基于Simulink的船舶电力系统的仿真＊

申 喜 唐 颖 魏文轩 王庆红

（1.中国舰船研究设计中心 武汉 430064）（2.武汉科技大学 武汉 430081）

1 引言

船舶电站是船舶的重要组成部分之一，随着我国海上航运事业的不断发展，船舶的大型化、高速化和自动化趋势日益明显。为满足船舶高负荷运行工况用电量的需求，如靠离码头、进出狭窄水道等都要提高电网的容量，这通常需要发电机并联运行。同步发电机并联运行时，需要进行同期并列操作以及调频调载，将发电机组安全可靠、准确快速地投入系统，确保系统的可靠、安全运行和发电机的安全。

2 同步发电机并联运行的原理

在满足船舶电站并车条件的情况下，采用准同步并车方式将待并发电机投入电网运行，可以使冲击电流很小，对电网及发电机本身扰动极小。准同步并车要满足四个条件[1～2]：

1）待并发电机的相序与运行发电机的相序应相同；

2）待并发电机的频率与运行机组的频率相等；

3）待并发电机电压与运行发电机电压的幅值相等；

4）待并发电机电压与运行发电机电压的相角差为零。

一般如果不是新安装的发电机或检修后安装的发电机，则电压相序都是相同的，无需检查。因此同步发电机在进行并车操作时，就是要检测待并发电机和运行发电机的电压、频率和相位。在满足上述条件时，合上主开关。合闸后瞬间待并发电机是浮接在电网上，既不向电网提供功率，也不从电网吸收功率。如果待并发电机的频率略微高于电网频率，则可迅速向电网供电。实际并车过程中，为了使待并发电机迅速投入并联运行，除了相序外，其他条件一般不能达到理想合闸条件，希望有一定的频差，只要电压差、频差和相位差在一定的允许范围内即可实现合闸。一般实际操作中要求电压差不超过15%，频率差低于0.5Hz，初始相角差小于15°。

3 自动准同期并车装置的构成

自动准同期并车装置由三个控制单元组成[3～5]，如图1所示，只有当这三个控制单元输出都为1的时候，才会向待并发电机发出并车指令，主开关才能合闸。反之主开关不合闸。

图1 自动准同期并车装置

1）压差检测和控制单元：

压差检测模块取系统发电机的电压U1的有效值与待并发电机的电压U2的有效值进行比较，判断其差值的绝对值是否小于允许误差Ux，若

则输出为1，反之输出为0，压差控制单元如图2所示，电压有效值测量单元RMS取自Simulink中的simPowerSystem子库，本仿真试验中，电压差Ux为10%U1：

图2 压差检测与控制单元的数学模型

2）频差检测与控制单元：

频率检测单元的基本原理是将待检测正弦波先整形为矩形方波，然后检测矩形方波的周期，最后得出方波的频率即是待检测正弦波的频率，频率检测单元如图3所示：

图3 频率检测单元的数学模型

频差控制单元的基本原理是将检测出来的待并发电机的频率f1与系统发电机频率f2做比较，若

则输出为1，反之则输出为0。

3）相角差检测和控制单元：

系统发电机电压U1与待并机电压U2之间的相角差δ如图4所示。从图中可知，δ可由U1和U2的波形过零点之间的时间差反映。它由0°～360°周期性变化。因而，δ可以通过求取图中相应时间差的方法来获得。

通过利用 MATLAB／Simulink中的模块，把系统发电机电压U1与待并发电机电压U2的波形转换成方波，保留其上半部分，如图5所示：

图4 相角差δ的示意图

图5 相角差δ的示意图

将待并发电机电压U2的波形取反后与系统发电机电压U1相与，得到的方波的面积就是我们所要求的时间差t，具体的时间差t的求取以及相角差的控制如图6所示，其中Timer的作用是控制待并发电机的并车时间：

图6 相角差控制单元的数学模型

4 船舶同步发电机组自动调频调载

在包含多台机组的船舶电站中，当需要两台或以上的机组并联供电时，或者只需要单机交替供电时，为了保证连续不断电，都需要并车操作及负荷转移分配操作。在这些情况下，为了实现船舶电站自动化，必须有“频率自动调整和有功功率自动分配环节”，执行频率和有功功率自动调整的装置简称为“调频调载”装置，又叫“自动负荷分配器”。

