船舶电力系统的建模与仿真_潘昕
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（ 海军工程大学 电气工程学院，湖北 武汉 430033）
摘要： 针对船舶电力模拟训练，需要建立全面综合的电力系统模型。结合模拟训练系统功能，提出了一 种适合船舶模拟训练的舰船电力系统模型，全面综合地模拟船舶电力系统稳态、暂态、故障以及并车等 运行时的各种状态。运用 Simulink 仿真工具，对模型中的原动机起动特性、负载突加突卸特性、负载三 相短路和单相接地典型故障以及并车模型中功率相互振荡理论，进行模拟仿真试验。仿真结果表明，该 模型能够满足舰载模拟训练系统的需求。
图 9 考虑供油变化的调速系统模块 Fig． 9 Speed control system module considering oil change
3. 2. 2 柴油发电机组在单机运行下的仿真 在已建立并车模型中，断开其中一个发电机
组的断路器，只使一个发电机组工作。供油变化 信号参数如下： 取 k = 0. 5，w = 2π，σ = 0。在第 5 s 时接入额定功率为 195 kW 的负载 3，仿真时 长 15 s，仿真结果如图 10 所示。由仿真可知，角 速度的振荡幅度约为 0. 3% ，功率振荡的幅度约 为 15% ，而对于电流基本观察不出震荡，所以供 油变化在单机运行中效果不明显。 3. 2. 3 柴油发电机组在并车运行下的仿真
第 29 卷第 4 期 2013 年 4 月
电力科学与工程 Electric Power Science and Engineering
船舶电力系统的建模与仿真
电力工程 ELEC TRIC POWER ENGINEERING Vol. 29，No. 4
49 Apr．，2013
潘 昕，侯新国，夏பைடு நூலகம்立，冯 源
1 船舶电力系统仿真模型建立
一个完整的模拟训练电力系统模型应包括原
动机及调速器模型、同步发电机和励磁控制系统 模型以及负载模型，其中前三者构成发电机组。 1. 1 发电机组总体模型
模型中原动机采用柴油机，调速器随转速的 变化及时调整原动机输出转矩，以保持转速恒定， 保证发电机电压和频率稳定。励磁控制系统的主 要作 用 是 提 供 励 磁 电 流， 并 维 持 发 电 机 端 电 压 恒定［1］。
将三相短路模块改为 C 相接地故障的模块， 其它条件不变，观察负载 1 的 C 相电流变化。试 验结果 C 相电流如图 7 所示。
图 7 C 相电流的波形图 Fig． 7 Current waveform of C phase
电力工程 ELEC TRIC POWER ENGINEERING
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电力科学与工程
2013 年
在第 5 s 时加入正常负载，其电流增大； 在第 9. 5 s 时 加 入 C 相 接 地 模 块 时，C 相 电 流 突 增， 0. 5 s 后断路器断开，电流回到正常值，发电机组 正常工作。电力系统回到稳态。
上述仿真结果表明，对于意外故障，系统在 断开负载开关后，能够保持稳定运行的状态。
1. 3 单机仿真模型 单机仿真模型如图 2 所示。3 个负载通过断
路器连接到总线上，总线与同步发电机输出端直 接相连，在模型中设有电压表与电流表，通过装 在发电机输出端，电压表与电流表输出端的示波 器观察所测结果。仿真时，首先使发电机进入空 载状态，从理论上说，这种运行状态只需要将发 电机的电枢绕组出线端悬空而其他部分正常工作 即可，但在实际中，没有定子电流流过发电机仿 真无法进行。因此，在模型中用一个非常小的负 荷代替空载时的零负荷，这样就可以模拟空载运 行状态。试验中采用的负荷有功功率为 1 W，无 功功率为 1 e － 6 Var。
建立柴 油 机 调 速 模 块 模 型 和 励 磁 模 块 模 型， 将这两个模块进行连接与封装组成协调控制系统， 同步发电机模块采用软件自带模型，最后连接协 调控制系统与同步发电机，形成了柴油发电机组 仿真模型。如图 1 所示。
