船舶电力系统仿真.pdf

第 37 卷?第 1 期大 连 海 事 大 学 学 报Vol.37?No.12011 年 2 月Journal of Dalian Maritime UniversityFeb.,?2011文章编号:1006?7736(2011)01?0035?04船舶电力系统仿真?王?满,王浩亮(大连海事大学 轮机工程学院,辽宁 大连?116026)摘要:为研究单台发电机运行时船舶电力系统的参数变化情况,利用 MATLAB 环境下的 SIMULINK 动态仿真工具对船舶电力系统进行建模仿真.通过对船舶电力系统单机突加、突减大功率负载等工况的仿真分析,得到系统参数的变化情况,验证了模型的正确性.关键词:船舶电力系统;系统仿真;Matlab;Simulink;电力负载中图分类号:U665.12?文献标志码:ASimulation on ship power systemWANG Man,WANG Haoliang(Marine Engineering College,Dalian Maritime University,Dalian 116026,China)Abstract:The Simulink tool of Matlab was used to establish dy?namic simulation model for ship power system to study the pa?rameters variation when single generator was running.The vari?ation conditions were obtained when the load was suddenly in?creasing or decreasing,which validates the correctness of theproposed model.Key words:ship power system;system simulation;Matlab;Simulink;electrical load0?引?言船舶电力系统是一种不同于陆地无穷大电网的独立电力系统,其特点主要体现在:负载大多为异步电动机,部分负载和发电机的功率具有可比性,使系统存在较大的扰动;频率和电压不再保持恒定,而是一个动态变化的过程;船舶电力系统传输线距离短,发电机和负荷之间有较强的耦合 1.随着船舶辅助电力推进系统以及大型船舶冗余电力推进系统的应用,船舶电站的容量越来越大,船舶电力系统变得越来越复杂.船舶电力系统建模、分析与智能控制研究是以实际船舶电力系统为研究对象,运用系统建模理论、仿真技术、系统分析与各种智能控制理论,建立电网模型,最终通过电网模型建立船舶电力系统模型,并以此对船舶电力系统的各种现象进行分析研究,从而对船舶电力系统进行控制.对船舶柴油发电机组进行控制研究更是系统控制的核心,最终,将研究成果应用于实际船舶电力系统 2.本文利用 MATLAB 环境下的 SIMULINK 动态仿真工具建立船舶电力系统的仿真模型,通过分析不同扰动下系统状态参数的变化情况,对船舶电力系统进行研究,验证模型的正确性.1?船舶电力系统仿真模型本文根据船舶电力系统的结构、工作原理和系统参数,在 MATLAB 的 SIMULINK 交互式仿真工具下,基于 MATLAB 的 PSB 模块集和连续系统模块集建立船舶电力系统基本电力设备模型,在此基础上建立船舶电力系统的仿真模型(图 1).船舶电力系统仿真模型包括:柴油发电机组模型;断路器模型;三相电力负载模型;参数测量模型.该模型可以测量发电机的输出电压和电流,也可以测量发电机的励磁电压,还可以测量发电机转子转速和输出转矩等物理量.柴油发电机组模型包括柴油原动机转矩平衡模型、调速器伺服模型、同步发电机模型和相复励装置电压调整模型.船舶电力系统的柴油发电机组与调速机构组成闭环调速系统,柴油原动机在调速伺服器的调速控制下稳定地运行于额定转速,输出转矩功率.同步发电机在柴油机驱动下运转,与电网合闸后发出电功率,向负载供电;在相复励调压装置作用?收稿日期:2010?12?09.作者简介:王?满(1981-),男,辽宁葫芦岛人,助教,E?mail:wangman0517251 .下通过调节发电机的励磁电流,使发电机电压维持不变.图 1?船舶电力系统仿真模型?同步发电机是电力系统中的重要元件,由定子和转子两个部件组成.