基于Matlab/Simulink船舶电力系统建模与仿真

郑恒持，王孙清，招 聪，张 炜



基于Matlab/Simulink船舶电力系统建模与仿真

郑恒持，王孙清，招 聪，张 炜

（中国船舶科学研究中心，江苏无锡 214082）

为了提高船舶电力系统的可靠性和稳定性，保证船舶在各种状态下实现功率的最优化配置，利用模块化的建模方法，建立了柴油机及调速分系统模型、发电机及励磁分系统模型、同步发电机并车控制模块模型、发电机组控制模型。在Matlab/Simulink仿真环境中对船舶电力系统的典型运行工况、常见故障工况以及并车操作进行了仿真研究。仿真结果表明，所建立模型能比较准确地反映船舶电力系统实际运行的情况，同时可以避免在实船上进行工况试验和故障测试的高成本、高危险。其数据结果对船舶电力系统的设计、调试及控制方法的研究具有重要参考意义。

船舶电力 仿真 Matlab/Simulink

0 引言

船舶电力系统由发电系统、配电系统、电力网、电力负载四部分组成[1]。利用模块化的建模方法，在Matlab/Simulink仿真环境中建立了柴油机及调速分系统模型、发电机及励磁分系统模型、同步发电机并车控制模块模型、并将转速控制模块和励磁控制模块结合起来，构成发电机组控制模块。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。

1 船舶电力系统仿真模型建立

1.1 船舶柴油机及其调速系统模型

通过二阶模型对船舶柴油机及其调速系统进行组合建模[2]。将实际转速与设定转速作差后送入主控制单元，主控制单元与放大单元结合在一起，构成比例微分加二阶惯性的控制单元。柴油机的输出转速经积分作用变为转矩，最后将该转矩与转速相乘得到功率信号。其传递函数如公式（1），在Matlab/Simulink仿真环境中建立仿真模型如图1所示。

1.2 励磁系统模型

参照IEEE推荐的励磁系统模型，建立可控相复励无刷交流励磁系统数学模型[3]。

1）相复励装置的数学模型

2）电压差数学模型

3）补偿器的数学模型

外部验证。对新考察的①萘、②苯甲酸甲酯、③苯甲酸乙酯、④苯乙酮、⑤二苯醚、⑥肉桂醇、⑦溴苯、⑧苯甲酸苄酯8种有机物，使用高效液相色谱实验测定正辛醇/水分配系数，使用上述软件计算6项参数。参数计算值、响应预测值、实验值见表2。

4）放大器的数学模型

5）比例饱和环节的数学模型

6）交流励磁机的数学模型

7）反馈环节的数学模型

综上七个环节，在Matlab/Simulink仿真环境中搭建同步发电机可控相复励无刷交流励磁系统的仿真模型，如图2所示。

1.3 同步发电机组模型

柴油机的输出转速与同步发电机组的输出端电压是一对相互耦合的变量[4]。所以，可以将柴油机的调速系统与同步发电机的励磁系统耦合起来，组成同步发电机组控制系统仿真模型。

为了更真实的模拟船舶电力系统中同步发电机组单元，采用Matlab/Simulink仿真环境中标幺制下的同步发电机标准模型（Synchronous Machine pu Fundamental）与发电机组控制模型相结合[5]，构成船舶电力系统发电机组单元模型。

其中，W为柴油机转速设定值，V为励磁电压参考值，是控制系统的综合输入端，P为原动机输出的机械功率，V为发电机励磁电压，V为发电机输出端电压，为发电机转速。

1.4 船舶电力系统整体仿真模型

建立船舶电力系统整体仿真模型，如图1所示。这是一个双机带负载并联运行的仿真模型，由主开关（Switch）控制每台发电机组并网或脱网，通过主配电板向电动机及静态负载供电。模型中同时设有电压、电流检测模块，对需要的电压、电流进行检测，并通过示波器进行显示；还有故障设置模块(Three-phase Fault)，可对常见的故障进行设置。

2 电力系统典型运行工况仿真

为确保航行的安全性，需要电力系统具有良好的稳定性。为了验证所建模型的正确性，对发电机组空载启动、单机投切静态负载以及单机投切电动机三种典型工况进行仿真试验。

2.1 发电机组空载启动仿真

通过一号发电机组的空载启动试验，来检测柴油机的调速性能。

仿真过程：断开主开关Switch1、Switch2，当启动条件具备，发电机组空载启动。由图2可以看出，随着柴油机的输出机械转矩P的增加，发电机转速逐渐上升并开始建立电压，4s左右发电机转速达到额定值，其额定空载转速略高于其额定转速，符合实际情况。励磁电压V在端电压V为零时很大，随着电压的逐渐升高而慢慢减小，最终稳定在一个定值。

图1 船舶电力系统整体仿真模型

图2 空载启动过程中发电机参数

2.2 单机投切静态负载仿真

单台发电机组带1/3的额定静态负载稳定运行，然后依次加1/3额定静态负载，满负荷稳定运行后卸掉新加的负载，观察发电机组参数变化。

由图3知，开始时电力系统稳定运行，2 s时突加负载，电网电流增大，发电机输出功率加大，转速降低，励磁系统进行调节，加大励磁电压，使得发电机端电压逐渐回升，调速系统也开始工作，转速逐渐恢复；同理8 s时继续加负载，励磁电压、端电压以及速度调节过程上个过程相同；14 s时切除新加的两个负载，发电机组及电网各参数的变化与加载时相反。

