基于ETAP的电力推进系统仿真分析

柯常国，吴春吉，李莉红

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）



基于ETAP的电力推进系统仿真分析

柯常国，吴春吉，李莉红

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

摘 要：本文以某船电力推进系统设计为具体实例，利用ETAP软件建立电力系统仿真分析模型，采用ETAP进行短路电流分析计算，通过短路电流计算结果进行断路器及脱扣器的配合整定，完成电力系统选择性保护与协调分析，最后通过谐波分析计算验证电力推进系统设计方案。

关键词：电力推进 仿真 短路电流 谐波分析

0 引言

在船舶电力系统中，由于系统容量有限，设备之间距离短，短路阻抗小，短路电流峰值很大，其值远远大于额定电流，过大的短路电流会使电气设备过热或受电动力作用而遭到损坏，同时使系统电压大大降低，破坏用电设备的正常工作，因此短路是船舶电力系统的严重故障。为了消除或减轻短路的后果，设计时就需要计算出短路电流，用以正确选择电气设备，合理配置保护和自动装置[1]。

船舶电力推进系统中，变频器的广泛应用给船舶带来了便利的同时，也带来严重的谐波污染[2-3]。

本文结合某工程项目，采用ETAP对船舶电力推进系统进行建模仿真，实现电力推进系统的短路电流计算分析、谐波分析和选择性保护配合进行分析计算。

1 ETAP软件建模

ETAP软件是美国OTI公司研发的全图形化的电力系统仿真分析、计算高级应用软件。ETAP计算软件是包括电力系统设计和测试功能的综合分析工具。ETAP软件中，是以工程来管理工作的。在ETAP软件中，想要实现潮流分析、短路分析、继电保护配合、谐波分析等，都是以单线图为基础的[4-5]。

某船电力推进系统单线图见图1。设置主发电机3台，在航行和作业时为全船供电。主发电机额定功率为1450 kW，3台发电机可任意台数长期并联运行。设置600 kW辅发电机组一台，辅机组可与主发电机组并联运行。主要负载包括两套1500 kW主推进系统、两套400 kW侧推系统和两套100 kVA照明变压器等。

利用ETAP软件建立模型如2图。

2 短路计算和选择性保护分析

ETAP短路电流计算模块提供了IEC、ANSI和GOST三种短路电流计算标准，用户可以通过界面操作自行选择。开关设备选型有关的开断电流（容量）等计算采

图1 单线图

图2 ETAP仿真计算模型

用IEC60909进行计算，ETAP也根据IEC标准63163提供了暂态短路电流计算，暂态短路电流计算用时间函数的形式表示了故障电流的波形，其中考虑到一系列故障后不同时间内影响短路电流的因素。这些因素包括同步电机超瞬变电抗、瞬变电抗、超瞬变时间常数、瞬变时间常数、和直流时间常数，也包括电动机负载馈送电流的衰减。这种计算模型，为孤立的船舶电力系统的保护设备选型和继电器配合，提供了精确的短路电流计算分析，适用于树形电网和环形电网。

本文选择IEC标准进行短路电流计算。如图3为全速航行工况时BusA_400 V汇流排短路时的短路电流仿真计算结果，最大短路电流77.4 kA（有效值），短路电流瞬时值波形见图5。计算各工况下的短路电流，为断路器选型提供依据。

图3 全速航行工况

图4 短路电流波形

ETAP元件库里集成了知名厂家的熔断器、断路器的数据模型，根据短路计算对断路器进行选型和整定，如主发电机组主开关整定值见表1。当各断路器整定完成后可以绘制出各个保护的整定配合时间-电流曲线并结合短路电流在线调整保护整定值，如图5为各级保护配合时间-电流曲线图，通过时间-电流曲线图可以直观的分析各级保护配合是否满足设计要求。当保护配合不满足设计要求时，通过时间-电流曲线可以在线拖动调整整定值。

