船舶电力系统界面特性仿真
摘 要： 船舶电力系统是一个独立系统，当负载变化时将引起电网电压的剧烈波动。为了研究船舶电力系统在负载变化时的稳定性，利用Matlab/Simulink建立了船舶电力系统的仿真模型，包括同步发电机模型、励磁系统模型、柴油机及调速器模型和负载模型。通过对同步发电机在单机运行状态下突加、突减负载等不同工况进行动态仿真和分析，得到系统参数的变化情况。仿真结果符合“MLT?STD?1399 300章”规定的船舶电力系统界面的电压瞬变特性，为我国船舶电力系统的研究提供了参考依据。
关键词： Matlab/Simulink； 船舶电力系统； 界面特性仿真； 电压瞬变
中图分类号： TN710?34； U665 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）02?0101?03
Simulation of interface characteristics for marine electric power system
AN Shu， CHEN Yongli
（Department of Vehicle and Electrical Engineering， Ordnance Engineering College， Shijiazhuang 050003， China）
Abstract： The marine electric power system is an independent system， which can cause the fierce fluctuation of the power grid voltage when its load is varied. In order to research the stability of marine electric power system when its load changes， the simulation model of the system was established by means of Matlab/Simulink， in which the synchronous generator model， excitation system model， diesel engine and speed regulator model， and load model are included. The parameters variation conditions of the system were obtained by dynamic simulation and analysis for the synchronous generator in the single generator operation at different working conditions of sudden load increase or decrease. The simulation results accord with the voltage transient characteristics of the marine electrical power system interface defined in “300 Section in MLT?STD?1399： AC Power”， which provides the reference basis for research on marine electric power system in China.
Keywords： Matlab/Simulink； marine electric power system； interface characteristic simulation； voltage transient
0 引 言
船舶上用电设备在不断增加，为了使船舶电力系统与用电设备相兼容，“MLT?STD?1399 300章”以电压、频率、应急状态等参数规定了船舶电力系统的界面特性。而在用电设备突加或突减时所引起的电压瞬变会直接影响到船舶电力系统的稳定。船舶上交流电力一般划分为三类， 其中I型为标准的船舶电力电源，440 V或115 V，60 Hz不接地；Ⅱ型和Ⅲ型应用受到限制。本文应用仿真软件Matlab对I型440 V，60 Hz不接地船舶电力系统进行了建模，并对突加、突减负载等不同工况进行仿真分析，得出船舶电力系统界面特性的电压参数变化情况，进一步验证了“MLT?STD?1399 300章”所规定的船舶电力系统界面的电压瞬变特性。
1 船舶电力系统建模
船舶电力系统通常由发电装置、配电装置、电力网和用电设备（负载）四部分组成。发电装置通常采用柴油发电机组，船上的用电设备很多，根据负载特性，总体上分为三大类：感应电动机负载、静负载和无功功率补偿负载。船舶电力系统的动态特性主要取决于柴油发电机组与用电设备的共同作用。船舶电力系统总体框图如图1所示。
1.1 同步发电机模型
同步发电机是船舶电力系统中的重要元件，它集旋转与静止、电磁变化和机械于一体，把机械能转换为电能，供给整个船舶电力系统使用[1]。同步发电机的运行特性和内部电磁过渡过程是非常复杂的非线性动态过程，对其进行详细、精确的数学建模十分困难。Matlab软件中的SimPowerSystems中提供了各种类型的发电机模型，本文直接调用库中的p.u.标准同步发电机模型[2]。该模型采用5阶状态方程，考虑了定子绕组、转子绕组的电磁暂态过程以及转子的机械运动过渡过程，能比较精确地分析系统和电机动态过程。同步发电机模型及其属性设计对话框如图2所示。
图1 船舶电力系统总体框图
图2 同步发电机模型及其属性设计对话框
1.2 励磁系统模型
