船舶电力系统负荷扰动故障机理研究

王 胜，施伟锋，张 威，李晓宇

（上海海事大学 电气自动化系，上海 201306）

0 引 言

船舶电力系统是一个高阶非线性、多变量、强耦合的复杂系统。随着现代造船技术的不断发展，对于船舶电力系统的供电性能要求也愈来愈高。要求船舶电力系统不仅在正常情况下对各种船用设备持续供电，而且在故障状况下也要保障船舶的生存能力。

船舶电力系统可能发生的故障包括：短路、断相以及各种复杂故障，而三相短路故障是船舶电力系统中危害最为严重的故障［1］。由于异步电动机在电力推进船舶电力系统中，约占供电负荷的60%～70%。异步电动机起动产生较大的冲击电流，一般为电动机额定电流的4～7倍，某些电动机甚至可达8～12倍，对供电网络冲击很大，在突加大负载时，由于漏抗和电枢反应使发电机端电压急剧下降，引起较大电网瞬态电压降［2］。

针对船舶电力系统的三相短路故障及异步电动机等大负荷扰动对船舶电力系统的影响，本文在介绍所研究的船舶电力系统结构的基础上，分析了船舶电力系统三相短路故障和大负荷扰动故障机理，并进行了故障仿真分析。

1 短路故障和负荷扰动计算

本文研究船舶电力系统采用树形配电结构，由三台柴油发电机、两台异步电动机及常规负载构成，相应的船舶电力系统结构图如图1所示。

图1 船舶电力系统结构图

1.1 短路故障分析

由于船舶电力系统主要由发电机和电动机构成，在船舶电力系统的某一点发生短路时，电力系统中只有发电机和电动机向短路点馈送短路电流。但在计算短路电流时，要考虑发电机、电动机及与其串联的电缆和变压器的阻抗对短路电流值和衰减时间的影响［3］。本文研究中采用等效发电机计算法对主配电板A点发生三相短路故障电流进行分析。短路故障电流计算，主要包括发电机、电动机及电缆的阻抗计算与故障点发电机和电动机馈送电流分析。

1.1.1 发电机、电动机及电缆的阻抗计算

（1）发电机阻抗和电阻

发电机直轴次暂态电抗、暂态电抗及电枢电阻Ra的计算，分别采用式（1）～（3）所示公式。

式中，Ur为一次配电系统额定线电压；IrG为发电机额定电流；SrG为发电机额定视在功率。

（2）电动机电抗、电阻和时间常数

电动机次暂态电抗、定子和转子电阻RS、RR计算公式：

式中，UrM为电动机额定线电压；PrM为等效电动机额定功率。

（3）电缆电阻和电抗

电缆和电抗可用下列公式计算［4］：

式中，Re、Xe分别为电缆的电阻和电抗；r、x为单位长度的电缆电阻和电抗；l、a分别表示电缆长度和并联电缆的根数。

1.1.2 主汇流排处短路，发电机和电动机馈送的短路电流

短路故障点发生在如图1所示的A地点，计算短路电流时，需要得到发电机向主汇流排馈送的电流和电动机向其馈送的电流。

（1）发电机馈送的电流

发电机次暂态及暂态电动势和的计算：

在时刻t时，发电机的对称短路电流IacG、短路电流直流分量idcG及稳态短路电流ipG分别为：

（2）电动机馈送的短路电流

电动机短路馈送电流的计算需考虑电动机次暂态电抗、电动机定子电阻及转子电阻的影响，相应计算为：

电动机至主汇流排的电缆阻抗：

计及线路阻抗影响的异步电动机次暂态时间常数及直流时间常数TdcMe计算：

电动机馈送的次暂态短路电流初始值、对称短路电流IacM、短路电流直流分量idcM及峰值短路电流ipM计算：

因此，汇流排A点短路对称短路电流Iac及短路峰值电流ip分别为各发电机及电动机馈送的短路电流分量之和：

1.2 大负荷扰动机理分析

突加电动机时可以通过计算电网瞬态电压降来表示对电网的影响。一般电动机起动导致的电网瞬态电压降与发电机和电动机的基本参数有关。通常发电机带负载状态起动电动机时瞬态电压降比空载时要小，所以通常是按空载起动状态计算瞬态电压降。

