基于MATLAB的溢油回收船电力推进系统稳态和暂态压降仿真与分析

熊 源



基于MATLAB的溢油回收船电力推进系统稳态和暂态压降仿真与分析

熊 源

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

本文依据万吨级溢油回收船船舶电网设计要求构建满足系统要求的电力系统，并根据相关参数进行电压压降MATLAB仿真，研究和分析船舶电网日常使用和误操作启动大型负载对电网的冲击现象。仿真结果表明，无励磁启动大型负载时电网压降很明显，特别是在网功率不足时压降失真更严重，为避免引起保护开关误动作，需保证预充磁变压器正常投入运行。

溢油回收船 电力推进系统 电压压降 MATLAB仿真

0 引言

在船舶配电系统中，电压压降是一种常见的电压扰动，主要指电网电压有效值在短时间或长时间内出现电压下降的现象。一般可分为稳态压降和暂态压降，其中后者主要是由于电力系统发生短路故障或者电网中有大容量负载设备启动时对电网造成冲击引起的现象。电压暂降会降低电网质量，严重的可能造成发电机停机、变频器失压保护误动作和配电板断路器脱扣，进而造成全船失电事故或对一些敏感电子设备元器件造成损坏或者造成计算机存储数据丢失，给用户造成巨大的经济损失。为了避免此类故障的发生和全面掌握、了解可能出现的电压暂降幅度和规律，现采用MATLAB仿真软件对船舶电力系统进行建模，并根据具体工况分析电网电压变化情况。

1 仿真环境

本船交流电力系统采用AC690V，主电源配置为4台AC690V柴油发电机组、1台AC690V停泊发电机组和1台AC400V应急发电机组，对全船电力系统负载进行供电。主要负载包括配电变压器、主推进移相变压器、艏侧推移相变压器等大型负载以及下级负载。根据提供的设备参数在MATLAB建立各个发电机组和电力系统整体仿真模型，如图1、2所示。电网参数的设定可参考如下：机组电压为半载整定（50%负荷），主发电机组电压调整率定为2.5%。发电机空载（0%）电压约为：

图1 发电机模型

图2 电力系统电网模型图

2 仿真结果

2.1 稳态电压压降

稳态压降计算为系统稳态运行时电网各点的压降，压降包括发电机压降、电缆压降和变压器压降等。运行仿真船舶电网系统，分别测量发电机组满载、半载和空载时发电机输出端电压以及各段母线电压，其结果如表1所示。其中满载时计算各段电缆上损耗的压降如下：

1)发电机至690 V母线电缆压降约为2 V；

2)690 V母线至日用变压器原边电缆压降为1V；

3)日用变压器副边至400 V母线电缆压降为0.9V；

4)400 V母线至135 kVA照明变压器原边电缆压降为0.6 V；

5)135 kVA照明变压器副边至230 V母线电缆压降为0.8 V。

稳态压降计算是按照最恶劣情况进行计算，在实际情况下，负载一般不会工作在满负荷，所以变压器和电缆压降会比计算值要偏小，所以满载情况下系统各节点电压会比计算值稍高。从以上结果分析，其压降比显然远低于5%，符合船用电网电能质量标准。

2.2 暂态电压压降

瞬态压降计算为假定在某个负载突然投入系统时系统电网各点的电压降，由于变频负荷在投入时通常负荷是缓慢增加，对电网瞬态冲击可以忽略。由于主推进变压器、消防泵变压器，日用变压器均配有预充磁装置，启动电流无冲击，对电网瞬态冲击可以忽略。现分析在无励磁启动该类设备时对电网造成的电压冲击并与有励磁启动时做比较。在无励磁时，延时0.5 s合闸开关，观察电压和电流波形；有励磁时，选择容量为启动设备2%大小的预充磁变压器，先预充磁1.5 s，然后合闸开关，观察电压和电流波形。

1）无励磁启动主推进设备

考虑四台发电机组在网的条件下，主推进变压器不经过预励磁直接空载合闸启动对690 V电网的冲击所造成的压降，从图3（a）中可知母线压降约为20 V，推进设备启动电流涌流峰值约6200 A。而图3（b）中在有励磁启动条件下，电压压降<1 V，冲击电流430 A。

（a）

（b）

图3 满载启动主推进电压电流波形图

2）电站部分发生接地或短路故障时，主推进设备会直接不预励磁的情况下直接接到另一部分电站上产生的瞬时压降影响

考虑2台发电机组在网的条件下，主推进设备不经过预励磁直接启动时对690 V电网的冲击所造成的压降，从图4（a）中可知母线压降约为40 V，推进设备启动电流涌流峰值约5800 A；图4（b）中，给定励磁的情况下，压降仅为1 V。

（a）

（b）

图4 半载启动主推进电压电流波形图

3）停泊发电机400 kW在网时，直接起动最大电机瞬时电压降

考虑1台停泊发电机组在网的条件下，主推进设备不经过预励磁直接启动时对690 V电网的冲击所造成的压降。从图5（a）中可知母线压降约为170 V，推进设备启动电流涌流峰值约2500 A；图5（b）中母线电压下降为4 V，冲击电流为210 A。

（a）

（b）

图5 停泊启动主推进电压电流波形图

4）停泊发电机400 kW在网时，接入主变压器时的瞬时电压降

考虑1台停泊发电机组在网的条件下，配电变压器不经过预励磁直接启动时对690 V电网的冲击所造成的压降，从图6（a）中可知母线压降约为105 V，推进设备启动电流涌流峰值约1700 A；图6（b）中电压压降接近5 V，冲击电流150 A。计算压降均为该段母线最大瞬态压降，综合对比励磁前后的电压压降和冲击电流，后者大大改善，电压压降很小，冲击电流减小一个级数，不会引起断路器脱扣，结果表明在预充磁下系统母线瞬态压降满足CCS规范要求。

3 总结

通过MATLAB仿真对溢油回收船电力电网进行电压降分析，能够较为清楚的表明系统稳态和暂态压降的大小，压降的幅度与电网在网运行机组功率大小以及启动负载的大小有直接关系。全载启动和半载启动时压降别为20 V和40 V，电网冲击电流较大，可能引起保护开关误操作；若单台停泊机组在网时，启动推进负载压降很大，会引起发电机停机和保护开关脱扣致使全船失电。因此为避免此类事故发生，船用大型负载启动时需确保预充磁正常运行，避免启动时对电网冲击较大，导致较大的电压压降。

（a）

（b）

图6 停泊启动配电变压器电压电流波形图

[1] 钟庆,易扬. 电力用户电压暂降问题分析与仿真[J].电力系统及其自动化学报, 2008,20(6):102-106.

[2] 邵如平,韩正伟,林锦国. 电能质量指标分析[J].电力系统及其自动化学报, 2007, 19(3):118-121.

[3] 刘云潺,黄纯,欧立权,等. 基于dq变换的三相不平衡电压暂降检测方[J].电力系统及其自动化学报2007, 19(3):72-76.

[4] 赵凤展. 基于短时傅里叶变换的电压暂降扰动检测[J]. 中国电机工程学报, 2007, 27(03):28-34.

Simulation and Analysis of Steady and Transient Voltage Drop for OSRV propulsion System Based on MATLAB

Xiong Yuan

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

TH311

A

1003-4862（2017）07-0041-03

2016-11-14

熊源（1989-），男，硕士。研究方向：电气工程。