大容量负载下船舶电站电网电压稳定性研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

1.目的及意义

1.1 研究的目的及意义

当船舶驶入大海，就像一座移动的城堡，它有许多设备都要使用电能来供电，因此在船上都需配备一个发电及配电、输电及用电的独立系统——船舶电力系统。而船舶电站是船舶电力系统的核心，对船舶的经济效益和安全航行有重要的影响。随着世界经济的发展，国际间贸易频繁、国与国之间的交往甚密，且因海上运输的成本相对低廉、现代船舶的大型化和自动化程度不断提高，越来越多的船上设备需要用电来驱动和控制，从而对船舶电力系统的要求也越来越高，提高船舶电力系统的稳定性与控制质量也就显得愈加重要。大容量的负荷亦不断增加，这类负荷在运行中具有很强的冲击性和随机性，特别是在投入和退出时，所产生的瞬时功率甚至可以达到额定功率的几倍至数十倍，从而造成船舶电站电网过载，严重影响了船舶电站电网的正常运行，甚至危及整艘船舶人员及船舶财产安全。另外，船电系统的特殊性，船上电力系统与陆地上电力系统相比存在很大的差异--船舶电站容量相对较小，陆地上电网的容量常在几百万kw至几千万kw，并且单机容量多数在数十万kw。一般一艘远洋船舶主电站大多装有3台柴油发电机组，多数发电机单机容量为400～1000kw。由于船舶电站容量较小，而某些大负载容量可与单台发电机容量相比，所以任何人为误操作或者机组局部故障都可能导致全船失电，威胁全船安全。因而对船舶电力系统在承受冲击时的稳定性提出了较高的要求。如船用发电机调压器的动态特性与陆上发电机相比具有较高的指标要求，应有强行励磁的能力，发电机应能承受较大的过载能力。另外，由于船舶工况变动较为频繁，因此对船舶电站自动控制装置的可靠性也提出了较高要求。本文主要目的是就船舶电站电网在受到大扰动（主要是大容量负载下）时，系统各发电机组能否保持同步运行、电压和频率能否保持稳定进行研究，以及分析影响船舶电站电网电压稳定性的各种因素，研究提高电力系统电网电压稳定性的措施。所以，如何建立包含发电机、负载、电力网的数学模型，利用仿真平台研究讨论大容量负载的投入、退出对船舶电网稳定性影响问题具有现实性意义，对工作中的设计、控制亦尤为重要。

2. 研究的基本内容与方案

2.研究的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

2.1 研究的基本内容

2.1.1船舶电力系统组成

主要由船舶发电机（蓄电池）：是船舶最基本的供电单元；配电装置：主要用于控制、保护、测量、分配船舶电源产生的电力，是对负载进行配电的开关设备和控制设备的组合装置；电力网：是全船电缆、电线的总称，其作用是将各种电源和负载联系起来；负载四部分组成。

2.2 船舶电力网

船舶电力网是全船电缆电线的总称，主要是联系发电机、主（应急）配电板、区域配电板、分配电板和负载的中间环节，是将电能输送到负载的网络，按其连接的负载性质可分为以下部分：

G-主发电机；EG-应急发电机；ACB-发电机主开关;EACB-应急发电机主开关;

MSB-主配电板;ESB-应急配电板;MCB-配电开关;M-电动机;DSB-分配电板;ISW-隔离开关

RSB-无线电分配电板;EISB-应急照明配电板;IDSB-照明分配电板;T-变压器;

2.3 影响船舶电站电网稳定性的各种负载概述

在现代船上，用电设备数以千计，分布在船上的每一个角落。在船舶电网中主要存在两种扰动：相对确定性和随机性扰动。对于相对确定性扰动，如大功率压载水泵以及甲板起重机械启动等。相反，有些装置的启动或停止却具有相当的不确定性，其工作过程根据控制对象的变化情况而定，如制冷机、压缩机、水泵等。

2.3.1船舶航行时所需的负载

航行工况下船舶所需的电力负荷，这类负载的大小常和推进主机的功率有关，在运行中变化不是很大，主要包括主机辅助设备、舵机、导航设备、通风设备和其他机修设备等如下图。

2.3.2船舶机动工作所需的负载

船舶机动工作时，所需的负载是较大功率的，主要是当船舶处于进出港、靠离码头等变工况状态时，所需的各种装备:包括空压机、主动舵、侧推器、绞缆机、应急消防泵及其他机动设备。简图如下：

