设计对话框如图2所示。
图1 船舶电力系统总体框图
图2 同步发电机模型及其属性设计对话框
1.2 励磁系统模型
本文采用相复励无刷交流励磁系统，模型由Simulink组件中的连续系统模块集进行建模[3⁃4]，模型框图如图3所示。其中：Uref为自动电压调节器参考电压；Ud和Uq分别为发电机d轴和q轴的电压值；Ustab为接地零电压；iabc为定子三相电流；Uf是励磁电压。Ud和Uq产生相复励的电压信号，iabc三相电流信号产生相复励的电流信号，这两部分信号合成后，一部分送入调节器回路进行闭环调节，另一部分输出到励磁机。
图3 励磁系统模型框图
1.3 柴油机及调速器模型
在柴油发电机组中，柴油机的主要作用是提供原动力，柴油机自身没有自动调速能力，因此必须装设调速器。本文柴油机与调速器组合采用二阶环节进行建模[5]，模型框图如图4所示。图中，ef（p.u.），n（p.u.）为柴油机参考转速和实际转速的标幺值，Pmec（p.u.）为输出机械功率的标幺值。
图4 柴油机及调速器模型框图
1.4 负载模型
船舶电力系统中的负载有多种分类方法，由于本文主要通过突加、突减负载来模拟大扰动，以验证电力系统的界面特性，因此采用SimPowerSystems中提供的静态负载模型进行建模。而船舶电力系统中容性负载较少，故采用三相并联的RL负载作为仿真模型。
按照上述建模方法，在Matlab的Simulink交互式仿真环境下，把柴油机调速模型以及励磁系统进行封装，所建立的船舶电力系统仿真模型如图5所示。
图5 船舶电力系统仿真模型
2 船舶电力系统仿真
在上述船舶电力系统仿真模型中，同步发电机容量为2 500 kV·A、额定电压为440 V，额定频率为60 Hz。电力系统带功率因数为0.8，67.5%额定功率负载运行，在1 s和2 s时通过突加、突减不同功率大小的负载来得到电力系统的瞬态压降。
同步发电机组带载启动后，第1 s突加负载L1（cos φ=0.8，50%PN），第2 s突减负载L1，第3 s结束运行。系统突加、突减负载过程中电力系统的线电压波形如图6所示。为了便于分析船舶电力系统的瞬态压降，得电力系统线电压的有效值变化如图7所示，由图7可知，系统带67.5%PN负载启动，经过0.8 s后电压达到稳定值，启动过程结束；在1 s时，系统突加50%PN负载，电压瞬变，经过0.029 s达到最小值377.8 V，再经0.175 s达到最大值450.2 V，在1.18 s系统重新稳定；在2 s时，系统突减50%PN负载，电压再次瞬变，经过0.04 s达到最大值516.5 V，再经0.427 s达到最小值431.93 V，在2.316 s系统重新稳定。
图6 突加、突减50%PN负载时电力系统线电压波形
图7 突加、突减50%PN负载时电力系统线电压有效值波形
为了分析船舶电力系统电压瞬变，分别突加、突减50%PN，75%PN，100%PN，功率因数分别为0.8，0.6，0.4的负载，通过Matlab仿真，得到各种工况下的电压瞬变值，如表1、表2所示。
表1 突加负载时的电压瞬变值
表2 突减负载时的电压瞬变值
由表1数据可知，突加负载时，随着负载的增加，电压瞬变的最小值随之降低，而从稳态到达最小值的时间基本相同，从最小值升到最大值的时间逐渐增加，最大值却随之减小，整个瞬变过程的恢复时间逐渐增加。由表2数据可知，突减负载时，随着负载的增加，电压瞬变的最大值随之增加，而从稳态到达最大值的时间基本相同，从最大值降到最小值的时间逐渐增加，最小值也随之增大，整个瞬变过程的恢复时间逐渐增加。
综合表1和表2可知， 440 V、I型60 Hz船舶电力系统电压瞬变符合“MLT⁃STD⁃1399 300章”中的规定：在I型电力系统中，用电设备的突然启动可能导致电压在0.001～0.06 s内降至瞬变电压的最低值。而后，电压可能以每秒20%～75%标称电压的速度增至最高值，电压将在2 s内恢复到用电设备电压容差包络线内[6]（418～462 V）。用电设备从电力系统的突然切断可能导致电压在0.001～0.03 s内增至瞬变电压的最高值。而后，电压可能以每秒20%～75%标称电压的速度降至最低值，电压将在2 s内恢复到用电设备的电压容差包络线内（418～462 V）。
3 结 语
本文利用Matlab/Simulink对船舶电力系统中各个主要组成部分进行了建模，并对I型电力系统模型在不同工况下进行了仿真，用具体生动的图形、确凿的数据得出了仿真结果，观察了电力系统电压参数的变化情况，定性地分析了电力系统的界面特性，为船舶电力系统的研究提供了参考。
参考文献
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