船舶综合电力系统仿真研究

陈次祥，刘莉飞，唐石青，赵跃平

（704研究所，上海 200030）

0 概 述

综合电力系统以“电力集成”为指导思想来研究船舶电能的产生、输送、变换、分配及利用电能实现船舶电力推进和高能武器发射，其典型结构如图1所示（其中 G1… Gn代表高功率密度大容量发电模块）。综合电力系统由下列若干个模块组成：

1)发电模块。经环形电网向全船各区域配电系统供电；

2)电能调度及智能管理模块。对全船各区域配电系统实行电能分配及智能监控；

3)区域配电模块。将电力输送到各个电力区的负荷中心,然后再分配到用电设备,采用区域配电可使发电机的运行频率不受用电设备对频率的严格限制,实现发电机和整流设备成本、体积和重量的最佳化、集成化；

4)电力推进模块。用以实现船舶电力推进；

5)高能武器电力变换模块。为激光武器、电磁炮、电热化学炮等高能武器提供物质基础。

每个模块都是高度集成化的完整系统，目前国际上针对船舶综合电力系统各个组成模块的研究已相当深入且具备了一定的规模[1]。

图1 船舶综合电力系统典型结构图

目前，针对综合电力系统的集成技术研究方式有3种：一是通过数学推导，建立数学理论分析模型进行各种关键技术的分析计算，这种基于物理底层的分析方法对专业知识及数学功底要求较高，通用性不强，很难普遍实施；二是建立1∶1或缩比的物理仿真试验模型进行实物仿真分析验证，这种方式优点是保持和实际系统近似，试验数据和结论非常可靠，但是成本较高，周期较长；三是数字仿真，随着计算机技术的不断发展，数字仿真技术已逐渐在世界范围内兴起并成为各行业进行分析计算的主导工具，就综合电力系统集成技术的分析而言，目前国外包括军方和民用厂商在内的船舶综合电力系统集成方均采用仿真软件计算分析数据作为设计的指导性依据。

本文以当前国内外在船舶综合电力系统仿真领域使用最为广泛的 Matlab/Simulink作为目标对象，进行综合电力系统仿真试验分析。

1 综合电力系统仿真

综合电力系统的仿真主要分为关键设备建模与系统仿真，其中关键设备建模主要是对船舶综合电力系统各组成设备进行物理模型抽象，建立在Matlab/Simulink下的模型模块；系统仿真则是利用各关键设备模型之间的动态接口，搭建整个船舶综合电力系统，然后进行系统集成技术分析。

1.1 设备建模

1.1.1 发电设备建模

发电设备建模主要包括原动机、发电机与励磁系统模型。

1.1.1.1 发电机建模

在Matlab/Simulink中，同步发电机的模型包括有名值和标幺值两类，均是在 dp轴坐标系下建立的。该模型的电气部分是一个6阶状态空间方程组[2]。另外，该模型还包括一个机械运动方程。

该电路对应的状态空间方程组为：

式中：Vd——定子d轴电压；

Vq——定子q轴电压；

V——励磁绕组电压；

V——d轴阻尼绕组电压；

V——q轴第1阻尼绕组电压；

V——q轴第2阻尼绕组电压；

φ——分别为定子d轴与q轴磁链；

φ——励磁绕组磁链；

φ——d轴阻尼绕组磁链；

φ——分别为q轴第 1、第2阻尼绕组磁链；

Rs——定子绕组电阻；

R——励磁绕组电阻；

R——d轴阻尼绕组电阻；

R——分别为q轴第1、第2阻尼绕组电阻；

ωR——同步角频率；

i——分别为定子d轴与q轴电流；

i——励磁绕组电流；

i——d轴阻尼绕组电流；

i——分别为q轴第1、第2阻尼绕组电流；

L——分别为定子d轴与q轴电感；

i——励磁绕组电流；

i——d轴阻尼绕组电流；

i——分别为q轴第1、第2阻尼绕组电流。

转子机械运动方程为：

式中：H——时间常数；

Ω——角速度；

T——转矩。

1.1.1.2 原动机建模

将柴油机及调速器的数学模型组合在一起组成船用原动机（主要考虑柴油机）的底层数学模型。同时，船用柴油机一般具备一定的调差，因此在原动机的数学建模过程中应考虑调速器的调差性能，这点在多机并联过程中将显得尤为重要[3]。图2为考虑调差系数的柴油机及调速器函数框图，图3为在Matalb/Simulink下的仿真模型框图。

图2 柴油机及调速器框图

图3 柴油机及调速器传递函数仿真模型

1.1.1.3 励磁系统建模

构成相复励交流励磁系统的基本元件有：交流励磁机、整流器、相复励电路、电压差检测电路、滞后超前补偿器、电压调差环节等。本文参考IEEE ST2A型励磁系统，搭建了相复励励磁系统（交流励磁机的励磁系统）的简化模型，并根据实际的船用励磁系统，建立励磁系统+AVR模型。

