綜合電力系統(tǒng)模擬試驗(yàn)及仿真研究

張雪妍, 付立軍，吳 優(yōu)，姜遠(yuǎn)志

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綜合電力系統(tǒng)模擬試驗(yàn)及仿真研究

張雪妍, 付立軍，吳 優(yōu)，姜遠(yuǎn)志

（海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430033）

設(shè)計(jì)和構(gòu)建了綜合交流電力系統(tǒng)物理模擬系統(tǒng)，并在PSCAD中建立了相應(yīng)的系統(tǒng)仿真模型，完成了綜合電力系統(tǒng)諧波和短路電流的模擬試驗(yàn)與仿真計(jì)算對(duì)比分析，試驗(yàn)和仿真結(jié)果吻合，為綜合電力系統(tǒng)深入研究奠定了基礎(chǔ)。

綜合電力系統(tǒng) 物理模擬 仿真 諧波 短路

0 引言

艦船綜合電力系統(tǒng)（Integrated Power System，簡(jiǎn)稱IPS）是一種新型的動(dòng)力系統(tǒng)，是將艦船原動(dòng)機(jī)能量完全轉(zhuǎn)化為電能，同時(shí)提供推進(jìn)用電、高能武器用電和全船其它負(fù)載用電的電能綜合利用與統(tǒng)一管理系統(tǒng)[1]。與傳統(tǒng)意義上的電力系統(tǒng)相比，艦船綜合電力系統(tǒng)能夠優(yōu)化總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)，整合艦船動(dòng)力平臺(tái)，簡(jiǎn)化動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高艦船戰(zhàn)技性能，降低噪聲，支撐艦船高能武器，代表了未來艦船電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

由于電力電子變流裝置及大容量推進(jìn)電機(jī)負(fù)載的存在，系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、主網(wǎng)絡(luò)供電品質(zhì)、短路電流沖擊等安全性問題更加突出，必須在設(shè)計(jì)階段予以充分考慮，才能保證整個(gè)系統(tǒng)功能的正常實(shí)現(xiàn)[2]。

為此，本文建立與綜合電力系統(tǒng)實(shí)船拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相似的比例縮小模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，并構(gòu)建相應(yīng)的電磁暫態(tài)仿真系統(tǒng)，通過對(duì)系統(tǒng)諧波、短路電流進(jìn)行模擬試驗(yàn)和仿真計(jì)算，驗(yàn)證綜合電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的可行性及其建模方法的正確性，為綜合電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

1 綜合電力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文所研究綜合電力系統(tǒng)采用中壓交流輻射狀供電網(wǎng)絡(luò)，中壓交流發(fā)電機(jī)分區(qū)域同時(shí)向電力推進(jìn)負(fù)載和全船其它負(fù)載供電，對(duì)應(yīng)的模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該模擬試驗(yàn)系統(tǒng)由兩套發(fā)電機(jī)組（包含1臺(tái)變頻器、1臺(tái)電動(dòng)機(jī)和1臺(tái)三相同步發(fā)電機(jī)）、兩套主推進(jìn)器（包含2臺(tái)移相隔離變壓器、1臺(tái)變頻器和1臺(tái)三相異步推進(jìn)電機(jī)）以及負(fù)載（直流發(fā)電機(jī)帶電阻性負(fù)載模擬螺旋槳）組成。此外，配置1臺(tái)側(cè)推電機(jī)，由異步電動(dòng)機(jī)帶直流發(fā)電機(jī)模擬。

2 主要設(shè)備模型

2.1 發(fā)電機(jī)

為一般起見，考慮同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子為凸極并具有D、g、Q三個(gè)阻尼繞組。g和Q繞組分別反映阻尼較強(qiáng)和較弱的渦流效應(yīng)。假設(shè)同步電機(jī)為理想同步電機(jī)，即認(rèn)為同步電機(jī)的磁路對(duì)稱且不飽和及空間磁勢(shì)按正弦分布[3]。下圖給出了定子abc、轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組f和阻尼繞組D、g、Q的電流、電壓和磁軸的參考正方向。

電壓方程[4]：

(1) (2)

磁鏈方程[4]：

(3) (4)

兩臺(tái)發(fā)電機(jī)額定功率40 kW，額定線電壓390 V，額定線電流74 A，額定頻率50 Hz。發(fā)電機(jī)各經(jīng)相同長(zhǎng)度的電纜連接至母線，在功率均分裝置作用下，發(fā)電機(jī)相角一致，輸出功率相等。發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器采用普通PI調(diào)節(jié)器。

2.2 移相變壓器

兩套主推進(jìn)器的移相變壓器分別產(chǎn)生 -7.5°、22.5°和7.5°、-22.5°的移相，如圖3所示。

2.3 推進(jìn)電機(jī)

模擬推進(jìn)電機(jī)所用三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)額定功率22 kW，額定線電壓380 V，額定線電流42.5 A，額定頻率50 Hz，額定轉(zhuǎn)速1480 r/min，采用矢量控制。側(cè)推電機(jī)與推進(jìn)電機(jī)數(shù)學(xué)模型相同，采用起動(dòng)器起動(dòng)。電壓方程：

(5)

磁鏈方程：

(6)

電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式：

(7)

機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程：

(8)