图 1 柴油机组总体模型 Fig． 1 General model of the diesel generating set
动机进行空载起动试验。在原动机及其调速系统 中，给原动机一个阶跃信号，得到的原动机速度 特性曲线如图 3 所示。
图 3 原动机速度特性曲线 Fig． 3 Prime mover speed characteristic curve
图 2 单机仿真模型 Fig． 2 Single simulation model
《钢质海船入级规范》 规定： 带动发电机的 柴油机在空负载状态下突加 50% 额定负载，稳定
第4 期
潘 昕，等 船舶电力系统的建模与仿真
电力工程 ELEC TRIC POWER ENGINEERING
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156. 3 kW 的负载 1 和负载 2 的断路器闭合； 在第 9. 5 s 时，加入三相短路负载； 在第 10 s 时，负载 1 的断路器断开。模拟三相负载故障，原动机输 出功率、励磁电压、发电机端电压和转速的变化 情况如图 6 所示。
所加干扰信号参数为： k1 = 0. 5，w1 = 2π，σ1 = 0； k2 = 0. 2，w2 = 2π，σ2 = π /2。并 车 后，在 第 5 s 时接入额定功率为 187. 5 kW 的负载 3，仿 真时长 15 s，仿真结果如图 11 所示。由仿真结果 可知，当加入干扰后，机组角速度出现振荡，其 振荡幅值和单台机组在相同供油变化工况下运行 结果基本一样，约为 0. 3% ，但此时产生较为明
关键词： 船舶电力模拟训练； 电力系统； 仿真
中图分类号： TM743 文献标识码： A DOI： 10. 3969 / j. issn. 1672-0792. 2013. 04. 010
0 引言
随着信息技术的发展，在船舶上，电力监控 系统逐渐取代传统的人工手动控制。船舶装备电 力监控系统后，必须对舰员进行相应的培训辅导， 使其尽快掌握必要的基础知识和实际的操作技能。 在船舶上，由于将以熟练操作为目的的单兵模拟 训练和以配合为目的协同模拟训练相结合，具有 多种优点，因此，在船舶上加装电力模拟训练系 统是十分重要的。建立适合模拟训练的船舶电力 系统模型，辅助电力模拟训练系统，可以保证船 员在位率和实力人数的前提下大大提高人员训练 的及时性，训练工作的有效性，包括熟练装备操 作技能，协同部门与全舰的配合，正确处理各种 故障、破损和灾难等应急情况。目前美国、加拿 大、德国等已研制成功了多种船舶电力模拟训练 系统，并已装备在实船上，在国内，电力模拟训 练系统仍处在发展阶段。针对目前船舶电力模拟 训练电力系统模型不能够全面、综合地模拟各种 训练状态等问题，本文运用 Simulink 工具，研究 并提出了适合船舶模拟训练的电力系统仿真模型。
电力工程 ELEC TRIC POWER ENGINEERING
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电力科学与工程
2013 年
实际转速等，作为反馈接入协调控制系统。 1. 2 负载模型
考虑通过突加、突减负载来模拟大扰动研究 系统的稳定性，因此可以采用静态负载模型进行 建模仿真。由于船舶负载中，容性负载较少，因 此本文负载仿真模 型 用 三 相 并 联 RL 负 载 表 示。 在电力系统中，由于航行工况负载的总功率因数 近似等于 0. 8，因此在模型中设置功率因数均为 0. 8 的仿真负载 1 和负载 2 （ 见图 2） ，额定功率 为 156. 3 kW，为单机总功率的 50% ； 为验证所建 立模型 是 否 满 足 《钢 质 海 船 入 级 规 范》［5］ 规 定， 设置功率因数为 0. 4 的仿真负载 3 （ 见图 2） ，额 定功率为 187. 5 kW，为单机总功率的 60% 。
同步发电机组起动后，第 5 s 突加额定功率
187. 5 kW 的负载 3，第 10 s 突卸此负载，第 15 s 结束运行。系统突加突减过程中发电机输出电压 变化如图 4 所示。
