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1船舶電力系統動態響應分析蘇俊連1孫行仁2摘要在現今船舶中，許多精密航行設備、功能強大自動化設備、及高效能電氣設備被大量地使用，以因應船舶航行及裝卸貨作業自動化需求。這些設備對於高品質供電的依賴與需求日益增高。然而，船舶電力系統為一小型獨立系統，有限的備載容量與頻繁且大型的用電設備操作，容易造成船電系統電壓與頻率的變動，輕則影響船上用電設備，嚴重時可能造成船上精密設備無法正常操作，危及船舶航行安全。為精確地分析船舶電力系統動態響應情形，本文提出動態模擬分析技術來完整地模擬船舶在不同狀況下之電力系統動態響應。船舶主要電力設備，包括柴油引擎發電機、船艏側推進器、變壓器、冷凍壓縮機等之動態行為被加以模式化，並利用Matlab/Simulink軟體對一艘具有700個冷櫃之貨櫃輪進行船舶電力系統動態響應實例模擬分析。測試結果顯示本文所建構的動態模型確實可用於船舶電力系統動態響應分析。關鍵詞：船舶電力系統（ShipboardElectricPowerSystems）動態響應（DynamicResponse）全電力船（All-ElectricShip）Matlab/Simulink一、前言近來，由於全球工商經濟發展迅速，各國間的海運運輸量日漸增長，許多已開發或開發中國家均積極發展海運貿易，透過海上貿易運輸交流來加速國家經濟發展。臺灣位於東北亞、東南亞、及中國大陸間之要衝，為歐、亞、美洲之貿易及航路必經之處，四面環海，海上運輸乃為台灣貿易最重要之通路，海運貿易為整個國家經濟發展基礎，海運事業的發展為攸關全國經濟興衰。為促進國內海運經濟發展，達到高運量、高速度、及低成本的目標，現代船舶均朝向大型化、自動化發展。在現今船舶中，許多精密航行設備、功能強大自動化設備、及高效能電氣設備被大量地使用，以因應船舶航行及裝卸貨作業全自動化需求。然而，這些設備對於高品質供電的依賴與需求日益增高。有鑑於船舶供電品質需求快速增長，船舶供電品質的改善與防制相關問題逐漸受到船廠及船東關切。一個高品質的電力供應，可促進船舶運轉效能，減少船隻營運成本，有助於海運經濟的發展。一般來說，船舶電力系統主要是提供船舶航運狀態與裝卸貨作業所需之電力。因船1國立高雄海洋科技大學輪機工程系助理教授(e-mail:cls@mail.nkmu.edu.tw)2國立高雄海洋科技大學輪機工程系研究生2體結構及海上特殊運轉環境，使得船舶電力系統與陸用電力系統有以下幾點差異[1]：空間侷促：船電系統不如岸電系統分佈廣泛，其電氣設備分佈在狹小空間內，饋電線路短，線路阻抗低，導致船電系統短路電流高於同容量之岸電系統。電氣設備規格較嚴格：海上環境惡劣，電氣設備易受潮受損，其船電設備之規格及對穩定度的要求均較岸電系統嚴格。有限容量：船電系統為一獨立的電力系統，發電容量有限，系統電壓與頻率易受負載變動影響，其穩定度較差。擴充性低：船舶一旦建造完成，船電系統的修改或擴充較為不易。由於船舶上有限的發電裝置容量，使得大型動力設備的啟動、運轉與停止容易造成船舶供電電壓及頻率變動，假使電壓變動的程度超過限制範圍外，將對船上用電設備造成不良影響，嚴重時可能造成船上精密設備損壞或輔機設備無法正常運轉，而使船舶可能因失去動力而無法操作，危及船上人員安全，故建立適當的分析模式來評估船舶電力系統之運轉效能實有其必要性，其分析結果可協助系統之最佳化運轉及作為新系統之設計準則。目前已有許多關於船舶電力系統動態響應分析的文獻[2-7]。[2]發展出柴油發電機、汽渦輪發電機、感應馬達及其控制系統之數學模型，並利用數位模擬技術預測電力推進及船艏側推進情形下之電力系統動態響應。一個結合克西荷夫電流定律之電腦模擬方法在[3]中被使用來評估分析一個包含交直流電機設備與電能轉換器之船舶電力系統動態效能。[4]使用EUROSTAG模擬軟體分析發電機勵磁系統對船舶電力系統穩定度之影響。