CN103630796B - 一种船舶交直流混合电力系统短路计算仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可以对船舶交直流混合电力系统进行短路计算仿真的船舶交直流混合电力系统短路计算仿真方法。本发明包括检测所绘网络图中各个元件的端点坐标，给各个元件分配各自的ID号，作为连接的判断依据；根据元件连接情况，将获取到的各元件连接关系转化成数字信息，以表格的形式储存在数据库中；计算发电机短路电流：计算蓄电池短路电流：计算电感元件短路电流；计算直流电机短路电流；判断短路点位置，对电流进行修正。本发明没有交直流混合系统的模型及算法，步骤更加简便。

Description

一种船舶交直流混合电力系统短路计算仿真方法

技术领域

本发明涉及一种可以对船舶交直流混合电力系统进行短路计算仿真的船舶交直流混合电力系统短路计算仿真方法。

背景技术

近年来，交直流混合系统成为船舶综合电力系统研究的核心内容，随着电力电子技术的飞速发展，新型电力电子器件性能的不断改进、其控制方式也有突飞猛进的发展，交直流混合系统电力系统的优越性也越来越突出，尤其是在电能质量、效率、结构等方面。目前直流区域配电技术已经成为国内外专家的重点研究对象，也是舰船综合电力系统今后的主要发展方向，国外舰船已经开始了船舶综合交直流混合系统的试验和应用。

短路故障会对船舶电力系统正常运行造成非常严重的破坏：可破坏电源、造成停电，整个系统停止运行，甚至可引起火灾。即使没有损坏电源设备，也会造成电网电压跌落，影响电网正常工作。合理的计算短路电流可以为船舶电力系统选择合适的电气设备提供数据，作为电气设备稳定性校验依据，更是为系统的继电保护方案提供数据支持。因此，准确的计算出短路故障电流对船舶电力系统的意义十分重大。

目前，船舶电力系统的仿真分析与研究大都使用国外成熟的仿真软件来完成，用来进行潮流及短路电流计算、电磁及机电暂态仿真等。但这些软件多是根据陆地的电力系统仿真解决方案设计的，没有船舶电力系统的针对性，尤其是对于船舶交直流混合电力系统，在算法和仿真功能两方面都没有针对的仿真软件实现仿真功能。

从上面的分析可以看出，船舶电力系统仿真对船舶电网的研究分析和稳定运行十分重要。然而目前研究人员通常是基于船舶电力系统的特点利用数学计算功能强大的Matlab软件或陆地电力系统计算软件来搭建船舶电力系统的设备模型，设计复杂且操作不便。更没有交直流混合系统的模型及算法。

综上所述，开发出一套准确、可靠的针对船舶交直流混合电力系统的仿真软件对船舶综合电力系统分析及其设计具有重大的实际意义。

发明内容

本发明的目的是开发出一套针对于船舶交直流混合电力系统，选择系统中发生短路故障的位置，软件对系统结构以及拓扑进行自适应分析，然后进行短路电流计算的一种船舶交直流混合电力系统短路计算仿真方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)检测所绘网络图中各个元件的端点坐标，给各个元件分配各自的ID号，作为连接的判断依据；

