電氣工程與自動化畢業(yè)論文基于matlabsimulink的船舶電力系統(tǒng)建模與故障仿真

1、<p>　　本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)</p><p>　　基于MATLAB/simulink的船舶電力系統(tǒng)建模與故障仿真</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級 電氣工程與自動化 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)

2、號 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要 </b></p><p>　　隨著船舶大型化、多功能化和節(jié)能化的發(fā)展，對船舶電力系統(tǒng)的

3、要求越來越高。船舶電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)是船舶總體設(shè)計(jì)的最重要內(nèi)容之一，船舶電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)劣直接關(guān)系到電站供電的連續(xù)性、經(jīng)濟(jì)性、電能質(zhì)量，保證船舶電氣設(shè)備的安全可靠地工作，進(jìn)而確保船舶、船上貨物和人員安全。</p><p>　　Matlab軟件是一種用于對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包，它已廣泛地在電力系統(tǒng)中得到應(yīng)用。</p><p>　　本文主要介紹了MATLAB軟件在船舶電力系統(tǒng)中的運(yùn)用

4、，以及MATLAB環(huán)境下的動態(tài)仿真工具Simulink和電力系統(tǒng)工具箱PSB（Power System Blockset）的功能與特點(diǎn)（其中PSB 是專門為電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的仿真分析軟件）。在對其模塊進(jìn)行說明之后，通過simulink對幾個(gè)簡單電力系統(tǒng)實(shí)例進(jìn)行建模，設(shè)置參數(shù)和仿真分析 。</p><p>　　論文中先從兩個(gè)小的電路元件：直流電壓源電路和交流電壓源電路來對Simulink的建模與仿真進(jìn)行詳細(xì)說明，包括參

5、數(shù)的設(shè)定，模塊的選擇和波形的分析。然后建立了一個(gè)單機(jī)無窮大電力系統(tǒng)模型，以一個(gè)勵(lì)磁系統(tǒng)來調(diào)節(jié)三相電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）用來提高發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電壓來控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。最后通過示波器觀察發(fā)電機(jī)的功角、轉(zhuǎn)速、電磁功率以及機(jī)端電壓的波形來完成本次船舶電力系統(tǒng)的建模與仿真。</p><p>　　關(guān)鍵詞: 船舶電力系統(tǒng)；建模；仿真；Matlab/simulink</p><p><

6、b>　　Abstract</b></p><p>　　With 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

7、important part of ship design,advantage 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 wo

8、rk,thereby ensuring that the ship,cargo and persinnel safety.</p><p>　　Matlab is a kind of dynamic system used for modeling, simulation and analysising software package, it has been widely applied in the pow

9、er system. </p><p>　　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 analysi

10、s software specially designed for the power system, after explaining its modules, by anglicizing, parametering and designing a simple example of power system, then obtained the simulation results. </p><p>　　

11、The first, the paper explain the modeling and simulation of Simulink in detail according to two small circuit element: dc voltage source circuit element and ac voltage circuit element,including parameters, the choice and

12、 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) to control

13、 system stability with improve the voltage of generator exci</p><p>　　Key words：Marine Power System;Power system; Modeling; Matlab/simulink</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>

14、<b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1船舶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)仿真的興起1</p><p>　　1.2船舶電站系統(tǒng)介紹1</p><p>　　1.3系統(tǒng)仿真研究概況2</p><p>　　1.4船舶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)仿真研究現(xiàn)狀及存在的一些問題2</p><p>　　1.5 船舶

15、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)仿真的發(fā)展趨勢3</p><p>　　第2章 船舶電力系統(tǒng)的分析4</p><p>　　2.1船舶電力系統(tǒng)的基本參數(shù)4</p><p><b>　　2.1.1電制5</b></p><p><b>　　2.1.2電壓5</b></p><p><b

16、>　　2.1.3頻率5</b></p><p><b>　　2.1.4線制5</b></p><p>　　2.1.5防護(hù)等級6</p><p>　　2.2“育鯤”輪電力系統(tǒng)的分析7</p><p>　　2.2.1“育鯤”輪主配電板7</p><p>　　2.2.2 發(fā)電

17、機(jī)控制屏8</p><p>　　2.2.3 同步屏8</p><p>　　第3章 船舶電力系統(tǒng)電源裝置的選擇9</p><p>　　3.1三類負(fù)載法9</p><p>　　3.2負(fù)載表的編制10</p><p>　　3.3發(fā)電機(jī)組容量和臺數(shù)選擇原則10</p><p>　　3.4應(yīng)

18、急發(fā)電機(jī)容量的確定11</p><p>　　第4章 MATLAB的介紹12</p><p>　　4.1 Matlab/Simulink 仿真工具12</p><p>　　4.1.1交互建模13</p><p>　　4.1.2交互仿真13</p><p>　　4.1.3用戶擴(kuò)展13</p>&

19、lt;p>　　4.1.4專用模型庫(Blocksets):13</p><p>　　4.2模塊庫的特點(diǎn)13</p><p>　　第5章 基于Matlab的船舶電力系統(tǒng)仿真研究15</p><p>　　5.1 仿真軟件簡介15</p><p>　　5.2 直流電壓源電路圖15</p><p>　　5.2.

20、1設(shè)計(jì)流程16</p><p>　　5.2.2仿真結(jié)果18</p><p>　　5.3交流電壓源電路圖20</p><p>　　5.3.1參數(shù)設(shè)置20</p><p>　　5.3.2仿真結(jié)果21</p><p>　　5.4電力系統(tǒng)的建模與仿真22</p><p>　　5.4.1簡單電

21、力系統(tǒng)22</p><p>　　5.4.2無窮大電力系統(tǒng)23</p><p><b>　　總 結(jié)28</b></p><p><b>　　致 謝29</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)30</b></p><p><b>

22、　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1船舶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)仿真的興起 </p><p>　　船舶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)仿真的研究是伴隨著船舶電站技術(shù)的發(fā)展和系統(tǒng)仿真研究的興起而開始發(fā)展和興起的。</p><p>　　隨著船舶電站技術(shù)的深入發(fā)展，對電站系統(tǒng)的研究提出了更高的要求。現(xiàn)代船舶為了提高性能和加強(qiáng)生命力，要求電氣化和自動化的程度不斷提高，促使船舶發(fā)電

23、機(jī)系統(tǒng)的容量也不斷增加。隨著電站容量的增大，對電站供電的可靠性、連續(xù)性、經(jīng)濟(jì)性、電能質(zhì)量以及對船舶電站自動化程度的要求越來越高。如無人駕駛機(jī)艙的實(shí)現(xiàn)，就要求船舶控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)完全自動化控制。</p><p>　　為了更好地研究船舶電站系統(tǒng)，科學(xué)工作者們提出了很多研究方法。仿真技術(shù)與高性能計(jì)算已經(jīng)被公認(rèn)為是繼理論研究和實(shí)驗(yàn)技術(shù)之后，認(rèn)識世界與改造世界的第三種重要手段。作為一門獨(dú)立的學(xué)科，仿真技術(shù)己經(jīng)有了幾十年的發(fā)展歷

24、史，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于工程、商務(wù)、管理科學(xué)、教學(xué)和培訓(xùn)等各個(gè)領(lǐng)域。由于電站系統(tǒng)計(jì)算的復(fù)雜性，以及仿真技術(shù)本身所具有的顯著優(yōu)點(diǎn)，人們很自然的把仿真技術(shù)應(yīng)用于電站研究中，從而形成了電站系統(tǒng)的仿真研究體系。</p><p>　　1.2船舶電站系統(tǒng)介紹</p><p>　　船舶電站是船上重要的輔助動力裝置，供給輔助機(jī)械及全船所需的電力。它是船舶電力系統(tǒng)的重要組成部分，是產(chǎn)生連續(xù)供應(yīng)全船電能的重要