2.3.3船舶泊港所需的负载及生活所需负载

当船舶停泊时，所需的主要设备有：甲板机械、起货机、克令吊及日常生活设备，一般停泊时尽量使用岸电。生活所需负载：包括照明、空调、冷藏、通风等，这类负载随着季节、所处区域、船舶性质等有关。有如下简图：

2.4 研究的基本目标

对于船舶上的各种大容量负载，投入和退出时对电网的冲击是不可避免的，但是怎样将冲击影响时间缩短，或者怎样来消除冲击对电网稳定性影响，不至于使电网崩溃是急需解决的问题。

（1）研究影响船舶电站电网稳定性的各种负载：推进负载、分布负载、应急负载、脉冲负载等；

（2）了解负载对船舶电站电网电压稳定性的影响，并针对对船舶电站稳定性影响较大的大容量负载特性进行专门研究，并建立大容量负载模型；

（3）为了使仿真结果与实际更加接近，在过程中采用PID调节环节以及负载分配环节的调速器模型，达到提高仿真精度的目的。

（4）由于采用PID调节环节以及负载分配环节的调速器模型，会加长仿真时间，因此要建立一种调速器模型及算法能够同时提高仿真精度和仿真效率。

（5）研究大容量负载对船舶电站电压稳定性的影响，并根据船舶电站所需的稳定性要求，能得出相应的控制策略保障船舶电站电网电压的稳定性。

2.5 拟采用的技术方案及措施

本文所建立的负载模型拟采用主要是静态和动态负载模型，其中静态模型表示电力系统稳态下负荷功率与电压和频率的关系，动态负荷模型表示电压和频率急剧变化时负荷功率随时间的变化。这样的模型反映直接接入电网的负载特性，投入或切除大容量负载对系统的影响。

稳定性不仅依赖负载容量的大小同时也受到负载性质的影响，因此，采用何种负载模型以及不同负载模型比例等因素都需要做更加进一步的研究。为了研究负荷对电站电网电压的影响，本文准备对船舶电力系统电站和负载建立相应的数学模型，然后于仿真平台进行仿真试验，通过对相关数据进行分析，提出控制策略，验证仿真实验结果，最后得出结论。船舶电力系统是由调速系统，励磁系统，变压器，电阻、电容、电感性负载，电动机、推进负载等动负荷和其他电热设备等静负荷组成。另外，在建立相应的数学模型时，做一些必要的近似处理，忽略次要因素，从而建立符合工程需要的实用数学模型。

2.5.1建立静态负载数学模型

静态负载主要指船舶的照明、加热设备等，在电力系统中，给定频率时负荷阻抗为常数，符合吸收的有功功率和无功功率与负荷的电压平方成正比，所以拟采用恒阻抗支路模拟负荷。在SimpowerSystems库中，利用R、L、C的串并联组合，提供了4个静态负荷模型模块，即单相RLC并联负荷模块、单相RLC串联负荷模块、三相并联负荷模块，如下是三相串联负荷模块：

2.5.2建立动态负载数学模型

船舶电力推进系统是船舶电力系统重要的大容量负载，主要由推进电动机和电机拖动的负载模型两部分组成，分别建立两部分的数学模型,本文拟以一挖泥船为例进行大容量负载对电网电压稳定性研究，舱内泥泵采用柴油机驱动，水下泥泵采用电动机驱动 ，泥泵占发电机总容量的83%，所以可以用来模拟大容量负荷对船舶电网的影响，实际配置参数如下表：

表一 泵配置参数表

2.5.3 建立船舶电力系统模型

根据船舶电站各部分的结构、工作原理、工作方式、工作特点，建立船舶电力系统各个基本单元数学仿真模型，然后利用Matlab仿真软件根据数学模型对各个模块进行仿真模型的搭建并整合，最终形成船舶电力系统模型。整个过程流程图表示大致如下：

3. 研究计划与安排

3.进度安排（完成任务的时间节点）

第1-3周：查阅国内外文献，完成开题报告；

第4周：翻译5000以上汉字的英文资料，翻译基本准确；

4. 参考文献（12篇以上）

4.阅读的参考文献

[1] 郭晓亮马利双. 大容量冲击负荷对发电机组的影响[d]. 黑龙江 哈尔滨：机电信息 2010 年第 30 期总第 276 期 121

[2] 罗乐. 船舶电力系统建模与控制[d]. 武汉：武汉理工大学，2011年5月.