(2)根据元件连接情况，将获取到的各元件连接关系转化成数字信息，以表格的形式储存在数据库中；

(3)计算发电机短路电流；

(4)计算蓄电池短路电流；

(5)计算电感元件短路电流；

(6)计算直流电机短路电流；

(7)判断短路点位置，对电流进行修正。

计算发电机短路电流包括，

1)检测发电机所在支路的发电机、交流线路、变压器、整流器的阻抗值以及直流线路的电阻与电感值；

2)将发电机到短路点之间路径分为交流和直流两部分，发电机到整流器出口处为交流部分；整流器出口处到短路点之间为直流部分；

交流部分阻抗检测方法为：从N＝1开始，搜索第N台发电机与短路点之间的路径信息，判断短路故障发生时此台发电机是否投入运行，如果路径不存在，发电机没有投入运行，则N＝N+1，继续遍历下一台发电机；如果路径存在，说明此台发电机投入运行中，在路径中找到整流器元件的ID号，以整流器和此台发电机为端点搜索路径信息，将此路径存入数组中待用；在数据库的元件库中，从M＝1开始，寻找数组中第M个元件的ID号，从数据库中寻找此元件的名称及类型，判断此元件类型是否为线路元件，若此元件为线路元件，发电机与汇流排之间有线路，存在阻抗，在数据库中查取此线路的阻抗值Rl、Xl，将此阻抗值按照R＝R+Rl、X＝X+Xl加入到交流部分阻抗中；若此元件不是线路，继续判断此元件类型是否为变压器原件，若此元件为变压器原件，发电机与汇流排之间有变压器，将变压器阻抗值加入到交流部分阻抗中，在数据库中查取此线路的阻抗值Rt、Xt，将此阻抗值按照R＝R*k*k+Rt、X＝X*k*k+Xt折算到次级侧加入到交流部分阻抗中，R为变压器阻抗值加入到交流部分阻抗中后的电阻值、X为变压器阻抗值加入到交流部分阻抗中后的电抗值，k为级次；若此元件不是变压器，继续判断此元件类型是否为整流器原件，若此元件为整流器原件，电机与汇流排之间有整流器，将整流器阻抗值加入到交流部分阻抗中，在数据库中查取此线路的阻抗值Rrec、Xrec，将此阻抗值按照R＝R+Rrec、X＝X+Xrec加入到交流部分阻抗中；若此元件不是上述三种元件，查看数组中元件是否遍历完成，如果未遍历完全，则M＝M+1，寻找数组中下一个元件，若遍历完成，则此台发电机交流部分阻抗计算完成；判断系统中是否所有发电机都完成发电机参数计算，还有没进行遍历的发电机，N＝N+1，搜索下一台发电机重复上述步骤，若系统中所有发电机都遍历完成，发电机组交流部分阻抗计算完成；

直流部分阻抗检测方法为：搜索短路点到整流器的路径信息，存入数组中，从N＝1开始，寻找数组中第N个元件的ID号，在从数据库中寻找此元件的名称及类型，判断此元件类型是否为线路元件，若不是，判断数组是否遍历完成，若没有完成，则N＝N+1继续查询下一元件，若遍历完成，则发电机支路直流部分计算结束，若此元件为线路元件，直流部分存在线路电阻、电感，在数据库中查取此线路的电阻R2、电感值L2，将此阻抗值按照Rg＝Rg+R2、Lg＝Lg+L2加入到交流部分阻抗中，Rg是发电机支路交流部分电阻值，Lg是发电机支路交流部分电阻值，L2为电机支路数据库中线路的电感值，判断数组是否遍历完成，若没有完成，则N＝N+1继续查询下一元件，若遍历完成，则发电机支路直流部分计算结束；

3)计算发电机提供的短路电流值。

计算蓄电池短路电流包括，

1)用单个电池的开路电压U乘以电池组中电池的串联个数N，乘积作为储能元件端口电压，当储能元件完成充电后放电时，端口电压为1.05NU，未完成充电放电时，端口电压为0.9NU；

2)计算蓄电池支路的线路参数，搜索短路点到蓄电池的路径信息，存入数组中，N＝1开始，寻找数组中第N个元件的ID号，从数据库中寻找此元件的名称及类型，判断此元件类型是否为线路元件，若不是，判断数组是否遍历完成，若没有完成，则N＝N+1继续查询下一元件，若遍历完成，则蓄电池支路参数计算结束；若此元件为线路，则蓄电池支路存在线路电阻、电感，在数据库中查取此线路的电阻、电感值Rl、Ll，将此阻抗值按照Rf＝Rf+Rl、Lf＝Lf+Ll加入蓄电池支路中，Rf为蓄电池支路存在线路电阻值，Lf为蓄电池支路存在线路电感值；判断数组是否遍历完成，若没有完成，则N＝N+1继续查询下一元件，若遍历完成，则蓄电池支路参数部计算结束；