25、設(shè)備。船舶電站是由原動機(jī)、發(fā)電機(jī)、附屬設(shè)備（組合成發(fā)電機(jī)組）及配電板組成的。發(fā)電機(jī)組就是把化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的裝置，通過配電板等進(jìn)行控制及電力分配。船舶發(fā)電機(jī)組中帶動發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的原動機(jī)一般為柴油機(jī)，對應(yīng)的發(fā)電機(jī)組為柴油發(fā)電機(jī)組。船舶柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)重點(diǎn)研究船舶電站的發(fā)電部分，主要是對原動機(jī)為柴油機(jī)組的系統(tǒng)的發(fā)電及供電進(jìn)行研究。</p><p>　?。?）船舶電站的運(yùn)行狀態(tài)</p><p>　　

26、當(dāng)船舶運(yùn)行在不同的工作狀況下時(shí)，船舶電站也相應(yīng)的處于不同的運(yùn)行狀態(tài)。(a)正常狀態(tài)：正常情況下向全船供電。(b)停泊狀態(tài)：在停泊又無岸電供應(yīng)情況下，向停泊船舶的用電負(fù)載供電。(c)應(yīng)急狀態(tài)：在緊急情況下，向保證船舶安全所必需的負(fù)載供電。(d)其他狀態(tài)：向全船無線電通訊設(shè)備(收發(fā)報(bào)機(jī)等)、各種助航設(shè)備(雷達(dá)、測向儀、測深儀等)、船內(nèi)通訊設(shè)備(電話、廣播等)以及信號報(bào)警系統(tǒng)供電。這類用電設(shè)備的特點(diǎn)是耗電量不大，但對供電電源的電壓、頻率、穩(wěn)壓

27、有特殊要求。因此，有時(shí)需要設(shè)置專門的發(fā)電組、整流或逆變裝置向全船用電設(shè)備供電。總之，不管船舶電站處于什么運(yùn)行狀態(tài)，都要求其能連續(xù)、可靠、經(jīng)濟(jì)和合理地向船舶進(jìn)行供電。</p><p>　?。?）船舶電站的特點(diǎn)</p><p>　　船舶電站是船舶電力系統(tǒng)的核心。船舶電站在船舶整體設(shè)計(jì)中，占有非常重要的位置。尤其是在現(xiàn)代自動化船舶上，各種設(shè)備都要用電來控制，這一點(diǎn)就更突出了船舶電站與陸上電站相比

28、有以下幾個(gè)特點(diǎn):</p><p>　　(a)船舶電站的容量較小(目前世界上最大的船舶電站單機(jī)容量達(dá)到了數(shù)萬千瓦，一般萬噸船單機(jī)容量為一千千瓦左右)，而某些大電動機(jī)容量與電站單機(jī)容量可相比擬，因此對電網(wǎng)的影響較大。當(dāng)電動機(jī)起動時(shí)，起動電流引起電網(wǎng)電壓降落大，使得發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速和頻率波動較大。</p><p>　　(b)船舶電站的發(fā)電設(shè)備和用電設(shè)備之間的距離較短，因此在計(jì)算電網(wǎng)壓降時(shí)，往往可以

29、忽略電纜的電抗。</p><p>　　(c)船舶電氣設(shè)備的工作條件非常惡劣，如環(huán)境溫度高，相對濕度大，存在鹽霧、霉菌、油霧，使導(dǎo)電金屬受到腐蝕，并使絕緣材料性能降低；船舶的搖擺、傾斜和振動都會影響電氣設(shè)備運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。</p><p>　　正因?yàn)榇碍h(huán)境對電站系統(tǒng)的獨(dú)特要求，需要對船舶電站系統(tǒng)模型另行研究，不可以照搬陸上電站系統(tǒng)的模型。需針對船舶電站的特點(diǎn)，建立適合船用的電站系統(tǒng)模

30、型，使其能更好地服務(wù)于現(xiàn)代航運(yùn)事業(yè)。</p><p>　　1.3系統(tǒng)仿真研究概況</p><p>　　近二十年來，隨著系統(tǒng)工程技術(shù)的迅速發(fā)展，系統(tǒng)仿真技術(shù)已從傳統(tǒng)工程領(lǐng)域擴(kuò)展到非工程領(lǐng)域，在社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、生物醫(yī)學(xué)系統(tǒng)及教育訓(xùn)練系統(tǒng)等各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。系統(tǒng)仿真技術(shù)從其廣泛的應(yīng)用中獲得了日益強(qiáng)大的生命力，而系統(tǒng)仿真技術(shù)的發(fā)展反過來又促進(jìn)了其他領(lǐng)域的研究開發(fā)，可

31、謂互惠互利。</p><p>　?。?）仿真的三個(gè)基本過程</p><p>　　仿真是一種基于模型的行為，為了對系統(tǒng)進(jìn)行分析，需要對系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)?，F(xiàn)代系統(tǒng)仿真包括三個(gè)基本的過程:系統(tǒng)建模、仿真建模和仿真實(shí)驗(yàn)。通過系建?；顒?，建立實(shí)際系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；選擇適當(dāng)?shù)能浖脚_，建立系統(tǒng)的仿真型，就是仿真建模過程；對建立好的仿真模型，進(jìn)行參數(shù)的選擇和設(shè)置，在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)分析運(yùn)行結(jié)果的過程

32、稱為仿真實(shí)驗(yàn)。一般在分析或設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)時(shí)，都需要多次試驗(yàn)、反復(fù)進(jìn)行這三個(gè)過程，才能夠得出最佳的仿真模型。</p><p>　?。?）仿真與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的結(jié)合</p><p>　　一個(gè)較為復(fù)雜的系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)過程一般要經(jīng)歷可行性論證、初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)和實(shí)施等若干個(gè)階段。在每個(gè)階段中，仿真技術(shù)均可提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。在可行性論證階段，可以根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)及邊界條件，對各種方案進(jìn)行定量比較，發(fā)現(xiàn)

33、不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)打好基礎(chǔ)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員可以利用仿真技術(shù)建立和完善系統(tǒng)模型，進(jìn)行模型試驗(yàn)、模型簡化以及模型優(yōu)化設(shè)計(jì)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中經(jīng)常涉及新的設(shè)備、部件或控制裝置，對所采用的新裝置，可以利用仿真技術(shù)進(jìn)行子系統(tǒng)(實(shí)際部件加模型)實(shí)驗(yàn)。這樣，既可避免由于新子系統(tǒng)的投入對原系統(tǒng)可能造成的破壞或影響，又可大大縮短設(shè)計(jì)周期，提高系統(tǒng)投入的一次性成功率。例如，我國某電站25萬KW發(fā)電機(jī)組的安裝，事先在電廠仿真系統(tǒng)上已經(jīng)進(jìn)行了細(xì)致的

34、子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，對全部自動裝置的參數(shù)都做了整定，在實(shí)際機(jī)組安裝完畢的同時(shí)，自動裝置也全部調(diào)試完成，很快就能投入運(yùn)行，從而節(jié)約了不少的時(shí)間。</p><p>　　1.4船舶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)仿真研究現(xiàn)狀及存在的一些問題</p><p>　　船舶電力系統(tǒng)仿真技術(shù)經(jīng)過幾十年的不斷發(fā)展，不論是在理論上，還是在實(shí)踐上，都已經(jīng)取得了豐碩的成果，積累了大量的系統(tǒng)仿真模型和行之有效的仿真算法。國內(nèi)幾所高校成功研制了輪