最低与最高瞬时电压 分 别 约 为 额 定 电 压 的 90% 和 120% ，故电压满足规定［5］； 而所需时 间 约为 0. 8 s，小 于 1. 5 s。因 此，仿 真 结 果 满 足 《钢质海船入级规范》 要求。 2. 2. 2 单机分两次突加 50% 负载、突卸 100% 负 载时的暂态稳定性试验
扰给单机和机组并联时的影响，观察仿真结果是 否与理论相符。 3. 2. 1 经调整的调速系统模块
供油量有变化时，假设供油变化按正弦信号 规律变化，即 Δgr = ksin （ ωt + σ） ，如图 9 所示。
3 机组并联运行的实现与功率相互振 荡理论研究
3. 1 并车运行系统模型 为准确完成并车操作，利用 MATLAB 自定义
图 5 发电机的转速变化 Fig． 5 Speed change of the generator
在整个仿真过程中，瞬时转速均在额定转速 5% 范围内，显然，满足 《钢质海船入级规范》。
经仿真试验表明，此系统满足 《钢质海船入 级规范》 技术指标。 2. 3 意外故障仿真试验
由于船舶电气设备工作环境恶劣等原因，电力 系统在长时间连续运行过程中，不可避免地会出现 故障。引 起 电 力 系 统 故 障 的 原 因 大 致 可 分 为 4 类［3］，本文以短路和接地引起的故障为例，模拟故 障，进行仿真试验。在试验中，迅速切断相应负载 开关，观察电力系统是否能够回到稳定运行状态。 2. 3. 1 三相短路仿真试验
《钢质海船入级规范》［6］规定： 交流发电机在 负载为空载、电压接近额定值的状态下，突加突 卸 60% 额定电流及功率因数不超过 0. 4 的对称负 载，当电压降落时，其瞬态电压值应不低于额定 电压的 85% ； 当电压上升时，其瞬态电压值应超 过于额定电压的 120% ，而电压恢复到与最后稳 定值相差 3% 以内所需的时间应不超过 1. 5 s。
模块创建了并车控制模块。它通过检测电网中已 并发电机和 待 并 网 电 机 的 电 压 矢 量 差、 频 率 差， 判断是否满足并车条件，来控制并车动作的进行。 两台发电机组并车运行模型图如图 8 所示。
图 8 并车运行模块 Fig． 8 Parallel unit operation module
建模时，采用标幺型标准同步发电机，因此， 模型中所有参数值均取单位化的数值，设定转速 与设定电压均取单位值 1，作为输入接入协调控 制系统，同步 发 电 机 输 出 端 包 括 定 子 各 相 电 流、
收稿日期： 2013 － 02 － 14。 作者简介： 潘昕 （ 1990-） ，男，硕士研究生，主要研究方向为检测技术与自动化，E-mail： 244219179@ qq． com。
试验过程如下： 在第 5 s 时，额定功率均为
图 6 三相短路故障时，各项变化波形图 Fig． 6 Changes of waveform when three-phase
short-circuit fault occured
从波形图变化可以很明显看出，在 9. 5 s 时， 转速与励磁 电 压 均 明 显 变 大， 端 电 压 异 常 减 少， 发电机此时已无法正常工作，但在 10 s 时断路器 闭合，排除故障，发电机组重新正常工作。电力 系统稳定运行。 2. 3. 2 单相接地仿真试验
图 4 发电机的输出电压变化 Fig． 4 Output voltage of the generator
后再加上余下的 50% 负载时，其瞬时调速率不大 于额定转速的 10% ； 稳定调速率不大于额定转速 的 5% 。当突然卸去额定负载时，稳定调速率不 大于额定转速的 5% 。
同步发电机组起动后，第 4 s 突加额定功率 156. 3 kW 的负载 1，第 8 s 突加相同额定功率的负 载 2，第 12 s 突卸此两负载，第 20 s 结束仿真。 系统突加突卸过程中发电机转速变化如图 5 所示。
2 典型工况稳定性仿真试验
2. 1 原动机起动特性试验 为了检测原动机调速系统的性能，需要对原
