1、本 科 毕 业 设 计基于 MATLAB/simulink 的船舶电力系统建模与故障仿真所在学院 专业班级 电气工程与自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I摘 要 随着船舶大型化、多功能化和节能化的发展，对船舶电力系统的要求越来越高。船舶电力系统设计是船舶总体设计的最重要内容之一，船舶电力系统的设计优劣直接关系到电站供电的连续性、经济性、电能质量，保证船舶电气设备的安全可靠地工作，进而确保船舶、船上货物和人员安全。Matlab 软件是一种用于对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它已广泛地在电力系统中得到应用。本文主要介绍了 MATLAB 软件在船舶电力系统中的运用，以
2、及 MATLAB 环境下的动态仿真工具 Simulink 和电力系统工具箱 PSB（Power System Blockset）的功能与特点（其中 PSB 是专门为电力系统设计的仿真分析软件） 。在对其模块进行说明之后，通过 simulink 对几个简单电力系统实例进行建模，设置参数和仿真分析 。论文中先从两个小的电路元件：直流电压源电路和交流电压源电路来对 Simulink 的建模与仿真进行详细说明，包括参数的设定，模块的选择和波形的分析。然后建立了一个单机无穷大电力系统模型，以一个励磁系统来调节三相电动机的转速，电力系统稳定器（PSS）用来提高发电机的励磁电压来控制系统的稳定性。最后通过示
3、波器观察发电机的功角、转速、电磁功率以及机端电压的波形来完成本次船舶电力系统的建模与仿真。关键词: 船舶电力系统；建模；仿真；Matlab/simulinkIIAbstractWith the large ships,multi-functional and energy efficiency of the development of ship power systems have become increasingly demanding. Ship power system design is a most important part of ship design,advantage
4、and stabilize of the ship power system design is directly related to the power supply continuity,economy,power quality,ensuring the ship electric equipement safe and reliable to work,thereby ensuring that the ship,cargo and persinnel safety.Matlab is a kind of dynamic system used for modeling, simul
5、ation and analysising software package, it has been widely applied in the power system. This paper introduces the application of MATLAB in power system analysis , the function and feature of simulink and PSB (Power System Blockset) based on MATLAB. PSB is simulation analysis software specially desig
6、ned for the power system, after explaining its modules, by anglicizing, parametering and designing a simple example of power system, then obtained the simulation results. The first, the paper explain the modeling and simulation of Simulink in detail according to two small circuit element: dc voltage