引入无功电流与调差电阻作为系统的电压参考量，便于机组并车期间的无功功率分配和稳定。这点和实际的船用励磁系统模型保持一致[4,5,6]。

1.1.1.4 调速试验

为了考核上述原动机及调速器数学模型的正确性，根据相关的标准要求，进行稳态调速试验和瞬态调速试验。试验数据如下：

考察系统在突加 0%～40%、40%～70%、70%～100%以及100%～0% 3级加载和1级卸载的过程中系统能否满足瞬态调速要求。试验数据如表 1所示。

表1 瞬态调速试验记录

重点考察系统在功率因数为1%、20%、50%、75%和 100%额定负载下系统的转速和频率是否满足要求，试验记录如表2所示。

表2 稳态调速试验记录

1.1.1.5 调压试验

系统在50%额定负载进行整定，重点考察系统带功率因数为 0.8的负载，在 20%、50%、75%和100%额定负载下系统的转速和频率，瞬态调压试验记录如表3，稳态调压试验记录如表4。

表3 瞬态调压试验记录

表4 稳态调压试验记录

1.1.2配电设备建模

在船舶综合电力系统中，系统的配电主要考虑问题有两个：一是大容量日用变压器及预充磁建模；另一个是推进变压器的移相建模问题。

1.1.2.1 大容量日用变压器及预充磁

预充磁变压器的连接方式如图4所示，一般其容量为主变压器的1%，变比相当。进行预充磁时，主变压器为预充磁变压器的负载，相对于变压器正常工作状态，预充磁变压器工作一段时间之后，主变压器内部通过预充磁建立稳态的交变磁通，当变压器主开关合上时，由于内部磁通的稳定，不会造成系统磁通的突变，冲击电流随之消失[7]。根据图4所示的实际系统，搭建大容量日用变压器及预充磁模型并进行仿真试验验证，波形见图5。

图4 变压器预充磁示意图

图5 带预充磁变压器空载合闸试验波形

1.1.2.2 推进变压器移相处理

推进变压器的移相主要用于进行谐波抑制，目前主要有12脉波整流（移相30°）、24脉波整流（移相15°）及虚拟48脉波整流（移相7.5°）。实船上应用最多时是12脉波整流对应于单推进工况及24脉波整流对应双推进工况。本文将主要针对24脉波整流变压器进行移相建模。系统仿真波形如图6所示。

图6 移相变压器仿真波形

1.1.3 用电设备建模

综合电力系统的负载主要考虑为推进负载和一般的日用负载，由于推进负载占系统负载的比例达到80%以上，其动态特性对供电系统的影响最为明显，因此，本文将注重对推进电机的建模分析，采用矢量控制方式的推进电机仿真模型及仿真结果如图7所示。

图7 矢量控制推进电机仿真

1.2 系统集成分析

目前，综合电力系统仿真分析的工作主要包括系统的稳定性分析、故障分析及谐波分析等。针对系统集成进行的试验曲线见图8、9、10。

3 结 语

本文进行了船舶综合电力系统仿真初探，完成了在 Matlab/Simulink仿真平台下的船用综合电力系统的数学建模及系统分析，为船用综合电力系统集成技术的研究与设计提供了一种有效的工具。但是，相对于国外较为成熟的仿真技术而言，目前最大的差距在于仿真模型的验证问题，国外在这方面积累了大量的工程数据和经验，其仿真数据与工程数据库之间有一个相互交互的过程。但在国内则显得非常缺乏，一方面缘于我国综合电力系统事业的刚刚起步，缺乏相应的工程数据；另一方面则缺少在系统集成方面的研发投入。

图8 无功功率分配曲线

图9 有功功率分配曲线

图10 谐波分析

[1]马伟明. 船舶动力的发展方向—综合电力系统[R].IMECE特约报告.

[2]倪以信，陈寿孙，张宝霖. 动态电力系统理论与分析[M].北京：清华大学出版社，2002.

[3]韦韩英. 船舶柴油发电机系统仿真[D]. 上海：上海海运学院, 2003.

[4]王学君. 船舶电力系统励磁模拟与同步电动发电变频机组运行分析[D]. 北京：清华大学电机工程与应用电子技术系.

[5]李基成. 现代同步发电机励磁系统设计及应用[M]. 北京：中国电力出版社，2002.

[6]王焕文. 船舶电力系统及自动装置[M]. 北京：科学出版社，2004.

[7]施伟峰，陈子顺. 船舶电力系统建模[J]. 中国航海，2004, (3)∶ 64-69.