船舶電力系統(tǒng)負(fù)荷擾動(dòng)故障機(jī)理研究

王 勝，施偉鋒，張 威，李曉宇

（上海海事大學(xué) 電氣自動(dòng)化系，上海 201306）

0 引 言

船舶電力系統(tǒng)是一個(gè)高階非線性、多變量、強(qiáng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)。隨著現(xiàn)代造船技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于船舶電力系統(tǒng)的供電性能要求也愈來(lái)愈高。要求船舶電力系統(tǒng)不僅在正常情況下對(duì)各種船用設(shè)備持續(xù)供電，而且在故障狀況下也要保障船舶的生存能力。

船舶電力系統(tǒng)可能發(fā)生的故障包括：短路、斷相以及各種復(fù)雜故障，而三相短路故障是船舶電力系統(tǒng)中危害最為嚴(yán)重的故障［1］。由于異步電動(dòng)機(jī)在電力推進(jìn)船舶電力系統(tǒng)中，約占供電負(fù)荷的60%～70%。異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)產(chǎn)生較大的沖擊電流，一般為電動(dòng)機(jī)額定電流的4～7倍，某些電動(dòng)機(jī)甚至可達(dá)8～12倍，對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)沖擊很大，在突加大負(fù)載時(shí)，由于漏抗和電樞反應(yīng)使發(fā)電機(jī)端電壓急劇下降，引起較大電網(wǎng)瞬態(tài)電壓降［2］。

針對(duì)船舶電力系統(tǒng)的三相短路故障及異步電動(dòng)機(jī)等大負(fù)荷擾動(dòng)對(duì)船舶電力系統(tǒng)的影響，本文在介紹所研究的船舶電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，分析了船舶電力系統(tǒng)三相短路故障和大負(fù)荷擾動(dòng)故障機(jī)理，并進(jìn)行了故障仿真分析。

1 短路故障和負(fù)荷擾動(dòng)計(jì)算

本文研究船舶電力系統(tǒng)采用樹(shù)形配電結(jié)構(gòu)，由三臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)、兩臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)及常規(guī)負(fù)載構(gòu)成，相應(yīng)的船舶電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 船舶電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 短路故障分析

由于船舶電力系統(tǒng)主要由發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)構(gòu)成，在船舶電力系統(tǒng)的某一點(diǎn)發(fā)生短路時(shí)，電力系統(tǒng)中只有發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)向短路點(diǎn)饋送短路電流。但在計(jì)算短路電流時(shí)，要考慮發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)及與其串聯(lián)的電纜和變壓器的阻抗對(duì)短路電流值和衰減時(shí)間的影響［3］。本文研究中采用等效發(fā)電機(jī)計(jì)算法對(duì)主配電板A點(diǎn)發(fā)生三相短路故障電流進(jìn)行分析。短路故障電流計(jì)算，主要包括發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)及電纜的阻抗計(jì)算與故障點(diǎn)發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)饋送電流分析。

1.1.1 發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)及電纜的阻抗計(jì)算

（1）發(fā)電機(jī)阻抗和電阻

發(fā)電機(jī)直軸次暫態(tài)電抗、暫態(tài)電抗及電樞電阻Ra的計(jì)算，分別采用式（1）～（3）所示公式。

式中，Ur為一次配電系統(tǒng)額定線電壓；IrG為發(fā)電機(jī)額定電流；SrG為發(fā)電機(jī)額定視在功率。

（2）電動(dòng)機(jī)電抗、電阻和時(shí)間常數(shù)

電動(dòng)機(jī)次暫態(tài)電抗、定子和轉(zhuǎn)子電阻RS、RR計(jì)算公式：

式中，UrM為電動(dòng)機(jī)額定線電壓；PrM為等效電動(dòng)機(jī)額定功率。

（3）電纜電阻和電抗

電纜和電抗可用下列公式計(jì)算［4］：

式中，Re、Xe分別為電纜的電阻和電抗；r、x為單位長(zhǎng)度的電纜電阻和電抗；l、a分別表示電纜長(zhǎng)度和并聯(lián)電纜的根數(shù)。

1.1.2 主匯流排處短路，發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)饋送的短路電流

短路故障點(diǎn)發(fā)生在如圖1所示的A地點(diǎn)，計(jì)算短路電流時(shí)，需要得到發(fā)電機(jī)向主匯流排饋送的電流和電動(dòng)機(jī)向其饋送的電流。