35、機(jī)模擬器，開發(fā)了一系列相關(guān)的仿真培訓(xùn)軟件，使其在船員培訓(xùn)和日常航運(yùn)技術(shù)人員教學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用。除了在仿真模型研制開發(fā)上取得了顯著成就外，在仿真算法標(biāo)準(zhǔn)化和通用化的開發(fā)上也取得了重大突破。過去科研人員通常要手工計(jì)算大量的物理方程和數(shù)學(xué)方程，對每個(gè)模型單獨(dú)編寫算法，如龍格一庫塔方法、尤拉方法等，編寫的算法程序煩瑣，缺乏通用型?，F(xiàn)在，美國Mathworks公司推出了Matlab應(yīng)用軟件，為各種算法編寫了標(biāo)準(zhǔn)通用模塊，不同系統(tǒng)之間的模塊可以

36、互相交互，大大減少了算法的重復(fù)編寫工作，為仿真模型中的運(yùn)算提供了巨大的方便。可視化界面的開發(fā)，使得對Matlab軟件的使用變得越來越簡單。言而總之，隨著模型和算法的不斷完善，電力系統(tǒng)仿真必將擁有非常美好的前景和廣闊的發(fā)展空間。雖然船舶電力仿真技術(shù)正在日新月異地發(fā)展，但是目前仍然存在著一些缺陷，主要表現(xiàn)在：</p><p>　　(1) 模型方法還不完善</p><p>　　研究同一個(gè)系統(tǒng)的同

37、一個(gè)問題不可以建立出不相同的模型，而且有些非線性問題目前還無法建立出準(zhǔn)確的模型進(jìn)行求解。</p><p>　　(2) 仿真算法還不優(yōu)化</p><p>　　當(dāng)系統(tǒng)模型很大、很復(fù)雜時(shí)，計(jì)算速度很慢，仿真的實(shí)時(shí)性很差。如仿真兩臺主發(fā)電機(jī)組掉閘，由應(yīng)急發(fā)電機(jī)組向電網(wǎng)供電的模型，仿真運(yùn)行時(shí)間設(shè)定為5秒，實(shí)際運(yùn)行大約為200分鐘。</p><p>　　(3) 目前各種仿真軟件

38、之間的交互性差</p><p>　?。?）開發(fā)的模型不可脫離其開發(fā)軟件的編譯環(huán)境而獨(dú)立運(yùn)行，無保密性可言，不利于專利保護(hù)。</p><p>　　1.5 船舶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)仿真的發(fā)展趨勢</p><p>　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，系統(tǒng)建模和仿真技術(shù)也隨之發(fā)展。由于電力系統(tǒng)的理論研究已經(jīng)比較成熟，因而船舶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)仿真的發(fā)展趨勢與系統(tǒng)仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢相一致，向著交互性

39、、通用性、可靠性、實(shí)用性更強(qiáng)的方向發(fā)展。集中在如下幾個(gè)發(fā)面的發(fā)展：</p><p>　?。?）基于HLA的分布式實(shí)用交互性應(yīng)用開發(fā)方案；</p><p>　?。?）人工智能的分支CNN（混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）在建模中的廣泛應(yīng)用；</p><p>　?。?）分布式虛擬環(huán)境、智能虛擬環(huán)境在電力系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用。</p><p>　　第2章 船舶電力系統(tǒng)

40、的分析</p><p>　　船舶電力系統(tǒng)是由一個(gè)或幾個(gè)在統(tǒng)一監(jiān)控之下運(yùn)行的船舶電源及與之相連接的船舶電網(wǎng)組成的，及向負(fù)載供電的整體。船舶電力系統(tǒng)主要由電源裝置、配電裝置、電力網(wǎng)及用電負(fù)載組成。以“育鯤”輪為例，船舶電力系統(tǒng)簡圖如圖2.1所示。</p><p>　　圖2.1 “育鯤”輪電力系統(tǒng)</p><p>　　“育鯤”輪電力系統(tǒng)電源由兩臺主發(fā)電機(jī)、一臺軸帶發(fā)電機(jī)和

41、一臺應(yīng)急發(fā)電機(jī)組成。主發(fā)電機(jī)組布置在輔助機(jī)艙內(nèi)，每臺額定功率為515KW，其軸線與船中心線平行，機(jī)組采用減振器安裝。軸帶發(fā)電機(jī)由主機(jī)通過增速齒輪箱及相應(yīng)設(shè)備傳動，額定功率為650KW，用于向全船各種用電負(fù)荷供電。應(yīng)急發(fā)電機(jī)組安裝在應(yīng)急發(fā)電機(jī)室，額定功率為150KW。當(dāng)主電源供電失效時(shí)應(yīng)急發(fā)電機(jī)在45S內(nèi)自動起動，向無線電設(shè)備、通信設(shè)備、航行設(shè)備、應(yīng)急照明、舵機(jī)和應(yīng)急消防泵、輔空壓機(jī)等負(fù)載供電。</p><p>　

42、　2.1船舶電力系統(tǒng)的基本參數(shù)</p><p>　　船舶電力系統(tǒng)包含船舶電站和船舶電力網(wǎng)兩大部分，擔(dān)負(fù)著將不同形式的能量轉(zhuǎn)換成電能，并且將電能輸送分配給各用電設(shè)備的任務(wù)。船舶電力系統(tǒng)包括:原動機(jī)和發(fā)電機(jī)組成的發(fā)電機(jī)組；各種控制、監(jiān)視和保護(hù)電器的配電設(shè)備；導(dǎo)線和電纜等組成的電網(wǎng)。船舶電力系統(tǒng)的主要參數(shù)，決定著船上主要電氣設(shè)備的品種及規(guī)格。這些參數(shù)分別是:電制、電壓、頻率和線制等。</p><p&

43、gt;<b>　　2.1.1電制</b></p><p>　　船舶電力系統(tǒng)所采用的電流種類稱為電制，存在著兩種電制，即交流、直流。目前無論是民用船舶還是艦艇都是采用交流電。與直流電制相比，交流電制有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):</p><p>　　(l)船舶電氣設(shè)備各種電機(jī)和電器，交流電機(jī)沒有整流子，結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)</p><p>　　量輕、運(yùn)行可靠，

44、鼠籠式異步電動機(jī)，起動控制設(shè)備少；</p><p>　　(2)通過變壓器，可以方便地將電壓變換成各種負(fù)載所需要的電壓等級，使照明網(wǎng)絡(luò)與動力網(wǎng)絡(luò)沒有直接電的聯(lián)系；</p><p>　　(3)交流電的采用使岸電連接變得更加容易。</p><p><b>　　2.1.2電壓</b></p><p>　　普通船舶的電壓等級為低壓

45、，船舶低壓電力系統(tǒng)廣泛采用50Hz、350V或60Hz、440V。中國船級社《鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范》和《內(nèi)河船舶入級與建造規(guī)范》規(guī)定:一般交流電網(wǎng)采用50Hz、38OV；固定安裝的電氣設(shè)備電壓采用380V或22OV；可攜電氣設(shè)備電壓選用24V。</p><p>　　考慮到輸電線路引起的電壓下降，低壓電力系統(tǒng)的電源電壓比用電設(shè)備的高。陸地規(guī)定高5%，如系統(tǒng)電壓為38OV，則發(fā)電機(jī)電壓為400V；系統(tǒng)電壓為44OV