[5]提出一個結合物件導向語言Modelica與Matlab/Simulink所發展出來的分析模式來模擬全電力推進船之直流配電系統運轉效能。[6]運用電力系統動態模式化理論推導出船舶電力系統模擬模式以分析船舶電力系統在潤滑油幫浦啟動、三相接地故障、及發電機跳脫時之系統響應。[7]使用套裝軟體PSCAD模式化船舶電機設備暫態特性，並進行電力系統不同故障種類及負載使用狀況之系統動態響應。近來，由於電腦軟硬體技術的進步，許多功能強大的系統模擬軟體紛紛被開發出來。在這些模擬軟體中，Matlab/Simulink提供了電力系統元件物理特性之建模，可依據依元件間的關係連結，進行系統之動態模擬，使設計人員於系統規劃初期，即能掌握關鍵或有興趣的問題[8]。本文擬以Matlab/Simulink軟體，依據船舶電機設備，包括柴油發電機組、船艏側推進器、冷凍壓縮機、電力網路等之實際運轉特性，建構其模擬模組，以分析船舶電力系統在不同運轉狀況下之動態響應，提供船舶設計人員有效的船舶電力設備裝置依據。本文架構共分為五個部分，首先是前言，說明研究背景及動機。第二部分為介紹船舶電力系統及其動態模擬，第三部分為船舶電力設備動態模式建立，透過數學式之推導來解析船舶電力設備動態特性。第四部分為模擬結果及討論，藉由模擬軟體建構實際船舶電力系統，來模擬船上大型用電負載操作時，對系統供電品質之影響，最後為結論。3二、船舶電力系統動態行為分析2.1船舶電力系統船舶電力系統是由電源、配電裝置、電力網、及用電負載組成。電源部分包括主發電機組及緊急發電機組。除軸發電機外，船舶發電機組依原動機種類，大抵可分為柴/重油引擎發電機、燃/蒸氣渦輪發電機、核能發電機等，其中以柴油引擎發電機最常被使用。主發電機組為船舶供電主要來源，平時發電供給全船用電設備使用，當用電負載需求量較大時，發電機組可以併聯運轉，以提供負載用電所需。當主發電機組因故而無法繼續供電時，緊急發電機組（多數為柴油發電機）則會啟動併聯運轉，提供船舶重要航行設備及緊急照明系統所需之電力，確保人員及船舶運轉安全。電力網及配電裝置則是負責連接電源，並分配、傳送電源至各負載。簡單的船舶電力系統單線圖如圖1所示。圖1船舶電力系統單線圖圖1中所示之主配電盤是由發電機控制盤、發電機併聯控制盤、負載控制盤、及匯流排組成，其中發電機控制盤是用來控制、調節、監視與保護發電機組，發電機併聯控制盤則為發電機組併聯操作使用，內有同步表、同步指示燈、轉換開關、用於檢測電網和待併機頻率之頻率表及其轉換開關、及各發電機之調速開關、閉合和切離開關等。負載控制盤通常被使用來分配電能，並對各饋電線路進行控制、監視及保護，匯流排則為主配電盤中所有連接導體。另外，動力及照明分配電盤為監視、控制、及保護照明設備、甲板及機艙電力拖動機械負載、通訊設備、及船內生活用電等。緊急配電盤為連接、傳送緊急電源至緊急重要負載[1]。在主配電盤與動力及照明配電盤間，及分配電盤至各用電負載間必須藉由船舶電力網加以連接，俾使電力順利傳送至各用電設備目前船上的電力網大都是使用交流網路，有三相三線、三相四線、及以船體為中性點接地之三相三線系統。在分類上，船舶電網緊急配電盤GGGM1M2主發電機組主配電盤主開關緊急發電機組聯絡開關動力分配電盤照明分配電盤變壓器整流器緊急照明分配電盤其他負載直流負載照明負載岸電緊急照明負載無線電設備其他緊急設備電源電力網及配電裝置負載4可進一步分為動力電網、照明電網、緊急電網、及通訊警報電網。動力電網為電動機負載及大型電熱負載之供電網路，由主配電盤、分配電盤供電。照明電網為主變壓器供電的照明網路，緊急電網為主電源斷電時之緊急供電網路，提供必要之電力給重要負載，如輔機、緊急照明、通訊及導航設備。通訊警報電網為全船無線電設備、助航設備、及信號警報系統供電的網路。另外，船上用電負載因用途不同，其種類相當多，主要可分為以下幾類：1)電力設備，包括甲板機械、艙室機械、及冷藏通風設備；2)照明設備，包括一般照明、應急照明、航行燈及信號燈、及甲板照明；3)通信與航儀照明，包括船內通訊設備、船內信號設備、航海設備、及無線電設備；4)控制設備，包括主機、壓載、卸貨系統之控制電源；5)其他設備，指住艙生活用電設備。