7、 source circuit element and ac voltage circuit element,including parameters, the choice and waveforms of modules. The next introduction of the single one is relatively complex, infinite power system model. Using a three-phase motor excitation system to adjust the speed, power system stabilizer (PSS)
8、 to control system stability with improve the voltage of generator excitation. Finally, use an oscilloscope to observe the waveform of generator, speed, angle of electromagnetic power and voltage of machine.Key words：Marine Power System;Power system; Modeling; Matlab/simulinkIII目 录第 1 章 绪论 .11.1 船舶发
9、电机系统仿真的兴起 .11.2 船舶电站系统介绍 .11.3 系统仿真研究概况 .21.4 船舶发电机系统仿真研究现状及存在的一些问题 .21.5 船舶发电机系统仿真的发展趋势 .3第 2 章 船舶电力系统的分析 .42.1 船舶电力系统的基本参数 .42.1.1 电制 .52.1.2 电压 .52.1.3 频率 .52.1.4 线制 .52.1.5 防护等级 .62.2“育鲲”轮电力系统的分析 .72.2.1“育鲲”轮主配电板 .72.2.2 发电机控制屏 .82.2.3 同步屏 .8第 3 章 船舶电力系统电源装置的选择 .93.1 三类负载法 .93.2 负载表的编制 .103.3 发电
10、机组容量和台数选择原则 .103.4 应急发电机容量的确定 .11第 4 章 MATLAB 的介绍 .124.1 Matlab/Simulink 仿真工具 .124.1.1 交互建模 .134.1.2 交互仿真 .134.1.3 用户扩展 .134.1.4 专用模型库(Blocksets): .134.2 模块库的特点 .13IV第 5 章 基于 Matlab 的船舶电力系统仿真研究 .155.1 仿真软件简介 .155.2 直流电压源电路图 .155.2.1 设计流程 .165.2.2 仿真结果 .185.3 交流电压源电路图 .205.3.1 参数设置 .205.3.2 仿真结果 .215
11、.4 电力系统的建模与仿真 .225.4.1 简单电力系统 .225.4.2 无穷大电力系统 .23总 结 .28致 谢 .29参考文献 .301第 1 章 绪论1.1 船舶发电机系统仿真的兴起 船舶发电机系统仿真的研究是伴随着船舶电站技术的发展和系统仿真研究的兴起而开始发展和兴起的。随着船舶电站技术的深入发展，对电站系统的研究提出了更高的要求。现代船舶为了提高性能和加强生命力，要求电气化和自动化的程度不断提高，促使船舶发电机系统的容量也不断增加。随着电站容量的增大，对电站供电的可靠性、连续性、经济性、电能质量以及对船舶电站自动化程度的要求越来越高。如无人驾驶机舱的实现，就要求船舶控制系统实现
12、完全自动化控制。为了更好地研究船舶电站系统，科学工作者们提出了很多研究方法。仿真技术与高性能计算已经被公认为是继理论研究和实验技术之后，认识世界与改造世界的第三种重要手段。作为一门独立的学科，仿真技术己经有了几十年的发展历史，现在已经广泛的应用于工程、商务、管理科学、教学和培训等各个领域。由于电站系统计算的复杂性，以及仿真技术本身所具有的显著优点，人们很自然的把仿真技术应用于电站研究中，从而形成了电站系统的仿真研究体系。1.2 船舶电站系统介绍船 舶 电 站 是 船 上 重 要 的 辅 助 动 力 装 置 ， 供 给 辅 助 机 械 及 全 船 所 需 的 电 力 。 它 是 船 舶电 力 系
13、 统 的 重 要 组 成 部 分 ， 是 产 生 连 续 供 应 全 船 电 能 的 重 要 设 备 。 船 舶 电 站 是 由 原 动机 、 发 电 机 、 附 属 设 备 （ 组 合 成 发 电 机 组 ） 及 配 电 板 组 成 的 。 发电机组就是把化学能转化成电能的装置，通过配电板等进行控制及电力分配。船舶发电机组中带动发电机运转的原动机一般为柴油机，对应的发电机组为柴油发电机组。船舶柴油发电机系统重点研究船舶电站的发电部分，主要是对原动机为柴油机组的系统的发电及供电进行研究。（1）船舶电站的运行状态当船舶运行在不同的工作状况下时，船舶电站也相应的处于不同的运行状态。(a)正常状态：