在研究同步发电机的数学模型时,假设定子三相绕组的结构完全相同,空间位置彼此相差 120?,转子铁芯及绕组对极中心轴和极间轴完全对称.一般情况下,推导同步发电机的数学模型时应用 abc 坐标系统表示的电压和磁链方程.abc三轴就是定子三相绕组的中心轴线.定子三相绕组中的电流分别表示如下:ia=Imcos(?st+r0)=Imcosrib=Imcos(r-2?3)ic=Imcos(r+2?3)(1)?利用该坐标系统建立同步发电机的电压和磁链方程时非常容易理解,但是所建立的方程为变系数的微分方程,其求解非常困难.为此,最简单有效的方法是将定子 abc 三相绕组的磁链和电压方程用一组新的变量替换,目的是使方程更易于求解.变量变换又称作坐标变换,最常用的坐标变换为 Park 变换 3.Park变换是将 abc坐标系下的ia、ib、ic表示成dq0 坐标系下的 id、iq、i0.d 轴为转子中心线,称作纵轴或直轴;q 轴为转子极间轴,称作横轴或交轴,按转子旋转方向,q 轴比d 轴超前90?;0 坐标轴是抽象的.这样,变换后电流的表示方式如下:i=id+iqia=iad+iaqib=ibd+ibqic=icd+icq(2)?abc 坐标系统变换为dq0 坐标系统的变换公式如下:idiqi0=23cos cos(-2?3)cos(+2?3)-sin-sin(-2?3)-sin(+2?3)121212iaibic(3)?同步电机 dq0 坐标下的暂态方程称为派克方程,是一组非线性的微分方程组.由于 dq0三轴之间解耦以及 dq0 坐标下的电感参数是常数,因此派克变换及同步电机的派克方程在实用分析中得到广泛应用.同步发电机模型用 MATLAB 软件中的 PSB 仿真模块集进行建模.这里,船舶同步发电机采用五阶状态方程,即为不考虑零轴的派克方程,并规定正方向的定子电流产生正向的磁链,全部的电气变量都折算到定子侧 4.船舶电力系统中的负载有多种分类方法,由于本文主要通过突加、突减负载来模拟大扰动,因此可以采用 SimPowerSystems 中提供的静态负载模型进行建模仿真.船舶电力系统中容性负载较少,因此本文采用的负载仿真模型用三相并联 RL 负载表示.在船舶电力系统当中,航行工况负载的总功率因数近似为0.8 5,因此在船舶电力系统仿真模型中设置功率因数均为 0.8 的仿真负载(功率均为单机功率的50%).为方便研究,本文在船舶电力系统仿真模型中设置2个三相并联RL 负载:50%L1负载、50%L2负36?大 连 海 事 大 学 学 报?第 37 卷?载.负载参数如下:50%L1:P=9 104W,Q=2.5 104,cos!=0.8.50%L2:P=9 104W,Q=2.5 104,cos!=0.8.2?单机投切大功率负载时船舶电力系统的暂态稳定性?在同步发电机组运行过程中,突然投切大负载时如何使系统保持稳定是一个值得深入研究的问题.发电机在该条件下,可能因为电压过低或恢复正常电压所需时间过长而影响到其他电气设备或负载的正常运行,也可能导致整个系统产生振荡甚至失去同步,即系统失稳.这是船舶电力系统研究的重要内容.为研究方便,规定该工况下同步发电机组 G1投入电网运行.仿真参数设置如下:Start time:0;Stop time:16;T ype:variable-step;Slover:ode23tb(stiff?T R-BDF2);Relative tolerance:1 10-3;其他仿真参数采用默认值.系统运行过程为:同步发电机组 G1 启动后,t=4 s,突加 50%负载;t=8 s,继续突加 50%负载;t=12 s,突减 100%负载;t=16 s,结束运行.该过程的仿真结果如图 2、3所示.图 2?电网电压及电流仿真图 2中 U 表示电压,I 表示电流.图 3 中Jmec表示输出转矩,Uf表示励磁电压,Ut表示发电机电压,Speed 表示发电机转速.2.1?单机突加 L1 时的暂态稳定性图 3?G1 发电机相关参数同步发电机组 G1 在 t=4 s 突加 L1 时,同步发图 4?单机突加 L1 的电网电压及电流图 5?单机突加 L2 的电网电压及电流电机输出电压、电流(放大图)如图 4 所示:电压在t=4 s突降,经波动约 1.5 s 后恢复稳定至 0.925(略降);电流在 t=4 s 突增,经波动约 1.5 s 后稳定至0.5.