3)计算蓄电池提供的短路电流；

判断短路点位置，对电流进行修正包括，

提取汇流排母线ID号，赋予变量BusID中，从N＝1开始查看第N个电流源和短路点之间的路径，从M＝1开始查看路径中第M个元件的ID号，赋予MID，判断是否BusID＝MID，若相等，说明路径中包含汇流排母线元件,每个电流源类中创建一参数“BusTrueN”,若BusID＝MID，则BusTrueN＝1，否则BusTrueN＝0，N＝N+1继续查询下一电流源,遍历完成后，若所有电流源BusTrueN均等于1，则电流源都流经汇流排母线，查看短路点位置变量“ShortLocate”,若ShortLocate>0，则各个电流源的短路电流流经公共直流线路，将所有电流源的短路电流都进行折算，加和得到最终短路点的短路电流，若ShortLocate＝0，短路点在汇流排母线出口处，各个电流源短路电流无须折算，直接叠加；若某一个电流源BusTrueN＝0，其他电流源BusTrueN＝1，则短路点在此电流源与汇流排母线之间，其他电流源的短路电流流经公共直流线路，则此电流源短路电流不变，将其他电流源短路电流按照公式进行折算再叠加，即为短路点短路电流值，短路计算完成。

本发明的有益效果在于：

本发明没有交直流混合系统的模型及算法，步骤更加简便。

附图说明

图1混合系统计算程序框图；

图2混合系统发电机支路交流部分阻抗计算程序框图；

图3混合系统发电机支路直流部分阻抗计算程序框图；

图4蓄电池短支路线路参数计算流程；

图5短路点短路电流折算流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述：

本发明的软件是以VC++6.0为平台编写的，其主要功能为：绘制电力系统结构图，对系统中元件进行参数设定，最终实现任意搭建的船舶交直流混合电力系统短路分析计算，实现对系统的仿真功能。整个软件包括可视化图形界面、数据的输入输出、系统拓扑分析功能、短路算法等几个模块。

连接好系统后，设定系统中各个元件的参数，然后通过用鼠标单击短路计算功能按钮，选择短路故障点的线路，调用短路计算的响应函数，弹出交直流混合系统短路计算对话框，填写短路故障点距离短路线路首端的长度(百分比的形式)，然后点击“OK”进行计算，计算结果显示在对话框中。

本发明可以对船舶交直流混合电力系统进行短路计算仿真。计算流程为：首先平台自动检测所绘网络图中各个元件的端点坐标，给各个元件分配各自的ID号，作为连接的判断依据。拓扑分析程序根据元件连接情况，将获取到的各元件连接关系转化成数字信息，短路计算模块根据计算程序的需要，将计算中需要用到的拓扑信息以表格的形式储存在数据库中。另外，系统中改变开关元件的开断状态也会使系统的结构发生改变，这就需要系统拓扑分析时，具有自动适应系统结构的功能。当系统开关元件状态改变，系统可自动重新建立拓扑模型，生成数字化系统连接信息。然后系统自动判断所绘制系统电制类型，选择相应的计算方法。进入交直流混合系统短路计算程序。

目前还没有针对于船舶交直流混合系统直流部分短路的短路计算的计算方法，本发明按照陆用中压直流短路算法计算混合系统直流侧短路时各个电流源提供的短路电流峰值及稳态值，此方法是由IEEE船舶中压直流系统惯例推荐的，具有一定的适用性和准确性。计算方法如下：

船舶交直流混合电力系统中直流侧发生短路故障时，可能提供短路电流的电流源有四种，分别为发电机、储能元件、滤波电容、直流电机。当短路故障发生时，交流发电机发出三相短路电流，经过整流器输送到直流网络。储能元件进行放电，电能由电势高的储能元件端口流向电势为零的短路点。同时，滤波电容器也进行放电，通常放电时间非常短。直流电机在短路故障发生瞬间，电枢转速不会瞬时下降为0，直流动电机转化为发电状态，向短路点提供短路电流。当系统中只包含单个短路电流源时，只需考虑短路电流流经的串联阻抗以及直流部分线路的电感电抗的影响来计算此电流源供给短短路电流值。当系统短路电流源不单一时，可分别计算出各个电流源在短路故障发生时提供的短路电流。需要说明的是，当短路点在直流母线出口处，短路电流不流经公共的直流线路时，短路点短路电流总值即为各个电流源的短路电流和。而当短路电流流经公共直流线路时，各个电流源的短路电流需要进行修改再叠加。

