某船电力系统大功率负载启动仿真分析

2019-12-23左红稳李华兵肖海瑞傅振宇

船电技术 2019年12期

左红稳，李华兵，肖海瑞，傅振宇

某船电力系统大功率负载启动仿真分析

左红稳，李华兵，肖海瑞，傅振宇

（中国卫星海上测控部，江苏江阴 214431）

以某船电力系统为对象，基于MATLAB建立了该船的电力系统仿真模型，并仿真分析了典型工况下大功率负载启动对电网动态特性的影响。分析结果表明，在两台机组并网工况下，冷水机组启动时，导致发电机转速下降4.8%，电压下降3.4%，其启动电流达1300 A；三台机组并网时，艏侧推启动使发电机转速下降5.2%，电压下降4.6%，其启动电流达到约1600 A。在有限的船舶电力系统容量下，大型负荷启动会对电网产生较大的冲击，造成电网电压突降和频率波动，当负载功率增大到一定程度时，会导致电力系统供电品质不满足船舶电力系统标准要求，需要增大机组容量或采取措施降低冲击的影响。研究对船舶海上作业合理安排机组在网及有针对性开展设备维修有指导意义。

大功率负载 Matlab 电力系统稳定性

0 引言

船舶电力系统是一个独立、非线性、多变量复杂的供电网络，其供电容量有限。当大功率负载起动时，起动瞬时电流是其额定电流的几倍，对容量有限的船舶电网是很大的冲击，如推进电机、艏侧推等大型电机起动运行时，会造成电网电压、频率的波动，对其它在网设备也会造成破坏[1-2]。尤其是在船舶出海作业时，航行工况复杂，系统状态变化频繁，电网的不稳定或失电，将导致船舶无法航行，甚至瘫船。因此有必要分析在不同工况下大功率负载对电力系统动态稳定性的影响，以采取相应的措施来降低冲击大小、减轻影响程度，提升电力系统的稳定性。当前电力系统仿真软件使用较广泛的有EMTP、NETOMAC、SPICE、PSCAD、SIMULINK等[3]，而船舶电力系统具有有限、多元、多变、强耦合的特点[4]，MATLAB仿真软件中的SIMULINK模块可以直观的对系统阶跃响应、稳态特性、瞬态特性等进行仿真，利用SIMULINK模块建立某船电力系统仿真模型，通过设置不同工况条件，研究分析电力系统对不同负载变化的响应特性[5-6]。

1 某船电力系统组成及仿真模型

1.1 某船电力系统

某船电网结构如图1所示，该系统有5台发电机组，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，额定功率为770 kW，额定转速750 r/min，额定电流1389 A。ACB为主开关，用来控制发电机组的入网操作；ISB为联络开关，用来控制两边电网的同时运行；1为变压器。发电机励磁采用自励恒压励磁调节系统，电压的调节主要依靠电压调节器AVR进行调节。为了提高供电可靠性，联络开关与应急电站的应急配电板连接起来，以保证在主电网失电的情况下，应急配电板可以向应急设备供电。该船负荷中主要是异步拖动电机负载，主要包括630 kW的艏侧推、两屏冷水机组供电屏、消防泵、冷媒水泵、消防泵等功率不同的各类泵浦，其它的为普通日用负载。

1.2 船舶电力系统仿真模型

利用SIMULINK，以某船单台发电机为建模对象，建立了包含同步发电机、励磁系统、原动机及调速系统的电力系统仿真模型。该模型由同步发电机、励磁系统、调速系统、变压器、异步电动机负荷以及测量显示设备构成。其中发电机组采用标幺型标准同步发电机，模型中参数值采用标幺值；利用SIMULINK中柴油机的调速模块如图2所示，以柴油机转速为反馈信号，经过积分放大，并与转矩相乘得到输出功率，从而实现柴油机调速；依据船舶发电机调压模块及PID励磁调压系统模块如图3所示，以测量电压、输出功率、角速度为反馈信号，并加入机端电压，通过积分放大，调节励磁电压，实现机端电压的调节，这相当于船AVR调压模块[7]。由于船舶负载中，大功率异步电动机拖动的设备占多数，因此采用感性负载模型进行仿真。表1为同步发电机参数，表2位各种泵的异步电机参数。

图1 某船电网示意图

图2 柴油机调速系统模型

2 机组单机模型的仿真

仿真时，为能正常对空载状态进行仿真，在负载模型设置有功功率值为10-3kW，无功功率为10-6Var，以此模拟空载时的状态。图4所示为起动后原动机转速特性和励磁电压曲线。《钢质海船入级规范》[8]规定：原动机起动后转速应在5 s内稳定到额定转速。由图可知，阶跃信号经过调速器的调节作用，大约在3 s左右，原动机的转速已经上升到额定转速并保持稳定，满足规定；而励磁电压在1 s内便达到稳定，产生稳定的电压，模型符合要求。

