船舶電站模擬器數(shù)學(xué)模型分析與建立

1、船舶電站模擬器數(shù)學(xué)模型分析與建立張宏偉，龍克壘，劉琨，陳進(jìn) 浙江中控技術(shù)股份有限公司，浙江杭州，310053摘要：本文船舶電站模擬器是以某先進(jìn)集裝箱船為母型，文中介紹了該型船舶電站模擬器的主要組成、功能原理，并詳細(xì)闡述了船舶自動化電站模擬器各功能數(shù)學(xué)模型的實現(xiàn)。 關(guān)鍵詞：船舶電站模擬器，數(shù)學(xué)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. 前言船舶電站承擔(dān)著為全船的電器設(shè)備提供能源的職能，是船舶設(shè)備中必不可少的重要組成部分。為了能夠更好的對學(xué)員進(jìn)行培養(yǎng)，讓船員在上船之前就對船舶電站有一個更系統(tǒng)的了解，獲得更好的培訓(xùn)效果，越來越多的機(jī)構(gòu)開始進(jìn)行船舶電站的仿真研究，并且 STCW78/95 公約也對船舶電站模擬器進(jìn)行了相應(yīng)的規(guī)范，以適應(yīng)現(xiàn)代航海的要求。隨著現(xiàn)代PLC技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、internet技術(shù)的迅猛發(fā)展，原有船舶電站模擬器也漸漸不能跟上現(xiàn)代自動化機(jī)艙的培訓(xùn)要求，因此，浙江中控技術(shù)股份有限公司與某大學(xué)合作，開發(fā)第三代船舶電站模擬器，此船舶電站模擬

4、器是以浙江中控的GCS系列PLC作為電站邏輯控制站，目的是利用有快速運(yùn)算能力的PLC作為載體，結(jié)合更加完整的數(shù)學(xué)模型，完成電站運(yùn)行中的各項功能的模擬操作，滿足自動化機(jī)艙的培訓(xùn)要求。1.1. 船舶電站模擬器的組成項目模擬器以三臺750KW發(fā)電機(jī)加一臺1000KW軸帶發(fā)電機(jī)為原型（可根據(jù)需要自由設(shè)定），系統(tǒng)配電盤柜完全按照實船標(biāo)準(zhǔn)制造，包括應(yīng)急發(fā)電機(jī)屏、1#負(fù)載控制屏、1#配電屏、1#發(fā)電機(jī)控制屏、2#發(fā)電機(jī)控制屏、3#發(fā)電機(jī)控制屏、并網(wǎng)控制屏、軸帶發(fā)電機(jī)控制屏、2#配電屏、2#負(fù)載控制屏、發(fā)電機(jī)機(jī)旁控制箱、岸電控制箱。圖1 船舶電站模擬器實景1.2. 船舶電站模擬器整體方案圖2 船舶電站模擬器控

5、制方框圖2. 船舶電站各設(shè)備分析建模2.1. 負(fù)載端模型分析按照船舶電站仿真要求，提供各電力負(fù)載的銘牌，根據(jù)銘牌信息提供的電機(jī)功率P1、額定電流IN、額定電壓UN、額定轉(zhuǎn)速R等基本運(yùn)行參數(shù)可以確定單個電機(jī)在額定工作狀態(tài)下的額定功率因數(shù)、電機(jī)電力系統(tǒng)端的視在功率S、所需的無功功率Q等參數(shù)由此可確定運(yùn)作設(shè)備的總有功、總無功，可以確定電力系統(tǒng)的有功功率、無功功率、功率因數(shù)、電流等重要參數(shù)，有功及無功功率如下式所示：總有功功率P總（kV） 公式（2.1）式中 KN 系統(tǒng)中各設(shè)備運(yùn)行標(biāo)志；P1N系統(tǒng)中各設(shè)備有功功率總無功功率Q總（kVar） 公式（2.2）式中 KN 系統(tǒng)中各設(shè)備運(yùn)行標(biāo)志；P1N系統(tǒng)中各

