基于直流電網的船舶電力系統仿真研究

張 鵬，石 媛

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基于直流電網的船舶電力系統仿真研究

張 鵬，石 媛

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

對船舶電力系統的發展現狀以及主電網電制的選擇進行了簡要概述，通過對比國內外的發展現狀以及交流電力系統和直流電力系統的優缺點，指出基于直流電網的船舶電力系統是未來船舶電力系統的發展方向。對基于直流電網的船舶電力系統的負載分配律進行了分析，隨后在MATLAB/Simulink中建立了一種基于直流電網的船舶電力系統的仿真模型，仿真驗證了該系統的可行性。

船舶 電力系統 直流電網 油耗率

0 引言

隨著電力電子技術以及新型材料的不斷發展和應用，船舶電力系統也迎來了一個快速發展的階段。傳統的基于交流電網的船舶電力系統因為要保證交流并網時電壓、頻率和相位都相一致，因此發電機要工作在額定轉速下。文獻[1]中通過對柴油機的油耗特性曲線進行分析得出結論，工作在額定轉速下的柴油發電機組在低負載率的狀態下其油耗率并不理想。如果柴油機能根據負載的實際情況始終工作在低轉速大轉矩的情況下，則其油耗水平可以得到明顯降低，經濟性得到大幅提升?；谥绷麟娋W的船舶電力系統由于機組是在直流側并聯，因此對發電機轉速沒有要求，可以根據負載狀況改變原動機轉速。文獻[2]和文獻[3]對船舶電力系統電制的選擇與趨勢進行了詳細的分析，指出國際上船舶電力系統的發展趨勢為基于直流電網的船舶電力系統。文獻[4]中對ABB公司船用直流電網相關的產品進行了簡要介紹，該產品不僅能夠減少大量的船舶配電設施，而且最多能夠降低20%的油耗，經濟效果明顯。國外其他電氣公司也已經有相應的產品推出，如西門子的BlueDrivePlusC。國外基于直流電網的船舶電力系統相關產品已有實船應用的案例。國內相關技術的研究仍比較匱乏，投入的人力物力遠遠不足，亟需引起相關領域人才的注意。

1電制的選擇

船舶電網的發展與陸地電網一樣，最早采用的也是直流電力系統。不過早期的直流電力系統采用的是直流發電機直接給全船電力設備供電的工作模式。隨著船舶電力系統供電容量的增大，大容量直流發電機的換相問題一直難以克服。而交流發電機的產生很好地解決了直流發電機存在的問題，大大降低了維修和保養的工作量，提高了運行的可靠性。同時變壓器的廣泛應用使設備幾乎可以得到任何需要的電壓，并且電氣設備重量尺寸小、價格低。因此，自20世紀30年代開始，船舶電力系統進入了交流的時代。然而，交流電力系統也存在一些固有的問題難以解決，如控制復雜，電纜要求多等問題。近幾年基于直流電網的船舶電力系統見諸報端，與以往的直流電力系統不同，該電力系統采用交流發電機帶整流器的形式工作。交流發電機發出的交流電經整流器整合成直流電能，各用電設備可采用直接取電或通過逆變器取電的形式從直流電網中吸收電能。

基于交流電網的船舶電站其主回路采用的是三相交流電制，因此使用多組船舶發電機組同時供電時要保證電壓、頻率、相位三者相一致才能并網。而發電機輸出交流電的頻率，與轉速成正比。因此作為原動機的柴油機，轉速必須得維持在額定值才能保證頻率不變。

相較于傳統基于交流電網的船舶電力系統，基于直流電網的船舶電力系統由于主電網采用的是直流電制，因此該系統在并聯時只需要保證各個發電機在直流側的電壓相一致即可，對頻率和相位沒有要求，因此對柴油機的轉速不再嚴格限定在額定轉速，為柴油機的變速發電提供了應用空間。基于直流電網的船舶電站使用多組柴油機發電機組同時運行，發出的交流電經整流后在直流母線側并聯，再經逆變器轉換之后可提供給船舶上的交流用電設備使用。

2功率的分配

2.1數學模型分析

基于直流電網的船舶電力系統結構框圖如圖1所示。由若干臺柴油機作為原動機，帶動同步發電機運行，發出的三相交流電經整流之后并入直流電網，直流側可安裝濾波電容以提高供電質量。在實際的工程應用時，對于若干臺并聯運行的發電機組，當其穩定運行時，一般要求各機組之間的功率分配符合各自的容量之比。