（1）發(fā)電機(jī)饋送的電流

發(fā)電機(jī)次暫態(tài)及暫態(tài)電動(dòng)勢(shì)和的計(jì)算：

在時(shí)刻t時(shí)，發(fā)電機(jī)的對(duì)稱(chēng)短路電流IacG、短路電流直流分量idcG及穩(wěn)態(tài)短路電流ipG分別為：

（2）電動(dòng)機(jī)饋送的短路電流

電動(dòng)機(jī)短路饋送電流的計(jì)算需考慮電動(dòng)機(jī)次暫態(tài)電抗、電動(dòng)機(jī)定子電阻及轉(zhuǎn)子電阻的影響，相應(yīng)計(jì)算為：

電動(dòng)機(jī)至主匯流排的電纜阻抗：

計(jì)及線路阻抗影響的異步電動(dòng)機(jī)次暫態(tài)時(shí)間常數(shù)及直流時(shí)間常數(shù)TdcMe計(jì)算：

電動(dòng)機(jī)饋送的次暫態(tài)短路電流初始值、對(duì)稱(chēng)短路電流IacM、短路電流直流分量idcM及峰值短路電流ipM計(jì)算：

因此，匯流排A點(diǎn)短路對(duì)稱(chēng)短路電流Iac及短路峰值電流ip分別為各發(fā)電機(jī)及電動(dòng)機(jī)饋送的短路電流分量之和：

1.2 大負(fù)荷擾動(dòng)機(jī)理分析

突加電動(dòng)機(jī)時(shí)可以通過(guò)計(jì)算電網(wǎng)瞬態(tài)電壓降來(lái)表示對(duì)電網(wǎng)的影響。一般電動(dòng)機(jī)起動(dòng)導(dǎo)致的電網(wǎng)瞬態(tài)電壓降與發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)有關(guān)。通常發(fā)電機(jī)帶負(fù)載狀態(tài)起動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)瞬態(tài)電壓降比空載時(shí)要小，所以通常是按空載起動(dòng)狀態(tài)計(jì)算瞬態(tài)電壓降。

忽略發(fā)電機(jī)及線路中的電阻，其等效電抗以X′e表示，假設(shè)電網(wǎng)有三臺(tái)發(fā)電機(jī)在網(wǎng)且處于空載狀態(tài)，等效發(fā)電機(jī)的端電壓等于等效發(fā)電機(jī)的空載電動(dòng)勢(shì)，即：＝q，式中，為等效發(fā)電機(jī)的端電壓，q為等效發(fā)電機(jī)的空載電動(dòng)勢(shì)。大負(fù)荷電機(jī)在t時(shí)刻突加入電網(wǎng)，等效電路如圖2。

圖2 發(fā)電機(jī)突加動(dòng)態(tài)負(fù)荷時(shí)的等效電路圖

圖3 三臺(tái)發(fā)電機(jī)等效電路圖

2 仿真分析

根據(jù)圖1所示的船舶電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在 MATLAB＼SimPowerSystem環(huán)境下搭建的仿真系統(tǒng)如圖4所示［6～8］。

發(fā)電機(jī)的參數(shù)：額定功率Pn＝3.125 MW，額定電壓Un＝2 400 kV，頻率fn＝60 Hz，直軸電抗Xd＝1.56，暫態(tài)電抗＝0.296，次暫態(tài)電抗＝0.177，交軸電抗Xq＝1.06，次暫態(tài)電抗＝0.177。發(fā)電機(jī)直軸次暫態(tài)短路時(shí)間常數(shù)＝0.05 s，直軸暫態(tài)短路時(shí)間常數(shù)＝3.7 s，直流時(shí)間常數(shù)Tdc＝0.05 s。

電動(dòng)機(jī)的參數(shù)：額定功率Pn＝2 250 HP，額定電壓Un＝2 400 kV，頻率fn＝60 Hz，轉(zhuǎn)子電阻rs＝0.029Ω，定子電阻rR＝0.022Ω，電抗＝0.226Ω。同時(shí)，此電動(dòng)機(jī)在60 Hz船舶電力系統(tǒng)中的時(shí)間常數(shù)＝18.67 ms，TdcM＝11.73 ms。

