一种船舶电力系统动态实时仿真方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于船舶电力系统技术领域，具体设及一种船舶电力系统动态实时仿真方 法。
【背景技术】
[0002] 船舶电力系统是独立电力系统，不同于陆地无穷大电网，其核屯、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。
[0003] 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W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】
[0004] 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。
[0005] 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W下步 骤：
[0006] 步骤1，获取船舶电力系统中各发电机的运行状态；
[0007] 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dqO坐标系变换到同一xyO同步坐标系中；
[000引步骤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；
[0009] 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；
[0010] 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W及负载的参数；
[0011] 步骤6,输出并显示计算结果；
[0012] 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。
[0013] 进一步地，所述计算各子网中各发电机、母排W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。
[0014] 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】
[0015] 图1为本发明的仿真流程图
[0016] 图2为船舶电力系统基本组成及相互联系示意图。
[0017] 图3为dqO坐标系到xyO同步坐标系的坐标变换示意图。
[0018]图4为典型船舶电力系统。
[0019] 图5为突加功率因素0.4,标么值为2的负载时发电机端电压有效值（标么值）的 变化示意图。
[0020] 图6为突卸功率因素0.4,标么值为2的负载时发电机端电压有效值（标么值）的 变化示意图。
[0021] 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（标么值）的变 化示意图。
[0022] 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（标么值）的变 化示意图。
[0023] 图9为双机并联运行转=机并联运行手动并网前后发电机电流有效值（标么值） 的变化示意图。
[0024] 图10为双机并联运行转=机并联运行手动并车前后发电机功率有效值（标么值） 的变化示意图。
[00巧]图11为=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（标么值） 的变化示意图。
[00%]图12为=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（标么值） 的变化示意图。
【具体实施方式】
[0027] 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。
[0028] 如图1所示，本发明船舶电力系统动态实时仿真方法包括W下步骤：
[0029] 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；
[0030]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'。，并将所有发电机的q轴瞬变电动势分别从各自的dqO坐标系变换到同一 xyO同步坐标系中；
[0031] 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W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P。不平衡引起发 电机转速《和转子角5的变化。转子角5用于发电机dqO坐标下的电量和网络xyO同步 坐标下的电量间的接口。发电机电磁方程W励磁系统输出6f为输入，发电机端电压和电流 经坐标变换可跟网络xyO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Vfw比较W控制励磁系统输出。发电机的输出电磁功率P。将影响发电机转速《和 转子角5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。
[0032] 在此，将各元件数学模型统一到W同步转速旋转的如图3所示的xyO同步坐标系 中，图3中其中，《为xyO同步坐标系的旋转角速度，为1号发电机diQiO坐标系的旋转 角速度，为2号发电机cUzO同步坐标系的旋转角速度，为q湘与X轴之间的夹角， S2为Q2轴与X轴之间的夹角，E'qi、E'分别为1号、2号发电机q轴瞬变电动势，VI、 V2分别为1号、2号发电机电压，Ii、I2分别为1号、2号发电机电流，0 1、0 2分别为1号、2 号发电机电压与各自电流之间的夹角。 阳03引将dqO坐标系中电量变换到xyO同步坐标系中的变换为fwj=Tfdq。，其中fdq。表示dqO坐标系中的电量，fxy。表示xyO同步坐标系中的电量，
％变换矩阵， dqO坐标系中的电量变换到xyO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dqO坐标系变换