船舶电站模拟器数学模型分析与建立

1、船舶电站模拟器数学模型分析与建立张宏伟，龙克垒，刘琨，陈进 浙江中控技术股份有限公司，浙江杭州，310053摘要：本文船舶电站模拟器是以某先进集装箱船为母型，文中介绍了该型船舶电站模拟器的主要组成、功能原理，并详细阐述了船舶自动化电站模拟器各功能数学模型的实现。 关键词：船舶电站模拟器，数学模型，PLCShip Power Station Simulator mathematical model analysis and establishZhang Hongwei Long Kelei Liu Kun Chen JinZhejiang SUPCON Co., Ltd., Hangzhou,

2、Zhejiang, 310053Abstract: This paper introduced the Components, Fuctions and Principles of the Ship Power Station Simulator through an advanced cargo ship. Mainly Analysis the Mathematical models of the Ship Atuomatic Power Station Simulator Fuctions and the achievements. Keywords: Ship Power Statio

3、n Simulator, mathematical model , PLC1. 前言船舶电站承担着为全船的电器设备提供能源的职能，是船舶设备中必不可少的重要组成部分。为了能够更好的对学员进行培养，让船员在上船之前就对船舶电站有一个更系统的了解，获得更好的培训效果，越来越多的机构开始进行船舶电站的仿真研究，并且 STCW78/95 公约也对船舶电站模拟器进行了相应的规范，以适应现代航海的要求。随着现代PLC技术、计算机技术、internet技术的迅猛发展，原有船舶电站模拟器也渐渐不能跟上现代自动化机舱的培训要求，因此，浙江中控技术股份有限公司与某大学合作，开发第三代船舶电站模拟器，此船舶电站模拟

4、器是以浙江中控的GCS系列PLC作为电站逻辑控制站，目的是利用有快速运算能力的PLC作为载体，结合更加完整的数学模型，完成电站运行中的各项功能的模拟操作，满足自动化机舱的培训要求。1.1. 船舶电站模拟器的组成项目模拟器以三台750KW发电机加一台1000KW轴带发电机为原型（可根据需要自由设定），系统配电盘柜完全按照实船标准制造，包括应急发电机屏、1#负载控制屏、1#配电屏、1#发电机控制屏、2#发电机控制屏、3#发电机控制屏、并网控制屏、轴带发电机控制屏、2#配电屏、2#负载控制屏、发电机机旁控制箱、岸电控制箱。图1 船舶电站模拟器实景1.2. 船舶电站模拟器整体方案图2 船舶电站模拟器控

5、制方框图2. 船舶电站各设备分析建模2.1. 负载端模型分析按照船舶电站仿真要求，提供各电力负载的铭牌，根据铭牌信息提供的电机功率P1、额定电流IN、额定电压UN、额定转速R等基本运行参数可以确定单个电机在额定工作状态下的额定功率因数、电机电力系统端的视在功率S、所需的无功功率Q等参数由此可确定运作设备的总有功、总无功，可以确定电力系统的有功功率、无功功率、功率因数、电流等重要参数，有功及无功功率如下式所示：总有功功率P总（kV） 公式（2.1）式中 KN 系统中各设备运行标志；P1N系统中各设备有功功率总无功功率Q总（kVar） 公式（2.2）式中 KN 系统中各设备运行标志；P1N系统中各

6、设备有功功率；QN系统中各设备无功功率。操作配电盘按钮可以启动对应模拟设备，并由对应电机模型来确定整个船舶仿真电站的负载运行状态，从而得出电网在稳态情况下的负载端运行参数，是电站负载部分模型设计的主要思路。由此可延伸到由于电机启动瞬间电流过大及无功功率大的特性而引起电网瞬态情况下运行参数，形成完整的负载模型。2.2. 手动并网分析手动并网是否成功是通过计算并网瞬间冲击电流的大小及并网后电网发电机的运行状况，根据冲击电流是否超过并网开关动作值及对电网的影响来判断并网是否成功。电网在并网瞬间的冲击电流计算较为复杂，参数很多。因此在模拟器手动并网模型中将公式按三角函数边角公式进行简化，可以达到模拟实

7、际并网的要求。模拟器按照当相位角在180度时最大冲击电流为额定电流的10倍设定；合闸瞬间冲击电流设定不超过额定电流的两倍（其瞬时最大值一般不超过1-2倍的额定电流）；因此在20°左右合闸时，判定并网安全，模型简化冲击电流公式如下： 公式（2.3）式中：-冲击电流；-并网瞬间电网暂态电抗；-并网瞬间电压差2.3. 同步表的实现同步表是待并机与电网进行频率、相位对比的表计，共有37个灯，其中36个为相位指示灯，1个是准步点指示灯。同步表指示灯旋转的方向代表待并机与电网频率大小，旋转速度代表大小的量度，指示灯的位置代表相位差。 首先需要通过选择开关选择待并机，然后根据待并机频率与电网的频率

