基于大负载的中压供电船舶综合电力系统仿真研究

2023-01-03胡红钱薛明瑞

船电技术 2022年12期

关键词：大功率同步电机发电机组

胡红钱，叶军，薛明瑞

应用研究

基于大负载的中压供电船舶综合电力系统仿真研究

胡红钱，叶军，薛明瑞

（浙江工业职业技术学院，浙江绍兴 312000）

配置大功率负载是航母等现代大型舰船的需要。大功率负载设备受工况和海况的多重影响，频繁的工作极易产生大幅功率波动，对包括电压、电流、频率等电网安全稳定造成影响和冲击。基于综合电力系统构建“船舶电站-逆变器-推进电机-螺旋桨”的完整电能链，根据大功率负载的工作情况，对大功率负载投入时电网的电压、电流、转速和扭矩等关键指标进行理论分析、计算和仿真，获得完备数据以保障中压供电大负荷船舶综合电力系统的有效运行。

综合电力系统大功率负载中压供电负载特性

0 引言

船舶动力与电力合二为一造就了“综合电力系统（Integrated Power System，IPS）”及“电力推进系统”的概念，实现了全船设备的集中控制和能源的高效利用，具有配置灵活、调度统一、稳定安全、运行经济等优点，是船舶综合电力系统的主要发展方向[1]。随着现代大型化船舶、大功率推进和多样化设备需要，功率要求越来越高，电站容量越来越大，中高压供电逐步取代低压供电进入船舶柴油发电机组和供配电设备领域，而且前景良好[2]。根据IEEE C37.100规定：中压交流电力机构是指额定电压大于1000 V、小于10000 V的电力系统，对于额定频率为60 Hz的电力装置，中压的额定值有2.3/4.16/6.6 kV等级，而额定频率为50 Hz的电力装置，中压的额定值有3.3/6.0/10 kV等级[3]。与低压供电相比，现代船舶配置的大功率负载功率可达兆瓦级，其工作时可能导致电压、电流、频率的频繁波动，并受海工况影响而多重叠加，对发电机组、用电设备和电网等造成不利影响，因此，需要在设计阶段对基于大功率负载的电力系统供电进行动态分析，以满足现在舰船的需要[4]。

1 中压供电推进系统结构

以“泰安口”号半潜式电力推进船的电力系统为例，图1为其单线原理图[5]。该系统以两组额定功率为5200 kVA的主柴油发电机、一组5200 kVA备用/货用柴油发电机组为构成发电单元，均采用6.6 kV的中压供电；以两台800 kW侧推器和一对4.7 MW的永磁同步电机带螺旋浆为主推进器；将锚机、起重机和牵引等统一为短时负载，将冷藏、通风和220 V低压系统等负载统一为全时段耗能的基本负荷；系统以主辅配电屏作为电能管理和分配装置。

图1 中压供电船舶电力系统单线图

大量文献对小功率船舶推进系统进行了仿真研究，而大功率推进系统是一个典型的复杂刚性系统[6]，其过渡时间常数跨度非常大，仿真求解数值法需要足够长的时间以保证求解的稳定性，不利于建模分析；此外，螺旋桨与船体的大惯性也加长了仿真时间，所以导致对其的仿真研究较少。例如美国普渡大学用戴尔M1530电脑对基于Simulink的综合电力系统进行10 s的仿真大约花费了25分钟[7]。为了研究船舶大功率电力推进系统的稳态和动态性能，本文建立了基于中压供电和长过渡常数的大功率永磁同步电机电力推进数字仿真系统，并加载大时间惯性的螺旋桨进行工况仿真。

2 中压供电大功率推进电力系统仿真模型

2.1 柴油发电机组

柴油发电机组是常见的电站能量来源。柴油发电机组包括原动机与发电机，其控制系统通常包含两部分：转速控制与励磁控制，如图2。船舶电力系统中电网的频率是通过发电机的转速决定，而发电机转速的快慢由原动机转速决定。柴油机通过调速器控制柴油机的供油量来改变发动机的气功活塞运动快慢达到调速目的。船舶电力系统中电网的电压指的是同步发电机的端电压，它通过检测电网电压与电流构成闭环由励磁（调压）系统控制。

图2 发电机组转速与励磁控制框图

2.2 永磁同步电机

永磁同步电机是大型电力推进船舶的主流推进方式，具有更高的功率密度和功率因素、更大的转矩密度和更小的电磁转矩波纹系数及低噪声、高效率、小体积、好维护等特点[8]，成为未来船舶推进电机的重要选择。假设永磁同步电机可以忽略一些仅有微小影响的参数：具电导率为零，有正弦波反电势，漏磁通的、磁路饱和、涡流损耗及磁滞损耗可以忽略和定子各相绕组参数一致情况下，利用转子两相旋转坐标系在d-q轴下得到其数学模型[9]：

2.3 船桨动力模型

船舶通过推进电机带动螺旋桨产生向前推力，克服船舶的航行阻力使船舶航行。小功率推进系统仿真甚至可通过直接给推进电机设定一个小数值的恒定量作为螺旋桨负载转矩进行模拟，而实际上大功率螺旋桨自身所处海况和运行工况多变，是一个具有大时间惯性的螺旋桨转矩，是一个船-桨复杂大惯性系统模型，其建模对整个系统的仿真具有重大的影响。参照文献[10-11]，建立如下船桨模型：

进速比：

推力：

扭矩：

推力减额系数：

螺旋桨有效推力：

船桨运动方程：

船体总阻力：

2.4 永磁同步电机的逆变控制策略

图3 船桨模型

图4 永磁同步电机矢量控制结构图

3 大功率负载设备对电网的影响

以某豪华游轮为例，建立其综合电力系统模型。游轮质量16299 t，附水质量1303 t，螺旋桨直径D=1.5 m；发电机组采用6.6 kV中压交流供电，总装机容量5.125 MW；推进系统为直轴型，电机为永磁同步电机，功率达2×1 MW。仿真时间为1 s，永磁同步电机从0s开始启动转速为200 r/min，0.3 s时加速为460 r/min，图5～图9分别是发电机组中压供电电压、永磁同步电机三相电流、永磁同步推进电机转速、螺旋桨负载输入扭矩。

图5 发电机组中压供电相间电压Vbc

图6 永磁同步电机ABC相电流

图8 螺旋桨负载转矩

从图中可以看出，发电机组稳定建压，电压有效值6.6 kV，峰值9.3 kV，如图5。机组电压经整流器输出稳定直流电压供推进变频器驱动推进电机，推进电机输出稳定工作电流，如图6。稳定的电流保障大负载螺旋桨负载扭矩输入稳定，且转速跟随设定。同时可以看到，负载电流、转矩同步并随着转速的增加而快速增加，如图7、图8。根据=9550×可知，左右舷推进实际负载功率达2×1.13 MW，可与电站容量相匹配，属大负载。

4 结语

本文从“船舶电站-逆变器-永磁推进电机-螺旋桨”的主电力供应链角度构建完整中压交流船舶综合电力系统，结合船桨特性进行大功率负载运行分析，验证系统的暂稳态特性，为大功率电力系统的装置选型、系统建模和逆变控制等提供参考依据和借鉴价值，并为系统设计与故障等特性分析提供数据基础。

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Simulation research on medium voltage power supply ship integrated power system based on large load

Hu Hongqian, Ye Jun, Xue Mingrui

(Zhejiang Industry Polytechnic College, Zhejiang 312000)

TM561

1003-4862（2022）12-0030-04

2022-09-04