14、正常情况下向全船供电。(b)停泊状态：在停泊又无岸电供应情况下，向停泊船舶的用电负载供电。(c)应急状态：在紧急情况下，向保证船舶安全所必需的负载供电。(d)其他状态：向全船无线电通讯设备(收发报机等)、各种助航设备(雷达、测向仪、测深仪等)、船内通讯设备(电话、广播等)以及信号报警系统供电。这类用电设备的特点是耗电量不大，但对供电电源的电压、频率、稳压有特殊要求。因此，有时需要设置专门的发电组、整流或逆变装置向全船用电设备供电。总之，不管船舶电站处于什么运行状态，都要求其能连续、可靠、经济和合理地向船舶进行供电。（2）船舶电站的特点船舶电站是船舶电力系统的核心。船舶电站在船舶整体设计中，占有
15、非常重要的位置。尤其是在现代自动化船舶上，各种设备都要用电来控制，这一点就更突出了船舶电站与陆上电站相比有以下几个特点:(a)船舶电站的容量较小(目前世界上最大的船舶电站单机容量达到了数万千瓦，一般万2吨船单机容量为一千千瓦左右)，而某些大电动机容量与电站单机容量可相比拟，因此对电网的影响较大。当电动机起动时，起动电流引起电网电压降落大，使得发电机组的转速和频率波动较大。(b)船舶电站的发电设备和用电设备之间的距离较短，因此在计算电网压降时，往往可以忽略电缆的电抗。(c)船舶电气设备的工作条件非常恶劣，如环境温度高，相对湿度大，存在盐雾、霉菌、油雾，使导电金属受到腐蚀，并使绝缘材料性能降低；船
16、舶的摇摆、倾斜和振动都会影响电气设备运行的可靠性和稳定性。正因为船舶环境对电站系统的独特要求，需要对船舶电站系统模型另行研究，不可以照搬陆上电站系统的模型。需针对船舶电站的特点，建立适合船用的电站系统模型，使其能更好地服务于现代航运事业。1.3 系统仿真研究概况近二十年来，随着系统工程技术的迅速发展，系统仿真技术已从传统工程领域扩展到非工程领域，在社会经济系统、环境生态系统、能源系统、生物医学系统及教育训练系统等各个领域都得到了广泛的应用。系统仿真技术从其广泛的应用中获得了日益强大的生命力，而系统仿真技术的发展反过来又促进了其他领域的研究开发，可谓互惠互利。（1）仿真的三个基本过程仿真是一种基
17、于模型的行为，为了对系统进行分析，需要对系统进行试验。现代系统仿真包括三个基本的过程:系统建模、仿真建模和仿真实验。通过系建模活动，建立实际系统的数学模型；选择适当的软件平台，建立系统的仿真型，就是仿真建模过程；对建立好的仿真模型，进行参数的选择和设置，在计算机上运行，结合实际系统分析运行结果的过程称为仿真实验。一般在分析或设计一个系统时，都需要多次试验、反复进行这三个过程，才能够得出最佳的仿真模型。（2）仿真与系统设计的结合一个较为复杂的系统，其设计过程一般要经历可行性论证、初步设计、详细设计和实施等若干个阶段。在每个阶段中，仿真技术均可提供强有力的技术支持。在可行性论证阶段，可以根据系统设
18、计的目标及边界条件，对各种方案进行定量比较，发现不同方案的优缺点，为系统设计打好基础。在系统设计阶段，设计人员可以利用仿真技术建立和完善系统模型，进行模型试验、模型简化以及模型优化设计。系统设计中经常涉及新的设备、部件或控制装置，对所采用的新装置，可以利用仿真技术进行子系统(实际部件加模型)实验。这样，既可避免由于新子系统的投入对原系统可能造成的破坏或影响，又可大大缩短设计周期，提高系统投入的一次性成功率。例如，我国某电站 25 万 KW 发电机组的安装，事先在电厂仿真系统上已经进行了细致的子系统实验，对全部自动装置的参数都做了整定，在实际机组安装完毕的同时，自动装置也全部调试完成，很快就能投
19、入运行，从而节约了不少的时间。1.4 船舶发电机系统仿真研究现状及存在的一些问题船舶电力系统仿真技术经过几十年的不断发展，不论是在理论上，还是在实践上，都已经取得了丰硕的成果，积累了大量的系统仿真模型和行之有效的仿真算法。国内几所高校成功研制了轮机模拟器，开发了一系列相关的仿真培训软件，使其在船员培训和日常航运技术3人员教学中得到了广泛的应用。除了在仿真模型研制开发上取得了显著成就外，在仿真算法标准化和通用化的开发上也取得了重大突破。过去科研人员通常要手工计算大量的物理方程和数学方程，对每个模型单独编写算法，如龙格一库塔方法、尤拉方法等，编写的算法程序烦琐，缺乏通用型。现在，美国 Mathwo
20、rks 公司推出了 Matlab 应用软件，为各种算法编写了标准通用模块，不同系统之间的模块可以互相交互，大大减少了算法的重复编写工作，为仿真模型中的运算提供了巨大的方便。可视化界面的开发，使得对 Matlab 软件的使用变得越来越简单。言而总之，随着模型和算法的不断完善，电力系统仿真必将拥有非常美好的前景和广阔的发展空间。虽然船舶电力仿真技术正在日新月异地发展，但是目前仍然存在着一些缺陷，主要表现在：(1) 模型方法还不完善研究同一个系统的同一个问题不可以建立出不相同的模型，而且有些非线性问题目前还无法建立出准确的模型进行求解。(2) 仿真算法还不优化当系统模型很大、很复杂时，计算速度很慢，