轉子側方程為

轉子運動方程為

三相不控整流橋兩側交、直流電壓、電流與有功功率之間的關系可以描述為如下方程式：

將此極坐標形式帶入上述直流側電壓、電流方程，可得

由此可知，三相不控整流發電機交流側的機端電壓和電流之間相角之差為常數[5]。

2.2穩態功率的分配

對于如圖1中所示的并聯運行的整流同步發電機的功率分配問題，由轉子側方程可知，系統穩定運行時有

代入定子側方程，可得

對此，將定子側端電壓和端電流轉換成極坐標形式，則有：

整理可得

2系統建模

現有的基于交流電網的船舶電力系統其結構大致為，調速器控制原動機和發電機的轉速，使其穩定在額定轉速運行；勵磁調節器調節發電機勵磁，使發電機電壓能夠穩定在額定電壓附近；發電機發出的三相交流電電壓、相位和頻率一致的情況下可以直接并網，各個負載從電網中汲取電能?？梢钥闯?，轉速調節器和勵磁調節器的目標值是恒定不變的，基于直流電網的船舶電力系統可以此為基礎，通過改變調速器和勵磁調節器的目標值進而實現轉速的可變控制。其系統結構如圖2所示。負載的信號實時反饋給綜合控制器，控制器一旦檢測到負載的變化，通過改變調速器的給定值調節轉速，從而使整個船舶電站工作在油耗率比較理想的狀態，如此可以達到降低油耗，提高系統經濟的目的。

以圖2為藍本，在MATLAB/Simulink中搭建了基于直流電網的船舶電力系統仿真模型，如圖3所示。采用兩臺柴油機各自帶著一臺同步發電機運轉，根據負載的實際情形實時改變轉速調節器的目標轉速，使柴油發電機組始終工作在大轉矩低轉速的情形下，以此實現降低油耗的目的。

圖3基于直流電網的船舶電力系統仿真模型

3 仿真分析

如圖4中所示，雙機并聯仿真中，兩臺機組能夠實現功率的平均分配，且在負載變換的過程中能夠保持穩定。

如圖5所示，發電機組根據負載的實際情形工作在不同的轉速和轉矩的匹配點，轉速調節器能夠確保發電機維持在綜合控制器給出的目標轉速下。經過與基于交流電網的船舶電力系統相比較，系統的油耗率有明顯下降。經多次仿真驗證，得出如圖6所示的恒速發電模式與變速發電模式的油耗率對比曲線。從圖中可以看出，在負載率低于80%的情況下，該系統均能有可觀的節油效果，最大能夠降低20%左右的油耗。

4結論

本文通過分析國內外船舶電力系統發展現狀，以及基于直流電網的船舶電力系統的特點，得出直流電網船舶電力系統能夠降低系統油耗，提升經濟性的結論。通過分析多機并聯運行下機組之間的功率分配率，在MATLAB中建立了多機并聯運行的仿真模型。仿真結果驗證了該系統的經濟性與可行性。

參考文獻：

[1] Fredrik Hansen, John O Lindtj?rn, Klaus Vanska. Onboard DC Grid for enhanced DP operation in ships[C]. Dynamic Positioning Conference, Jan Fredrik Hansen: Norway, John O Lindtj?rn, 2011:1-8.

[2] 張義農，湯建華.美英未來艦船綜合電力系統電制選擇分析[J].艦船科學技術, 2012，34(4):136-139.

[3] 童正軍.民用船舶直流電網發展現狀分析[J].船舶工程，2014:36（增刊1）:104-119.

[4] 祁斌.ABB創新船用直流電網[J].中國船檢, 2013, (7):75-78.

[5] 郭文濤，張雪敏，梅生偉等.三相不控整流發電機功率分配控制策略設計[C].第三十一屆中國控制會議論文集D卷，2012:7609-7614.

Research on Simulation of Ship’S Power System Based on DC Power Grid

Zhang Peng, Shi Yuan

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM743

A

1003-4862（2016）09-0053-04

2016-04-15

張鵬（1983-），男，工程師。研究方向：電力技術應用。