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电力推进LNG船电力系统的建模与仿真.pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.55M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    中国科技论文在线 电力推进 LNG 船电力系统的建模与仿真# http://www.paper.edu.cn 包艳，周徐萍，朱辰，施伟锋** （上海海事大学物流工程学院，上海 201306） 5 摘要：电力推进 LNG 船中大功率推进电机的随机变化易引发电网故障，对行船安全造成很 大威胁。因此对这类含有大功率冲击负荷的船舶电力系统进行典型故障仿真研究，维持其电 力系统稳定极其重要。本文基于电力推进 LNG 船实船结构和参数，在 MATAB/Simulink Power system 交互式仿真环境下建模仿真，对系统的典型工况进行故障仿真分析。仿真结果 表明建立的 LNG 船电力系统能在一定程度上模拟实船系统的工作状态，其结果为进一步研 究电力推进船电力系统故障诊断和电网稳定性分析提供参考。 关键词：电力系统及其自动化、电力推进 LNG 船、建模与仿真、故障分析 中图分类号：U665.13 10 15 20 25 30 35 40 Power System modeling and fault simulation of electric propulsion LNG carrier Baoyan, ZhouXuping, Zhuchen, ShiWeifeng (Logistic Engineering School,Shanghai Maritime University,Shanghai 201306) Abstract: I The random variation of high-power propulsion motor in the electric propulsion LNG carrier is easy to cause the grid fault which is a huge threat to safety for sailing. So fault diagnosis for those ships which contain high impact load is of great importance. Based on the real electric system of electric propulsion LNG carrier, this article uses the simulation environment of MATAB/Simulink to do the fault simulation analysis of typical working conditions of the system. The simulating data shows that in a certain extent, the modeling LNG carrier simulates the working condition of the real system. This result provides reference for further study of electric propulsion ship power system fault diagnosis and power grid stability analysis. Key words: Power system、Electric propulsion LNG carrier、Modeling and Simulation、Fault analysis 0 引言 液化天然气（Liquefied natural gas）简称 LNG，被公认是地球上最干净的能源。LNG 船 是能够在-163℃超低温下运输液化天然气的专用的船舶[1]，随着第一艘电力推进 LNG 船的 建造，电力推进就凭借着其低能源消耗、高效率和强灵活性的优势[2]，替代了传统的蒸汽轮 机推进的 LNG 船，具有广阔的发展前景[3]。LNG 船中，由于其推进电机的容量与发电机功 率相当，推进电机的随机变化对船舶电力系统的影响很大，同时，在船舶航行的过程中，螺 旋桨容易被异物给缠绕造成推进电机的堵转[4]，会对电力系统的电压造成较大的偏移和振 荡，甚至会导致系统的崩溃，因此对这类含有大功率推进电机的船舶电力系统进行仿真建模， 对于分析电力系统故障研究电力系统的安全性与可靠性有着积极的意义。目前，国内外对 LNG 船电力系统的研究包括，文献[5]对 LNG 船推进系统的选择方法进行研究。文献[6]介绍 电力推进船电力系统的一种优化能源管理方法，文献[7]研究了如何低能耗、低排放的将电力 基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金(20123121110003)；上海市教委科研创新重点项目(12ZZ155)； 作者简介：包艳（1982-），女（汉族），浙江湖州人，博士研究生，主要研究领域为电力系统控制及其自 动化，电力电子与电力传动 通信联系人：施伟峰（1963-），男（汉族），浙江宁波人，教授，博士，博导。主要研究领域电力系统及 其自动化、控制理论与控制工程. E-mail: wfshi@163.com - 1 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 推进运用在 LNG 船上，但对电力推进 LNG 船电力系统的完整建模与故障研究相对较少。 本文参照电力推进 LNG 船电力系统的实船结构，从电力推进船舶电力系统的结构特点 和原理出发，在 MATAB 中建立该系统的数学模型，并参考船舶实际工况，进行了仿真运 行和故障研究。 1 自控式同步电机推进系统建模与仿真 45 电力推进 LNG 船电力系统的单线图，如图 1 所示，主要由电源、配电装置、电力网与 电力负载四部分的组成[8]，其中，主推进系统主要是由推进电机、控制单元、推进变频器与 螺旋桨来组成[9]。 