8、来计算同步表指示灯的旋转速度（秒/圈）及确定选择方向。其中同步灯轮转周期可采用如下公式确定： 公式（2.4）式中：-待并机频率；-电网频率；-同步表相位指示灯轮转周期（us）按照上述公式计算36个同步灯的轮转，仿真待并机与电网的相位差关系，达到并网的目的。2.4. 同步灯的实现同步灯手动并车分两种接线方法，一种是灯光明暗法，另一种为灯光旋转法灯光旋转法：待并机3相与电网3相按照，HL1灯接同相A，HL2灯接待并机的C相电网的B相，HL3接待并机的B相和电网的C相，形成交叉。旋转角速度为图3 灯光明暗法接线向量图灯光旋转法灯光表现方式：当，灯光熄灭顺序1-2-3-1；当，熄灭瞬息为1-3-2-1

9、 。旋转速度可以由频率差值的大小确定。根据灯光旋转法灯光表现方式，使用的正负确定旋转方向，使用如下模型确定灯光亮度模型： 公式（2.5）式中：k1-频差放大系数；k2-亮度控制放大系数；t1 -程序执行时间（ms）；L-灯光亮度（无纲量）目前由于自动并车技术已经非常成熟，因此同步灯并车只是作为手动并车的补充，模拟器作为培训船员的平台，需要有这样部件来培训学员在应急状况下的操作。2.5. 模拟器电网参数平衡分析2.5.1. 有功平衡控制方案发电机在运行的能量平衡方程 公式（2.6）式中PM 原动机机械功率；PE 发电机电功率；P 机械和电气损耗TC 惯性时间常数； 机组转速变化率由上式可知，机组

10、功率平衡被破坏即 时，机组转速就会发生变化，并达到新的功率平衡点。根据上述内容，建立电站全手动状态下仿真模型，首先确立在稳态情况下，电力系统输出有功功率应该等于负载所需的有功功率，是电力系统保持平衡，均处于额定状态；当加入负载时，系统平衡被打破，根据调差特性，转速下降，此时应调整油门手柄，增大发电机输出功率，使转速回到额定值；反之，亦然。对于多台机组来说，应该平均分配负载的总有功功率，在负载变化时，只要保证总的功率平衡就可以保证转速稳定。2.5.2. 电压调整当忽略发电机电枢电阻，用同步电抗来表征发电机电枢反应的程度时，电压平衡方程式为： 公式（2.7）其中：发电机端电压；发电机空载电动势；

11、发电机电枢电流； 发电机同步电抗。当发电机端电压保持不变，而负载增减导致电流或功率因数发生变化时，电网电压则会相应的发生变化，根据这一规律，可以获得电网电压随负载变化模型。2.5.3. 补偿电容器由于船舶电站容量有限，且有大量的电动机及气体放电灯等感性负载，致使船舶电力系统的功率因数很低，自然功率因数只有0.4 0.6 。通常要求电力系统平均功率因数不应低于0.9 。在模拟仿真中，我们采用模拟补偿的方式，对无功进行补偿使之达到规定的功率因数。无功补偿量 公式（2.8）式中：-无功补偿量；-电网功率因数；-需要补偿到的功率因数；均压线及无功补偿演示图如下所示：图4 模型均压线示意图2.6. 故障

12、系统采用程序干预控制实现发电机故障模拟（欠压、过压、逆功）、柴油机故障模拟（润滑油压低、排烟温度高、超速）、电网故障模拟（母线短路）、岸电故障模拟（相序错误）、负载故障模拟（绝缘故障）、分级卸载、风油紧急切断、重载查询等故障。3. 结束语结合实际船舶电站，分析其运行过程，推导出合理且切合实际的数学模型，通过浙江中控GCS系统灵活的组态语言及数据处理模块及其快速反应的特点，能够很好的实现模型的运算，完整的体现船舶电站在各种状态下的控制过程及表现形式。通过近一年的现场运行情况，文中所建立的船舶电站数学模型完全能够满足学员培训、学习及评估要求。参考文献1 王文义. 船舶电站组建与调试M. 哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社, 2008.2 孙才勤, 郭晨, 史成军. 轮机模拟器电站仿真系统设计J. 大连海事学报, 2001, (6): 115-1183 赵殿礼, 张春来. 船舶电站实验教学的发展方向及应对措施J. 航海教育研究, 2002, (1):72-73 4 施伟锋, 陈子顺. 船舶电力系统建模J.中国航海, 2004, (3) :64-695 孙才勤, 彭水生, 郭晨等. 轮机模拟器船舶电站仿真系统J. 大连海