X＝X*k*k+Xt折算到次级侧加入到交流部分阻抗中。若此元件不是变压器，继续判断此元件类型“type”值是否为19，即是否为整流器原件，若此元件为整流器原件，就说明发电机与汇流排之间有整流器，需要将整流器阻抗值加入到交流部分阻抗中，在数据库XLine表格中查取此线路的阻抗值Rrec、Xrec，将此阻抗值按照R＝R+Rrec、X＝X+Xrec加入到交流部分阻抗中。若此元件不是上述三种元件，查看数组中元件是否遍历完成，如果未遍历完全，则M＝M+1，寻找数组中下一个元件，若遍历完成，则此台发电机交流部分阻抗计算完成。然后判断系统中是否所有发电机都完成发电机参数计算，还有没进行遍历的发电机，N＝N+1，搜索下一台发电机重复上述步骤，若系统中所有发电机都遍历完成，发电机组交流部分阻抗计算完成。

然后对整流器到短路点的直流部分进行电阻、电感的计算(图3)，首先，搜索短路点到整流器的路径信息，存入数组中。N＝1开始，寻找数组中第N个元件的ID号，在从数据库中“DrawComponent”表中寻找此元件的名称及类型，判断此元件类型“type”值是否为17，即是否为线路元件，若不是，判断数组是否遍历完成，若没有完成，则N＝N+1继续查询下一元件，若遍历完成，则发电机支路直流部分计算结束。若此元件为线路，就说明直流部分存在线路电阻、电感，在数据库XLine表格中查取此线路的电阻、电感值Rl、Ll，将此阻抗值按照Rf＝Rf+Rl、Lf＝Lf+Ll加入到交流部分阻抗中。判断数组是否遍历完成，若没有完成，则N＝N+1继续查询下一元件，若遍历完成，则发电机支路直流部分计算结束。交流部分和直流部分的线路参数计算完成后，按照公式计算发电机提供的短路电流值，发电机部分计算完毕。

接下来进入蓄电池短路电流计算(图4)，储能元件用的是锂离子电池组，当电池组的开路电压E_B未知时，可以用单个电池的开路电压U(锂离子电池为2V/个)乘以电池组中电池的串联个数N，乘积作为储能元件端口电压。并设定当储能元件完成充电后放电时，端口电压为1.05NU，未完成充电放电时，端口电压为0.9NU。首先计算蓄电池支路的线路参数，搜索短路点到蓄电池的路径信息，存入数组中。N＝1开始，寻找数组中第N个元件的ID号，再从数据库中“DrawComponent”表中寻找此元件的名称及类型，判断此元件类型“type”值是否为17，即是否为线路元件，若不是，判断数组是否遍历完成，若没有完成，则N＝N+1继续查询下一元件，若遍历完成，则蓄电池支路参数部计算结束。若此元件为线路，就说明蓄电池支路存在线路电阻、电感，在数据库XLine表格中查取此线路的电阻、电感值Rl、Ll，将此阻抗值按照Rf＝Rf+Rl、Lf＝Lf+Ll加入蓄电池支路中。判断数组是否遍历完成，若没有完成，则N＝N+1继续查询下一元件，若遍历完成，则蓄电池支路参数部计算结束。然后根据蓄电池支路信息，按照公式计算蓄电池提供的短路电流。

