CN105224732B - 一种船舶电力系统动态实时仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种船舶电力系统动态实时仿真方法，其过程为：先获取船舶电力系统中各发电机的状态；计算各发电机的转速和q轴瞬变电动势，并分别将所有发电机的q轴瞬变电动势从dq0坐标系变换到同一xy0同步坐标系中；将各发电机由电压源折算为电流源；确定船舶电力系统网络拓扑结构；根据船舶电力系统网络拓扑结构，将电力系统分为若干个子网，根据电流源参数计算各子网中各发电机、母排以及负载的参数；输出并显示计算结果。本发明能够实时模拟船舶电力系统的动态和稳态过程，完全满足大型船舶多节点、密集结构独立复杂电力系统实时仿真的需要。

Description

一种船舶电力系统动态实时仿真方法
技术领域
本发明属于船舶电力系统技术领域，具体涉及一种船舶电力系统动态实时仿真方法。
背景技术
船舶电力系统是独立电力系统，不同于陆地无穷大电网，其核心是如柴油机、汽轮机等原动机拖动的同步发电机组，容量相对来说要小得多。系统具有用电负载的种类比较多，动态变化范围比较大，系统的动态过程变化频繁而且复杂的特点，因此其动态特性主要取决于发电机组和负载的共同作用。由于仿真技术具有安全高效、经济、操作可重复等特点，它的重要性逐渐凸显并被广泛使用。
现有一般采用两种仿真方法研究船舶电力系统，一种是利用实物或混合类型的仿真方法研究船舶电力系统，但该方法不仅工序复杂难以实施，而且成本高，灵活性较差；另一种是全数字仿真方法，该方法具有不受仿真对象规模及复杂程度制约的优势，在保证仿真试验安全的同时又有很好的经济性和易操作性，但仿真精度满足要求的仿真方法实时性较差，不能实时模拟大型船舶多节点、密集结构独立复杂电力系统的动态过程；而满足实时性要求的仿真方法不能正确实时模拟大型船舶多节点、密集结构独立复杂电力系统的动态过程。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种船舶电力系统动态实时仿真方法，其兼顾仿真精度和实时性两方面的要求，能够实现大型船舶多节点、密集结构独立复杂电力系统的实时仿真。
本发明采用的技术方案是：一种船舶电力系统动态实时仿真方法，包括以下步骤：
步骤1，获取船舶电力系统中各发电机的运行状态；
步骤2，根据原动机和励磁机数学模型计算各发电机的转速和q轴瞬变电动势，并分别将所有发电机的q轴瞬变电动势从dq0坐标系变换到同一xy0同步坐标系中；
步骤3，根据各发电机的转速和q轴瞬变电动势，将各发电机由电压源折算为电流源；
步骤4，采集船舶电力系统中各发电机断路器、母联断路器、跨接断路器状态，进行船舶电力系统网络拓扑分析，确定船舶电力系统网络拓扑结构；
步骤5，根据船舶电力系统网络拓扑结构，将电力系统分为若干个子网，根据上述计算的电流源参数和负载特性计算各子网中各发电机、母排以及负载的参数；
步骤6，输出并显示计算结果；
步骤7，将仿真时间增加一个步长，重复步骤1-6，直到最大仿真时间。
进一步地，所述计算各子网中各发电机、母排以及负载的参数包括依次计算：各子网中并联运行发电机的等效总电流源参数、各子网中并联母排下等效负载总阻抗、并联运行发电机的总电压源参数、各子网的总等效负载电流、各子网中并联母排的节点电压、各发电机电流和各等效负载电流、各发电机功率和功率因数。
本发明采用坐标变换、电源折算、船舶电力网络拓扑分析、负载系统等效、分块子网网络计算、仿真子模块并行计算等，在满足一定仿真精度的条件下实现动态实时仿真，对计算硬件要求低，在普通通用计算机上能实时模拟船舶电力系统的动态过程，完全满足大型船舶多节点、密集结构独立复杂电力系统实时仿真的需要，该方法得出的仿真数据和参数变化趋势与实船一致，并成功应用于大型舰船电力系统模拟器的研制。
附图说明
图1为本发明的仿真流程图
图2为船舶电力系统基本组成及相互联系示意图。
图3为dq0坐标系到xy0同步坐标系的坐标变换示意图。
图4为典型船舶电力系统。
图5为突加功率因素0.4，标幺值为2的负载时发电机端电压有效值(标幺值)的变化示意图。
图6为突卸功率因素0.4，标幺值为2的负载时发电机端电压有效值(标幺值)的变化示意图。
图7为单机运行转双机并联运行手动并车前后发电机电流有效值(标幺值)的变化示意图。
图8为单机运行转双机并联运行手动并车前后发电机功率有效值(标幺值)的变化示意图。
图9为双机并联运行转三机并联运行手动并网前后发电机电流有效值(标幺值)的变化示意图。
图10为双机并联运行转三机并联运行手动并车前后发电机功率有效值(标幺值)的变化示意图。
图11为三机并联运行转四机并联运行手动并车前后发电机电流有效值(标幺值)的变化示意图。
图12为三机并联运行转四机并联运行手动并车前后发电机功率有效值(标幺值)的变化示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
如图1所示，本发明船舶电力系统动态实时仿真方法包括以下步骤：
步骤1：获取船舶电力系统中各发电机的运行状态，即确定船舶电力系统中哪些发电机投入运行，哪些发电机未投入运行；
步骤2：根据原动机和励磁机数学模型计算已投入运行的各发电机的转速和q轴瞬变电动势e′q，并将所有发电机的q轴瞬变电动势分别从各自的dq0坐标系变换到同一xy0同步坐标系中；