46、，則發(fā)電機(jī)電壓為460V?！坝H”輪電力系統(tǒng)和福建自動化實(shí)訓(xùn)電站選用的均為50Hz、 380V。</p><p><b>　　2.1.3頻率</b></p><p>　　船舶交流電力系統(tǒng)現(xiàn)行的額定頻率有50Hz和60Hz兩種。使用60Hz的額定頻率同步發(fā)電機(jī)具有較高的同步轉(zhuǎn)速，使用50Hz的額定頻率同步發(fā)電機(jī)具有較低的電磁損耗。</p><p>

47、;　　我國鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范船用電源頻率規(guī)定,交流配電系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)頻率為50Hz或60Hz。新設(shè)計(jì)制造的船舶除出口船舶采用60Hz的頻率外，國內(nèi)船舶電源與陸用電源一律采用50Hz為標(biāo)準(zhǔn)頻率。</p><p><b>　　2.1.4線制</b></p><p>　　配電線制是指用幾根導(dǎo)線配電輸電。交流電力系統(tǒng)由三相電源供電，三相電源是指電源設(shè)備中有3個(gè)電源，3個(gè)交流電

48、源的交變在時(shí)間上相差1200，3個(gè)電源是UIUZ、VIVZ和WIWZ。當(dāng)外部三相負(fù)載相等即三相負(fù)載平衡時(shí)，電源和負(fù)載的3個(gè)尾端可分別連在一起。首端的出線稱為相線，U、v、w或A、B、C或R、S、T，連在一起的尾端稱為中點(diǎn)或中性點(diǎn)，出線稱為中線N。</p><p>　　圖2.2三相電源的組成和出線</p><p>　　三相電源用三根線配電傳輸稱為三相三線制。中點(diǎn)不出線，3個(gè)電源與“地”即船體

49、之間沒有聯(lián)系、是絕緣的，這種配電系統(tǒng)稱為三相三線絕緣系統(tǒng)。船舶低壓電力系統(tǒng)基本上都采用這種配電系統(tǒng)，福建自動化實(shí)訓(xùn)電站采用的是三相三線制的絕緣系統(tǒng)。</p><p><b>　　2.1.5防護(hù)等級</b></p><p>　　電氣設(shè)備是由執(zhí)行該設(shè)備功能的若干元器件和連接導(dǎo)線組成的。外面用罩殼加以防護(hù)，防止固體和液體進(jìn)入。</p><p>　　固

50、體進(jìn)入設(shè)備會造成機(jī)械損壞，金屬固體進(jìn)入會引起短路，人體某部分例如手指進(jìn)入會觸電或損傷。液體進(jìn)入設(shè)備會會引起絕緣下降、短路。</p><p>　　低壓電氣設(shè)備的絕緣介質(zhì)是空氣。工作時(shí)一部分電能將轉(zhuǎn)換成器件的導(dǎo)體和連接導(dǎo)線的發(fā)熱損耗。周圍空氣溫度越高，元器件達(dá)到穩(wěn)定的溫度越高。元器件和導(dǎo)線的絕緣材料所能承受的溫度是有限的，溫度超過就會使絕緣老化、損壞。</p><p>　　外殼防護(hù)的作用是將設(shè)

51、備的元器件和導(dǎo)線與外部隔離。隔離影響內(nèi)部溫度與外部環(huán)境溫度交換。外殼的封閉程度由所安裝的部位決定。部位不同，防護(hù)要求也不同。</p><p>　　外殼的封閉程度有:防滴、防濺、防塵、防爆、水密等。這種程度上的描述只有定性而沒有定量，難以對設(shè)備的封閉程度進(jìn)行考核。因此，國際電工委員會制訂出“外殼防護(hù)等級分類”的規(guī)定。</p><p>　　防護(hù)等級用IP口口表示。IP是防護(hù)的特征字母，隨后是2

52、位特征數(shù)字，前位數(shù)表示對固體的防護(hù)程度；后位數(shù)表示對液體的防護(hù)程度。數(shù)字越大防護(hù)等級越高，反之越低。防護(hù)特征數(shù)字表示的防護(hù)等級如表2.1和表2.2所示。</p><p>　　表2.1 第1位特征數(shù)字表示的防護(hù)等級</p><p>　　表2.2 第2位特征數(shù)字表示的防護(hù)等級</p><p>　　2.2“育鯤”輪電力系統(tǒng)的分析</p><p&g

53、t;　　2.2.1“育鯤”輪主配電板</p><p>　　船舶主配電板是指由主電源直接供電、并分配和控制電能至船上各種設(shè)備的開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備組件。</p><p>　　主配電板的主電路結(jié)構(gòu)一般用單線圖表示，單線圖是用一根線來表示交流單相的2根線、3相的3根線。</p><p>　　“育組”輪的主配電板是由4個(gè)38OV負(fù)載屏、l個(gè)220V負(fù)載屏、4個(gè)組合起動屏、1個(gè)

54、同步并車屏、4個(gè)發(fā)電機(jī)控制屏、1個(gè)側(cè)推及岸電屏組成的。應(yīng)急配電板是由1個(gè)應(yīng)急發(fā)電機(jī)控制屏、1個(gè)380v負(fù)載屏、1個(gè)200V負(fù)載屏組成的，一共分為19屏。這里對主配電板s5一s10配電屏為例，s5一s10配電屏的組成詳見表2.3。</p><p>　　表2.3“育鯤”輪主配電板s5-s10配電屏的組成</p><p>　　2.2.2 發(fā)電機(jī)控制屏</p><p>　　

55、發(fā)電機(jī)控制屏用來控制和監(jiān)視主發(fā)電機(jī)的運(yùn)行?？刂破恋那懊姘逡话惴譃樯舷聝刹糠?，上部安裝指示和操作器件，下部安裝發(fā)電機(jī)開關(guān)。發(fā)電機(jī)控制屏的主體是發(fā)電機(jī)開關(guān)，控制發(fā)電機(jī)向母線供電每臺發(fā)電機(jī)都是由三極空氣開關(guān)保護(hù)，該開關(guān)具有欠壓脫扣、過載逆時(shí)限脫扣、短延時(shí)脫扣和過電流瞬時(shí)脫扣等裝置，這些主空氣開關(guān)均為抽屜式。主配電板具有優(yōu)先脫扣系統(tǒng)，一旦發(fā)電機(jī)過載時(shí)，在發(fā)電機(jī)主開關(guān)斷開之前，使非重要設(shè)備自動斷開；優(yōu)先脫扣報(bào)警在機(jī)艙集控室。</p>

56、<p>　　在柴油發(fā)電機(jī)控制屏上可以進(jìn)行的操作過程有:發(fā)電柴油機(jī)的正常起動與停車，發(fā)電柴油機(jī)的應(yīng)急停車，發(fā)電機(jī)任一相電流與任一線電壓的測量選擇，監(jiān)視發(fā)電機(jī)的功率、功率因數(shù)、頻率及工作時(shí)間等各參數(shù)。能夠進(jìn)行故障報(bào)警，還能夠執(zhí)行外部短路、過流、失壓、逆功率等保護(hù)措施。</p><p><b>　　2.2.3 同步屏</b></p><p>　　同步屏也稱為并車

57、屏，是用來控制發(fā)電機(jī)投入或退出電網(wǎng)運(yùn)行的。同步屏的主體是母線隔離開關(guān)，也稱為隔離屏。隔離開關(guān)是在母線上發(fā)生短路故障時(shí)，或者在兩側(cè)發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行有困難時(shí)才分?jǐn)?。面板操作器件，設(shè)置操作發(fā)電機(jī)開關(guān)分、合閘的按鈕和相應(yīng)的指示燈，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)頻率的調(diào)速開關(guān)，調(diào)節(jié)電壓的電位器和防止發(fā)電機(jī)內(nèi)部空間受潮的加熱開關(guān)等。</p><p>　　同步屏的主要操作任務(wù)是操作各臺發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行。發(fā)電機(jī)投入母線與其它發(fā)電機(jī)并聯(lián)，需要進(jìn)行同步操作