這些設備以電力設備的用電量最大，且最常被使用。2.2船舶電力系統動態響應分析方法船舶大型用電設備的操作運轉會影響船上供電品質，因此船電系統動態響應分析實有其必要性。目前分析這類的問題可使用解析（analytical）法、模擬（simulation）法、及實驗法[9]，其中解析法屬於線性化方法的一種，而模擬法可以進一步被整合於解析法中。一般而言，船舶電力系統因易受負載變動而改變其穩態運轉狀態，為一連續動態過程。這樣的系統可藉由適當的假設條件，在穩態操作點上將非線性的動態變化行為予以線性化，並以數學方程式來模式化其動態特性，藉由求解數學方程式來分析系統的動態穩定情形。不同於解析法，模擬法則是先建構電力系統元件之動態模式，並利用模擬工具進行模擬模組連結及系統模擬分析，允許使用者能以全系統觀點來評估分析系統動態行為。一般來說，解析法在系統分析上往往需要較複雜的數學處理，而模擬方法則是需要較多時間來建構元件之動態模式[10]。實驗法通常可用來驗證模擬或解析的結果，增加其分析結果的可信度。然而這種透過實際量測船舶電力系統運轉資料來取得系統的動態行為特性，因實際量測的成本較高或量測中易發生人為疏失或顧及船舶航行安全，使得量測法有時並無法實際有效地執行。由於船舶用電負載種類繁多，大型用電負載變動會嚴重影響電力系統響應情形，而負載變動往往為各項輸出、輸入信號交互影響之一連串非線性變化，這種變化行為實難從單一設備操作特性來加以分析計算，此時模擬法提供了一種有效的方式來分析船舶電力系統動態行為。以模擬方法執行船船舶電力系統動態響應問題分析最基本的目的是瞭解船舶在不同的作業狀況下，系統電壓或頻率變動的程度。研究分析電力系統動態行為的課題時，必須能掌握造成電壓發生變動的起因，最好能精確地建構出船上實際電力設備的動態模型，完整的分析船舶在不同狀況下之動態行為，使模擬結果盡量接近實際系統。進行船舶電力系統運轉模擬前，電力設備之數學模型與動態模式建構是相當重要的。因需要接用岸電及採用陸上一般電氣設備，船舶電力設備參數與陸上設備大致相同，因此，如柴油發電機、船艏側推進器、冷凍壓縮機等大型電力設備之運轉特性可藉5由相同規格之陸用設備加以模式化，推導其數學模型，並建構動態模擬模組。三、船舶電力設備動態模式建構評估船舶電力系統動態響應之最佳方法即在船舶設計或建造前，依據實際的系統參數，利用模擬軟體建構虛擬的系統來模擬其動態行為，以找尋電力設備最佳裝置容量或評估系統是否須加裝設備來改善、強化系統運轉效能。本節介紹幾種船上重要電力設備之動態數學模式及模擬模組。3.1柴油發電機本文使用之船用發電機組是以柴油引擎同步發電機建構成，另外也考慮頻率控制設備及自動電壓調整器，以滿足負載用電需求變化，維持系統頻率及電壓大小至特定範圍內。系統頻率的維持與發電機輸出實功率大小及發電機轉子電功角的改變有關，藉由調整發電機之原動機轉速快慢來增加或減少實功率輸出，並維持系統頻率一定，即所謂的調速穩頻控制。另外，系統電壓的維持與系統虛功率及發電機勵磁系統電壓大小有關，透過勵磁系統的電壓調節來控制發電機虛功輸出，達到電壓維持一定的目的，即所謂的勵磁穩壓控制。由於調速穩頻控制及勵磁穩壓控制會影響電力系統暫態及動態行為，在系統動態響應分析上，除發電機組外，原動機調速控制及勵磁穩壓控制效應也必須考慮於系統的模擬模組建構上。而勵磁系統因具有較小的時間常數，其暫態響應衰減較快，並不會影響原動機調速穩頻控制之動態行為，因此在動態模式建構上，可以將這兩個控制系統間的相互耦合關係忽略，各自建構其動態模式[10]。以下分別介紹同步發電機、柴油引擎與調速機、及勵磁穩壓系統之動態模式。同步發電機若欲探討其在實際操作時之動態特性，對於組合之電路元件都必須要能夠完整地描述其操作特性之數值模型建構出來，並進一步透過模型的組合與數值工具的分析才能精確地掌握在任何一瞬間之工作狀態。對