由图 3 可以看出:输出转矩 Jmec在 t=4 s突增,经波动约 1.5 s 后稳定在 0.4;励磁电压 Uf在t=4 s突增,经波动约 2 s 后稳定在 1.3;发电机电压Ut在 t=4 s 突降,经波动约 1.5 s 后稳定;转速Speed 在 t=4 s 突降,经波动约 1.2 s 后稳定在 1.同步发电机组 G1 在 t=8 s 突加 L2 时,同步发电机输出的电压、电流(放大图)如图 5 所示:电压在t=8 s 突降,经波动约 1.5 s 后恢复稳定至 0.92(略降);电流在 t=8 s 突增,经波动约 1.5 s 后稳定至1.由图 3 可以看出:输出转矩 Jmec在 t=8 s 突增,经波动约 1.5 s 后稳定在 0.79;励磁电压 Uf在t=8 s37第 1 期?王?满,等:船舶电力系统仿真?突增,经波动约 2 s后稳定在 1.8;发电机端电压 Ut在t=8 s 突降,经波动约 1.5 s 后稳定;转速 Speed在 t=8 s 突降,经波动约 1.2 s后稳定在 1.2.2?单机突卸 100%负载时船舶电力系统的暂态稳定性同步发电机组 G1 在 t=12 s 突卸 100%负载(L1 和 L2)时,同步发电机输出的电压、电流(放大图)如图 6 所示.图 6?单机突卸 100%负载时电网电压及电流由图 6 可以看出:电压在 t=12 s 突增,经波动约 1.5 s 后稳定至 0.93(略升);电流在 t=12 s 突降,经波动稳定在 0 附近.由图 3 可以看出:输出转矩在 t=12 s突降,经波动 0.35 s 后降为 0;励磁电压 Uf在t=12 s 突降,经波动约 2 s 后稳定在 1;发电机电压 Ut在t=12 s 突降,经波动约 1.5 s 后稳定;转速 Speed 在 t=12 s 突增,经波动约 2.8 s 后稳定在 1.?中国船级社!钢质海船入级规范 2009中要求:#带动发电机的柴油机在空负载状态下突然加上50%额定负载,稳定后再加上余下的 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%;稳定时间(即转速恢复到波动率为 1%范围的时间)不超过 5 s.当突然卸去额定负载时,如不影响超速装置的要求,瞬时调速率可大于额定转速的 10%,稳定调速率不大于额定转速的 5%.结合以上分析可知:系统在负载由 50%增加至100%,稳定后突卸 100%的情况下,仿真结果符合实际情况,发电机励磁系统及原动机调速系统满足!钢质海船入级规范 2009的规定,整个船舶电力系统处于稳定状态.参考文献(References):1刘雨,郭晨,孙建波,等.船舶电力系统的动态过程仿真研究 J.系统仿真学报,2009,21(9):2791-2795.2施伟峰.关于船舶电力系统研究的一些探索%系统建模、混沌分析与神经控制 D.上海:上海海事大学,2005.3吴天明.MATLAB电力系统设计与分析 M.北京:国防工业出版社,2007.4 李志军,MATLAB 在同步发电机仿真中的初始化问题J.大电机技术,2003(6):62-66.5甄洪斌,庄劲武,张晓锋,等.复杂结构的舰船电力系统仿真算法研究J.船舶工程,2004,26(4):64-67.(上接第 34 页)图 5?经济性分析运行结果3?结?语?根据船舶维修实际需求,利用计算机技术,采用Visual Basic 6.0 为前台开发工具,以 Access 2003 为后台数据库,设计开发了舶维修级别分析系统.本系统的开发与使用,实现了船舶维修级别分析的系统化、自动化,提高了船舶维修管理效率,降低了工作强度.参考文献(References):1谢新连,霍伟伟,徐豪,等.基于决策树的船舶设备维修级别分析 J.船舶工程,2009,31(184):84-87.2谢新连.船舶运输管理与经营M.大连:大连海事大学出版社,2009.3徐豪,董振华,谢新连.船舶维修工程级别综合分析 J.大连海事大学学报,2009,35(2):27-30.4金家善,罗云.用于修理级别分析的费用模型开发 J.中国机械工程,1998,9(12):30-34.5徐国祥.统计预测与决策 M.上海:上海财经大学出版社,2006.6耿俊豹,金家善.模块化装备修理级别分析技术的研究 J.中国修船,2002,1:40-42.38?大 连 海 事 大 学 学 报?第 37 卷?