基于大負載的中壓供電船舶綜合電力系統仿真研究

胡紅錢，葉 軍，薛明瑞

應用研究

基于大負載的中壓供電船舶綜合電力系統仿真研究

胡紅錢，葉 軍，薛明瑞

（浙江工業職業技術學院，浙江紹興 312000）

配置大功率負載是航母等現代大型艦船的需要。大功率負載設備受工況和海況的多重影響，頻繁的工作極易產生大幅功率波動，對包括電壓、電流、頻率等電網安全穩定造成影響和沖擊。基于綜合電力系統構建“船舶電站-逆變器-推進電機-螺旋槳”的完整電能鏈，根據大功率負載的工作情況，對大功率負載投入時電網的電壓、電流、轉速和扭矩等關鍵指標進行理論分析、計算和仿真，獲得完備數據以保障中壓供電大負荷船舶綜合電力系統的有效運行。

綜合電力系統 大功率負載 中壓供電 負載特性

0 引言

船舶動力與電力合二為一造就了“綜合電力系統（Integrated Power System，IPS）”及“電力推進系統”的概念，實現了全船設備的集中控制和能源的高效利用，具有配置靈活、調度統一、穩定安全、運行經濟等優點，是船舶綜合電力系統的主要發展方向[1]。隨著現代大型化船舶、大功率推進和多樣化設備需要，功率要求越來越高，電站容量越來越大，中高壓供電逐步取代低壓供電進入船舶柴油發電機組和供配電設備領域，而且前景良好[2]。根據IEEE C37.100規定：中壓交流電力機構是指額定電壓大于1000 V、小于10000 V的電力系統，對于額定頻率為60 Hz的電力裝置，中壓的額定值有2.3/4.16/6.6 kV等級，而額定頻率為50 Hz的電力裝置，中壓的額定值有3.3/6.0/10 kV等級[3]。與低壓供電相比，現代船舶配置的大功率負載功率可達兆瓦級，其工作時可能導致電壓、電流、頻率的頻繁波動，并受海工況影響而多重疊加，對發電機組、用電設備和電網等造成不利影響，因此，需要在設計階段對基于大功率負載的電力系統供電進行動態分析，以滿足現在艦船的需要[4]。

1 中壓供電推進系統結構

以“泰安口”號半潛式電力推進船的電力系統為例，圖1為其單線原理圖[5]。該系統以兩組額定功率為5200 kVA的主柴油發電機、一組5200 kVA備用/貨用柴油發電機組為構成發電單元，均采用6.6 kV的中壓供電；以兩臺800 kW側推器和一對4.7 MW的永磁同步電機帶螺旋漿為主推進器；將錨機、起重機和牽引等統一為短時負載，將冷藏、通風和220 V低壓系統等負載統一為全時段耗能的基本負荷；系統以主輔配電屏作為電能管理和分配裝置。

圖1 中壓供電船舶電力系統單線圖

大量文獻對小功率船舶推進系統進行了仿真研究，而大功率推進系統是一個典型的復雜剛性系統[6]，其過渡時間常數跨度非常大，仿真求解數值法需要足夠長的時間以保證求解的穩定性，不利于建模分析；此外，螺旋槳與船體的大慣性也加長了仿真時間，所以導致對其的仿真研究較少。例如美國普渡大學用戴爾M1530電腦對基于Simulink的綜合電力系統進行10 s的仿真大約花費了25分鐘[7]。為了研究船舶大功率電力推進系統的穩態和動態性能，本文建立了基于中壓供電和長過渡常數的大功率永磁同步電機電力推進數字仿真系統，并加載大時間慣性的螺旋槳進行工況仿真。

2 中壓供電大功率推進電力系統仿真模型

2.1 柴油發電機組

柴油發電機組是常見的電站能量來源。柴油發電機組包括原動機與發電機，其控制系統通常包含兩部分：轉速控制與勵磁控制，如圖2。船舶電力系統中電網的頻率是通過發電機的轉速決定，而發電機轉速的快慢由原動機轉速決定。柴油機通過調速器控制柴油機的供油量來改變發動機的氣功活塞運動快慢達到調速目的。船舶電力系統中電網的電壓指的是同步發電機的端電壓，它通過檢測電網電壓與電流構成閉環由勵磁（調壓）系統控制。