2.3 单机投切异步电动机仿真

异步电动机是重要的动力负载，其投切过程也直接影响着电力系统的稳定性。尤其是当异步电动机的功率与同步发电机容量相当时，其影响更加显著[5]。

仿真过程：电机带功率因数为0.8的阻感性负载稳定运行，4 s时突加异步电动机，10 s切掉异步电动机负载。仿真结果如图4所示。

由图4可知，异步电动机投入运行时，原动机输出功率大幅增加，发电机转速稍有下降，端电压出现波动，励磁系统迅速投入调节，切除异步电动机调节过程相反。

图3 电站投切静态负载时发电机参数

3 典型故障仿真试验

船舶电力系统的故障一般包括两种：电网故障和发电机组故障[6]。

3.1 电网故障仿真

电网A相发生接地故障时，电网电阻剧减，电网电流突增；因为电磁功率正比于电流与电压的乘积[7]，所以发电机输出的电磁功率会增加，导致其电磁力矩也增加。

图4 电站投切异步电动机时发电机参数

在t=4 s时A相发生短路故障，原动机输出的机械功率突增，发电机转速下降，发电机端电压会产生波动，励磁系统为了保持端电压恒定会进行自动调节。故障期间电网A相电流大幅增加，B、C两相电流也有所上升；A相电压接近0，B、C两相电压增大。0.5 s后，发电机主开关跳闸，发电机空载运行，发电机输出端电压为空载电压，电网电压为零，整个过程结束。

3.2 发电机组故障跳闸仿真

发电机组故障跳闸最容易导致全船失电。一旦出现故障跳闸，电力系统必须及时作出响应。而柴油机的反应时间相对较长，因此，在研究发电机组跳闸时，要着重考虑柴油机的加载特性和反应时间[8]。

1）发电机组低负荷运行

图5为发电机组低负荷运行时单机跳闸的仿真结果。故障前：1、2号发电机组并联运行，各带55%的额定负荷。在第4 s的时候，2号发电机组故障跳闸，1号发电机组迅速升到110%额定负荷而过载。此时，1号发电机组频率开始减小，在6.4 s时，频率减少到规定的最低值54 Hz[9]。此刻切除2号发电机组跳闸前所承担的全部负载量，从而降低1号发电机所承担的负载，使其频率逐渐回升。

图5 低负荷时发电机组跳闸功率及频率变化曲线

图6 高负荷时发电机组跳闸功率及频率变化曲线

2）发电机组高负荷运行

图6为两台机组高负荷运行时，1号发电机组突然跳闸的仿真结果。故障前：双机并网运行，各带80%的额定负荷，在第4 s的时候，2号发电机组突然跳闸，1号发电机组所承担的负荷迅速上升，达到110%的负荷时过载。此时电网频率急剧下降，大约0.75 s后，降低到最低值54 Hz。除去故障前2号发电机组所承担的全部负载量，从而使得1号发电机承担的负载有所减少，进而使其频率回升。

将图5和图6中曲线进行对比，可以看出，当双机并联运行时，发电机组的负荷越高，一台机组发生跳闸故障时，另一台机组频率下降的越快，安全反应时间越短，对电力系统的故障反应要求越高。

4 结语

在MATLAB/Simulink环境下建立了某船舶电力系统仿真模型，对几个典型工况及故障进行了仿真研究。结果表明，工况及故障仿真可以获得电力系统电气参数的变化，通过对结果进行分析，对于提高船舶电力系统供电可靠性及系统的设计、调试及控制方法的研究具有重要参考意义。

[1] 王满, 王浩亮. 船舶电力系统仿真[J]. 大连海事大学学报（自然科学版）, 2011, 37(1): 35-38.

[2] 郑恒持. 船舶中压电力系统建模与仿真[D]. 大连: 大连海事大学, 2017.

[3] 李宗泽, 史成军. 基于二维云模型同步发电机PID励磁系统仿真[J]. 电力系统保护与控制, 2016, 44(7): 19-24.

[4] Yi Ming Li, Yue Bin Wang, Quan Feng Yan, et al. Modeling and simulation of asynchronous motor in αβ coordinate system based on Matlab. Advanced Materials Research, 2013.

[5] 施伟锋, 许晓彦. 船舶电力系统建模与仿真[M]. 北京: 电子工业出版社, 2012.

[6] 孙才勤. 船舶电力系统建模仿真及动态稳定性研究[D].大连: 大连海事大学, 2010.

[7] 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.

[8] 王勇. 电力系统运行可靠性分析与评价理论研究[D]. 济南: 山东大学, 2012.

[9] 中国船级社.钢制海船入级规范[S]. 北京: 人民交通出版社, 2009.

Modeling and Simulation of Marine Voltage Power System Based on Matlab/Simulink

Zheng Hengchi, Wang Sunqing, Zhao Cong, Zhang Wei

(China Ship Scientific Research Centre, Wuxi 214082, Jiangsu, China)

U665

A

1003-4862（2019）07-0020-05

2019-01-07

郑恒持（1990-）男，工程师。研究方向：船舶电力系统设计。E-mail: 602242643@qq.com