航天測量船電力系統穩定性的仿真研究

朱 浩，劉建政，劉輝峰

（1.清華大學電機工程與應用電子技術系，北京 100084；2.中國衛星海上測控部，江蘇江陰 214431）

航天測量船電力系統穩定性的仿真研究

朱 浩1,2，劉建政1，劉輝峰2

（1.清華大學電機工程與應用電子技術系，北京 100084；2.中國衛星海上測控部，江蘇江陰 214431）

以某航天測量船為例，分析了其電力系統的結構和組成，基于MATLAB/Simulink軟件建立了柴油發電機組和不同類型負載的仿真模型，進而構建了該船的電力系統仿真模型。利用模型仿真分析了海上航行工況下負載順序啟動對電力系統穩定性的影響，得到了柴油發電機組和負載的運行波形。仿真結果表明，不同負載類型對穩定性的影響是不同的，負載功率越大對穩定性的影響也越大。利用該模型可以對其他工況下電力系統穩定性進行分析，也可以為測量船電力系統的分析和設計提供參考。

電力系統穩定性；航天測量船；建模；仿真

0 引言

船舶電力系統是一個孤立電力系統，具有不同于傳統陸地無窮大電網的特點，具體表現在：發電機與負載之間傳輸距離短，相互耦合作用較強；系統供電容量有限，單個負載功率與發電機的功率具有可比性；電壓和頻率不能近似為恒定值，而是受負載影響處于動態變化過程中[1,2]。航天測量船電力系統是船舶電力系統的一種特殊類型，除了具備普通船舶電力系統的特點之外，還有一些特殊之處，如負載設備的類型更多、系統結構更加復雜。航天測量船在執行航天器的海上測控任務時，航行工況復雜，系統狀態變化頻繁，一旦出現問題，會對船舶航行和人員安全產生很大威脅，甚至產生事故，因此電力系統的穩定運行是航天測量船執行任務的重要保證，其穩定性逐漸受到重視。

航天測量船電力系統的穩定性主要指系統運行于平衡狀態下，在遭受干擾后能夠恢復到平衡狀態的能力。擾動一般是隨著電氣負載的變化而發生，電力系統必須通過控制不斷地進行調整，以適應負載的變化，始終連續平穩地供電[3]。由于航天測量船電力系統高階、非線性等特點，很難應用理論分析直觀地得到系統的運行狀態，因此可以采用MATLAB/Simulink仿真軟件及 SimPowerSystems工具包，建立測量船電力系統的基本模型，運用時域仿真的方法，在航行工況下仿真負載變化對測量船電力系統穩定性的影響[4]。

1 電力系統穩定性的基本原理

測量船電力系統穩定性主要包括電壓的穩定性和頻率的穩定性。電壓穩定是測量船電力系統在額定運行條件下和遭受擾動之后，系統中所有母線都持續地保持可接受的電壓波動的能力。當有擾動或者增加負載造成漸進的、不可控制的電壓降落時，系統就進入了電壓不穩定狀態。造成電壓不穩定的主要因素是電力系統無法滿足無功功率的供給需求和平衡。對于測量船上的用電設備，當系統實際電壓值偏離額定值時，用電設備的效率就會降低，偏離額定值較大時，運行工況會惡化，甚至會導致設備的損壞。頻率穩定與電壓穩定的基本原理相似，造成頻率不穩定的直接原因是發電機組有功功率輸出的不穩定和轉速的不穩定。

為了滿足測量船電力系統運行的可靠性和安全性，必須對發電機的電壓和頻率進行控制。測量船電力系統采用柴油發電機組作為發電裝置，在對同步發電機的電壓控制方式上，采用自動電壓調整器，對同步發電機的勵磁進行控制，使得負載變化時自動維持電壓恒定，達到對同步發電機端電壓與電網電壓的調節作用。而對頻率的控制主要依靠調速器對柴油機轉速進行調節，以實現頻率的穩定[5]。

2 測量船電力系統組成與建模

2.1 電力系統組成

測量船電力系統以多臺柴油發電機組為核心，在主配電屏、應急配電屏和負載屏的控制下，對測量船的各負載設備進行自動供電。其電網結構形式采用支狀配電布局形式，每一個子系統的饋電線都是由主配電屏直接引出，與分配電箱連接。

每個發電機組包括柴油機及調速器、同步發電機及勵磁調節器，發電機的功率為 770kW，發電機處于并聯運行狀態[6,7]。測量船電力系統的負載主要包括照明、空調、冷卻水、測控雷達、各種泵、錨機、側推器以及減搖鰭等。在不同工況時，負載的工作情況不完全相同。

2.2 柴油發電機組模型

柴油發電機組模型包括同步發電機模型、柴油機及調速器模型和調壓勵磁模型，建立的模型如圖 1所示[8-10]。

圖1 柴油發電機組模型

模型中同步發電機采用標幺值模型，因此，所有參數都取成單位化的數值，給定柴油機轉速和給定發電機端電壓均取單位值1，同步發電機的轉速和電壓作為反饋信號輸入給對應調節器中。

2.3 負載模型

測量船電力系統中基本為感性負載，且在航行工況時，系統總的功率因素約為0.8，因此在仿真模型中，使用三相并聯阻感負載模型來仿真實際系統中的相關靜態負載，且單個負載的功率因素設置為0.8。各種泵類負載采用異步電動機模型表示，轉矩和轉速之間的相關系數由具體泵的電氣參數通過計算求得。

2.4 電力系統模型

測量船在海上航行工況時，由兩臺發電機組并聯運行向全船負載供電，此時負載主要包括100kW照明、400kW空調、130kW冷卻水、75kW主用泵、50kW滑油泵以及3套測控雷達。由此利用MATLAB/Simulink建立的模型如圖 2所示。模型中，不考慮線路阻抗引起的電壓降以及發電機組空載時所消耗的功率。