將上述參數(shù)代入公式計(jì)算可以得到突加動(dòng)態(tài)負(fù)荷和短路故障時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)而進(jìn)行分析。

（1）大負(fù)荷擾動(dòng)仿真分析

發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行，2 s時(shí)兩臺(tái)電動(dòng)機(jī) M1、M2電動(dòng)機(jī)同時(shí)接入電網(wǎng)，發(fā)電機(jī)電流、電壓，電動(dòng)機(jī) M1、M2電流、轉(zhuǎn)速分別如圖5、圖6所示。

由圖5可知，突加動(dòng)態(tài)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速減少1%，端電壓下降25%，由于是在發(fā)電機(jī)空載時(shí)突加電動(dòng)機(jī)負(fù)載，所以發(fā)電機(jī)電流會(huì)突加至5 000 A，經(jīng)過(guò)3.5 s達(dá)到平衡狀態(tài)的500 A。由圖6可知，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的啟動(dòng)電流，經(jīng)過(guò)3.5 s的過(guò)渡過(guò)程達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 800 r／min。

圖4 船舶電力系統(tǒng)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖5 大負(fù)荷擾動(dòng)下發(fā)電機(jī)A相電壓和電流波形

圖6 大負(fù)荷擾動(dòng)下的電動(dòng)機(jī)電流和轉(zhuǎn)速

（2）三相短路故障仿真分析

船舶電力系統(tǒng)突加負(fù)載達(dá)到穩(wěn)定后，在7.5 s時(shí)電動(dòng)機(jī)M1近主匯流排處發(fā)生三相短路接地故障持續(xù)時(shí)間為0.1 s，發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)M1、M2的電流、電壓以及轉(zhuǎn)速如圖7、圖8所示。

圖7 三相短路故障時(shí)，發(fā)電機(jī)A相電壓和電流

圖8 三相短路故障時(shí)，電動(dòng)機(jī)電流和轉(zhuǎn)速

三相短路故障發(fā)生后，由圖7可知，發(fā)電機(jī)電流有個(gè)很大的突變，幅值由500 A突增到13 060 A。同時(shí)，由圖8可知，電動(dòng)機(jī)的電流和轉(zhuǎn)速相比突加動(dòng)態(tài)負(fù)荷變化更大，電動(dòng)機(jī)電流由穩(wěn)定運(yùn)行電流200 A突加到6 250 A，轉(zhuǎn) 速 由 額 定 的 1 800 r／min 下 降 到1 600 r／min。在7.6 s時(shí)切除短路故障，電力系統(tǒng)能夠恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)船舶同步發(fā)電機(jī)短路運(yùn)行過(guò)程的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合實(shí)際情形。該短路過(guò)程的仿真研究對(duì)船舶安全運(yùn)行具有重要意義。對(duì)船舶電力系統(tǒng)中突加動(dòng)態(tài)負(fù)荷時(shí)的電流電壓的計(jì)算，能夠了解短路故障和正常推進(jìn)工況的內(nèi)在機(jī)理。

［1］ 趙鵬飛，李杰仁，許曉彥.船舶同步發(fā)電機(jī)短路過(guò)程仿真研究［J］.電氣技術(shù)，2008，（3）：46－49.

［2］ 李冬麗，趙躍平，唐石青，等.船舶大容量負(fù)載對(duì)電力系統(tǒng)的影響［J］.船舶工程，2003，（25）：47－50.

［3］ 中國(guó)船級(jí)社.鋼制海船入級(jí)規(guī)范2006（第4分冊(cè)）［M］.北京：人民交通出版社，2006.

［4］ 韓 旗.艦船大負(fù)載起動(dòng)電網(wǎng)瞬態(tài)電壓降計(jì)算和分析［J］.船舶，2012，23（2）：50－52.

［5］ 王正甲，顧偉杰.多機(jī)船舶電力系統(tǒng)的瞬態(tài)電壓降研究［J］.船舶工程，2014.（51）：75－76.

［6］ 施偉鋒，陳子順.船舶電力系統(tǒng)建模［J］.中國(guó)航海，2004，（3）：64－69.

［7］ 王 滿，王浩亮.船舶電力系統(tǒng)仿真［J］.大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，37（1）：35－38.

［8］ 劉 晉.Matlab在電力系統(tǒng)短路故障仿真分析中的應(yīng)用［J］.電氣技術(shù)，2012，（11）：49－52.