50 图 1 电力推进 LNG 船电力系统的单线图 Fig. 1 The single line diagram of propulsion LNG carrier power system 1.1 自控式同步电机推进系统建模 自控式大功率同步电机凭借着总容量大、功率高、绝缘性能高和保养方便的优点被广泛 的应用在船舶推进设备，因此对自控式同步电机建模有重大意义。 55 1.1.1 同步电机的数学模型 主推进系统的同步电机模型采用五阶凸极机模型，该模型充分考虑到定子绕组电磁暂态 过程、转子绕组的电磁暂态过程与机械运动过渡过程，能够较精确地分析系统与电机的动态 过程。在对自控式同步电机进行数学建模时，采用气隙磁场定向的方法，根据矢量控制的原 理，把相关的矢量分解，实现解耦的控制。同步电机的模型如下所示： 定子电压方程： u d  E '' d  X i r i a d '' q q - （1） （2） X i r i a q '' d d - u q  E '' q  60 转子 f 绕组电压方程： T ' d0 d dt E ' q  E f - X X - X X - d ' d l l E ' q  X X - d X X - ' d " d l ( E '' q  - 2 - X X - d ) - ' ( d X X - ' d l X X - '' d ) l （3）
    中国科技论文在线 转子d绕组电压方程： T '' d 0 转子q绕组电压方程： '' T q0 d dt d dt E '' q  X X - X X - '' d ' d l l T '' d 0 d dt E ' q  E '' q  E ' q  ( X ' d  X i ) '' d d http://www.paper.edu.cn （4） E '' d   E '' d  ( X q  X i ) q '' q （5） 65 转子运动方程： T J d  dt  T m  [ E i '' q q  E i '' d d  ( X '' d  X i i d q '' q ) ]  D (  -1)] （6） 式子（1）-（6）构成同步发电机的五阶模型，其中（1）和（2）是定子电压方程。 1.1.2 自控式同步电机调速系统的仿真模型 70 LNG 船自控式同步电机的调速系统是交-直-交变压变频电路，组成部分为主回路和控制 回路。主回路是由三相交-直-交变频器、螺旋桨、同步电动机、速度传感器（TG）、转子位 置检测器（PS）、转子励磁装置和电流电压检测单元组成的。控制回路含有转速控制、矢 量控制和整流器控制等模块。本文对自控式同步电机调速系统中的转速控制回路、矢量控制 回路和 PWM 电压源变换器的控制回路进行仿真建模，模型如图 2-图 4 所示： 75 图 2 转速控制回路仿真模型 Fig. 2 Simulation model of speed control loop 图 3 矢量控制回路仿真模型 Fig. 3 Simulation model of vector control loop 80 图 4 PWM 电压源变换器控制回路仿真模型 Fig. 4 Simulation model of PWM voltage source inverter - 3 -
    中国科技论文在线 1.1.3 主推进系统的仿真模型 http://www.paper.edu.cn 85 根据 LNG 船主推进系统的结构，工作原理和系统参数，在 Simulink 中建立了 LNG 船 主推进系统的仿真模型，如图 5 所示。图中 ia （A 相电流）、speed（转子转速）、Te（电 磁转矩）、bus（直流侧的电压）和 flux（磁通量）是模型的五个输出。Speed reference 参考 了转速的设定值，转速的变化率有加速或者减速的限制；Tm 是用作设定负载转矩。 90 95 图 5 LNG 船主推进系统仿真模型 Fig. 5 Simulation model of LNG carrier main propulsion system 1.2 自控式同步电机推进系统仿真结果 本文中主推电机的参数值：额定三相视在功率: Pe=2500KVA，频率 fe=60HZ，额定电 压 Ve=460V，定子电阻值 Rs=0.00076Ω，转子电阻 Rr=0.00087Ω，定子电感 Lls=1.123*10-5 H， 互感 Lm=0.0005276H，转子电感 Llr=1.123*10-5 H，极对数 p=2。对大负载的主推器起动过程 进行仿真实验时，合上 Switch1、Switch2、Switch3、Switch4、Breaker1、Breaker2，断开其 他所有的 Switch 和 Breaker。推进同步电机 A 相电流、转子转速、电磁转矩、母线电压、磁 通变化曲线如图 6 所示，推进同步电机在刚启动的 1.5s-4s 的时候 A 相电流幅值较大，转子 转速较高，电磁转矩与母线电压较低，等到 4s 以后大功率同步发电机的 A 相电流幅值减小， 转速下降，电磁转矩与母线电压升高，工作在稳定的情况下。仿真结果表明，在大功率同步 100 电机启动的时候需要较大的功率，所以电流的幅值较高，待启动完成后电流幅值降低，工作 状态趋于平稳。 图 6 大功率推进同步电机 A 相电流、转子转速、电磁转矩、母线电压、磁通变化曲线 - 4 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn Fig. 6 A phase current 、rotor speed、 electromagnetic torque 、busbar voltage、flux variation curve of high-power of propulsion synchronous motor 2 电力推进 LNG 船电力系统的故障仿真 2.1 自控式同步电机推进系统建模 在MATLAB2011a的SIMULINK交互式仿真环境中，建立电力推进LNG船电力系统仿 真平台，如图7所示。该船舶电力系统包括：4台的同步发电机（1960V，3125KVA）作为系 统的中心电站，1台的备用发电机（1960V，1075KVA），2台主推器（460V，25000KVA）， 2台侧推器（400V，1000KVA），1个滑油泵（440V，300 KVA）及其他负载。 