基于MATLAB的溢油回收船電力推進(jìn)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)壓降仿真與分析

熊 源

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基于MATLAB的溢油回收船電力推進(jìn)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)壓降仿真與分析

熊 源

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

本文依據(jù)萬噸級溢油回收船船舶電網(wǎng)設(shè)計(jì)要求構(gòu)建滿足系統(tǒng)要求的電力系統(tǒng)，并根據(jù)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行電壓壓降MATLAB仿真，研究和分析船舶電網(wǎng)日常使用和誤操作啟動(dòng)大型負(fù)載對電網(wǎng)的沖擊現(xiàn)象。仿真結(jié)果表明，無勵(lì)磁啟動(dòng)大型負(fù)載時(shí)電網(wǎng)壓降很明顯，特別是在網(wǎng)功率不足時(shí)壓降失真更嚴(yán)重，為避免引起保護(hù)開關(guān)誤動(dòng)作，需保證預(yù)充磁變壓器正常投入運(yùn)行。

溢油回收船 電力推進(jìn)系統(tǒng) 電壓壓降 MATLAB仿真

0 引言

在船舶配電系統(tǒng)中，電壓壓降是一種常見的電壓擾動(dòng)，主要指電網(wǎng)電壓有效值在短時(shí)間或長時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)電壓下降的現(xiàn)象。一般可分為穩(wěn)態(tài)壓降和暫態(tài)壓降，其中后者主要是由于電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障或者電網(wǎng)中有大容量負(fù)載設(shè)備啟動(dòng)時(shí)對電網(wǎng)造成沖擊引起的現(xiàn)象。電壓暫降會(huì)降低電網(wǎng)質(zhì)量，嚴(yán)重的可能造成發(fā)電機(jī)停機(jī)、變頻器失壓保護(hù)誤動(dòng)作和配電板斷路器脫扣，進(jìn)而造成全船失電事故或?qū)σ恍┟舾须娮釉O(shè)備元器件造成損壞或者造成計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)丟失，給用戶造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。為了避免此類故障的發(fā)生和全面掌握、了解可能出現(xiàn)的電壓暫降幅度和規(guī)律，現(xiàn)采用MATLAB仿真軟件對船舶電力系統(tǒng)進(jìn)行建模，并根據(jù)具體工況分析電網(wǎng)電壓變化情況。

1 仿真環(huán)境

本船交流電力系統(tǒng)采用AC690V，主電源配置為4臺(tái)AC690V柴油發(fā)電機(jī)組、1臺(tái)AC690V停泊發(fā)電機(jī)組和1臺(tái)AC400V應(yīng)急發(fā)電機(jī)組，對全船電力系統(tǒng)負(fù)載進(jìn)行供電。主要負(fù)載包括配電變壓器、主推進(jìn)移相變壓器、艏側(cè)推移相變壓器等大型負(fù)載以及下級負(fù)載。根據(jù)提供的設(shè)備參數(shù)在MATLAB建立各個(gè)發(fā)電機(jī)組和電力系統(tǒng)整體仿真模型，如圖1、2所示。電網(wǎng)參數(shù)的設(shè)定可參考如下：機(jī)組電壓為半載整定（50%負(fù)荷），主發(fā)電機(jī)組電壓調(diào)整率定為2.5%。發(fā)電機(jī)空載（0%）電壓約為：

圖1 發(fā)電機(jī)模型

圖2 電力系統(tǒng)電網(wǎng)模型圖

2 仿真結(jié)果

2.1 穩(wěn)態(tài)電壓壓降

穩(wěn)態(tài)壓降計(jì)算為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)電網(wǎng)各點(diǎn)的壓降，壓降包括發(fā)電機(jī)壓降、電纜壓降和變壓器壓降等。運(yùn)行仿真船舶電網(wǎng)系統(tǒng)，分別測量發(fā)電機(jī)組滿載、半載和空載時(shí)發(fā)電機(jī)輸出端電壓以及各段母線電壓，其結(jié)果如表1所示。其中滿載時(shí)計(jì)算各段電纜上損耗的壓降如下：

1)發(fā)電機(jī)至690 V母線電纜壓降約為2 V；

2)690 V母線至日用變壓器原邊電纜壓降為1V；

3)日用變壓器副邊至400 V母線電纜壓降為0.9V；

4)400 V母線至135 kVA照明變壓器原邊電纜壓降為0.6 V；

5)135 kVA照明變壓器副邊至230 V母線電纜壓降為0.8 V。

穩(wěn)態(tài)壓降計(jì)算是按照最惡劣情況進(jìn)行計(jì)算，在實(shí)際情況下，負(fù)載一般不會(huì)工作在滿負(fù)荷，所以變壓器和電纜壓降會(huì)比計(jì)算值要偏小，所以滿載情況下系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)電壓會(huì)比計(jì)算值稍高。從以上結(jié)果分析，其壓降比顯然遠(yuǎn)低于5%，符合船用電網(wǎng)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 暫態(tài)電壓壓降