6、設(shè)備有功功率；QN系統(tǒng)中各設(shè)備無功功率。操作配電盤按鈕可以啟動對應(yīng)模擬設(shè)備，并由對應(yīng)電機(jī)模型來確定整個船舶仿真電站的負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)，從而得出電網(wǎng)在穩(wěn)態(tài)情況下的負(fù)載端運(yùn)行參數(shù)，是電站負(fù)載部分模型設(shè)計的主要思路。由此可延伸到由于電機(jī)啟動瞬間電流過大及無功功率大的特性而引起電網(wǎng)瞬態(tài)情況下運(yùn)行參數(shù)，形成完整的負(fù)載模型。2.2. 手動并網(wǎng)分析手動并網(wǎng)是否成功是通過計算并網(wǎng)瞬間沖擊電流的大小及并網(wǎng)后電網(wǎng)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀況，根據(jù)沖擊電流是否超過并網(wǎng)開關(guān)動作值及對電網(wǎng)的影響來判斷并網(wǎng)是否成功。電網(wǎng)在并網(wǎng)瞬間的沖擊電流計算較為復(fù)雜，參數(shù)很多。因此在模擬器手動并網(wǎng)模型中將公式按三角函數(shù)邊角公式進(jìn)行簡化，可以達(dá)到模擬實

7、際并網(wǎng)的要求。模擬器按照當(dāng)相位角在180度時最大沖擊電流為額定電流的10倍設(shè)定；合閘瞬間沖擊電流設(shè)定不超過額定電流的兩倍（其瞬時最大值一般不超過1-2倍的額定電流）；因此在20°左右合閘時，判定并網(wǎng)安全，模型簡化沖擊電流公式如下： 公式（2.3）式中：-沖擊電流；-并網(wǎng)瞬間電網(wǎng)暫態(tài)電抗；-并網(wǎng)瞬間電壓差2.3. 同步表的實現(xiàn)同步表是待并機(jī)與電網(wǎng)進(jìn)行頻率、相位對比的表計，共有37個燈，其中36個為相位指示燈，1個是準(zhǔn)步點指示燈。同步表指示燈旋轉(zhuǎn)的方向代表待并機(jī)與電網(wǎng)頻率大小，旋轉(zhuǎn)速度代表大小的量度，指示燈的位置代表相位差。 首先需要通過選擇開關(guān)選擇待并機(jī)，然后根據(jù)待并機(jī)頻率與電網(wǎng)的頻率

8、來計算同步表指示燈的旋轉(zhuǎn)速度（秒/圈）及確定選擇方向。其中同步燈輪轉(zhuǎn)周期可采用如下公式確定： 公式（2.4）式中：-待并機(jī)頻率；-電網(wǎng)頻率；-同步表相位指示燈輪轉(zhuǎn)周期（us）按照上述公式計算36個同步燈的輪轉(zhuǎn)，仿真待并機(jī)與電網(wǎng)的相位差關(guān)系，達(dá)到并網(wǎng)的目的。2.4. 同步燈的實現(xiàn)同步燈手動并車分兩種接線方法，一種是燈光明暗法，另一種為燈光旋轉(zhuǎn)法燈光旋轉(zhuǎn)法：待并機(jī)3相與電網(wǎng)3相按照，HL1燈接同相A，HL2燈接待并機(jī)的C相電網(wǎng)的B相，HL3接待并機(jī)的B相和電網(wǎng)的C相，形成交叉。旋轉(zhuǎn)角速度為圖3 燈光明暗法接線向量圖燈光旋轉(zhuǎn)法燈光表現(xiàn)方式：當(dāng)，燈光熄滅順序1-2-3-1；當(dāng)，熄滅瞬息為1-3-2-1

9、 。旋轉(zhuǎn)速度可以由頻率差值的大小確定。根據(jù)燈光旋轉(zhuǎn)法燈光表現(xiàn)方式，使用的正負(fù)確定旋轉(zhuǎn)方向，使用如下模型確定燈光亮度模型： 公式（2.5）式中：k1-頻差放大系數(shù)；k2-亮度控制放大系數(shù)；t1 -程序執(zhí)行時間（ms）；L-燈光亮度（無綱量）目前由于自動并車技術(shù)已經(jīng)非常成熟，因此同步燈并車只是作為手動并車的補(bǔ)充，模擬器作為培訓(xùn)船員的平臺，需要有這樣部件來培訓(xùn)學(xué)員在應(yīng)急狀況下的操作。2.5. 模擬器電網(wǎng)參數(shù)平衡分析2.5.1. 有功平衡控制方案發(fā)電機(jī)在運(yùn)行的能量平衡方程 公式（2.6）式中PM 原動機(jī)機(jī)械功率；PE 發(fā)電機(jī)電功率；P 機(jī)械和電氣損耗TC 慣性時間常數(shù)； 機(jī)組轉(zhuǎn)速變化率由上式可知，機(jī)組