原动机起动中，处于空载运行状态，阶跃信 号经过调速器的调节作用，大约在 2. 5 s 左右，原 动机的转速已经上升到额定转速并保持稳定，实 际中原动机稳定时间应不超过 5 s［2］，模型符合 要求。 2. 2 突加突卸负载仿真试验 2. 2. 1 单机突加、突卸 60% 负载时的暂态稳定性 试验
摘要： 针对船舶电力模拟训练，需要建立全面综合的电力系统模型。结合模拟训练系统功能，提出了一 种适合船舶模拟训练的舰船电力系统模型，全面综合地模拟船舶电力系统稳态、暂态、故障以及并车等 运行时的各种状态。运用 Simulink 仿真工具，对模型中的原动机起动特性、负载突加突卸特性、负载三 相短路和单相接地典型故障以及并车模型中功率相互振荡理论，进行模拟仿真试验。仿真结果表明，该 模型能够满足舰载模拟训练系统的需求。
图 9 考虑供油变化的调速系统模块 Fig． 9 Speed control system module considering oil change
3. 2. 2 柴油发电机组在单机运行下的仿真 在已建立并车模型中，断开其中一个发电机
组的断路器，只使一个发电机组工作。供油变化 信号参数如下： 取 k = 0. 5，w = 2π，σ = 0。在第 5 s 时接入额定功率为 195 kW 的负载 3，仿真时 长 15 s，仿真结果如图 10 所示。由仿真可知，角 速度的振荡幅度约为 0. 3% ，功率振荡的幅度约 为 15% ，而对于电流基本观察不出震荡，所以供 油变化在单机运行中效果不明显。 3. 2. 3 柴油发电机组在并车运行下的仿真
第 29 卷第 4 期 2013 年 4 月
电力科学与工程 Electric Power Science and Engineering
船舶电力系统的建模与仿真
电力工程 ELEC TRIC POWER ENGINEERING Vol. 29，No. 4
49 Apr．，2013
潘 昕，侯新国，夏பைடு நூலகம்立，冯 源
1 船舶电力系统仿真模型建立
一个完整的模拟训练电力系统模型应包括原
动机及调速器模型、同步发电机和励磁控制系统 模型以及负载模型，其中前三者构成发电机组。 1. 1 发电机组总体模型
模型中原动机采用柴油机，调速器随转速的 变化及时调整原动机输出转矩，以保持转速恒定， 保证发电机电压和频率稳定。励磁控制系统的主 要作 用 是 提 供 励 磁 电 流， 并 维 持 发 电 机 端 电 压 恒定［1］。
将三相短路模块改为 C 相接地故障的模块， 其它条件不变，观察负载 1 的 C 相电流变化。试 验结果 C 相电流如图 7 所示。
图 7 C 相电流的波形图 Fig． 7 Current waveform of C phase
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在第 5 s 时加入正常负载，其电流增大； 在第 9. 5 s 时 加 入 C 相 接 地 模 块 时，C 相 电 流 突 增， 0. 5 s 后断路器断开，电流回到正常值，发电机组 正常工作。电力系统回到稳态。
上述仿真结果表明，对于意外故障，系统在 断开负载开关后，能够保持稳定运行的状态。
1. 3 单机仿真模型 单机仿真模型如图 2 所示。3 个负载通过断
路器连接到总线上，总线与同步发电机输出端直 接相连，在模型中设有电压表与电流表，通过装 在发电机输出端，电压表与电流表输出端的示波 器观察所测结果。仿真时，首先使发电机进入空 载状态，从理论上说，这种运行状态只需要将发 电机的电枢绕组出线端悬空而其他部分正常工作 即可，但在实际中，没有定子电流流过发电机仿 真无法进行。因此，在模型中用一个非常小的负 荷代替空载时的零负荷，这样就可以模拟空载运 行状态。试验中采用的负荷有功功率为 1 W，无 功功率为 1 e － 6 Var。
建立柴 油 机 调 速 模 块 模 型 和 励 磁 模 块 模 型， 将这两个模块进行连接与封装组成协调控制系统， 同步发电机模块采用软件自带模型，最后连接协 调控制系统与同步发电机，形成了柴油发电机组 仿真模型。如图 1 所示。
图 1 柴油机组总体模型 Fig． 1 General model of the diesel generating set