瞬態(tài)壓降計(jì)算為假定在某個(gè)負(fù)載突然投入系統(tǒng)時(shí)系統(tǒng)電網(wǎng)各點(diǎn)的電壓降，由于變頻負(fù)荷在投入時(shí)通常負(fù)荷是緩慢增加，對電網(wǎng)瞬態(tài)沖擊可以忽略。由于主推進(jìn)變壓器、消防泵變壓器，日用變壓器均配有預(yù)充磁裝置，啟動(dòng)電流無沖擊，對電網(wǎng)瞬態(tài)沖擊可以忽略。現(xiàn)分析在無勵(lì)磁啟動(dòng)該類設(shè)備時(shí)對電網(wǎng)造成的電壓沖擊并與有勵(lì)磁啟動(dòng)時(shí)做比較。在無勵(lì)磁時(shí)，延時(shí)0.5 s合閘開關(guān)，觀察電壓和電流波形；有勵(lì)磁時(shí)，選擇容量為啟動(dòng)設(shè)備2%大小的預(yù)充磁變壓器，先預(yù)充磁1.5 s，然后合閘開關(guān)，觀察電壓和電流波形。

1）無勵(lì)磁啟動(dòng)主推進(jìn)設(shè)備

考慮四臺(tái)發(fā)電機(jī)組在網(wǎng)的條件下，主推進(jìn)變壓器不經(jīng)過預(yù)勵(lì)磁直接空載合閘啟動(dòng)對690 V電網(wǎng)的沖擊所造成的壓降，從圖3（a）中可知母線壓降約為20 V，推進(jìn)設(shè)備啟動(dòng)電流涌流峰值約6200 A。而圖3（b）中在有勵(lì)磁啟動(dòng)條件下，電壓壓降<1 V，沖擊電流430 A。

（a）

（b）

圖3 滿載啟動(dòng)主推進(jìn)電壓電流波形圖

2）電站部分發(fā)生接地或短路故障時(shí)，主推進(jìn)設(shè)備會(huì)直接不預(yù)勵(lì)磁的情況下直接接到另一部分電站上產(chǎn)生的瞬時(shí)壓降影響

考慮2臺(tái)發(fā)電機(jī)組在網(wǎng)的條件下，主推進(jìn)設(shè)備不經(jīng)過預(yù)勵(lì)磁直接啟動(dòng)時(shí)對690 V電網(wǎng)的沖擊所造成的壓降，從圖4（a）中可知母線壓降約為40 V，推進(jìn)設(shè)備啟動(dòng)電流涌流峰值約5800 A；圖4（b）中，給定勵(lì)磁的情況下，壓降僅為1 V。

（a）

（b）

圖4 半載啟動(dòng)主推進(jìn)電壓電流波形圖

3）停泊發(fā)電機(jī)400 kW在網(wǎng)時(shí)，直接起動(dòng)最大電機(jī)瞬時(shí)電壓降

考慮1臺(tái)停泊發(fā)電機(jī)組在網(wǎng)的條件下，主推進(jìn)設(shè)備不經(jīng)過預(yù)勵(lì)磁直接啟動(dòng)時(shí)對690 V電網(wǎng)的沖擊所造成的壓降。從圖5（a）中可知母線壓降約為170 V，推進(jìn)設(shè)備啟動(dòng)電流涌流峰值約2500 A；圖5（b）中母線電壓下降為4 V，沖擊電流為210 A。

（a）

（b）

圖5 停泊啟動(dòng)主推進(jìn)電壓電流波形圖

4）停泊發(fā)電機(jī)400 kW在網(wǎng)時(shí)，接入主變壓器時(shí)的瞬時(shí)電壓降

考慮1臺(tái)停泊發(fā)電機(jī)組在網(wǎng)的條件下，配電變壓器不經(jīng)過預(yù)勵(lì)磁直接啟動(dòng)時(shí)對690 V電網(wǎng)的沖擊所造成的壓降，從圖6（a）中可知母線壓降約為105 V，推進(jìn)設(shè)備啟動(dòng)電流涌流峰值約1700 A；圖6（b）中電壓壓降接近5 V，沖擊電流150 A。計(jì)算壓降均為該段母線最大瞬態(tài)壓降，綜合對比勵(lì)磁前后的電壓壓降和沖擊電流，后者大大改善，電壓壓降很小，沖擊電流減小一個(gè)級數(shù)，不會(huì)引起斷路器脫扣，結(jié)果表明在預(yù)充磁下系統(tǒng)母線瞬態(tài)壓降滿足CCS規(guī)范要求。

3 總結(jié)

通過MATLAB仿真對溢油回收船電力電網(wǎng)進(jìn)行電壓降分析，能夠較為清楚的表明系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)壓降的大小，壓降的幅度與電網(wǎng)在網(wǎng)運(yùn)行機(jī)組功率大小以及啟動(dòng)負(fù)載的大小有直接關(guān)系。全載啟動(dòng)和半載啟動(dòng)時(shí)壓降別為20 V和40 V，電網(wǎng)沖擊電流較大，可能引起保護(hù)開關(guān)誤操作；若單臺(tái)停泊機(jī)組在網(wǎng)時(shí)，啟動(dòng)推進(jìn)負(fù)載壓降很大，會(huì)引起發(fā)電機(jī)停機(jī)和保護(hù)開關(guān)脫扣致使全船失電。因此為避免此類事故發(fā)生，船用大型負(fù)載啟動(dòng)時(shí)需確保預(yù)充磁正常運(yùn)行，避免啟動(dòng)時(shí)對電網(wǎng)沖擊較大，導(dǎo)致較大的電壓壓降。

（a）

（b）

圖6 停泊啟動(dòng)配電變壓器電壓電流波形圖

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Simulation and Analysis of Steady and Transient Voltage Drop for OSRV propulsion System Based on MATLAB

Xiong Yuan

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

TH311

A

1003-4862（2017）07-0041-03

2016-11-14

熊源（1989-），男，碩士。研究方向：電氣工程。