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原文传递含逆变电源的船舶电力系统短路故障研究

论文题名：	含逆变电源的船舶电力系统短路故障研究
关键词：	船舶电力系统;短路故障;逆变电源;仿真模型
摘要：	近年来，随着新能源技术的不断进步，新能源在船舶领域发展迅速，应用前景良好。一般的船舶电力系统采用交流电制，新能源在通过逆变装置，将清洁能源转换为频率和电压恒定的电能后，供给船舶负载，使船舶的运行更加绿色环保。然而，随着电力电子接口型逆变电源的接入，船舶电力系统的电源结构和性质发生改变，电力系统的短路故障特性也随之发生变化。安全可靠的短路保护是船舶电力系统运行的基础，如何使新能源船舶电力系统获得有效的短路保护将是船舶正常运行的重要问题。目前国内针对含逆变电源的船舶电力系统的短路故障研究较少，短路保护的相关标准尚需完善。为了满足新能源船舶电力系统的安全运行，对含逆变电源的船舶电力系统短路故障问题进行研究非常必要。　　船上电力系统的逆变电源和同步发电机在结构和工作原理等方面存在很大不同。本文分别研究了两种电源的工作原理，对比分析了他们在短路故障时的输出特性，给出短路电流的馈送规律，利用数学模型研究其短路电流的计算方法。通过搭建船舶电力系统的仿真模型，对故障的暂态过程和稳态值进行了仿真研究。最终根据研究结论，提出了含逆变电源的船舶电力系统短路保护的方法，为新能源船舶等含逆变器的船舶电力系统的短路保护提供了有益的探索。　　同步发电机的短路过程较为复杂，本文首先对同步发电机的数学模型进行分析，给出了在电网发生短路故障时，同步发电机三相全电流的计算方程。然后对IEC60909和IEC61363短路电流计算方法进行了对比分析，得出了适应船舶电力系统中同步发电机独立运行的短路电流计算方法。通过研究逆变电源的工作原理，对逆变电源并网运行控制和独立运行控制下的输出特性和故障特性进行分析，得出了逆变电源在两种运行模式下的短路电流馈送规律。考虑同步发电机和逆变器并联运行时，逆变电源需要解决的低电压穿越控制问题，本文在参考陆上逆变电源低压穿越控制策略的基础上，提出了适应逆变电源并联船舶电网运行的低压穿越控制策略，并通过仿真验证了控制方法的可行性。结合工程需要，建立了含逆变电源的船舶电力系统的等效电路，并对电力系统的三相短路故障、两相不对称短路电流计算方法进行研究，提出了计及逆变电源故障边界方程的电力系统短路故障分析方法，并通过仿真，验证了方法的正确性。　　在已解决短路电流稳态计算的基础上，针对短路暂态过程，论文搭建了含逆变电源的船舶电力系统的MATLAB/Simulink仿真模型，对船舶电力系统的短路故障的暂态特性进行仿真研究。论文首先对含逆变电源的陆地电力系统、传统船舶电力系统和含逆变电源的船舶电力系统的短路故障特性进行仿真，对比分析了其短路电流的馈送特点，指出了逆变电源并联船舶电网运行时的短路故障特性的特点。然后对含逆变电源的船舶电力系统在不同位置处的短路电流进行研究，得出了短路点对短路电流的影响。论文通过仿真，研究了逆变电源容量对短路电流的暂态过程的影响。　　论文最后利用ETAP电力及电气系统综合仿真软件，结合某新能源船舶的实船数据，对含逆变电源的船舶电力系统继电保护设计进行了研究，设计了含逆变电源的船舶电力系统的短路保护初步方案。
作者：	刘钰
专业：	电气工程
导师：	牛小兵
授予学位：	硕士
授予学位单位：	大连海事大学
学位年度：	2021