58、。準(zhǔn)備投入并聯(lián)的發(fā)電機(jī)稱為待并發(fā)電機(jī)。同步操作是根據(jù)同步指示器顯示的待并與母線發(fā)電機(jī)的同步狀態(tài)，用調(diào)速伺服開關(guān)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的頻率，使兩側(cè)發(fā)電機(jī)盡量接近同步，在指示相角重合的時(shí)刻，操作發(fā)電機(jī)開關(guān)合閘。考慮到同步指示器可能失效，同時(shí)使用同步指示燈。同步指示器和同步指示燈各機(jī)公用，用同步指示開關(guān)選擇接入待并發(fā)電機(jī)。另外設(shè)有指示母線和發(fā)電機(jī)的電壓表、頻率表，用同步指示開關(guān)選擇接入。</p><p>　　第3章 船舶電力系

59、統(tǒng)電源裝置的選擇</p><p>　　船舶電站是由電源裝置和配電設(shè)備組成的。船舶電源分為主電源、應(yīng)急電源和臨時(shí)應(yīng)急電源。電源通過配電設(shè)備的控制，再經(jīng)過輸電線路向用電設(shè)備供電。</p><p>　　(l)主電源是船舶正常情況下使用的電源，通過主配電板向全船所有設(shè)備配電。主電源是設(shè)在機(jī)艙的發(fā)動機(jī)組，至少要設(shè)置兩臺。主發(fā)電機(jī)用的較多的是柴油機(jī)驅(qū)動，所構(gòu)成的發(fā)電裝置稱為柴油發(fā)動機(jī)組。考慮到節(jié)能和減

60、輕勞動強(qiáng)度，有的船舶航行時(shí)采用由主機(jī)附帶驅(qū)動的發(fā)電機(jī)。這種發(fā)電機(jī)的原動機(jī)是主機(jī)，稱為軸帶發(fā)電機(jī)。</p><p>　　(2)應(yīng)急電源是在主電源失電的應(yīng)急情況下使用的電源，通過應(yīng)急配電板向全船所有應(yīng)急設(shè)備配電。海船的應(yīng)急電源一般是設(shè)在艇甲板上專用艙室內(nèi)的柴油發(fā)電機(jī)組。不設(shè)發(fā)電機(jī)組的則采用蓄電池。</p><p>　　(3)臨時(shí)應(yīng)急電源是蓄電池，蓄電池由化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能，只要沒有耗盡，隨時(shí)可以

61、使用。不使用時(shí)可以充電，把電能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能，使用(放電)時(shí)不能補(bǔ)充電能，使用的時(shí)間有限，只能臨時(shí)使用。</p><p><b>　　3.1三類負(fù)載法</b></p><p>　　三類負(fù)載法計(jì)算船舶電力負(fù)載，在數(shù)據(jù)充分的條件下，能較精確的求出各用電設(shè)備的負(fù)載系數(shù)，以及計(jì)算結(jié)果。負(fù)載的分法與船舶工作狀況有關(guān):</p><p>　　(l)第I類負(fù)載，

62、連續(xù)使用的負(fù)載；</p><p>　　(2)第n類負(fù)載，短時(shí)或重復(fù)短時(shí)使用的負(fù)載；</p><p>　　(3)第m類負(fù)載，偶然短時(shí)使用的負(fù)載，以及按操作規(guī)程可以在電站尖峰負(fù)載時(shí)間外使用的負(fù)載。</p><p>　　負(fù)載系數(shù)，用某一時(shí)間內(nèi)的負(fù)載平均功率與同一時(shí)間內(nèi)的負(fù)載最大功率的比值來表示：</p><p>　　負(fù)載系數(shù)=100%

63、 (3.1)</p><p>　　對電動機(jī)，每臺輔機(jī)選配的電動機(jī)額定功率君，每臺輔機(jī)最大軸功率只，求得電動機(jī)的利用系數(shù)為：</p><p>　　K1= (3.2)</p><p>　　每臺輔機(jī)實(shí)際使用功率只，求得機(jī)械負(fù)載系數(shù)為：</p&g

64、t;<p>　　K2= (3.3)</p><p>　　由(3.2)和(3.3)求得電動機(jī)負(fù)載系數(shù)為：</p><p>　　K3== (3.4)</p><p>　　電動機(jī)的效率

65、粉不相等，電動機(jī)的額定功率為：</p><p>　　P4= (3.5)</p><p>　　電力負(fù)荷計(jì)算時(shí)，電動機(jī)實(shí)際需要功率為：</p><p>　　P5=K3 P4=K3 (3.6)</p>&

66、lt;p>　　對交流電動機(jī)，求出有功功率，還需計(jì)算無功功率。但船舶進(jìn)出港或航行等工況，總功率因數(shù)較高，一般不低于0.7，對發(fā)電機(jī)的功率無太大影響，可不計(jì)算無功功率。</p><p><b>　　3.2負(fù)載表的編制</b></p><p>　　編制電力負(fù)載表時(shí)，可按下述程序進(jìn)行:</p><p>　　(1)確定全船電氣設(shè)備，計(jì)算各電動機(jī)和電

67、氣設(shè)備的額定輸入功率；</p><p>　　(2)根據(jù)船舶選定所需計(jì)算工況，按負(fù)載分類確定各工況下所需使用電動機(jī)等電氣設(shè)備;</p><p>　　(3)計(jì)算負(fù)載系數(shù)，計(jì)算各用電設(shè)備在各工況下實(shí)際使用功率；</p><p>　　(4)計(jì)算各用電設(shè)備在各工況下的實(shí)際使用功率；</p><p>　　(5)計(jì)算總負(fù)荷，在交流系統(tǒng)中，還需要計(jì)算無功功率

68、和平均功率因數(shù)；</p><p>　　(6)考慮5%的網(wǎng)絡(luò)損失，計(jì)算所需的總功率。</p><p>　　3.3發(fā)電機(jī)組容量和臺數(shù)選擇原則</p><p>　　中國船級社《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》(2006)第4篇第2章的規(guī)定，應(yīng)配備保持船舶處于正常操作狀態(tài)和滿足正常居住條件所必需的電力輔助設(shè)備用電的主電源，并應(yīng)滿足以下要求:</p><p>　　(

69、l)主電源應(yīng)至少由2臺發(fā)電機(jī)組組成。發(fā)電機(jī)組的臺數(shù)和容量，應(yīng)能在任何一臺發(fā)電機(jī)組停止工作時(shí)，仍然能繼續(xù)對正常推進(jìn)運(yùn)行、船舶安全。</p><p>　　(2)發(fā)電機(jī)組應(yīng)能在任一發(fā)電機(jī)或其原動機(jī)不工作時(shí)，其余發(fā)電機(jī)組仍能供應(yīng)從癱船狀態(tài)起動主推進(jìn)裝置所必需的電力。</p><p>　　(3)如船舶推進(jìn)和操縱必須依靠主電源，則船舶推進(jìn)、操舵和保證船舶安全所必需設(shè)備的供電連續(xù)性，應(yīng)符合下列要求:&l

