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船用供电系统
方案概述

  船舶电力推进系统的主要组成部件有原动机、发电机、配电板、变压器、交/直流转换器、变频控制箱以及推进电机等。根据电力系统的结构,将整个系统分为原动机及其调速系统、同步发电机及其励磁系统、配电系统以及负载四个部分。利用Saber混合系统、混合信号的仿真能力,根据其数学模型及其原理分别应用Saber器件库中提供的基本器件和MAST语言搭建子系统仿真模型,进而构建完整的电力系统模型,在该模型上进行典型工况和典型故障的仿真分析。

需求与挑战
  对于电力推进船舶而言,电力系统是其生命,对安全运行方面有着苛刻的要求。船舶电力系统设计方案的运用之前必须进行一系列系统动态与静态品质指标方面、系统安全运行方面和系统优化方面的评估,需要进行系统参数设定及其故障仿真运行。因此,对于船舶电力系统的设计、系统调试、参数整定和故障仿真,建立船舶电力系统的模型与仿真平台是一项非常重要的工作,精确的电力系统模型对系统设计方案的评估起到关键性的作用。

  美国海军于在1994年提出了综合电力推进系统(IntegratedpowerSystemIpS)概念,即用“电力集成”的思想和模块化的方法来研究舰船电能的产生、输送、变换、分配及利用,将舰船推进装置用电、日常用电和各种武备发射用电共用一套发电及配电系统而构成一个综合电力系统。这种新概念的提出对船舶电力系统的设计提出了更高的要求,急需要更为先进的设计方法和实现工具。

解决方案
  Saber产品创建于1987年,是混合信号、混合技术的仿真软件,广泛应用在船舶电力领域。Saber的仿真是建立在虚拟原型的基础上的,它用一系列的数学表达式和方程建立起对真实世界的物体及其连接关系的描述(虚拟原型),通过解算方程得到有关实际工作情况信息。
  针对与船舶供电系统中的原动机及其调速系统、同步发电机及其励磁系统、配电系统以及负载子系统,通过Saber自带的模型库及MAST建模语言,搭建整个供电系统的仿真模型,进行验证。
     
  原动机及其调速系统
  电力推进船舶的发电机组中,基本上都是采用柴油机作为原动机,调速器也大多采用电子调速器,建模时以柴油机和电子调速器为研究对象。根据其数学模型,利用SABER的基本元器件和MAST语言,建立了如图所示的仿真模型:
   

  整个模型由转速设定单元,转速检测单元,速调节单元,执行机构,调速过程中的柴油机模型,负载单元组成。
  • 系统中转速设定单元设定柴油机的转速
  • 由负载单元模拟外界变化的负荷,给系统来负载扰动
  • 转速调节单元通过调节转速设定值和转速检测单的反馈量之间的差值来改变执行机构的油泵位置
  • 执行机构通过油泵齿条位的改变来改变喷油量柴油机通过喷油量的改变使受扰动后的系统转速尽快恢复到设定转速。
  同步发电机及其励磁系统
  同步发电机是船舶电力系统的心脏,它集旋转与静止、电磁变化与机械运动于一体,把机械能转换为电能,供给船舶电力系统。励磁系统在船舶电力系统的运行过程中是最基本的和必不可少的。对于船舶电力系统的各种扰动来说,一般都是先引起电、磁过渡过程,然后才是机电过渡过程。
  SABER器件库中提供各种类型的发电机模型,这些模型都是根据成熟的发电机数学模型应用MAST语言建立的Saber仿真模型,作为常用的基本器件置于器件库中提供给用户直接调用。根据器件的属性设计对话框,可以设置三相同步发电机基本属性,相关参数等。
      

  发电机的励磁控制系统包括限幅模块、放大器、PID控制器、信号转换器等模块。其中PID控制器是励磁控制系统的核心部分。根据归纳出的可控相复励励磁系统的数学模型,利用SABER元器件库的基本元器件和MAST语言搭建可控相复励励磁系统的仿真模型,调用元器件库中的三相同步发电机模型,组成了同步发电机及其励磁系统的仿真模型。
   
  配电系统
  配电系统,它是指联接发电机、主配电板与用电设备之间的电力线路,称为船舶电力网或船舶电网,是全船电缆的总称。根据联接的负载性质,可分为动力(电力)电网、照明电网、应急电网、临时应急电网和弱电电网等。配电方式,可分为一次配电系统和二次配电系统。在配电系统部分主要对保护开关和变压器进行了仿真研究。
  利用Saber能很好的支持数模混合电路的仿真能力,搭建保护开关的仿真模型。SABER器件库中提供各种类型的变压器模型,这些模型都是根据成熟的变压器数学模型应用MAST语言建立的Saber仿真模型,作为常用的基本器件置于器件库中提供给用户直接调用。
  

  将建立变压器的仿真模型和保护开关的模型连接起来形成配电系统模型,并封装成配电单元模型。
  

     
  Saber环境下的船舶供电系统
  利用已经已搭建好的原动机及其调速系统和同步发电机及其励磁系统,加上配电单元和负载单元,形成了一个比较完整的船舶电网系统。
    


    图中,模块A, B, C, D均为封装的配电单元;模块1, 2, 3, 4均为负载单元。
 
  典型工况和典型故障的仿真与分析
  在船舶航行过程中,典型工况和典型故障的对整个电力系统的特性影响十分重要。在实际系统中,进行工况和故障的试验的成本较大,尤其是故障试验,由于可能会造成严重的实验后果,利用已搭建好的系统仿真模型中进行典型工况和典型故障的试验能够很好的达到目的,同时规避风险。
  • 电网加载过程仿真分析,包括空载起动过程仿真、大负载加载过程仿真等
  • 电网故障仿真分析,包括电网单相接地故障仿真、电网三相短路故障仿真等

电网A相接地发电机端A相电压变化图

电网三相短路时发电机机械功率和励磁电流变化图

  根据上述模型,可以进一步对两台或多台发电机并联的系统进行建模、仿真与分析。

     
 
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