电感元件和直流电机短路电流计算与上述类似，都是首先计算出支路电阻电感，再根据公式进行计算，与上述蓄电池支路设计思路一致，这里不做多余叙述。

四种电流源的短路电流值计算完成后，判断短路点位置看是否需要对电流进行修正(图5)，具体方法如下：提取汇流排母线ID号，赋予变量BusID中，从N＝1开始查看第N个电流源和短路点之间的路径，从M＝1开始查看路径中第M个元件的ID号，赋予MID，判断是否BusID＝MID，若相等，说明路径中包含汇流排母线元件。每个电流源类中创建一参数“BusTrueN”,若BusID＝MID，则BusTrueN＝1，否则BusTrueN＝0，N＝N+1继续查询下一电流源。遍历完成后，有两种情况，第一种是所有电流源BusTrueN均等于1，说明各个电流源都流经汇流排母线，此时查看短路点位置变量“ShortLocate”,若ShortLocate>0，则说明各个电流源的短路电流流经公共直流线路，将所有电流源的短路电流都进行折算，然后加和得到最终短路点的短路电流。若ShortLocate＝0，说明短路点在汇流排母线出口处，各个电流源短路电流无须者算，直接叠加。第二种是某一个电流源BusTrueN＝0，其他电流源BusTrueN＝1，说明短路点在此电流源与汇流排母线之间，其他电流源的短路电流流经公共直流线路，则此电流源短路电流不变，将其他电流源短路电流按照公式进行折算再叠加，即为短路点短路电流值，短路计算完成。

Claims (4)

1.一种船舶交直流混合电力系统短路计算仿真方法，其特征在于：

(1)检测所绘网络图中各个元件的端点坐标，给各个元件分配各自的ID号，作为连接的判断依据；

(2)根据元件连接情况，将获取到的各元件连接关系转化成数字信息，以表格的形式储存在数据库中；

(3)计算发电机短路电流；

(4)计算蓄电池短路电流；

(5)计算电感元件短路电流；

(6)计算直流电机短路电流；

(7)判断短路点位置，对电流进行修正。

2.根据权利要求1所述的一种船舶交直流混合电力系统短路计算仿真方法，其特征在于：所述计算发电机短路电流包括，

1)检测发电机所在支路的发电机、交流线路、变压器、整流器的阻抗值以及直流线路的电阻与电感值；

2)将发电机到短路点之间路径分为交流和直流两部分，发电机到整流器出口处为交流部分；整流器出口处到短路点之间为直流部分；

交流部分阻抗检测方法为：从N＝1开始，搜索第N台发电机与短路点之间的路径信息，判断短路故障发生时此台发电机是否投入运行，如果路径不存在，发电机没有投入运行，则N＝N+1，继续遍历下一台发电机；如果路径存在，说明此台发电机投入运行中，在路径中找到整流器元件的ID号，以整流器和此台发电机为端点搜索路径信息，将此路径存入数组中待用；在数据库的元件库中，从M＝1开始，寻找数组中第M个元件的ID号，从数据库中寻找此元件的名称及类型，判断此元件类型是否为线路元件，若此元件为线路元件，发电机与汇流排之间有线路，存在阻抗，在数据库中查取此线路的阻抗值Rl、Xl，将此阻抗值按照R＝R+Rl、X＝X+Xl加入到交流部分阻抗中；若此元件不是线路，继续判断此元件类型是否为变压器原件，若此元件为变压器原件，发电机与汇流排之间有变压器，将变压器阻抗值加入到交流部分阻抗中，在数据库中查取此线路的阻抗值Rt、Xt，将此阻抗值按照R＝R*k*k+Rt、X＝X*k*k+Xt折算到次级侧加入到交流部分阻抗中，R为变压器阻抗值加入到交流部分阻抗中后的电阻值、X为变压器阻抗值加入到交流部分阻抗中后的电抗值，k为级次；若此元件不是变压器，继续判断此元件类型是否为整流器原件，若此元件为整流器原件，电机与汇流排之间有整流器，将整流器阻抗值加入到交流部分阻抗中，在数据库中查取此线路的阻抗值Rrec、Xrec，将此阻抗值按照R＝R+Rrec、X＝X+Xrec加入到交流部分阻抗中；若此元件不是上述三种元件，查看数组中元件是否遍历完成，如果未遍历完全，则M＝M+1，寻找数组中下一个元件，若遍历完成，则此台发电机交流部分阻抗计算完成；判断系统中是否所有发电机都完成发电机参数计算，还有没进行遍历的发电机，N＝N+1，搜索下一台发电机重复上述步骤，若系统中所有发电机都遍历完成，发电机组交流部分阻抗计算完成；