4.1 自动调频调载装置的功能介绍

自动调频调载装置的基本功能有：

1）自动维持船舶电力系统频率为额定值；

2）依并联运行各机组的容量按比例自动分配有功功率。

4.2 有功功率分配和调节的原则

同步发电机输出的有功功率来自原动机的机械功率。为了适应负载的变化，需要经常调整原动机的转速，以保持电网频率的恒定。对并联运行的发电机，改变发电机间的有功功率分配，是通过改变各台发电机原动机的油门大小，即单位时间进入气缸的燃油量来实现的。柴油机在一定转速下的输出功率与柴油机喷油量成正比，发电机在单机运行时的某一转速（频率）对应输出某一有功功率；对并联运行的发电机，某一频率对应着每个发电机的输出功率。所以，并联机组有功功率分配与电力系统频率调整密切相关。系统有功功率平衡被破坏造成电网频率的变化，因此调节频率和调节有功功率是直接相关的，二者的调节归根到底是调节原动机的油门（柴油机）或汽门（汽轮机）的大小。在同容量、同型号的发电机组并联运行时，应将系统的总负荷平均分配给参与运行的各台机组；当不同容量的发电机组并联运行时，则将系统的总负荷按各台发电机容量成比例地分配给运行的发电机，以增强并联运行的稳定性和经济性[6]。

4.3 船舶电力系统频率变化的原因

发电机运行时，其功率的平衡方程为

(1)划分关注区域(AOI)。按照综合五人热点图的结果，页面12选取其中标题、中间位置的零件照片、中间位置零件的电路符号周围一小圈的三个封闭区域作为关注区域，见图1(a)；页面14选取其中标题、电器元件三维图、左侧电路中开关符号、卡通形象周围一小圈的四个封闭区域作为关注区域，见图1(b)。

式中：PY为原动机供给发电机的有功功率；PF为发电机负载所消耗的有功功率；ΔP为发电机通过负载电流时的机电损耗；Tc为发电机的惯性时间常数。

原动机的驱动功率PY决定于原动机的进油量（或进汽量），当该功率与发机的负载功率和机电损耗平衡时，dω／dt＝0，即转速（频率）为恒定。当功率平衡关系被打破时，例如，突增（或突卸）负载时，即PF增大（或减少）时，若进油量（或进汽量）未能及时变化，则PY不变，这就导致频率下降（或升高），即dω／dt＜0（或dω／dt＞0），因此为维持频率不变，当负载变化时，必须及时调节原动机的进油量（或进汽量）。

4.4 频率变化对船舶电力系统的影响

当电网频率降低（低于额定值）时，正在运行电动机的转速下降，大大减少它们在单位时间的送油、送水和送风量，使效率大大降低，延长工作的时间。当频率高于额定值时，电动机的转速提高，从而使电动机输出功率提高，从电网中需求的电能也增加。此外，电动机变成过载运行，就会加剧零部件磨损并降低效率，并机运行时，当电网频率波动时，将引起各机组有功负载分配不均，甚至发生逆功，导致保护装置动作，使主开关跳闸。

4.5 自动调频调载的方法

自动调频调载装置的主要任务是维持电力系统频率恒定和有功功率按比例分配，其方法归纳起来主要有以下五种：主调发电机法，有差调节法，主从控制法，积差法，虚有差法。本文采用的调节方法是主从控制法。

5 同步发电机并车的过程仿真

5.1 同步发电机的数学模型

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。两台同步发电机的参数为：Pn＝3125KVA，Un＝2400V，fn＝60Hz，H（s）＝1.07，Xd＝1.56，Xq＝1.06，X′d＝0.296，X″d＝0.177，X″q＝0.177X1＝0.052T′d＝3.7，T″d＝0.05，T″qo＝0.05，P＝2，F＝0，Rs＝0.0036。

5.2 调速系统的数学模型

在柴油发电机组中，柴油机的主要作用是提供原动力，由于柴油机自身没有自动调速能力，因此其必须装设调速器，以保证柴油机始终能以规定的转速稳定运行。本文中柴油机与调速器的组合采用二阶环节进行建模[7]，加入调频调载装置后模型如图7和图8所示：