圖2 測量船電力系統仿真模型

3 仿真分析

根據測量船在海上航行工況時各設備實際運行情況，仿真負載順序啟動狀態下電力系統的運行狀態。設置仿真條件為：仿真時間為22s，初始狀態下照明、空調、冷卻水負載穩定運行，1s時滑油泵啟動，7s時總用泵啟動，13s時雷達1工作，16s時雷達2工作，19s時雷達3工作[11]。仿真結果如圖3、4、5所示。

圖3為1號柴油發電機組仿真波形。圖3(a)為發電機輸出功率，隨著負載的逐個啟動，發電機輸出功率逐漸增大。圖 3(b)為發電機轉速，當負載啟動時，由于總的負載功率突然增大，導致柴油機轉速下降，而后在調速器的作用下，柴油機輸出功率增大，轉速逐步恢復至額定值。圖 3(c)是發電機勵磁電壓波形，圖3(d)是發電機輸出端電壓波形，當負載啟動時，導致發電機輸出端電壓下降，勵磁系統通過強勵磁來增加勵磁電壓，使發電機輸出電壓能夠穩定在額定值。

在仿真參數設置中，兩臺發電機組平均分配系統負載功率，因此2號發電機組仿真運行波形與1號發電機組一致。

圖3 1# 柴油發電機組仿真波形

圖4 滑油泵電機直接啟動仿真波形

由圖3得知，泵類負載啟動對功率、頻率和勵磁的影響較大，恢復時間較長，這是由其自身異步電機的啟動特性所決定。而恒功率負載在啟動瞬間會引起較大的電壓降落，對其它參數的影響較小。

圖4滑油泵在1s時啟動仿真波形。因為采用了直接啟動方式，啟動電流較大，當電機在2s時達到額定轉速后，電機電流下降，進入穩定運行狀態。對電力系統穩定性的影響已在圖3中給出。

圖5 總用泵電機直接啟動仿真波形

圖5為總用泵在7s時啟動仿真波形。其工作過程與圖 4滑油泵相似。但由于總用泵功率大于滑油泵，因此其啟動電流也較大，對電力系統穩定性的影響也更大，即系統電壓和頻率的變化范圍更大，這一點可由圖3得知。

4 結束語

本文以某航天測量船的電力系統為例，利用MATLAB軟件建立其仿真模型，對海上航行工況下電力系統的穩定性進行了仿真分析。仿真結果表明，建立的航天測量船電力系統模型是正確的，泵類負載與恒功率負載的啟動運行對測量船電力系統穩定性的影響是不同的，泵類負載因為其自身異步電機的工作特性，在啟動過程中對功率需求較大，對系統頻率的影響也較大，因此在發生多個泵類負載同時啟動時，會導致系統功率容量不足的情況發生，對于這一情況，可以考慮增加一臺柴油發電機組以增加電力系統容量。利用該模型可以對航天測量船在其他工況下電力系統的穩定性進行分析，同時對測量船電力系統的分析和設計具有一定的意義。

[1] 施偉峰, 許曉彥. 船舶電力系統建模與控制[M].北京: 電子工業出版社, 2012: 8-9.

[2] 王滿, 王浩亮. 船舶電力系統仿真[J]. 大連海事大學學報, 2011, 37(1): 35-38.

[3] 邰能靈, 王鵬, 倪明杰. 大型船舶電力系統關鍵技術與應用[M]. 北京: 科學出版社, 2012: 314-316.

[4] 陳立偉, 汪晨棟, 馮馳, 等. 基于時域仿真的船舶電力系統暫態分析[J]. 應用科技, 2014, 41(5): 14-18.

[5] 馬振佳. 船舶電力系統穩定性研究[D]. 大連: 大連海事大學, 2013.

[6] 潘昕, 侯新國, 夏立, 等. 船舶電力系統的建模與仿真[J]. 電力科學與工程, 2013, 29(4): 49-53.

[7] 賈園. 柴油發電機組并聯運行穩定性的研究[D].北京: 華北電力大學, 2009.

[8] 申喜, 唐穎, 魏文軒, 等. 基于Simulink的船舶電力系統的仿真[J]. 艦船電子工程, 2013, 33(9): 91-95.

[9] 李玉生, 陳瑞. 基于PSCAD的船用柴油發電機組仿真分析[J]. 船電技術, 2010, 30(11): 11-16.

[10] 劉秀峰, 楊鋒, 王林, 等. 大功率異步電機啟動對船舶電力系統的影響仿真分析[J]. 船電技術, 2011,31(8): 5-9.

[11] 孫才勤, 王貝貝, 張靈杰, 等. 船舶電力系統中同步發電機數學建模與仿真[J]. 大連海事大學學報,2013, 39(1): 99-102.

Simulation and Study on Stability of TT&C Ship Power System

ZHU Hao1,2, LIU Jian-zheng1, LIU Hui-feng2
(1. Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2. Maritime Satellite TT&C Department of China, Jiangyin 214431, China)

This paper analyzes the structure and composition of a TT&C ship power system. Based on MATLAB/Simulink software, the models of the diesel generator set and different types of loads are created before the simulation model of the whole ship power system is constructed. The impacts on power system stability caused by loads startup are simulated under the sailing condition. The running waveforms of the diesel generator set and the loads are given by the simulation model. The results show that different kinds of loads cause different impacts on the stability, and the impacts increase with the load power. The model can be used for analyzing the stability under other conditions, and also provides a reference for analyzing and designing the TT&C ship power system.

power system stability; TT&C Ship; modeling; simulation

U665.12

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.06.001

朱浩（1983-），男，碩士研究生，工程師，主要研究方向為電力系統運行分析與仿真等。