船舶电力系统机-网相互作用暂态过程的仿真需要同时计算发电机、电力网络和负载的暂态过程，必须将各元件数学模型统一到同一坐标系中，如图2所示，电力系统基本上由发电机、励磁系统、原动机及调速器以及网络和负载组成。其中发电机分为两部分，及转子方程和电磁方程。转子方程反映发电机输入机械功率pm和输出功率pe不平衡引起发电机转速ω和转子角δ的变化。转子角δ用于发电机dq0坐标下的电量和网络xy0同步坐标下的电量间的接口。发电机电磁方程以励磁系统输出ef为输入，发电机端电压和电流经坐标变换可跟网络xy0同步坐标下网络方程接口。求解得的发电机端电压vt反馈，和参考电压vref比较以控制励磁系统输出。发电机的输出电磁功率pe将影响发电机转速ω和转子角δ的变化。网络除和发电机相连，还和负载相连。图2只画了网络和一台发电机、一个负载之间的联系，实际电网有许多发电机和负载通过网络相互联系。
在此，将各元件数学模型统一到以同步转速旋转的如图3所示的xy0同步坐标系中，图3中其中，ω为xy0同步坐标系的旋转角速度，ω1为1号发电机d1q10坐标系的旋转角速度，ω2为2号发电机d2q20同步坐标系的旋转角速度，δ1为q1轴与x轴之间的夹角，δ2为q2轴与x轴之间的夹角，E′q1、E′q2分别为1号、2号发电机q轴瞬变电动势，V1、V2分别为1号、2号发电机电压，I1、I2分别为1号、2号发电机电流，θ1、θ2分别为1号、2号发电机电压与各自电流之间的夹角。
将dq0坐标系中电量变换到xy0同步坐标系中的变换为fxy0＝Tfdq0，其中fdq0表示dq0坐标系中的电量，fxy0表示xy0同步坐标系中的电量，为变换矩阵，dq0坐标系中的电量变换到xy0同步坐标系时该电量左乘变换矩阵T，为各发电机q轴与x轴之间的夹角。将各发电机q轴瞬变电动势e′q从dq0坐标系变换到xy0同步坐标系，进行坐标变换从而计算得到其中e'x、e'y分别为e′q从dq0坐标系变换到xy0同步坐标系时发电机电动势E′xy0在x轴、y轴上的分量。
步骤3：根据各发电机的转速和变换后得到的发电机电动势E′xy0，将各发电机电动势E′xy0由电压源折算为电流源，便于简化后面的子网参数计算过程。对于网络中的第k个发电机，其阻抗(k为发电机标号)，其中Zgk、rgk、xgk分别为第k个发电机的阻抗、电阻和电抗，Ygk、Ggk、Bgk分别为第k个发电机的导纳、电导和电纳，则
根据已求得的第k台发电机q轴瞬变电动势e′kq变换到xy0同步坐标系中的和发电机阻抗，可以将其变换成电流源形式
步骤4：采集船舶电力系统中各发电机断路器、母联断路器、跨接断路器的开、闭状态，确定船舶电力系统网络拓扑结构，网络拓扑结构随电力系统中各设备状态的变化而变化，每次循环能得到唯一一种网络拓扑结构；
步骤5：对船舶电力系统网络拓扑结构的分析，将电力系统中各自相对独立的部分分别划分成若干子网，即通过图的遍历将电力网络分成若干个独立供电区域。根据上述获取的状态及计算的参数分别计算各子网中各发电机、母排以及负载的参数。
计算的参数包括如下：
1、在每个独立供电区域中，1到k台发电机折算的总电流源为
2、对于第k个母排下的等效负载有
ZLk、rLk、xLk分别为第k个母排下等效负载的阻抗、电阻和电抗，GLk、BLk分别为第k个母排下等效负载的电导和电纳。
k个等效负载折算的总等效负载导纳为
对应的总等效负载阻抗为
3、在每个独立供电区域中，将并联运行的k台发电机折算的总电流源变换成总电压源。
先由总电流源的导纳折算总电压源的电阻和电抗。
由已求得的总电流源的电流和总电压源的电阻和电抗可以算出总电压源的电动势
4、在每个独立供电区域中，求解下列微分方程，求取各子网的总等效负载电流iL。
4、在每个独立供电区域中，求解各子网中并联母排的节点电压vb。
5、在每个独立供电区域中，根据节点电压vb求解各发电机电流igk和各等效负载电流iLk。
各发电机电流：
各等效负载电流：
6、求解各发电机功率、功率因数。
步骤6：输出并显示上述计算结果，该计算结果为船舶发电机的瞬时计算结果；
步骤7：将仿真时间增加一个时间步长，重复执行上述步骤1到步骤6，直到最大仿真时间，该最大仿真时间由人为设定。
以下实施例是对图4所示的典型船舶电力系统进行数字实时仿真结果：
1.突加、突卸功率因素0.4，标幺值为2的负载
(1)突加负载
如图5所示，单台发电机突加负载后最低电压0.885，稳态电压0.985，稳定时间0.8s。
(2)突卸负载
如图6所示，单台发电机突卸负载前稳态电压0.985，突卸负载后最高点电压1.08，稳态电压1.0，稳定时间0.85s。
由图5、6可见，单台发电机突加、突卸功率因素0.4，标幺值为2的负载的仿真过程变化趋势正确，仿真结果完全符合国军标中关于发电机组的相关技术指标要求。
2.双机并联运行
待并机并网前在网单机带额定负载，频差0.2Hz手动并车未均衡负载。图7、8中曲线1为在网发电机组，曲线2为待并机组。由图7、8可知，并车过程各发电机电流、功率变化趋势正确，仿真结果正确。
3.三机并联运行
待并机并网前在网双机分别带额定负载，频差0.2Hz手动并车未均衡负载。图9、10中曲线1和2为在网发电机组，曲线3为待并机组。由图9、10可知，并车过程各发电机电流、功率变化趋势正确，仿真结果正确。
4.四机并联运行
待并机并网前在网三机分别带额定负载，频差0.2Hz手动并车未均衡负载。图11、12中曲线1、2和3为在网发电机组，曲线4为待并机组。由图11、12可知，并车过程各发电机电流、功率变化趋势正确，仿真结果正确。
上面结合附图以典型船舶电力系统为例对本发明的具体实施方式进行了描述，应该注意的是，本发明对于大型船舶复杂电力系统的动态实时仿真同样适用。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (2)