70、t;/p><p>　　①在正常由一臺以上發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行同時(shí)供電時(shí)，應(yīng)設(shè)有包括將非重要設(shè)備自動卸去，必要時(shí)也可將次重要設(shè)備自動卸去等保護(hù)措施，以確保當(dāng)運(yùn)行中任何一臺發(fā)電機(jī)停止工作后，其余發(fā)電機(jī)能繼續(xù)運(yùn)行，并保持對推進(jìn)、操舵和保證船舶安全所必需設(shè)備的供電;</p><p>　?、谠谡Ｓ梢慌_發(fā)電機(jī)供電時(shí)，應(yīng)提供措施，以能在失電后自動起動備用發(fā)電機(jī)，并自動連接至主配電板。該備用發(fā)電機(jī)應(yīng)具有足夠的容量

71、，以保證重要輔助設(shè)備的自動起動或自動順序起動。備用發(fā)電機(jī)應(yīng)盡快自動起動并連接至主配電板，最好在失電后30S內(nèi)完成，最長不超過45S。</p><p>　　(4)如船舶推進(jìn)必需依靠主電源，則主匯流排應(yīng)至少分成兩個(gè)獨(dú)立的分段，應(yīng)由斷路器或可使匯流排能方便分開的隔離開關(guān)、開關(guān)加以連接，并將發(fā)電機(jī)和其他雙套設(shè)備連接于這些分段。</p><p>　　在船舶電站的設(shè)計(jì)中，通過對船舶各種運(yùn)行工況電力負(fù)荷

72、的計(jì)算，得到了各工況下全船電力負(fù)荷所需的總功率。</p><p>　　電站實(shí)際需要的總發(fā)電量還需要考慮為保證航行安全所需的后備發(fā)電量、維護(hù)保養(yǎng)所需的交替容量、以后增添新設(shè)備所需的儲備容量、發(fā)電機(jī)組滿負(fù)荷保持在單機(jī)容量的80%左右的增多系數(shù)以及應(yīng)付可能發(fā)生短時(shí)峰值負(fù)荷所需的最大功率等。所以，將電力負(fù)荷計(jì)算得到的各工況所需的總功率適當(dāng)放大，電站所需的功率P為:</p><p>　　P=(1.2

73、~1.5) (3.7)</p><p>　　其中，為船舶各工況下的電力負(fù)荷總功率。</p><p>　　3.4應(yīng)急發(fā)電機(jī)容量的確定</p><p>　　應(yīng)急發(fā)電機(jī)的容量應(yīng)確保海上人命安全公約 (SOLAs)和主管當(dāng)局的有關(guān)規(guī)定的供電時(shí)間和供電范圍，并應(yīng)該考慮到用電設(shè)備的同時(shí)使用。<

74、/p><p>　　中國船級社《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》(2006)一般規(guī)定客船和500總噸以上船舶均應(yīng)設(shè)有獨(dú)立的應(yīng)急電源，可以使發(fā)電機(jī)也可以是蓄電池組。所謂的“獨(dú)立”，是指具有獨(dú)立的燃油供給、冷卻裝置和滿足規(guī)范要求的起動裝置。</p><p>　　配電板的設(shè)計(jì)是電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要部分，是供電質(zhì)量的關(guān)鍵。配電裝置用以接收和分配電能，并對電網(wǎng)進(jìn)行保護(hù)。由于船用配電裝置的特殊性，有些配電裝置(主配電板、應(yīng)

75、急配電板等)還具有對電源裝置、用電設(shè)備等進(jìn)行保護(hù)、測量和控制等功能。</p><p>　　第4章 MATLAB的介紹</p><p>　　MATLAB是由美國Mathworks公司開發(fā)的大型軟件，它是以矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ)，把計(jì)算、可視化、程序設(shè)計(jì)融合在一個(gè)交互的工作環(huán)境中，在此環(huán)境中可以實(shí)現(xiàn)工程計(jì)算、算法研究、建模和仿真、應(yīng)用程序開發(fā)等。在MATLAB中包括了兩大部分，數(shù)學(xué)計(jì)算和工程仿真，其

76、中在工程仿真方面，MATLAB提供的軟件支持涉及到各個(gè)工程領(lǐng)域，并且在不斷完善。MATLAB 所具有的程序設(shè)計(jì)靈活，直觀，圖形功能強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)使其已經(jīng)發(fā)展成為多學(xué)科，多平臺的強(qiáng)大的大型軟件。</p><p>　　MATLAB提供的Simulink工具箱是一個(gè)在MATLAB環(huán)境下用于對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包，它提供了用方框圖進(jìn)行建模的接口，與傳統(tǒng)的仿真建模相比，更加直觀、靈活。Simulink的作用是在

77、程序塊間的互聯(lián)基礎(chǔ)上建立起一個(gè)系統(tǒng)。每個(gè)程序塊由輸入向量，輸出向量以及表示狀態(tài)變量的向量等3個(gè)要素組成。在計(jì)算前，需要初始化并賦初值，程序塊按照需要更新的次序分類，然后用ODE計(jì)算程序通過數(shù)值積分來模擬系統(tǒng)。MATLAN含有大量的 ODE計(jì)算程序，有固定步長的，有可變步長的，為求解復(fù)雜的系統(tǒng)提供了方便。</p><p>　　MATLAB在電力系統(tǒng)建模和仿真的應(yīng)用主要由電力系統(tǒng)仿真模塊(Power System B

78、lockset)來完成，Power System Block是由TEQSIM公司和魁北克水電站開發(fā)的。PSB是在Simulink環(huán)境下使用的模塊，采用變步長積分法，可以對非線性、剛性和非連續(xù)系統(tǒng)進(jìn)行精確的仿真，并精確地檢測出斷點(diǎn)和開關(guān)發(fā)生時(shí)刻，PSB程序庫含有代表電力網(wǎng)絡(luò)中一般部件和設(shè)備的Simulink程序塊，通過 PSB可以迅速建立模型，并立即仿真。PSB程序塊程序庫中的測量程序和控制源起到電信號與Simulink程序之間連接作用。

79、</p><p>　　Simpowersystems其中包括了電路仿真所需的各種元件模型。包括有電源模塊、基礎(chǔ)電路模塊、電力電子模塊、電機(jī)模塊、連線器模塊、檢測模塊以及附加功率模塊等7種模塊庫。每個(gè)模塊電網(wǎng)技術(shù)Power System Technology庫中包含各種基本元件模型，如電源模塊中有直流電壓、電流源，交流電壓源、電流源，受控電壓源、電流源等五種電源模型。電力電子模塊庫包含了理想開關(guān)元件、晶閘管、功率場

80、效應(yīng)管、可關(guān)斷晶閘管等多種功率開關(guān)元件模型；電機(jī)模塊庫中包含了各種電機(jī)模型，如異步電動機(jī)、同步電動機(jī)、永磁同步電動機(jī)等。只需將模塊中的元件拖到Simulink窗口中，通過參數(shù)設(shè)置，對話框設(shè)置參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)電路和電力系統(tǒng)的仿真。</p><p>　　4.1 Matlab/Simulink 仿真工具</p><p>　　1990年MathWorks軟件公司為Matlab提供了新的控制系統(tǒng)模型圖

81、形輸入與仿真工具 Simulink。作為對Matlab語言運(yùn)算環(huán)境的擴(kuò)展，在保持Matlab的一般性能基礎(chǔ)上，Simulink又增加了許多功能。它與Matlab及其工具箱結(jié)合使用，可以完全對連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)、連續(xù)和離散混合系統(tǒng)的動態(tài)性能進(jìn)行仿真與分析。</p><p>　　Simulink與傳統(tǒng)的仿真軟件包用微分方程和差分方程建模相比，具有更直觀、方便、靈活的優(yōu)點(diǎn)。Simulink提供了8個(gè)子模型庫:Conti

