大功率異步電機起動對船舶電力系統的影響仿真分析

劉秀峰 楊 鋒 王 林 賀慧英

(1. 海軍駐701所軍事代表室，武漢 430064; 2. 海軍工程大學電氣與信息工程學院， 武漢430033)

1 引言

隨著船舶電氣化、智能化的迅速發展，船上電氣設備的種類和數量顯著增加，這些設備對電力系統供電品質的要求也愈來愈高。而船舶電力系統是一個典型的獨立供電系統，相對于陸地大電網來說，其供電容量有限，當電力系統所帶的大功率沖擊負載（如各種泵的驅動電機）起動運行時，將會對電力系統產生較大的沖擊，影響電力系統本身的運行穩定性以及電網上其它電氣設備的安全可靠運行[1，2]。因此，在進行船舶電力系統設計時，首先要分析在這些沖擊負載的影響下，電力系統的供電品質能否滿足船舶電力系統標準的要求，如果不滿足，則需要考慮增加發電機組容量或者想辦法降低沖擊大小。

考慮到船舶電力系統是一個涉及到多種形式機電能量的高階、非線性、多變量、強耦合的復雜系統[3，4]，很難利用理論分析得到準確的解析結果，因此考慮采用專業的電力系統仿真軟件PSCAD[5，6]，通過建立船舶復雜電力系統的仿真平臺來研究大功率異步電機起動對某船電力系統的影響特性。

2 船舶電力系統組成

本文所研究的某船電力系統結構如圖 1所示，該系統有兩個發電機組，每個機組包括柴油機及調速器，同步發電機及勵磁調節器；同步發電機組型號相同，功率都是310 kW。QF1、QF2為發電機主開關，用來控制發電機組的入網操作；QF3、QF4為跨接開關系統，用來控制兩臺機組的并聯運行；T1為照明變壓器。發電機勵磁采用自勵恒壓勵磁調節系統，由相復勵裝置和自動電壓調節器組成。為了提高供電可靠性，用跨接線將兩電站的主配電板連接起來。在一般情況下，跨接線的自動開關接通，由一個機組向全船供電。在重負荷及緊急情況時，由兩臺發電機組并聯供電。該船負荷中最重要的是異步拖動電機負載，包括37 kW消防泵電機、45 kW海水泵電機、55 kW消防泵電機以及75 kW滑油泵電機。其它的可歸結為普通日用負載。

圖1 船舶電力系統結構圖

3 船舶電力系統仿真模型

對于圖 1所示的船舶電力系統，在正常情況下只由一臺發電機組向全船的負載供電，此時電力系統的容量最小，而異步電動機起動對其的影響也最大，因此本文將重點研究單臺機組構成的電力系統下大功率異步電動機起動的影響。由此利用PSCAD建立的船舶電力系統仿真模型如圖 2所示。該平臺由同步發電機組、電力網絡、ZIP負荷和異步電動機負荷構成。其中發電機組是船舶電力系統的核心，對電力系統的性能有重要影響，其內部由同步發電機、柴油機模型、相復勵模型和 AVR模型構成。模型中的同步發電機參數如表 1所示，各種泵的拖動異步電機參數如表 2所示，電力網絡參數如表3所示。

表1 同步發電機基本參數

表3 電力網絡參數

4 仿真分析

根據上節所建立的某船電力系統仿真模型及設備參數，對不同功率的異步電動機直接起動特性進行仿真分析，得到的仿真結果見圖3～圖6。

圖3 37 kW消防泵電機直接起動對電力系統的影響

圖4 45 kW海水泵電機直接起動對電力系統的影響

圖5 55 kW消防泵電機直接起動對電力系統的影響

圖6 75 kW滑油泵電機直接起動對電力系統的影響

根據仿真結果，得到單臺負載直接起動對單臺機組電力系統瞬態壓降和電壓變化率的影響情況如表4所示。

表4 單臺負載起動引起的電網瞬態壓降及電壓變化率

由表4可見：

對于泵類負載，隨著拖動電機功率的增大，對電網電壓的沖擊影響就越大，即拖動電機功率越大，起動瞬間造成的電網瞬態壓降就越大。對于只有一臺發電機工作的電網，對電網電壓沖擊影響最大的 75 kW 滑油泵起動時的電壓跌幅是18.5%，超過船舶電力系統標準的要求，而其它負載起動引起的電壓瞬態變化率都可滿足船舶電力系統標準要求。

5 結束語

本文以某船的電力系統為例，利用電力系統專業仿真軟件 PSCAD建立了其仿真模型，利用該模型對該船所配置的幾種不同大功率異步電動機直接起動特性及其對電力系統的影響進行了仿真分析。仿真結果表明：當異步電動機直接起動時，會產生很大的沖擊電流，引起電力系統壓降及頻率波動，并且隨著異步電動機功率的增大，影響隨之增大，當 75 kW 的滑油泵拖動電機直接起動時，引起的電網壓降達到了 18.5%，超過了船舶電力系統標準的要求，需要考慮采用星-三角或軟起動方法來降低起動沖擊的影響。

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[5]林良真, 葉林. 電磁暫態分析軟件包PSCAD/EMTDC [J]. 電網技術,2000,24(1)：65-66.

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