基于直流电网的船舶电力系统仿真研究

张 鹏，石 媛



基于直流电网的船舶电力系统仿真研究

张 鹏，石 媛

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

对船舶电力系统的发展现状以及主电网电制的选择进行了简要概述，通过对比国内外的发展现状以及交流电力系统和直流电力系统的优缺点，指出基于直流电网的船舶电力系统是未来船舶电力系统的发展方向。对基于直流电网的船舶电力系统的负载分配律进行了分析，随后在MATLAB/Simulink中建立了一种基于直流电网的船舶电力系统的仿真模型，仿真验证了该系统的可行性。

船舶 电力系统 直流电网 油耗率

0 引言

随着电力电子技术以及新型材料的不断发展和应用，船舶电力系统也迎来了一个快速发展的阶段。传统的基于交流电网的船舶电力系统因为要保证交流并网时电压、频率和相位都相一致，因此发电机要工作在额定转速下。文献[1]中通过对柴油机的油耗特性曲线进行分析得出结论，工作在额定转速下的柴油发电机组在低负载率的状态下其油耗率并不理想。如果柴油机能根据负载的实际情况始终工作在低转速大转矩的情况下，则其油耗水平可以得到明显降低，经济性得到大幅提升。基于直流电网的船舶电力系统由于机组是在直流侧并联，因此对发电机转速没有要求，可以根据负载状况改变原动机转速。文献[2]和文献[3]对船舶电力系统电制的选择与趋势进行了详细的分析，指出国际上船舶电力系统的发展趋势为基于直流电网的船舶电力系统。文献[4]中对ABB公司船用直流电网相关的产品进行了简要介绍，该产品不仅能够减少大量的船舶配电设施，而且最多能够降低20%的油耗，经济效果明显。国外其他电气公司也已经有相应的产品推出，如西门子的BlueDrivePlusC。国外基于直流电网的船舶电力系统相关产品已有实船应用的案例。国内相关技术的研究仍比较匮乏，投入的人力物力远远不足，亟需引起相关领域人才的注意。

1电制的选择

船舶电网的发展与陆地电网一样，最早采用的也是直流电力系统。不过早期的直流电力系统采用的是直流发电机直接给全船电力设备供电的工作模式。随着船舶电力系统供电容量的增大，大容量直流发电机的换相问题一直难以克服。而交流发电机的产生很好地解决了直流发电机存在的问题，大大降低了维修和保养的工作量，提高了运行的可靠性。同时变压器的广泛应用使设备几乎可以得到任何需要的电压，并且电气设备重量尺寸小、价格低。因此，自20世纪30年代开始，船舶电力系统进入了交流的时代。然而，交流电力系统也存在一些固有的问题难以解决，如控制复杂，电缆要求多等问题。近几年基于直流电网的船舶电力系统见诸报端，与以往的直流电力系统不同，该电力系统采用交流发电机带整流器的形式工作。交流发电机发出的交流电经整流器整合成直流电能，各用电设备可采用直接取电或通过逆变器取电的形式从直流电网中吸收电能。

基于交流电网的船舶电站其主回路采用的是三相交流电制，因此使用多组船舶发电机组同时供电时要保证电压、频率、相位三者相一致才能并网。而发电机输出交流电的频率，与转速成正比。因此作为原动机的柴油机，转速必须得维持在额定值才能保证频率不变。

相较于传统基于交流电网的船舶电力系统，基于直流电网的船舶电力系统由于主电网采用的是直流电制，因此该系统在并联时只需要保证各个发电机在直流侧的电压相一致即可，对频率和相位没有要求，因此对柴油机的转速不再严格限定在额定转速，为柴油机的变速发电提供了应用空间。基于直流电网的船舶电站使用多组柴油机发电机组同时运行，发出的交流电经整流后在直流母线侧并联，再经逆变器转换之后可提供给船舶上的交流用电设备使用。

2功率的分配

2.1数学模型分析

基于直流电网的船舶电力系统结构框图如图1所示。由若干台柴油机作为原动机，带动同步发电机运行，发出的三相交流电经整流之后并入直流电网，直流侧可安装滤波电容以提高供电质量。在实际的工程应用时，对于若干台并联运行的发电机组，当其稳定运行时，一般要求各机组之间的功率分配符合各自的容量之比。