表達(dá)式中的符號(hào)說明如下：

v,v－定子電壓d軸、q軸分量；v,v—轉(zhuǎn)子電壓d軸、q軸分量；i,i－定子電流d軸、q軸分量；i,i－轉(zhuǎn)子電流d軸、q軸分量；R,R－定、轉(zhuǎn)子電阻；L,L－定、轉(zhuǎn)子自感； L,L－定、轉(zhuǎn)子漏感；L－激磁電感；ω－同步角速度；ω－轉(zhuǎn)差角速度；－微分算子；Ψ, Ψ－定子磁鏈d軸、q軸分量；Ψ, Ψ－轉(zhuǎn)子磁鏈d軸、q軸分量；T, T－電磁轉(zhuǎn)矩、負(fù)載轉(zhuǎn)矩；p－電機(jī)極對(duì)數(shù)；－電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

3 推進(jìn)電機(jī)矢量控制技術(shù)

對(duì)于一般感應(yīng)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)而言，從轉(zhuǎn)矩到轉(zhuǎn)速近似為一個(gè)積分環(huán)節(jié)，其積分的時(shí)間常數(shù)由電機(jī)和負(fù)載的機(jī)械慣量決定，為不可控量，因此轉(zhuǎn)矩控制性能的好壞直接關(guān)系到一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)特性。

交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩一般和定轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)及其夾角有關(guān)。因此，要想控制轉(zhuǎn)矩，必先檢測(cè)和控制磁通。在磁場(chǎng)定向矢量控制系統(tǒng)中，一般把d-q坐標(biāo)系放在以同步角速度ω旋轉(zhuǎn)的同步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)上，把靜止坐標(biāo)系中的各交流量轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的直流量，并使d軸與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向重合，此時(shí)轉(zhuǎn)子磁通q軸分量為零（即Ψ=0）。對(duì)于鼠籠式感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓v=v=0，則由方程可得定子電流d軸分量：

轉(zhuǎn)矩公式：

(10)

轉(zhuǎn)差角頻率：

(11)

上述方程構(gòu)成轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制的基本方程式。它表明轉(zhuǎn)子磁鏈Ψ=Ψ僅由i產(chǎn)生，與i無關(guān)，因此i被稱為定子電流的勵(lì)磁分量，i是定子電流的轉(zhuǎn)矩分量。也就是說，當(dāng)i不變，即Ψ=Ψ不變時(shí)，如果i變化，轉(zhuǎn)矩T立即隨之成正比地變化，沒有任何滯后。系統(tǒng)的控制框圖如圖4所示（圖中帶‘*’的量表示是給定量）。圖中轉(zhuǎn)子磁鏈角1由電流模型得到：

(12)

式中ω為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)電角頻率。

SVPWM的輸出相電壓是在正弦波形的基礎(chǔ)上疊加一個(gè)三次諧波的零序分量，由于零序分量的注入，比傳統(tǒng)的SPWM提高15.47%。

4 試驗(yàn)與仿真結(jié)果

按照?qǐng)D中所示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)搭建模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，并在商業(yè)仿真軟件PSCAD中建立相應(yīng)仿真系統(tǒng)模型如圖5所示，對(duì)系統(tǒng)諧波和短路電流進(jìn)行試驗(yàn)與仿真對(duì)比分析。

4.1 諧波分析

兩套發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行，兩套主推進(jìn)器均帶100%負(fù)載，線電壓、電流畸變率的計(jì)算及實(shí)驗(yàn)值如表1所示，其中記+22.5/-7.5°變壓器為1#變壓器，記-22.5/+7.5°變壓器為2#變壓器，波形如圖6所示。

4.2 短路電流

兩套發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行，母線電壓為123.5伏，一臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)空載掛網(wǎng)，在390V母線上短路，結(jié)果如圖8，圖9所示。

諧波分析、短路電流的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合，驗(yàn)證了系統(tǒng)模型的正確性，其建模及數(shù)值計(jì)算方法可以用于綜合電力系統(tǒng)的深入分析計(jì)算。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)采用中壓交流網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的艦船綜合電力系統(tǒng)，按比例縮小構(gòu)建了模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型和仿真模型，進(jìn)行了系統(tǒng)主網(wǎng)諧波和短路電流的試驗(yàn)、仿真對(duì)比分析，驗(yàn)證了模擬試驗(yàn)系統(tǒng)可行性與仿真系統(tǒng)正確性，為綜合電力系統(tǒng)的實(shí)船設(shè)計(jì)與分析提供了技術(shù)支撐。

[1] 馬偉明. 艦船動(dòng)力發(fā)展的方向—綜合電力系統(tǒng)[J]. 海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2002, 14(6): 1-5.

[2] 賀開華. 大規(guī)模綜合電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析[J]. 船電技術(shù), 2013, 33(5): 27-30.

[3] 吳浩偉. 同步發(fā)電機(jī)短路動(dòng)態(tài)過程的Matlab仿真研究[J]. 船電技術(shù), 2012, 32(9): 16-18.

[4] 馬偉明. 同步電機(jī)過渡過程分析[M]. 武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，2001.

Experiment and Simulation of Integrated Power System

Zhang Xueyan，F(xiàn)u Lijun，Wu You，Jiang Yuanzhi

( National Key Laboratory for Vessel Integrated Power System Technology, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China）

TM743

A

1003-4862（2015）01-0001-04

2014-07-08

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(973項(xiàng)目)(2012CB215103)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51377167）。

張雪妍（1990-），女，碩士研究生。研究方向：電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。