船舶发电机组并车稳定性建模及仿真

万伟学，还 芳

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉430064）

船舶发电机组并车稳定性建模及仿真

万伟学，还 芳

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉430064）

对船舶电站多台不同容量发电机组在并联运行过程中的并车工况进行了仿真研究，对同步发电机组并车条件进行了验证，得到了合闸时刻待并发电机组与电网的电压差、频率差、相位差对并车过程的影响途径，提出不同容量多台机组并联时参数配置的建议。

船舶电站 同步发电机 并车 Matlab/Simulink

0 引言

电力推进船舶通常由多台同步发电机组构成船舶电站对全船提供电力。当船舶负载发生变化或者要求冗余备机时，需要多台发电机组并联运行供电。在机组启停投入过程中，涉及到同步发电机组的并车操作。

将一台发电机并入船舶电网时，要求并车时的电流冲击最小，并车后尽快进入同步运行，否则会导致并车失败甚至是船舶电站解列引起全船失电重大事故。所以，同陆上电网一样，发电机组并车时必须满足以下条件：

1) 待并发电机与电网相序、频率一致；

2) 待并发电机与电网电压、相位角一致；

由于船舶电网的容量较小，机组间的耦合影响大，给并网操作带来新的问题[1]。本文建立船舶出柴油-同步发电机组模型，针对船舶发电机组并车稳定性问题进行仿真研究，以得到影响船舶同步发电机组并车稳定性的关键因素。

1 柴油机发电机组建模

柴油机和调速器的组成如图1所示。

图1 柴油机和电子调速器组成

图中，速度传感器与发电机共轴旋转，负荷传感器检测发电机输出电压、电流和相位等信号，计算得到输出功率后转换为电平信号，可以等效为单位反馈环节。电子控制装置获取速度控制单元计算得到的转速设定、负荷信号和转速信号比例差值，经PID控制运算和功率放大后送至电动执行机构。电动执行机构获取控制信号后控制柴油机的进油量以控制柴油机输出功率，可以等效为一个比例惯性环节。柴油机的运动方程可以等效为一个一阶惯性环节。另外，考虑到柴油机从进油量改变到输出转矩改变的机械性延时，需要增加一个纯延时环节，最终可以得到柴油机的传递函数为：

综上，得到柴油机和调速器的模型如图2。

图2 柴油机和调速系统模型

图3 相复励无刷交流励磁控制系统的仿真模型

分别提取相复励励磁控制系统中相复励装置、交流励磁机和自动电压控制装置(AVR)的数学模型。

相复励装置dq坐标系模型：

上式中，Ur为相复励装置的输出电压；Ud为发电机d轴电枢端电压；Uq为发电机q轴电枢端电压；，x为移向电抗。

电压差模型：

式中，Uref为自动调压装置参考电压；Uf0为励磁电压的初始值；Ka为交流励磁机的有效增益；Tr为低通滤波器时间常数；Uff为反馈环节输出电压；ΔU为综合后的电压差信号。

交流励磁机模型：

综上，得到典型PID控制的闭环反馈励磁系统模型如图3。

2 柴油发电机组并网仿真

2.1 并网仿真模型搭建

为了使船舶同步发电机组并车电流冲击最小并且快速进入同步运行，需要选择合适的合闸时刻，待并发电机的相序、频率、电压幅值和相位角应尽量与电网相同，另外，由于船舶电网的容量小、机组耦合影响的特点，需要选择合适的调速器和调压器的参数，使得各机组配合良好[4]。

相序条件是必须满足的条件，本文对其他几个条件分别进行建模仿真研究。建立仿真模型如图4。其中，DG1、DG2为5MVA发电机组，为研究机组容量和参数对并车的影响，设置2MVA辅助机组AG1。