82、nuous(持續(xù)環(huán)節(jié))、Discrete(離散系統(tǒng))、Funct ion&Tables(函數(shù)及圖表)、M ath(數(shù)學(xué)計(jì)算)、Non linear(非線形環(huán)節(jié))、Signals&System (信號及系統(tǒng))、Sink(輸出方式)、Source(輸入源)。在以上每個(gè)子模型庫中還包含有相應(yīng)的功能模塊，如Source子模塊中包含有SineWave(正弦波)、PulseGenerator(脈沖信號)、Step (階躍信號)等，S

83、ink子模塊中包含有scope(示波器)、To Workspace (傳送到工作空間)、X Y Graph(X-Y圖表)等。</p><p>　　Simulink提供了動態(tài)系統(tǒng)建模、分析和仿真的交互環(huán)境，能夠?qū)崿F(xiàn)交互建模、交互仿真，并允許用戶擴(kuò)展仿真環(huán)境等功能。Simulink的專用模型庫(Blocksets)提供了一些專用元件集，使得 Simulink 的功能進(jìn)一步擴(kuò)展。</p><p>

84、;<b>　　4.1.1交互建模</b></p><p>　　Simulink提供了采用鼠標(biāo)拖放的方法建立系統(tǒng)框圖模型的圖形交互界面。Simulink在子模型塊中提供了大量的功能模塊，用戶在建模時(shí)只需使用鼠標(biāo)將功能模塊拖放到模型編輯窗口，并將它們連接起來，就可以快速地建立動態(tài)系統(tǒng)仿真模型</p><p><b>　　4.1.2交互仿真</b>&l

85、t;/p><p>　　Simulink框圖提供了交互性很強(qiáng)的非線性仿真環(huán)境。用戶可以通過下拉菜單執(zhí)行仿真，或使用命令行進(jìn)行批處理。仿真結(jié)果可以在運(yùn)行的同時(shí)通過示波器或圖形窗口顯示。有了Simulink，你可以在仿真的同時(shí)，采用交互或批處理的方式，方便地更換參數(shù)來進(jìn)行。</p><p><b>　　4.1.3用戶擴(kuò)展</b></p><p>　　Si

86、mulink的開放式結(jié)構(gòu)允許用戶擴(kuò)展仿真環(huán)境。用戶可以采用Matlab、Fortran和C代碼生成自定義功能模塊，并擁有自己的圖標(biāo)和界面。</p><p>　　4.1.4專用模型庫(Blocksets):</p><p>　　Simulink的專用模型庫包含有:Communications Blockset (通信模塊庫)、DSP Blockset (數(shù)字信號處理模塊庫)、Power Sy

87、stem Blockset(電力系統(tǒng)模塊庫)等。專用模型庫為解決具體的工程問題提供了更為快速、準(zhǔn)確和簡潔的途徑，避免了用Simulink提供的基本模塊來構(gòu)造模型的繁瑣。</p><p>　　Power System Blockset(電力系統(tǒng)模塊庫)含蓋了電路、電力電子、電力系統(tǒng)等電工學(xué)科中的基本元件的仿真模型，它包括7個(gè)子模塊庫:電源、基本元件、電機(jī)、電力電子、連接、測量和附加模塊庫。在Simulink運(yùn)行環(huán)境

88、下，用戶只需應(yīng)用鼠標(biāo)拖放的方式將所需電氣元件的模塊添加到模型編輯窗口，并將它們連接起來，就可以快速地組建仿真模型，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的計(jì)算仿真。</p><p><b>　　4.2模塊庫的特點(diǎn)</b></p><p>　　在Matlab命令窗口鍵入simulink命令便打開SIMULINK的庫瀏覽窗口。選中并展開其中的Power System Blockset 模塊包，可見

89、到七個(gè)子模塊包，分別是Connectors，Electrical sources，Elements，Extralibrary，Machines，Measurements，Power electronics。其中的 Extra library又細(xì)分為六個(gè)子模塊包，進(jìn)一步選中并展開各個(gè)子模塊包可得到進(jìn)行電力電子系統(tǒng)建模與仿真所需的各種模塊。關(guān)于模塊庫，注意其以下幾個(gè)特點(diǎn)對應(yīng)是有幫助的。</p><p><b&g

90、t;　　(1) 綜合性器件</b></p><p>　　模塊庫看起來非常簡潔，一個(gè)重要原因是，性質(zhì)類似和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相近的一類元器件已被綜合成用一個(gè)模塊表示。通過設(shè)置模塊參數(shù)可變化一系列具有特定性質(zhì)的不同元器件。如一個(gè)并聯(lián)RLC模塊(Parallel RLC Block)通過設(shè)置模塊參數(shù)可得到具有不同數(shù)值的單個(gè)R、L、C和它們的任意并聯(lián)組合。又如，一個(gè)普適電橋(Universal Bridge)模塊，通過

91、設(shè)置模塊參數(shù) ，可得到由不同器件(二極管，晶閘管，GTO，MOSFET，IGBT和理想開關(guān))構(gòu)成的具有各種臂數(shù)(單橋臂 ，雙橋臂或三橋臂)的整流橋。</p><p>　　(2) 靈活多樣的控制模塊</p><p>　　與一般電子線路仿真模塊不同，電力電子系統(tǒng)的運(yùn)行模式?jīng)Q定于對功率開關(guān)器件的控制方式。SIMULINK提供了一整套脈沖序列發(fā)生器，為仿真系統(tǒng)提供控制信號。這包括可用于觸發(fā)由各種可

92、控器件構(gòu)成的單相或三相變換電路的PWM發(fā)生器，可用于觸發(fā)各種功率開關(guān)器件的脈沖發(fā)生器。</p><p>　　(3) 虛擬測量儀表</p><p>　　SIMULINK提供的虛擬測量儀表，使仿真輸出靈便、直觀。除了常用的電流表、電壓表、萬用表和阻抗表外，還有電力電子技術(shù)中特有的有效值表、諧波總畸變測量儀、傅立葉分析儀、有功和無功功率測量儀、三相序列分析、三相電流電壓測量儀、坐標(biāo)變換儀等。&l

93、t;/p><p>　　(4) 多種仿真輸出手段</p><p>　　SIMULINK提供了多種選擇以便對仿真結(jié)果進(jìn)行顯示和處理。除了示波器、XY記錄儀和數(shù)字顯示器這些虛擬儀表外，仿真結(jié)果也可以直接傳送到工作空間(Workspace)作即時(shí)處理，也可以存儲到硬盤文件以備后用。此外，模塊庫還提供了為構(gòu)建電力電子系統(tǒng)及相應(yīng)控制電路所需的各種輔助模塊，如各種連線模塊，各種濾波器，PID控制器以及其他數(shù)

94、字和模擬器件。如果需要，SIMULINK提供的Power system blockset以外的大量其他模塊也是可用的。而且由于MATLAB的開放性，讀者自己還可以生成各種特殊用途的用戶模塊。</p><p>　　第5章 基于Matlab的船舶電力系統(tǒng)仿真研究</p><p>　　5.1 仿真軟件簡介</p><p>　　本次仿真采用Matlab軟件。Matlab(M