表1 主断路器整定值

图5 时间-电流保护配合图

同时，ETAP提供短路故障模拟功能，选择短路点并选择故障类型，模拟各断路器保护动作的动作次序，直观的观测短路故障发生后各断路器的动作时间和顺序，从而验证断路器的选择性保护是否协调。

图6 G1出线端短路模拟

3 谐波分析

ETAP谐波分析基于IEEE5l9标准，可实现谐波分析、谐波共振和频率扫描分析，对电压电流总RMS值、电压电流总合成峰值、谐波失真度进行分析。ETAP中谐波源为模拟电压谐波源和电流谐波源。该软件元件库已经自带知名厂家如Rockwell、ABB等各种谐波源类型及用户可扩展的谐波源库，也可以自定义添加。如图7，将712所低压系列化变频器的谐波源添加到谐波库中，原始数据均通过工信部研究项目典型系统验证试验实测得到。

图7 自定义添加谐波库

谐波分析首先要通过谐波分析案例编辑器来进行谐波计算参数的设定，如图8，参数包括精度、频率扫描范围、基频、系统负荷工况、报告选项、谐波源模型选项等。因该系统的基频(即基波)为50 Hz，而通常考虑的谐波影响最多为100次，因此将频率扫描范围设定为50 Hz～5000 Hz。

图8 谐波分析案例设置

运行谐波计算的结果直接显示在单线图上，可通过完整的文本报告和谐波分析波形进行查看。经过分析计算，全速航行工况400 V电网电压总谐波畸变0.72%，230 V电网电压总谐波畸变0.38%。最恶劣工况为单侧推进运行工况，400 V电网电压总谐波畸变3.69%，230 V电网电压总谐波畸变2.87%，均满足船级社要求。图9和图10为400 V母线电压及变频器输入电压谐波畸变图谱和电压波形。

图9 谐波图谱

计算中发现，单发电机组供电单主推进系统运行工况，不带任何日用负荷，当推进功率70%额定功率时，400 V电网电压总谐波畸变5.09%，经过容量计算，当推进功率达70%时，加上日用负荷，机组负荷率将达到100%，变频器的功率限制功能将会限制推进功率，避免这种工况的出现。

图10 变频器输入和400 V母线电压波形

4 结束语

本文对使用ETAP软件进行电力推进系统不同工况的短路计算、保护整定配合、谐波分析，对电力推进系统设计进行了验证。同时将模型建立、短路计算、谐波分析的结合在一起，形成统一的计算分析报告，避免重复建模分析，消除了不同软件之间计算结果的细微差异，大大减轻了计算分析的工作量。

参考文献：

[1]赵殿礼.船舶电气设备及系统[M].大连海事大学出版社,2009.

[2]王毅,李和明,等.多电平PWM逆变电路谐波分析与输出滤波器设计[J].中国电机工程学报,2003,(10):78-82.

[3]STEINKE J K.Use of an LC filter to achieve a motor-friendly performance of the PWM voltage source inverter [J].IEEE Trans.on Energy Conversion,1999,(3):649 -654.

[4]冯煜埕,陈陈.电力系统分析软件ETAP的特点与功能简介[J].上海电力,2004(5):417～420.

[5]ETAP电力及电气系统综合分析计算软件应用培训例题使用手册,欧特艾远东（南京）计算机技术有限公司,2010.9.

Simulation Analysis of the Electric Propulsion System Based on ETAP

Ke Changguo,Wu Chunji,Li Lihong
（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion,Wuhan 430064,China）

Abstract:Taken the design of a ship electric propulsion system for an example,the simulation analysis model of the power system is built,and the short-circuit current is calculated by use of ETAP.According to the calculation result,the breakers and its trip devices are coordinated for the selectivity protection analysis.At last,the design of the electric propulsion system is verified by the harmonic analysis.

Keywords:Electric Propulsion,Simulation,Short-circuit Current,Harmonic Analysis

作者简介：柯常国(1976-),男，高级工程师。研究方向：船舶电力推进。

收稿日期：2015-12-16

中图分类号：TM728

文献标识码：A

文章编号：1003-4862（2016）02-00071-04