合闸信号触发模块检测机组相位和电网相位差，以控制合闸角度。内部结构如图5。

2.2 合闸时刻电压差、频率差、相位差对并车的影响

为研究合闸时刻电压差、频率差、相位差对并车的影响，作如下仿真实验。

1）DG1机组已经并网运行，待投机组DG2输出电压幅值比电网电压高5%，保持合闸角在1°以内，频率一致，仿真结果见图6～图8。

2）DG1机组已经并网运行，待投机组DG2输出电压幅值比电网高10%，保持合闸角在1°以内，频率一致，仿真结果见图9～图11。

图4 柴油发电机组并联仿真模型

图5 合闸信号触发模型

图6 1#发电机组功率、电压和转速

图7 2#发电机组功率、电压和转速

由仿真结果可知，合闸时刻的电压差主要影响合闸时刻的无功电流。电压差较大可能造成冲击电流过大，导致合闸失败。

图8 1#，2#发电机组功率

图9 1#发电机组功率、电压和转速

图10 2#发电机组功率、电压和转速

图11 1#，2#发电机组功率

3）DG1机组已经并网运行，待投机组DG2输出电压频率比电网电压高0.5%，保持合闸角在1°以内，电压一致，结果见图12～图14。

图12 1#发电机组功率、电压和转速

图13 2#发电机组功率、电压和转速

图14 1#，2#发电机组功率

4）DG1机组已经并网运行，待投机组DG2输出电压频率比电网电压高2.5%，保持合闸角在1°以内，电压一致，见图15～图17。

由仿真结果可知：合闸时刻待并机组与电网的频率差主要影响的是机组的有功，若频率差值较大，会引起较大的有功调节超调，增加有功平衡的时间，甚至引起机组负功。

图15 1#发电机组功率、电压和转速

5）DG1机组已经并网运行，待投机组DG2机端电压和频率与电网保持一致，合闸角为5°，仿真结果见图18～图20。

图16 2#发电机组功率、电压和转速

图17 1#，2#发电机组功率

6）DG1机组已经并网运行，待投机组DG2机端电压和频率与电网保持一致，合闸角为10°，仿真结果见图21～图23。

图18 1#发电机组功率、电压和转速

图19 1#发电机组功率、电压和转速

图20 1#，2#发电机组功率

图21 1#发电机组功率、电压和转速

由仿真结果可知：合闸时刻待并发电机组电压和电网电压的相位差会影响并车后的有功和无功的调节。不合理的合闸角会使得控制器出现较大的超调，甚至合闸失败。

2.3 不同容量多台机组并车

某些船舶电站是由不同容量的机组并联供电，这就涉及到大小机组的并联问题。不同容量的机组在机组特性、参数上相差较大，所以需要对这种情况单独考虑。另外，在多台机组并联运行时，为了让各机组能够相互配合，需要对参数作一些调整。图24～图27为不同容量多台机组并联仿真结果。

图22 2#发电机组功率、电压和转速

图23 1#，2#发电机组功率

图24 1#发电机组功率、电压和转速

从仿真结果可知，在不同容量机组并联时，大机组惯性较大，响应时间慢，对整体功率分配影响大，小机组惯性小，响应时间短。为了能让大小机组配合良好，在配置控制参数时，可以合理配置控制器的响应速度，有利于不同容量机组和多台机组的并联运行。

图25 2#发电机组功率、电压和转速

图26 1#辅助发电机组功率、电压和转速

仿真机组参数见表1。

3 结论

本文对船舶电站多台不同容量发电机组在并联运行过程中的并车条件进行了仿真研究，对船舶柴油发电机组进行了建模，并通过仿真总结得出合闸时刻待并发电机组与电网的电压差、频率差、相位差对并车过程的影响途径，进一步的验证了发电机组无功、有功和功角，对同步发电机组并车条件。与陆上电网相区别，给出不同容量多台机组并联时参数配置的建议以及应注意的问题。能够为之后的船舶电站的设计提供借鉴。

表1 仿真机组参数

[1] 张翠, 张敏, 王继涛. 船舶不同容量柴油发电机组并联运行分析[J]. 航海工程, 2014, (8)： 146-149.

[2] 姜锦范． 船舶电站及自动化[M]. 大连： 大连海事大学出版社, 2005．

[3] 余中毅, 张丹瑞等. 船舶电站同步发电机组综合控制算法[J]. 中国航海, 2009, (12)： 31-35.

[4] 林华峰．船舶电站及电力拖动[M]．哈尔滨： 哈尔滨工程大学出版杜, 2006．

Modeling and Simulation of Generator Paralleling Stability for Ships

Wan Weixue, Huan Fan

( Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

The status of multiple units with different capacity in parallel operation of marine power station is simulated, and the condition of the synchronous motor group is verified. The influence of the voltage difference, frequency difference, and phase difference of generator set and power grid at switching-in moment on the process of parallel operation is obtained. The suggestion of parameter configuration for the parallel connection of several units with different capacity is given.

marine power plant; synchronous generator; parallel operation; Matlab/Simulink

TM743

A

1003-4862（2016）12-0040-06

2016-5-18

万伟学（1982-），男，工程师。研究方向：船舶电气工程。