1.一种船舶电力系统动态实时仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，获取船舶电力系统中各发电机的运行状态；
步骤2，根据原动机和励磁机数学模型计算各发电机的转速和q轴瞬变电动势，并分别将所有发电机的q轴瞬变电动势从dq0坐标系变换到同一xy0同步坐标系中；
步骤3，根据各发电机的转速和q轴瞬变电动势，将各发电机由电压源折算为电流源；
步骤4，采集船舶电力系统中各发电机断路器、母联断路器、跨接断路器状态，进行船舶电力系统网络拓扑分析，确定船舶电力系统网络拓扑结构；
步骤5，根据船舶电力系统网络拓扑结构，通过图的遍历将电力网络分成若干个独立供电区域，将电力系统分为若干个子网，根据上述计算的电流源参数和负载特性计算各子网中各发电机、母排以及负载的参数；
步骤6，输出并显示计算结果；
步骤7，将仿真时间增加一个步长，重复步骤1-6，直到最大仿真时间。
2.根据权利要求1所述的船舶电力系统动态实时仿真方法，其特征在于，所述计算各子网中各发电机、母排以及负载的参数包括依次计算：各子网中并联运行发电机的等效总电流源参数、各子网中并联母排下等效负载总阻抗、并联运行发电机的总电压源参数、各子网的总等效负载电流、各子网中并联母排的节点电压、各发电机电流和各等效负载电流、各发电机功率和功率因数。
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107393384A (zh) * 2017-08-30 2017-11-24 山东大学 一种发电机励磁仿真系统和方法
CN113554289A (zh) * 2021-07-12 2021-10-26 国网天津市电力公司 一种电力系统碳排放流实时计算系统及计算方法
CN116599023B (zh) * 2023-05-17 2024-02-27 中国人民解放军海军工程大学 一种船用燃气轮机电网混合储能功率分配方法及设备
CN118114415B (zh) * 2024-03-12 2024-09-24 中国船舶集团有限公司第七一九研究所 一种基于节点电压法的面向船舶电力系统快速建模与仿真方法和装置

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5483147A (en) * 1992-07-10 1996-01-09 Massachusetts Institute Of Technology Decentralized excitation control for an electrical power utility system
CN103383433A (zh) * 2013-07-03 2013-11-06 中国人民解放军海军工程大学 船舶发电机定子铁心的状态监测和故障预警方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5483147A (en) * 1992-07-10 1996-01-09 Massachusetts Institute Of Technology Decentralized excitation control for an electrical power utility system
CN103383433A (zh) * 2013-07-03 2013-11-06 中国人民解放军海军工程大学 船舶发电机定子铁心的状态监测和故障预警方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
三相坐标系下带非平衡负载的船舶电力系统的仿真与实验;黄从武等;《武汉理工大学学报( 交通科学与工程版)》;20110228;第35卷(第1期);76-82 *
船舶电站多机组并联运行的励磁控制研究;李宏林;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑 》;20111215;C036-96 *
负载变化对舰船综合全电力系统暂态稳定性的影响;李冬丽等;《中国造船》;20041231;第45卷;238-245 *

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