95、atlab Laboratory)是由美國的Math Woks公司推出的一種高性能的用于工程計(jì)算的編程軟件，它把科學(xué)計(jì)算、程序編寫以及結(jié)果的可視化等都集中在一個(gè)使用非常方便的環(huán)境中。目前，Matlab已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，如電子、通信等領(lǐng)域，它已經(jīng)成為國際上那個(gè)最流行的計(jì)算機(jī)仿真軟件?，F(xiàn)在的Matlab已經(jīng)不僅是一個(gè)矩陣實(shí)驗(yàn)室，而是一種實(shí)用的、功能強(qiáng)大的、不斷更新的高級計(jì)算機(jī)編程語言。</p><p>

96、;　　Matlab具有以下許多典型特點(diǎn)：</p><p>　?。?）語言簡潔緊湊，運(yùn)算符十分豐富，使用極為方便靈活；</p><p>　　（2）既具有結(jié)構(gòu)化的控制語言，又能面向?qū)ο缶幊蹋?lt;/p><p>　　（3）語法限制不嚴(yán)格，程序設(shè)計(jì)自由度大，并且程序的可移植性較好；</p><p>　?。?）強(qiáng)大的圖形處理功能；</p>

97、<p>　　（5）功能強(qiáng)大的工具箱及廣泛的開放性；</p><p>　　（6）應(yīng)用包括數(shù)值計(jì)算和符號計(jì)算，建模和動態(tài)仿真</p><p>　　Simulink是Matlab的一個(gè)附加組件，為用戶提供了一個(gè)建模與仿真的工作平臺。實(shí)際上，它也是一種用來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)仿真的軟件工具。它采用模塊組合的方法來創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模型，可以用于模擬線性與非線性系統(tǒng)，連續(xù)系統(tǒng)和非連續(xù)系統(tǒng)，或它們的

98、混合系統(tǒng)，它是強(qiáng)有力的系統(tǒng)仿真工具。除此之外，它還提供了圖形動畫處理方法，以方便用戶觀察系統(tǒng)仿真的整個(gè)過程。Simulink重要的特點(diǎn)是快速、準(zhǔn)確。對于比較復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，效果更為明顯。其另外一個(gè)重要特點(diǎn)是它的開放性，它允許用戶定制自己的模塊和模塊庫。此外，Simulink為用戶提供了比較全面的幫助系統(tǒng)，處理能力更加強(qiáng)大。由此可見，Simulink是一種強(qiáng)有力的仿真工具。</p><p>　　本文用Matlab

99、7.0版本，用Simulink對船舶電力系統(tǒng)進(jìn)行仿真。 </p><p>　　5.2 直流電壓源電路圖</p><p>　　直流RC電路如圖5-1所示。在開關(guān)閉合后，根據(jù)電阻和電容的導(dǎo)電特性得知，加載在電容上的電壓是逐漸升高的。同時(shí)電阻上的電壓、電流也發(fā)生相關(guān)變化。在本電路中，直流RC電路中電容電壓的暫態(tài)過程是主要研究對象，同時(shí)對加載在電阻上的電壓和電流變化以及直流電壓源在暫態(tài)過程中的變化

100、進(jìn)行描述。</p><p>　　圖5.1 直流RC電路</p><p><b>　　5.2.1設(shè)計(jì)流程</b></p><p>　?。?）從電源元件庫選擇電壓元件，復(fù)制后粘帖在電路圖中，如圖5.2所示。</p><p>　　圖5.2 設(shè)置直流電壓源元件</p><p>　?。?）從線路元件庫中選

101、擇斷路器元件，復(fù)制后粘帖在電路圖中，如圖5-3所示。</p><p>　　圖5-3 設(shè)置斷路器元件</p><p>　?。?）從線路元件庫中選擇串聯(lián)RLC支路元件，復(fù)制后粘帖在電路圖中，如圖5.4所示。</p><p><b>　　圖5.4 設(shè)計(jì)電阻</b></p><p>　?。?）從線路元件中選擇串聯(lián)RLC支路元件

102、，復(fù)制后粘帖在電路圖中，如圖5.5所示。</p><p><b>　　圖5.5 設(shè)計(jì)電容</b></p><p>　　（5）將電壓計(jì)元件改為Vc，表示對電容電壓進(jìn)行測量。如圖5.6所示。</p><p>　　圖5.6 設(shè)計(jì)電壓計(jì)</p><p>　　（6）加入示波器和萬用表。</p><p>　　

103、（7）連線，組成直流RC電路。</p><p><b>　　5.2.2仿真結(jié)果</b></p><p>　　設(shè)置完電路圖和仿真參數(shù)后，下面進(jìn)行電路仿真。激活仿真按鈕，查看仿真波形圖。</p><p>　　電容波形如圖5.7所示。橫軸為時(shí)間軸，每2ms為一等份。縱軸為電壓幅軸值，每20V為一等份。從圖形可以看出，當(dāng)斷路器在0.003s閉合后，加載

104、在電容上的電壓Vc幅值非線性遞增，電壓Vc遞增的幅度先快后慢。在0.004s時(shí)達(dá)到80V，在大約7s時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)態(tài)值為110V。</p><p>　　圖5.7 電容電壓波形圖</p><p>　　直流電壓源、電阻電流和電壓波形如圖5.8所示。在直流電壓源、電阻電流和電壓波形圖中，橫軸為時(shí)間軸，每2ms為一等份?？v軸根據(jù)電氣量而導(dǎo)。</p><p>　　圖5.8

105、 直流電壓源、電阻電流和電壓波形圖</p><p>　　直流電壓源波形為上方灰色直線，顯示出直流電壓源在暫態(tài)過程中一直保持在110V。</p><p>　　電阻電壓波形為中間起伏較大的藍(lán)色曲線。從圖形可以看出，當(dāng)斷路在0.003s閉合前，電阻上沒有電壓。當(dāng)斷路器在0.003s閉合后，電阻電壓突然增長到110V，而后逐漸衰減，電阻電壓衰減的幅度由快至慢，在大約7s時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)態(tài)值為0V

106、。說明此時(shí)電壓均加載在電容上。</p><p>　　電阻電流波形為下方的青綠色曲線。從圖形可以看出，當(dāng)斷路在0.003閉合前，電阻上沒有電流。當(dāng)斷路器在0.003s閉合后，電阻電流突然增長到21A，而后逐漸衰減，電阻電流衰減的幅度也由快至慢，在大約7s時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)態(tài)值為0A。</p><p>　　得出仿真結(jié)論：在直流RC電路中，電容電壓非線性遞增，最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。</p>

107、;<p>　　5.3交流電壓源電路圖</p><p>　　圖5.9 交流電壓源電路圖</p><p><b>　　5.3.1參數(shù)設(shè)置</b></p><p>　　交流電壓源是電路設(shè)計(jì)中常見的電路元件。MATLAB提供的交流電壓源是一理想交流電壓源。本電路圖研究的主要問題是：不同頻率、幅值和相位角的兩個(gè)電壓源各自的電壓波形，和疊加后

108、的電壓波形特征。參數(shù)設(shè)置如下：</p><p>　　交流電壓1：峰值振幅：75V 初始相位：20°頻率：50赫茲 </p><p>　　交流電壓2：峰值振幅：30V 初始相位：7.5° 頻率：60赫茲 </p><p>　　電阻：100歐 RLC支路元件：電阻100歐 電感100e-3H 電容150e-6F</p><p&

109、gt;　　萬用表中可測量的有兩個(gè)電氣元件，分別是交流電壓源U1和交流電壓源U2</p><p><b>　　5.3.2仿真結(jié)果</b></p><p>　　仿真結(jié)果如圖5.10所示：</p><p>　　圖5.10 U1/U2電壓波形圖</p><p>　　U1/U2電壓波形如圖5.10所示。橫軸為時(shí)間軸，每0.1s為