动机进行空载起动试验。在原动机及其调速系统 中，给原动机一个阶跃信号，得到的原动机速度 特性曲线如图 3 所示。
图 3 原动机速度特性曲线 Fig． 3 Prime mover speed characteristic curve
图 2 单机仿真模型 Fig． 2 Single simulation model
《钢质海船入级规范》 规定： 带动发电机的 柴油机在空负载状态下突加 50% 额定负载，稳定
第4 期
潘 昕，等 船舶电力系统的建模与仿真
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156. 3 kW 的负载 1 和负载 2 的断路器闭合； 在第 9. 5 s 时，加入三相短路负载； 在第 10 s 时，负载 1 的断路器断开。模拟三相负载故障，原动机输 出功率、励磁电压、发电机端电压和转速的变化 情况如图 6 所示。
所加干扰信号参数为： k1 = 0. 5，w1 = 2π，σ1 = 0； k2 = 0. 2，w2 = 2π，σ2 = π /2。并 车 后，在 第 5 s 时接入额定功率为 187. 5 kW 的负载 3，仿 真时长 15 s，仿真结果如图 11 所示。由仿真结果 可知，当加入干扰后，机组角速度出现振荡，其 振荡幅值和单台机组在相同供油变化工况下运行 结果基本一样，约为 0. 3% ，但此时产生较为明
关键词： 船舶电力模拟训练； 电力系统； 仿真
中图分类号： TM743 文献标识码： A DOI： 10. 3969 / j. issn. 1672-0792. 2013. 04. 010
0 引言
随着信息技术的发展，在船舶上，电力监控 系统逐渐取代传统的人工手动控制。船舶装备电 力监控系统后，必须对舰员进行相应的培训辅导， 使其尽快掌握必要的基础知识和实际的操作技能。 在船舶上，由于将以熟练操作为目的的单兵模拟 训练和以配合为目的协同模拟训练相结合，具有 多种优点，因此，在船舶上加装电力模拟训练系 统是十分重要的。建立适合模拟训练的船舶电力 系统模型，辅助电力模拟训练系统，可以保证船 员在位率和实力人数的前提下大大提高人员训练 的及时性，训练工作的有效性，包括熟练装备操 作技能，协同部门与全舰的配合，正确处理各种 故障、破损和灾难等应急情况。目前美国、加拿 大、德国等已研制成功了多种船舶电力模拟训练 系统，并已装备在实船上，在国内，电力模拟训 练系统仍处在发展阶段。针对目前船舶电力模拟 训练电力系统模型不能够全面、综合地模拟各种 训练状态等问题，本文运用 Simulink 工具，研究 并提出了适合船舶模拟训练的电力系统仿真模型。
电力工程 ELEC TRIC POWER ENGINEERING
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电力科学与工程
2013 年
实际转速等，作为反馈接入协调控制系统。 1. 2 负载模型
考虑通过突加、突减负载来模拟大扰动研究 系统的稳定性，因此可以采用静态负载模型进行 建模仿真。由于船舶负载中，容性负载较少，因 此本文负载仿真模 型 用 三 相 并 联 RL 负 载 表 示。 在电力系统中，由于航行工况负载的总功率因数 近似等于 0. 8，因此在模型中设置功率因数均为 0. 8 的仿真负载 1 和负载 2 （ 见图 2） ，额定功率 为 156. 3 kW，为单机总功率的 50% ； 为验证所建 立模型 是 否 满 足 《钢 质 海 船 入 级 规 范》［5］ 规 定， 设置功率因数为 0. 4 的仿真负载 3 （ 见图 2） ，额 定功率为 187. 5 kW，为单机总功率的 60% 。
同步发电机组起动后，第 5 s 突加额定功率
187. 5 kW 的负载 3，第 10 s 突卸此负载，第 15 s 结束运行。系统突加突减过程中发电机输出电压 变化如图 4 所示。
最低与最高瞬时电压 分 别 约 为 额 定 电 压 的 90% 和 120% ，故电压满足规定［5］； 而所需时 间 约为 0. 8 s，小 于 1. 5 s。因 此，仿 真 结 果 满 足 《钢质海船入级规范》 要求。 2. 2. 2 单机分两次突加 50% 负载、突卸 100% 负 载时的暂态稳定性试验