本文采用相复励无刷交流励磁系统，模型由Simulink组件中的连续系统模块集进行建模[3?4]，模型框图如图3所示。其中：Uref为自动电压调节器参考电压；Ud和Uq分别为发电机d轴和q轴的电压值；Ustab为接地零电压；iabc为定子三相电流；Uf是励磁电压。Ud和Uq产生相复励的电压信号，iabc三相电流信号产生相复励的电流信号，这两部分信号合成后，一部分送入调节器回路进行闭环调节，另一部分输出到励磁机。
图3 励磁系统模型框图
1.3 柴油机及调速器模型
在柴油发电机组中，柴油机的主要作用是提供原动力，柴油机自身没有自动调速能力，因此必须装设调速器。本文柴油机与调速器组合采用二阶环节进行建模[5]，模型框图如图4所示。图中，nref（p.u.），n（p.u.）为柴油机参考转速和实际转速的标幺值，Pmec（p.u.）为输出机械功率的标幺值。
图4 柴油机及调速器模型框图
1.4 负载模型
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，以验证电力系统的界面特性，因此采用SimPowerSystems中提供的静态负载模型进行建模。而船舶电力系统中容性负载较少，故采用三相并联的RL负载作为仿真模型。
按照上述建模方法，在Matlab的Simulink交互式仿真环境下，把柴油机调速模型以及励磁系统进行封装，所建立的船舶电力系统仿真模型如图5所示。
图5 船舶电力系统仿真模型
2 船舶电力系统仿真
在上述船舶电力系统仿真模型中，同步发电机容量为2 500 kV·A、额定电压为440 V，额定频率为60 Hz。电力系统带功率因数为0.8，67.5%额定功率负载运行，在1 s和2 s时通过突加、突减不同功率大小的负载来得到电力系统的瞬态压降。
同步发电机组带载启动后，第1 s突加负载L1（cos φ=0.8，50%PN），第2 s突减负载L1，第3 s结束运行。系统突加、突减负载过程中电力系统的线电压波形如图6所示。为了便于分析船舶电力系统的瞬态压降，得电力系统线电压的有效值变化如图7所示，由图7可知，系统带67.5%PN负载启动，经过0.8 s后电压达到稳定值，启动过程结束；在1 s时，系统突加50%PN负载，电压瞬变，经过0.029 s达到最小值377.8 V，再经0.175 s达到最大值450.2 V，在1.18 s系统重新稳定；在2 s时，系统突减50%PN负载，电压再次瞬变，经过0.04 s达到最大值516.5 V，再经0.427 s达到最小值431.93 V，在2.316 s系统重新稳定。
图6 突加、突减50%PN负载时电力系统线电压波形
图7 突加、突减50%PN负载时电力系统线电压有效值波形
为了分析船舶电力系统电压瞬变，分别突加、突减50%PN，75%PN，100%PN，功率因数分别为0.8，0.6，0.4的负载，通过Matlab仿真，得到各种工况下的电压瞬变值，如表1、表2所示。
表1 突加负载时的电压瞬变值
表2 突减负载时的电压瞬变值
由表1数据可知，突加负载时，随着负载的增加，电压瞬变的最小值随之降低，而从稳态到达最小值的时间基本相同，从最小值升到最大值的时间逐渐增加，最大值却随之减小，整个瞬变过程的恢复时间逐渐增加。由表2数据可知，突减负载时，随着负载的增加，电压瞬变的最大值随之增加，而从稳态到达最大值的时间基本相同，从最大值降到最小值的时间逐渐增加，最小值也随之增大，整个瞬变过程的恢复时间逐渐增加。
综合表1和表2可知， 440 V、I型60 Hz船舶电力系统电压瞬变符合“MLT?STD?1399 300章”中的规定：在I型电力系统中，用电设备的突然启动可能导致电压在0.001～0.06 s内降至瞬变电压的最低值。而后，电压可能以每秒20%～75%标称电压的速度增至最高值，电压将在2 s内恢复到用电设备电压容差包络线内[6]（418～462 V）。用电设备从电力系统的突然切断可能导致电压在0.001～0.03 s内增至瞬变电压的最高值。而后，电压可能以每秒20%～75%标称电压的速度降至最低值，电压将在2 s内恢复到用电设备的电压容差包络线内（418～462 V）。
3 结 语
本文利用Matlab/Simulink对船舶电力系统中各个主要组成部分进行了建模，并对I型电力系统模型在不同工况下进行了仿真，用具体生动的图形、确凿的数据得出了仿真结果，观察了电力系统电压参数的变化情况，定性地分析了电力系统的界面特性，为船舶电力系统的研究提供了参考。
参考文献
[1] 王浩亮.船舶电力系统稳定性研究[D].大连：大连海事大学， 2010：36.
[2] 于群，曹娜.Matlab/Simulink电力系统建模与仿真[M].北京：机械工业出版社，2011：53?59.
[3] 林飞，杜欣.电力电子应用技术的Matlab仿真[M].北京：中国电力出版社，2009：32?38.
[4] TABATABAEI I， FAIZ J， LESANI H， et al. Modeling and simulation of a salient?pole synchronous generator with dynamic eccentricity using modified winding function theory [J]. IEEE Transaction on Magnetic， 2004， 40（3）： 1550?1555.
[5] 陈次祥，刘莉飞，唐石青，等.船舶综合电力系统仿真研究[J].上海造船，2010（1）：51?55.
[6] United States Department of Defense. MLT?STD?139?300A Interface standard for shipboard systems： electrical power， alternating current [S]. US： Department of Defense， 1992.
[7] 包艳，施伟锋.船舶电力推进系统运行的仿真[J].中国航海，2011（4）：34?38.