10、功率平衡被破壞即 時，機(jī)組轉(zhuǎn)速就會發(fā)生變化，并達(dá)到新的功率平衡點。根據(jù)上述內(nèi)容，建立電站全手動狀態(tài)下仿真模型，首先確立在穩(wěn)態(tài)情況下，電力系統(tǒng)輸出有功功率應(yīng)該等于負(fù)載所需的有功功率，是電力系統(tǒng)保持平衡，均處于額定狀態(tài)；當(dāng)加入負(fù)載時，系統(tǒng)平衡被打破，根據(jù)調(diào)差特性，轉(zhuǎn)速下降，此時應(yīng)調(diào)整油門手柄，增大發(fā)電機(jī)輸出功率，使轉(zhuǎn)速回到額定值；反之，亦然。對于多臺機(jī)組來說，應(yīng)該平均分配負(fù)載的總有功功率，在負(fù)載變化時，只要保證總的功率平衡就可以保證轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。2.5.2. 電壓調(diào)整當(dāng)忽略發(fā)電機(jī)電樞電阻，用同步電抗來表征發(fā)電機(jī)電樞反應(yīng)的程度時，電壓平衡方程式為： 公式（2.7）其中：發(fā)電機(jī)端電壓；發(fā)電機(jī)空載電動勢；

11、發(fā)電機(jī)電樞電流； 發(fā)電機(jī)同步電抗。當(dāng)發(fā)電機(jī)端電壓保持不變，而負(fù)載增減導(dǎo)致電流或功率因數(shù)發(fā)生變化時，電網(wǎng)電壓則會相應(yīng)的發(fā)生變化，根據(jù)這一規(guī)律，可以獲得電網(wǎng)電壓隨負(fù)載變化模型。2.5.3. 補(bǔ)償電容器由于船舶電站容量有限，且有大量的電動機(jī)及氣體放電燈等感性負(fù)載，致使船舶電力系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，自然功率因數(shù)只有0.4 0.6 。通常要求電力系統(tǒng)平均功率因數(shù)不應(yīng)低于0.9 。在模擬仿真中，我們采用模擬補(bǔ)償?shù)姆绞?，對無功進(jìn)行補(bǔ)償使之達(dá)到規(guī)定的功率因數(shù)。無功補(bǔ)償量 公式（2.8）式中：-無功補(bǔ)償量；-電網(wǎng)功率因數(shù)；-需要補(bǔ)償?shù)降墓β室驍?shù)；均壓線及無功補(bǔ)償演示圖如下所示：圖4 模型均壓線示意圖2.6. 故障

12、系統(tǒng)采用程序干預(yù)控制實現(xiàn)發(fā)電機(jī)故障模擬（欠壓、過壓、逆功）、柴油機(jī)故障模擬（潤滑油壓低、排煙溫度高、超速）、電網(wǎng)故障模擬（母線短路）、岸電故障模擬（相序錯誤）、負(fù)載故障模擬（絕緣故障）、分級卸載、風(fēng)油緊急切斷、重載查詢等故障。3. 結(jié)束語結(jié)合實際船舶電站，分析其運(yùn)行過程，推導(dǎo)出合理且切合實際的數(shù)學(xué)模型，通過浙江中控GCS系統(tǒng)靈活的組態(tài)語言及數(shù)據(jù)處理模塊及其快速反應(yīng)的特點，能夠很好的實現(xiàn)模型的運(yùn)算，完整的體現(xiàn)船舶電站在各種狀態(tài)下的控制過程及表現(xiàn)形式。通過近一年的現(xiàn)場運(yùn)行情況，文中所建立的船舶電站數(shù)學(xué)模型完全能夠滿足學(xué)員培訓(xùn)、學(xué)習(xí)及評估要求。參考文獻(xiàn)1 王文義. 船舶電站組建與調(diào)試M. 哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社, 2008.2 孫才勤, 郭晨, 史成軍. 輪機(jī)模擬器電站仿真系統(tǒng)設(shè)計J. 大連海事學(xué)報, 2001, (6): 115-1183 趙殿禮, 張春來. 船舶電站實驗教學(xué)的發(fā)展方向及應(yīng)對措施J. 航海教育研究, 2002, (1):72-73 4 施偉鋒, 陳子順. 船舶電力系統(tǒng)建模J.中國航海, 2004, (3) :64-695 孫才勤, 彭水生, 郭晨等. 輪機(jī)模擬器船舶電站仿真系統(tǒng)J. 大連海