扰给单机和机组并联时的影响，观察仿真结果是 否与理论相符。 3. 2. 1 经调整的调速系统模块
供油量有变化时，假设供油变化按正弦信号 规律变化，即 Δgr = ksin （ ωt + σ） ，如图 9 所示。
3 机组并联运行的实现与功率相互振 荡理论研究
3. 1 并车运行系统模型 为准确完成并车操作，利用 MATLAB 自定义
图 5 发电机的转速变化 Fig． 5 Speed change of the generator
在整个仿真过程中，瞬时转速均在额定转速 5% 范围内，显然，满足 《钢质海船入级规范》。
经仿真试验表明，此系统满足 《钢质海船入 级规范》 技术指标。 2. 3 意外故障仿真试验
由于船舶电气设备工作环境恶劣等原因，电力 系统在长时间连续运行过程中，不可避免地会出现 故障。引 起 电 力 系 统 故 障 的 原 因 大 致 可 分 为 4 类［3］，本文以短路和接地引起的故障为例，模拟故 障，进行仿真试验。在试验中，迅速切断相应负载 开关，观察电力系统是否能够回到稳定运行状态。 2. 3. 1 三相短路仿真试验
《钢质海船入级规范》［6］规定： 交流发电机在 负载为空载、电压接近额定值的状态下，突加突 卸 60% 额定电流及功率因数不超过 0. 4 的对称负 载，当电压降落时，其瞬态电压值应不低于额定 电压的 85% ； 当电压上升时，其瞬态电压值应超 过于额定电压的 120% ，而电压恢复到与最后稳 定值相差 3% 以内所需的时间应不超过 1. 5 s。
模块创建了并车控制模块。它通过检测电网中已 并发电机和 待 并 网 电 机 的 电 压 矢 量 差、 频 率 差， 判断是否满足并车条件，来控制并车动作的进行。 两台发电机组并车运行模型图如图 8 所示。
图 8 并车运行模块 Fig． 8 Parallel unit operation module
建模时，采用标幺型标准同步发电机，因此， 模型中所有参数值均取单位化的数值，设定转速 与设定电压均取单位值 1，作为输入接入协调控 制系统，同步 发 电 机 输 出 端 包 括 定 子 各 相 电 流、
收稿日期： 2013 － 02 － 14。 作者简介： 潘昕 （ 1990-） ，男，硕士研究生，主要研究方向为检测技术与自动化，E-mail： 244219179@ qq． com。
试验过程如下： 在第 5 s 时，额定功率均为
图 6 三相短路故障时，各项变化波形图 Fig． 6 Changes of waveform when three-phase
short-circuit fault occured
从波形图变化可以很明显看出，在 9. 5 s 时， 转速与励磁 电 压 均 明 显 变 大， 端 电 压 异 常 减 少， 发电机此时已无法正常工作，但在 10 s 时断路器 闭合，排除故障，发电机组重新正常工作。电力 系统稳定运行。 2. 3. 2 单相接地仿真试验
图 4 发电机的输出电压变化 Fig． 4 Output voltage of the generator
后再加上余下的 50% 负载时，其瞬时调速率不大 于额定转速的 10% ； 稳定调速率不大于额定转速 的 5% 。当突然卸去额定负载时，稳定调速率不 大于额定转速的 5% 。
同步发电机组起动后，第 4 s 突加额定功率 156. 3 kW 的负载 1，第 8 s 突加相同额定功率的负 载 2，第 12 s 突卸此两负载，第 20 s 结束仿真。 系统突加突卸过程中发电机转速变化如图 5 所示。
2 典型工况稳定性仿真试验
2. 1 原动机起动特性试验 为了检测原动机调速系统的性能，需要对原
原动机起动中，处于空载运行状态，阶跃信 号经过调速器的调节作用，大约在 2. 5 s 左右，原 动机的转速已经上升到额定转速并保持稳定，实 际中原动机稳定时间应不超过 5 s［2］，模型符合 要求。 2. 2 突加突卸负载仿真试验 2. 2. 1 单机突加、突卸 60% 负载时的暂态稳定性 试验