圖2 發電機組轉速與勵磁控制框圖

2.2 永磁同步電機

永磁同步電機是大型電力推進船舶的主流推進方式，具有更高的功率密度和功率因素、更大的轉矩密度和更小的電磁轉矩波紋系數及低噪聲、高效率、小體積、好維護等特點[8]，成為未來船舶推進電機的重要選擇。假設永磁同步電機可以忽略一些僅有微小影響的參數：具電導率為零，有正弦波反電勢，漏磁通的、磁路飽和、渦流損耗及磁滯損耗可以忽略和定子各相繞組參數一致情況下，利用轉子兩相旋轉坐標系在d-q軸下得到其數學模型[9]：

2.3 船槳動力模型

船舶通過推進電機帶動螺旋槳產生向前推力，克服船舶的航行阻力使船舶航行。小功率推進系統仿真甚至可通過直接給推進電機設定一個小數值的恒定量作為螺旋槳負載轉矩進行模擬，而實際上大功率螺旋槳自身所處海況和運行工況多變，是一個具有大時間慣性的螺旋槳轉矩，是一個船-槳復雜大慣性系統模型，其建模對整個系統的仿真具有重大的影響。參照文獻[10-11]，建立如下船槳模型：

進速比：

推力：

扭矩：

推力減額系數：

螺旋槳有效推力：

船槳運動方程：

船體總阻力：

2.4 永磁同步電機的逆變控制策略

圖3 船槳模型

圖4 永磁同步電機矢量控制結構圖

3 大功率負載設備對電網的影響

以某豪華游輪為例，建立其綜合電力系統模型。游輪質量16299 t，附水質量1303 t，螺旋槳直徑D=1.5 m；發電機組采用6.6 kV中壓交流供電，總裝機容量5.125 MW；推進系統為直軸型，電機為永磁同步電機，功率達2×1 MW。仿真時間為1 s，永磁同步電機從0s開始啟動轉速為200 r/min，0.3 s時加速為460 r/min，圖5～圖9分別是發電機組中壓供電電壓、永磁同步電機三相電流、永磁同步推進電機轉速、螺旋槳負載輸入扭矩。

圖5 發電機組中壓供電相間電壓Vbc

圖6 永磁同步電機ABC相電流

圖8 螺旋槳負載轉矩

從圖中可以看出，發電機組穩定建壓，電壓有效值6.6 kV，峰值9.3 kV，如圖5。機組電壓經整流器輸出穩定直流電壓供推進變頻器驅動推進電機，推進電機輸出穩定工作電流，如圖6。穩定的電流保障大負載螺旋槳負載扭矩輸入穩定，且轉速跟隨設定。同時可以看到，負載電流、轉矩同步并隨著轉速的增加而快速增加，如圖7、圖8。根據=9550×可知，左右舷推進實際負載功率達2×1.13 MW，可與電站容量相匹配，屬大負載。

4 結語

本文從“船舶電站-逆變器-永磁推進電機-螺旋槳”的主電力供應鏈角度構建完整中壓交流船舶綜合電力系統，結合船槳特性進行大功率負載運行分析，驗證系統的暫穩態特性，為大功率電力系統的裝置選型、系統建模和逆變控制等提供參考依據和借鑒價值，并為系統設計與故障等特性分析提供數據基礎。

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Simulation research on medium voltage power supply ship integrated power system based on large load

Hu Hongqian, Ye Jun, Xue Mingrui

(Zhejiang Industry Polytechnic College, Zhejiang 312000)

TM561

A

1003-4862（2022）12-0030-04

2022-09-04

浙江省教育廳一般科研項目（Y202146575）

胡紅錢（1983-），男，博士，副教授。主要研究方向船舶電力系統及其故障診斷。E-mail：hu_hongqian@126.com