21、仿真的实时性很差。如仿真两台主发电机组掉闸，由应急发电机组向电网供电的模型，仿真运行时间设定为 5 秒，实际运行大约为200 分钟。(3) 目前各种仿真软件之间的交互性差（4）开发的模型不可脱离其开发软件的编译环境而独立运行，无保密性可言，不利于专利保护。1.5 船舶发电机系统仿真的发展趋势随着计算机技术的不断发展，系统建模和仿真技术也随之发展。由于电力系统的理论研究已经比较成熟，因而船舶发电机系统仿真的发展趋势与系统仿真技术的发展趋势相一致，向着交互性、通用性、可靠性、实用性更强的方向发展。集中在如下几个发面的发展：（1）基于 HLA 的分布式实用交互性应用开发方案；（2）人工智能的分支 C
22、NN（混沌神经网络）在建模中的广泛应用；（3）分布式虚拟环境、智能虚拟环境在电力系统仿真中的应用。4第 2 章 船舶电力系统的分析船舶电力系统是由一个或几个在统一监控之下运行的船舶电源及与之相连接的船舶电网组成的，及向负载供电的整体。船舶电力系统主要由电源装置、配电装置、电力网及用电负载组成。以“育鲲”轮为例，船舶电力系统简图如图 2.1 所示。G1 M一号发电机二号发电机轴带发电机应急发电机 应急负荷G2SG分配电板正常负荷变压器正常照明冲电联络开关EG变压器应急照明图 2.1 “育鲲”轮电力系统“育鲲”轮电力系统电源由两台主发电机、一台轴带发电机和一台应急发电机组成。主发电机组布置在辅助机
23、舱内，每台额定功率为 515KW，其轴线与船中心线平行，机组采用减振器安装。轴带发电机由主机通过增速齿轮箱及相应设备传动，额定功率为 650KW，用于向全船各种用电负荷供电。应急发电机组安装在应急发电机室，额定功率为 150KW。当主电源供电失效时应急发电机在 45S 内自动起动，向无线电设备、通信设备、航行设备、应急照明、舵机和应急消防泵、辅空压机等负载供电。2.1 船舶电力系统的基本参数船舶电力系统包含船舶电站和船舶电力网两大部分，担负着将不同形式的能量转换成电能，并且将电能输送分配给各用电设备的任务。船舶电力系统包括:原动机和发电机组成的发电机组；各种控制、监视和保护电器的配电设备；导线
24、和电缆等组成的电网。船舶电力系统的主要参数，决定着船上主要电气设备的品种及规格。这些参数分别是:电制、电压、频率和线制等。52.1.1 电制船舶电力系统所采用的电流种类称为电制，存在着两种电制，即交流、直流。目前无论是民用船舶还是舰艇都是采用交流电。与直流电制相比，交流电制有以下几个优点:(l)船舶电气设备各种电机和电器，交流电机没有整流子，结构简单、体积小、质量轻、运行可靠，鼠笼式异步电动机，起动控制设备少；(2)通过变压器，可以方便地将电压变换成各种负载所需要的电压等级，使照明网络与动力网络没有直接电的联系；(3)交流电的采用使岸电连接变得更加容易。2.1.2 电压普通船舶的电压等级为低压
25、，船舶低压电力系统广泛采用 50Hz、350V 或 60Hz、440V。中国船级社钢质海船入级与建造规范和内河船舶入级与建造规范规定:一般交流电网采用 50Hz、38OV；固定安装的电气设备电压采用 380V 或 22OV；可携电气设备电压选用24V。考虑到输电线路引起的电压下降，低压电力系统的电源电压比用电设备的高。陆地规定高 5%，如系统电压为 38OV，则发电机电压为 400V；系统电压为 44OV，则发电机电压为460V。 “育鲲”轮电力系统和福建自动化实训电站选用的均为 50Hz、 380V。2.1.3 频率船舶交流电力系统现行的额定频率有 50Hz 和 60Hz 两种。使用 60H
26、z 的额定频率同步发电机具有较高的同步转速，使用 50Hz 的额定频率同步发电机具有较低的电磁损耗。我国钢质海船入级与建造规范船用电源频率规定,交流配电系统的标准频率为 50Hz 或60Hz。新设计制造的船舶除出口船舶采用 60Hz 的频率外，国内船舶电源与陆用电源一律采用 50Hz 为标准频率。2.1.4 线制配电线制是指用几根导线配电输电。交流电力系统由三相电源供电，三相电源是指电源设备中有 3 个电源，3 个交流电源的交变在时间上相差 1200，3 个电源是 UIUZ、VIVZ 和WIWZ。当外部三相负载相等即三相负载平衡时，电源和负载的 3 个尾端可分别连在一起。首端的出线称为相线，U、v、w 或 A、B、C 或 R、S、T，连在一起的尾端称为中点或中性点，出线称为中线 N。图 2.2 三相电源的组成和出线