105 110 图 7 电力推进 LNG 船电力系统的数字建模仿真图 Fig. 7 Digital simulation model of electric propulsion LNG carrier power system 115 2.2 典型故障的仿真实验 2.2.1 单相接地故障的仿真实验 电力推进 LNG 船电力系统在运行当中可能发生各种各样的故障，最常见同时也是最危 险的故障就是发生各种形式的短路。发生短路时可能会引起以下后果[10-11]：1、故障点短路 大电流与所燃起的电弧导致电路元件损坏。2、短路大电流会直接引起电机、电器或者线缆 被烧毁。3、短路电流会造成电网电压急剧下降、引起并联运行发电机间的失步，破坏电力 系统稳定性，导致系统的震荡，甚至造成整个系统崩溃。短路故障一般分为单相接地，三相 接地和两相接地故障，然而同步发电机的常见的短路故障是定子的单相接地，单相接地故障 具有极大的潜在危害，所以对该类故障进行仿真研究非常有必要[12]。 船舶发电机组发生单相接地故障仿真情况：1 号和 2 号发电机同时并网运行带动主推器 运行，0.25s 时 1 号发电机发生 A 相接地故障，故障持续到 0.8s。断路器保护器动作，将故 障发电机切除，电网电压恢复稳定工作。船舶电网 A 相电压的参数变化过程如图 8 所示。 120 125 - 5 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 8 单相接地故障仿真电网 A 相电压变化曲线 Fig. 8 A phase voltage variation curve of single phase ground grid 130 2.2.2 主推电机堵转的仿真实验 135 电力推进 LNG 船发生堵转时，导致 LNG 船的转速骤然下降，引起变频器前电流激增。 又因这时的功率裕度比较低，电流突增，励磁控制会很快达到极限，有功功率和无功功率也 将出现大面积的缺失，造成整个 LNG 船电力系统的电压骤降。船舶发电机组发生主推电机 堵转的仿真情况：1 号和 2 号发电机同时并网运行带动主推器运行，0.25s 时主推电机发生 堵转，电网 A 相电压的变化过程如图 9 所示，电网电压突然降低，产生大量谐波。因为， 主机堵转会产生较大的冲击电流，从而造成电压骤降。当电压下降到在 1400v 和 1800v 之间 的时候，多数的异步电动机会失速并且吸收大量的无功功率，导致 LNG 船电力系统的电压 发生不可逆转的下降，造成暂态电压失稳，最终欠压保护动作使同步发电机组退出运行，导 致全船失电。 - 6 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 140 145 150 155 160 165 170 图 9 主机堵转故障仿真电压变化曲线 Fig. 9 Voltage variation curve of host locked-rotor fault simulation 3 结论 本文首先对由自控式同步电机构成的 LNG 船主推进系统进行建模，仿真结果表明，所 建立的模型转速响应快、稳定性能好，能够真实的反映实船的具体情况。其次，整合搭建电 力推进 LNG 船电力系统的仿真平台，加入简化的配电系统仿真模型，建立一个完整电力系 统仿真模型，并在这个模型的基础上进行了典型工况和典型故障的试验，通过分析试验结果 来验证所采用的控制方法和所搭建模型是合理及有效。仿真得到的数据图形，能很好的观察 系统变量的变化趋势，定性分析系统的性能，为后续的电力推进 LNG 船电力系统控制和故 障分析、诊断提供了丰富的数据。 [参考文献] (References) [1] 王德云. LNG 船安全系统设计研究[D].上海：上海交通大学,2010. [2] B. Thijssen. Dual-Fuel-Electric LNG carriers, Proc. Of the 28th Annual Event The Motor Ship Propulsion Conference[Z], Copenhagen,April,2006:153~157. [3] 黄一民,王硕丰,王良秀. 不同推进方式下 LNG 船电力系统的比较与发展趋势[J]. 船舶工程,2010,03:43-46. [4] 包艳,施伟锋. LNG 船电力系统故障检测的仿真研究[J]. 计算机仿真,2014,12:446-450. [5] Kanellos F D. Optimal Power Management With GHG Emissions Limitation in All-Electric Ship Power Systems Comprising Energy Storage Systems,IEEE Transations on Power Systems[J], 2014, 29(1): 330-339. [6] Liu Zuancang, Zhan Yulong, Tan Qinming.Research on the Selection of LNG Carrier Propulsion Systems,IEEE Knowledge Engineering and Software Engineering[J], 2009. KESE '09. Pacific-Asia Conference on 19-20 Dec. 2009 [7] 傅晓红,陆玮. LNG 船电力推进船型的方案决策[J]. 船舶,2011,04:41-44. [8] Adnanes A K. Maritime electrical installations and diesel electric propulsion,ABB AS Marine[Z], 2007(4):25~29. [9] A. Buokley ect. Electric Propulsion-The Next Phase, the institute of Marine Engineer[J]. 2000(3):14~16 [10] 邰能灵,王鹏,倪明杰.大型船舶电力系统关键技术与应用[M].北京:科学出版社,2012 [11] 贺家李,宋从矩.电力系统继电保护原理[M].北京:中国电力出版社,1994. [12] 张琦雪,王祥珩. 大型同步发电机单相接地故障的暂态多回路分析—数学模型[J]. 电力系统自动 化,2003,06:59-65. - 7 -
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