图3 励磁系统仿真模型

表1 同步发电机基本参数

表2 拖动电机参数

（a）原动机转速特性曲线 b）励磁电压曲线

2.1 单机突加突卸负载仿真试验

《钢质海船入级规范》[8]规定：在空载状态下，交流发电机稳态时突加突卸60%额定电流及功率因数不超过0.4的对称负载，其瞬态电压降不低于额定电压的85%，升高值不超过额定电压的120%；电压恢复到稳定值3%以内所需的时间应不超过1.5 s。仿真时，设定发电机组起动后，第5 s突加450 kW的负载，第8 s突卸此负载，第9s结束运行。由此得到发电机转速、机端电压响应曲线如图5所示。由图可知，第5s电压降低为额定电压的92%，第8s升高到额定电压的110%，故电压满足规定[5]; 而突加突卸过程中电压在1.2 s内恢复到规定范围。因此，仿真结果满足《钢质海船入级规范》要求。

2.2 单机分两次突加50% 负载、突卸100% 负载时的暂态稳定性试验

《钢质海船入级规范》[9]规定：发电柴油机在空负载状态下突加50% 额定负载，稳定后再加载50%负载时，其瞬时调速率不大于额定转速的10%；稳定调速率不大于额定转速的5%；卸去在网负载时，稳定调速率不大于额定转速的5%。计算过程中，设定发电机起动后，第2s 突加375kW的负载，第5s突加相同大小的负载，第8s突卸此两负载，第10s结束仿真。由此得到仿真结果如图6所示。

由图6机端电压和转速曲线可知，瞬时转速在2s、5s分别下降4.5%、2.3%，电压最大下降13%，显然，都在规定范围内。因此，认为模型满足《钢质海船入级规范》要求。

图5 单机突加突卸50%负荷转速、机端电压曲线

3 典型工况仿真分析

某船出海作业时，会根据航行情况及工作情况而选择不同的工况。在一些特定工况时，一般四台机在网，电网总功率较大，可以满足负载的使用。而在其他工况时，一般两台或者三台机在网，此时设备启动的不确定性和和可用功率的减少会对电网产生较大的影响。因此下面重点对常用工况,即两机及三机在网时负载突变对电网的影响进行仿真分析。

要实现对两机、三机等多机组并网运行的仿真，首先要建立并车模块。图7所示为利用SIMULINK模块创建的发电机并网模型。由图可知，通过对1号、2号机组电压矢量差、频率差进行检测比较，满足条件时进行并车。并网后，同时，通过检测不同机组间的电压差、频率差，使不同机组共同响应负载的变化，达到不同机组并联运行的效果。

图6 单机分两次突加突卸50%负荷时励磁电压、转速、机端电压曲线

图7 并联模块

3.1 两机在网突加突卸负载的稳定性

图8 冷媒水泵、冷水机组启动时励磁电压、转速、机端电压曲线

两机在网时，建立两机在网运行模型，在原有照明、水泵等基本负荷基础上，设定2 s时起动一台冷媒水泵，5 s时起动一台冷水机组，8 s时冷水机组和冷媒水泵停止运行。9 s后仿真结束。由此得到电网动态响应曲线如图8～10所示。

由图8～10可以看出，随着在2 s、5 s时负载的启动，发电机输出功率逐渐增大、转速下降、电压也有略微下降，电流急剧增大，2s后系统趋于稳定。在这一过程中，机端电压等参数会有一定波动，但均在合理范围，这主要是励磁系统的调节作用。其中，冷媒水泵启动时，启动电流达400 A，导致发电机转速下降约3%，机端电压下降约2.3%，电网电流急剧增加后恢复至工作电流；冷水机组启动时，启动电流达到1300 A，导致发电机转速下降4.8%，电压下降3.4%，系统电流急剧增加约5倍。某船发电机主开关额定电流值为I=1389 A，瞬动电流值为16 kA、动作时间为延时0.06 s，短延时电流值为2I、动作时间为延时0.4 s。由图可知，冷水机组启动电流没有达到主开关的保护动作值，但会引起电网的波动，对电网在网设备的稳定运行和系统安全产生影响。

图9 冷媒水泵、冷水机组启动时功率、电流曲线

图10 冷媒水泵、冷水机组启动电流变化曲线

3.2 三机在网突加突卸负载的稳定性

艏侧推是船舶负荷较大的设备，其功率为630 kW，几乎相当于一台发电机的功率，因此艏侧推的启动对电网的冲击较大的。为此，对三机在网时，艏侧推启动对电网的影响进行仿真。设置仿真条件为：仿真时间为10 s，2 s时照明、空调等负载稳定运行，5 s 时艏侧推启动，8 s时断开。仿真结果如图11～13所示。

图11 艏侧推启动时励磁电压、转速、机端电压曲线

图12 艏侧推启动时电网功率、电流变化曲线

图13 艏侧推启动电流变化曲线

由图11~13可以看出，随着在2 s、5 s时负载的启动，发电机输出功率逐渐增大、转速下降、电压也有略微下降，电流急剧增大，由于励磁系统和调速器的共同作用，约2 s后系统趋于稳定。其中，艏侧推启动时其启动电流达到约1600 A，发电机转速下降5.2%，电压下降4.6%。艏侧推主开关额定电流值为I=1250 A，瞬动电流值为16 kA、延时0.06 s，短延时电流值为2I、延时0.4 s，由此可知，艏侧推启动电流也没有达到开关动作值，但由于其冲击电流较大，在电网负荷较大、或者开关接触不良等情况下，容易导致发电机主开关跳闸，影响电网稳定和安全。因此需要及时检测主开关的性能，以保证在超过限定值时能够及时动作，切断过电流负载，保证电网的稳定。