转子侧方程为

转子运动方程为

三相不控整流桥两侧交、直流电压、电流与有功功率之间的关系可以描述为如下方程式：

将此极坐标形式带入上述直流侧电压、电流方程，可得

由此可知，三相不控整流发电机交流侧的机端电压和电流之间相角之差为常数[5]。

2.2稳态功率的分配

对于如图1中所示的并联运行的整流同步发电机的功率分配问题，由转子侧方程可知，系统稳定运行时有

代入定子侧方程，可得

对此，将定子侧端电压和端电流转换成极坐标形式，则有：

整理可得

2系统建模

现有的基于交流电网的船舶电力系统其结构大致为，调速器控制原动机和发电机的转速，使其稳定在额定转速运行；励磁调节器调节发电机励磁，使发电机电压能够稳定在额定电压附近；发电机发出的三相交流电电压、相位和频率一致的情况下可以直接并网，各个负载从电网中汲取电能。可以看出，转速调节器和励磁调节器的目标值是恒定不变的，基于直流电网的船舶电力系统可以此为基础，通过改变调速器和励磁调节器的目标值进而实现转速的可变控制。其系统结构如图2所示。负载的信号实时反馈给综合控制器，控制器一旦检测到负载的变化，通过改变调速器的给定值调节转速，从而使整个船舶电站工作在油耗率比较理想的状态，如此可以达到降低油耗，提高系统经济的目的。

以图2为蓝本，在MATLAB/Simulink中搭建了基于直流电网的船舶电力系统仿真模型，如图3所示。采用两台柴油机各自带着一台同步发电机运转，根据负载的实际情形实时改变转速调节器的目标转速，使柴油发电机组始终工作在大转矩低转速的情形下，以此实现降低油耗的目的。

图3基于直流电网的船舶电力系统仿真模型

3 仿真分析

如图4中所示，双机并联仿真中，两台机组能够实现功率的平均分配，且在负载变换的过程中能够保持稳定。

如图5所示，发电机组根据负载的实际情形工作在不同的转速和转矩的匹配点，转速调节器能够确保发电机维持在综合控制器给出的目标转速下。经过与基于交流电网的船舶电力系统相比较，系统的油耗率有明显下降。经多次仿真验证，得出如图6所示的恒速发电模式与变速发电模式的油耗率对比曲线。从图中可以看出，在负载率低于80%的情况下，该系统均能有可观的节油效果，最大能够降低20%左右的油耗。

4结论

本文通过分析国内外船舶电力系统发展现状，以及基于直流电网的船舶电力系统的特点，得出直流电网船舶电力系统能够降低系统油耗，提升经济性的结论。通过分析多机并联运行下机组之间的功率分配率，在MATLAB中建立了多机并联运行的仿真模型。仿真结果验证了该系统的经济性与可行性。

参考文献：

[1] Fredrik Hansen, John O Lindtjørn, Klaus Vanska. Onboard DC Grid for enhanced DP operation in ships[C]. Dynamic Positioning Conference, Jan Fredrik Hansen: Norway, John O Lindtjørn, 2011:1-8.

[2] 张义农，汤建华.美英未来舰船综合电力系统电制选择分析[J].舰船科学技术, 2012，34(4):136-139.

[3] 童正军.民用船舶直流电网发展现状分析[J].船舶工程，2014:36（增刊1）:104-119.

[4] 祁斌.ABB创新船用直流电网[J].中国船检, 2013, (7):75-78.

[5] 郭文涛，张雪敏，梅生伟等.三相不控整流发电机功率分配控制策略设计[C].第三十一届中国控制会议论文集D卷，2012:7609-7614.

Research on Simulation of Ship’S Power System Based on DC Power Grid

Zhang Peng, Shi Yuan

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

TM743

A

1003-4862（2016）09-0053-04

2016-04-15

张鹏（1983-），男，工程师。研究方向：电力技术应用。