图7 系统发电机调速系统的数学模型

图8 待并发电机调速系统的数学模型

GB／T3475－2008《船用柴油机调速系统技术要求和试验方法》中规定了调速系统的调速性能指标，查找不同精度等级稳定时间的标准，可以确定两台不同调速器其调节时间最多相差1.5倍，即最悬殊比例为1∶2.5。因此本文中系统发电机的调节时间为0.25，待并发电机的调节时间为0.1。图7中Timer开关的作用是在发电机并车完成后进行一次调频，以达到两台机组的有功按照比例分配，Timer1开关的作用是在第10s的时候投入二次调频，使两台发电机组的运行频率稳定在60Hz。

5.3 励磁系统的数学模型

构成相复励无刷交流励磁系统的元件包括相复励装置，交流励磁机和自动电压调节器（AVR）。本文参考IEEE推荐的励磁机模型，建立相复励交流励磁系统的数学模型[8～10]，加入电压调节后的两台发电机励磁系统的模型如图9所示。

5.4 负载的数学模型

负载L1：P＝1.25e6，Q＝9.375e5，cosφ＝0.8；

负载L2：P＝1.25e6，Q＝9.375e5，cosφ＝0.8；

负载L3：P＝0.75e6，Q＝1.7184e6，cosφ＝0.4。

5.5 同步发电机并联运行的仿真

Simulink中同步发电机双机并车的模型如图10所示。

图10 同步发电机双机并联运行的数学模型

为便于并车，在并车前通过break开关使待并发电机的频率略微高于系统发电机的频率，并车后通过break开关控制两台发电机的频率一样。第5s加入并车指令，将待并发电机投入系统中去，第10s加入二次调频指令。在整个运行过程中，系统带负载L1运行。

5.6 仿真结果分析

1）两台发电机机端相电压波形

由图11～13中可以看到，在第5s的时候系统给出了并车指令，自动准同期并车装置通过判断，在两台发电机机端相电压的差为零的时候并车，这样引起的冲击电流最小。

2）两台发电机转速w的波形

由图14～15中可以看出，在并车前系统发电机运行在给定的0.98倍的额定转速上，并车后通过break开关的控制，系统发电机运行在给定的额定转速上。并车后由于负载的作用，两台发电机不再运行在额定转速上，第10s的时候，通过二次调频将两台发电机的运行频率稳定到60Hz，两台发电机这个时候都运行在额定转速上。

3）两台发电机输出的电流的波形

从图中16～17可以看到，第5s的时候系统给出了并车指令，自动准同期并车装置通过判断，在两台发电机电压差为0的时候并车，引起的冲击电流约为250A左右，小于其额定电流，在合理范围内。

4）两台发电机输出的有功功率P的波形

由图18中可以看到，在并车前系统发电机承担所有的有功输出，在并车后通过一次调频和二次调频的作用，两台发电机输出的有功功率实现了完全均分。

5）两台发电机输出的无功功率Q的波形

由图20中可以看到，在第20s投入负载L2时，通过调频调载装置的作用，两台发电机输出的有功功率经过短时间的震荡后最后都稳定在0.4，两台机组输出的有功功率完全实现了均分。

由图19中可以看到，在并车前系统发电机承担所有的无功的输出，在并车后通过励磁系统的调节作用，两台发电机输出的无功功率基本上实现了均分，略微有点差别，其无功负载与其按比例应分配值之差为系统发电机的3.4%，为待并发电机的3.5%，在合理范围内。

6）两台发电机并联运行，第20s投入负载L2时，两台发电机输出的有功功率P的波形

图11 系统发电机机端相电压波形

图12 待并发电机机端相电压波形

图13 两台发电机机端相电压的差

图14 系统发电机的转速曲线

图15 待并发电机的转速曲线

图16 系统发电机输出的电流波形

图17 两台发电机输出的电流波形

图18 两台发电机输出的有功功率波形

图19 两台发电机输出的无功功率波形

图20 两台发电机输出的有功功率波形

6 结语

本文通过对同步发电机双机并联运行的研究，建立了自动准同期并车装置以及自动调频调载装置。通过MATLAB仿真结果表明，所建立的自动准同期并车装置能实现同步发电机的双机并车，并且引起的冲击电流较小，效果较好；所搭建的自动调频调载装置基本上能完全实现有功功率的均分，仿真结果与理论分析的结果完全一致，证明了所建模型的正确性。

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