忽略发电机及线路中的电阻，其等效电抗以X′e表示，假设电网有三台发电机在网且处于空载状态，等效发电机的端电压等于等效发电机的空载电动势，即：＝q，式中，为等效发电机的端电压，q为等效发电机的空载电动势。大负荷电机在t时刻突加入电网，等效电路如图2。

图2 发电机突加动态负荷时的等效电路图

图3 三台发电机等效电路图

2 仿真分析

根据图1所示的船舶电力系统结构，在 MATLAB＼SimPowerSystem环境下搭建的仿真系统如图4所示［6～8］。

发电机的参数：额定功率Pn＝3.125 MW，额定电压Un＝2 400 kV，频率fn＝60 Hz，直轴电抗Xd＝1.56，暂态电抗＝0.296，次暂态电抗＝0.177，交轴电抗Xq＝1.06，次暂态电抗＝0.177。发电机直轴次暂态短路时间常数＝0.05 s，直轴暂态短路时间常数＝3.7 s，直流时间常数Tdc＝0.05 s。

电动机的参数：额定功率Pn＝2 250 HP，额定电压Un＝2 400 kV，频率fn＝60 Hz，转子电阻rs＝0.029Ω，定子电阻rR＝0.022Ω，电抗＝0.226Ω。同时，此电动机在60 Hz船舶电力系统中的时间常数＝18.67 ms，TdcM＝11.73 ms。

将上述参数代入公式计算可以得到突加动态负荷和短路故障时的数据进而进行分析。

（1）大负荷扰动仿真分析

发电机空载运行，2 s时两台电动机 M1、M2电动机同时接入电网，发电机电流、电压，电动机 M1、M2电流、转速分别如图5、图6所示。

由图5可知，突加动态电动机负荷时，发电机的转速减少1%，端电压下降25%，由于是在发电机空载时突加电动机负载，所以发电机电流会突加至5 000 A，经过3.5 s达到平衡状态的500 A。由图6可知，电动机启动时会产生较大的启动电流，经过3.5 s的过渡过程达到稳定状态，稳定运行时电动机转速为1 800 r／min。

图4 船舶电力系统仿真系统结构

图5 大负荷扰动下发电机A相电压和电流波形

图6 大负荷扰动下的电动机电流和转速

（2）三相短路故障仿真分析

船舶电力系统突加负载达到稳定后，在7.5 s时电动机M1近主汇流排处发生三相短路接地故障持续时间为0.1 s，发电机和电动机M1、M2的电流、电压以及转速如图7、图8所示。

图7 三相短路故障时，发电机A相电压和电流

图8 三相短路故障时，电动机电流和转速

三相短路故障发生后，由图7可知，发电机电流有个很大的突变，幅值由500 A突增到13 060 A。同时，由图8可知，电动机的电流和转速相比突加动态负荷变化更大，电动机电流由稳定运行电流200 A突加到6 250 A，转 速 由 额 定 的 1 800 r／min 下 降 到1 600 r／min。在7.6 s时切除短路故障，电力系统能够恢复到稳定状态。

3 结束语

本文对船舶同步发电机短路运行过程的仿真实验结果符合实际情形。该短路过程的仿真研究对船舶安全运行具有重要意义。对船舶电力系统中突加动态负荷时的电流电压的计算，能够了解短路故障和正常推进工况的内在机理。

［1］ 赵鹏飞，李杰仁，许晓彦.船舶同步发电机短路过程仿真研究［J］.电气技术，2008，（3）：46－49.

［2］ 李冬丽，赵跃平，唐石青，等.船舶大容量负载对电力系统的影响［J］.船舶工程，2003，（25）：47－50.

［3］ 中国船级社.钢制海船入级规范2006（第4分册）［M］.北京：人民交通出版社，2006.

［4］ 韩 旗.舰船大负载起动电网瞬态电压降计算和分析［J］.船舶，2012，23（2）：50－52.

［5］ 王正甲，顾伟杰.多机船舶电力系统的瞬态电压降研究［J］.船舶工程，2014.（51）：75－76.

［6］ 施伟锋，陈子顺.船舶电力系统建模［J］.中国航海，2004，（3）：64－69.

［7］ 王 满，王浩亮.船舶电力系统仿真［J］.大连海事大学学报：自然科学版，2011，37（1）：35－38.

［8］ 刘 晋.Matlab在电力系统短路故障仿真分析中的应用［J］.电气技术，2012，（11）：49－52.