节作用。而对频率的控制主要依靠调速器对柴油机转速进行调节，以实现频率的稳定[5]。

2 测量船电力系统组成与建模

2.1 电力系统组成

测量船电力系统以多台柴油发电机组为核心，在主配电屏、应急配电屏和负载屏的控制下，对测量船的各负载设备进行自动供电。其电网结构形式采用支状配电布局形式，每一个子系统的馈电线都是由主配电屏直接引出，与分配电箱连接。

每个发电机组包括柴油机及调速器、同步发电机及励磁调节器，发电机的功率为 770kW，发电机处于并联运行状态[6,7]。测量船电力系统的负载主要包括照明、空调、冷却水、测控雷达、各种泵、锚机、侧推器以及减摇鳍等。在不同工况时，负载的工作情况不完全相同。

2.2 柴油发电机组模型

柴油发电机组模型包括同步发电机模型、柴油机及调速器模型和调压励磁模型，建立的模型如图 1所示[8-10]。

图1 柴油发电机组模型

模型中同步发电机采用标幺值模型，因此，所有参数都取成单位化的数值，给定柴油机转速和给定发电机端电压均取单位值1，同步发电机的转速和电压作为反馈信号输入给对应调节器中。

2.3 负载模型

测量船电力系统中基本为感性负载，且在航行工况时，系统总的功率因素约为0.8，因此在仿真模型中，使用三相并联阻感负载模型来仿真实际系统中的相关静态负载，且单个负载的功率因素设置为0.8。各种泵类负载采用异步电动机模型表示，转矩和转速之间的相关系数由具体泵的电气参数通过计算求得。

2.4 电力系统模型

测量船在海上航行工况时，由两台发电机组并联运行向全船负载供电，此时负载主要包括100kW照明、400kW空调、130kW冷却水、75kW主用泵、50kW滑油泵以及3套测控雷达。由此利用MATLAB/Simulink建立的模型如图 2所示。模型中，不考虑线路阻抗引起的电压降以及发电机组空载时所消耗的功率。

图2 测量船电力系统仿真模型

3 仿真分析

根据测量船在海上航行工况时各设备实际运行情况，仿真负载顺序启动状态下电力系统的运行状态。设置仿真条件为：仿真时间为22s，初始状态下照明、空调、冷却水负载稳定运行，1s时滑油泵启动，7s时总用泵启动，13s时雷达1工作，16s时雷达2工作，19s时雷达3工作[11]。仿真结果如图3、4、5所示。

图3为1号柴油发电机组仿真波形。图3(a)为发电机输出功率，随着负载的逐个启动，发电机输出功率逐渐增大。图 3(b)为发电机转速，当负载启动时，由于总的负载功率突然增大，导致柴油机转速下降，而后在调速器的作用下，柴油机输出功率增大，转速逐步恢复至额定值。图 3(c)是发电机励磁电压波形，图3(d)是发电机输出端电压波形，当负载启动时，导致发电机输出端电压下降，励磁系统通过强励磁来增加励磁电压，使发电机输出电压能够稳定在额定值。

在仿真参数设置中，两台发电机组平均分配系统负载功率，因此2号发电机组仿真运行波形与1号发电机组一致。

图3 1# 柴油发电机组仿真波形

图4 滑油泵电机直接启动仿真波形

由图3得知，泵类负载启动对功率、频率和励磁的影响较大，恢复时间较长，这是由其自身异步电机的启动特性所决定。而恒功率负载在启动瞬间会引起较大的电压降落，对其它参数的影响较小。

图4滑油泵在1s时启动仿真波形。因为采用了直接启动方式，启动电流较大，当电机在2s时达到额定转速后，电机电流下降，进入稳定运行状态。对电力系统稳定性的影响已在图3中给出。

图5 总用泵电机直接启动仿真波形

图5为总用泵在7s时启动仿真波形。其工作过程与图 4滑油泵相似。但由于总用泵功率大于滑油泵，因此其启动电流也较大，对电力系统稳定性的影响也更大，即系统电压和频率的变化范围更大，这一点可由图3得知。

4 结束语

本文以某航天测量船的电力系统为例，利用MATLAB软件建立其仿真模型，对海上航行工况下电力系统的稳定性进行了仿真分析。仿真结果表明，建立的航天测量船电力系统模型是正确的，泵类负载与恒功率负载的启动运行对测量船电力系统稳定性的影响是不同的，泵类负载因为其自身异步电机的工作特性，在启动过程中对功率需求较大，对系统频率的影响也较大，因此在发生多个泵类负载同时启动时，会导致系统功率容量不足的情况发生，对于这一情况，可以考虑增加一台柴油发电机组以增加电力系统容量。利用该模型可以对航天测量船在其他工况下电力系统的稳定性进行分析，同时对测量船电力系统的分析和设计具有一定的意义。

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Simulation and Study on Stability of TT&C Ship Power System

ZHU Hao1,2, LIU Jian-zheng1, LIU Hui-feng2
(1. Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2. Maritime Satellite TT&C Department of China, Jiangyin 214431, China)

This paper analyzes the structure and composition of a TT&C ship power system. Based on MATLAB/Simulink software, the models of the diesel generator set and different types of loads are created before the simulation model of the whole ship power system is constructed. The impacts on power system stability caused by loads startup are simulated under the sailing condition. The running waveforms of the diesel generator set and the loads are given by the simulation model. The results show that different kinds of loads cause different impacts on the stability, and the impacts increase with the load power. The model can be used for analyzing the stability under other conditions, and also provides a reference for analyzing and designing the TT&C ship power system.

power system stability; TT&C Ship; modeling; simulation

U665.12

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.06.001

朱浩（1983-），男，硕士研究生，工程师，主要研究方向为电力系统运行分析与仿真等。