直流部分阻抗检测方法为：搜索短路点到整流器的路径信息，存入数组中，从N＝1开始，寻找数组中第N个元件的ID号，在从数据库中寻找此元件的名称及类型，判断此元件类型是否为线路元件，若不是，判断数组是否遍历完成，若没有完成，则N＝N+1继续查询下一元件，若遍历完成，则发电机支路直流部分计算结束，若此元件为线路元件，直流部分存在线路电阻、电感，在数据库中查取此线路的电阻R2、电感值L2，将此阻抗值按照Rg＝Rg+R2、Lg＝Lg+L2加入到交流部分阻抗中，Rg是发电机支路交流部分电阻值，Lg是发电机支路交流部分电阻值，L2为电机支路数据库中线路的电感值，判断数组是否遍历完成，若没有完成，则N＝N+1继续查询下一元件，若遍历完成，则发电机支路直流部分计算结束；

3)计算发电机提供的短路电流值。

3.根据权利要求1或2所述的一种船舶交直流混合电力系统短路计算仿真方法，其特征在于：所述的计算蓄电池短路电流包括，

1)用单个电池的开路电压U乘以电池组中电池的串联个数N，乘积作为储能元件端口电压，当储能元件完成充电后放电时，端口电压为1.05NU，未完成充电放电时，端口电压为0.9NU；

2)计算蓄电池支路的线路参数，搜索短路点到蓄电池的路径信息，存入数组中，N＝1开始，寻找数组中第N个元件的ID号，从数据库中寻找此元件的名称及类型，判断此元件类型是否为线路元件，若不是，判断数组是否遍历完成，若没有完成，则N＝N+1继续查询下一元件，若遍历完成，则蓄电池支路参数计算结束；若此元件为线路，则蓄电池支路存在线路电阻、电感，在数据库中查取此线路的电阻、电感值Rl、Ll，将此阻抗值按照Rf＝Rf+Rl、Lf＝Lf+Ll加入蓄电池支路中，Rf为蓄电池支路存在线路电阻值，Lf为蓄电池支路存在线路电感值；判断数组是否遍历完成，若没有完成，则N＝N+1继续查询下一元件，若遍历完成，则蓄电池支路参数部计算结束；

3)计算蓄电池提供的短路电流；

4.根据权利要求1或2所述的一种船舶交直流混合电力系统短路计算仿真方法，其特征在于：所述的判断短路点位置，对电流进行修正包括，

提取汇流排母线ID号，赋予变量BusID中，从N＝1开始查看第N个电流源和短路点之间的路径，从M＝1开始查看路径中第M个元件的ID号，赋予MID，判断是否BusID＝MID，若相等，说明路径中包含汇流排母线元件,每个电流源类中创建一参数“BusTrueN”,若BusID＝MID，则BusTrueN＝1，否则BusTrueN＝0，N＝N+1继续查询下一电流源,遍历完成后，若所有电流源BusTrueN均等于1，则电流源都流经汇流排母线，查看短路点位置变量“ShortLocate”,若ShortLocate>0，则各个电流源的短路电流流经公共直流线路，将所有电流源的短路电流都进行折算，加和得到最终短路点的短路电流，若ShortLocate＝0，短路点在汇流排母线出口处，各个电流源短路电流无须折算，直接叠加；若某一个电流源BusTrueN＝0，其他电流源BusTrueN＝1，则短路点在此电流源与汇流排母线之间，其他电流源的短路电流流经公共直流线路，则此电流源短路电流不变，将其他电流源短路电流按照公式进行折算再叠加，即为短路点短路电流值，短路计算完成。