三相坐標(biāo)系下帶非平衡負(fù)載的船舶電力系統(tǒng)的仿真與實(shí)驗(yàn)

黃從武 熊 浩

(海軍工程大學(xué)電氣工程系 武漢 430033)

船舶電力系統(tǒng)中存在非對(duì)稱靜態(tài)負(fù)載,整流橋,快速限流器,能量存儲(chǔ)器等非平衡負(fù)載,以及由于發(fā)生故障時(shí),船舶電力系統(tǒng)帶非平衡負(fù)載運(yùn)行,特別是三相整流橋換向瞬間存在兩相短路的情況,這些都是典型的非平衡負(fù)載情況.因此在分析船舶電力系統(tǒng)時(shí),應(yīng)考慮中性點(diǎn)的漂移.傳統(tǒng)的dq0坐標(biāo)系下只能分析對(duì)稱負(fù)載的運(yùn)行,對(duì)非平衡負(fù)載運(yùn)行情況很難進(jìn)行研究.而在三相坐標(biāo)系下可按每相的瞬時(shí)參數(shù)值進(jìn)行仿真分析,因此可準(zhǔn)確地分析船舶電力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況.目前國(guó)內(nèi)在三相坐標(biāo)系下對(duì)船舶電力系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析很少有人涉足,相關(guān)文獻(xiàn)基本沒(méi)有.本文根據(jù)文獻(xiàn)[1]中三相坐標(biāo)系下帶平衡負(fù)載的數(shù)學(xué)模型,建立了三相坐標(biāo)系下考慮中性點(diǎn)漂移的各元件的數(shù)學(xué)模型,根據(jù)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了仿真,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較分析,證明所述方法是正確的.

1 數(shù)學(xué)模型

船舶電力系統(tǒng)中典型的單節(jié)點(diǎn)電站如圖1所示.圖中G1為同步發(fā)電機(jī),M3為等效異步電動(dòng)機(jī),Z5為等效靜態(tài)負(fù)載.假設(shè)同步發(fā)電機(jī)的零點(diǎn)電勢(shì)為0,則除了需要確定三相電壓Ua,Ub,Uc之外,還必須確定異步電動(dòng)機(jī)和靜態(tài)負(fù)載的零點(diǎn)電勢(shì)U03,U05.船舶電力系統(tǒng)中兩相短路是典型的嚴(yán)重非平衡負(fù)載情況.

圖1 非平衡負(fù)載時(shí)電力系統(tǒng)的等效模型

1.1 非平衡負(fù)載時(shí)發(fā)電機(jī)及調(diào)節(jié)器數(shù)學(xué)模型

三相坐標(biāo)系下考慮中性點(diǎn)漂移的同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型為

分析單節(jié)點(diǎn)電站時(shí),假設(shè)U01為0.

1.2 非平衡負(fù)載時(shí)異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型[2-3]

三相坐標(biāo)系下考慮中性點(diǎn)漂移的異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型為

式中：U03為零點(diǎn)電勢(shì)或者中性點(diǎn)漂移電壓.

1.3 非平衡負(fù)載時(shí)靜態(tài)負(fù)載數(shù)學(xué)模型[4-5]

三相坐標(biāo)系下考慮中性點(diǎn)漂移的靜態(tài)負(fù)載數(shù)學(xué)模型為

式中：U05為零點(diǎn)電勢(shì)或者中性點(diǎn)漂移電壓.

1.4 系統(tǒng)連接方程

船舶電力系統(tǒng)中不存在中性線,因此

并且根據(jù)基爾霍夫第一定理,存在如下關(guān)系

2 仿真分析

選取圖1中異步電動(dòng)機(jī)M3斷開(kāi),靜態(tài)負(fù)載Z5的b,c兩相短路情況進(jìn)行仿真分析.仿真參數(shù)為.電阻及阻抗等為標(biāo)么值,時(shí)間常數(shù)為s.

仿真中兩相短路發(fā)生時(shí),轉(zhuǎn)子初始角 γ1= 10°.選擇步長(zhǎng)h=π/60=30°(電角度),即h= 0.052 36同步秒.在此種情況下,由仿真可知,仿真波形如圖2所示.橫坐標(biāo)為迭代次數(shù),縱坐標(biāo)為標(biāo)么值.并且在b,c短路過(guò)程中,Ib1+Ic1=0,Ia1=0.穩(wěn)定后,b相和c相的電流幅值的標(biāo)么值為相的電壓幅值的標(biāo)么值為0.35,b相和c相的電壓幅值的標(biāo)么值為0.18.

圖2 兩相短路仿真波形

3 實(shí)驗(yàn)分析

為保證實(shí)驗(yàn)的針對(duì)性,發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁不調(diào)節(jié),對(duì)b,c相進(jìn)行兩相短路實(shí)驗(yàn).所以在仿真過(guò)程中Uf1=1,Ik1=0.選取b,c兩相短路后3個(gè)典型時(shí)刻進(jìn)行分析,分析結(jié)果如圖3所示.

圖3 兩相短路實(shí)驗(yàn)波形

2)根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得,在趨于穩(wěn)定時(shí)b,c相電流處于峰值時(shí)刻,Ia1=0 A,Ib1=-58.76 A,Ic1= 60.86 A;電流標(biāo)么值為=1.14.同時(shí),Uc1=-30.1 V;電壓標(biāo)么值為：Ua1=0.34,Ub1=可見(jiàn),大致滿足

盡管兩相短路時(shí)相電流的初始段波形與短路發(fā)生時(shí)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置有關(guān),實(shí)驗(yàn)中兩相短路瞬間轉(zhuǎn)子的位置也難以確定,但是不影響分析兩相短路的過(guò)渡過(guò)程.由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,在b,c兩相短路后任意時(shí)刻,大致滿足 Ib1+Ic1=0,Ia1=0,并且實(shí)驗(yàn)中各相電流相電壓的過(guò)渡過(guò)程與仿真所得到的過(guò)渡過(guò)程一致.相電流的誤差是由于測(cè)量誤差、電壓諧波及線路損耗引起,但總體上在10%的工程誤差范圍內(nèi),不影響分析的結(jié)論.

4 結(jié)束語(yǔ)

帶非平衡負(fù)載是現(xiàn)代化船舶電力系統(tǒng)的重要運(yùn)行狀態(tài)之一.由于不存在中線,所以當(dāng)研究帶非平衡負(fù)載的船舶電力系統(tǒng)時(shí),必須考慮中性點(diǎn)的漂移.三相坐標(biāo)系下對(duì)兩相短路進(jìn)行的仿真與相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)分析表明,在三相坐標(biāo)系下建立的引入中性點(diǎn)的數(shù)學(xué)模型及仿真方法對(duì)分析帶非平衡負(fù)載的船舶電力系統(tǒng)是準(zhǔn)確可靠的.

[1] Я с ак о в Г С.Т е о р и я р е ж и м о в и ав т о м ат и з ац и я к о р аб е л ь н ы хэ л е к т р о э н е р г е т и ч е с к и х с и с т е м[M]. СП б：ВМА,2004.

[2] Я с ак о в Г С,Т р е т ь я к М В.Р ас ч е тп е р е х о д н ы х п р о ц е с с о ввЭ С Кс о д н о йу з л о в о йт о ч к о й.М е т о д и к а К-3628[R].Л：ВМА,1987.

[3] Я с ак о в Г С,Т р е т ь я к М В.Р а с ч е тп е р е х о д н ы х п р о ц е с с о вв К Э С с д в у м я у з л о в ы м и т о ч к ам и. М е т о д и к а К-3627[R].Л：ВМА,1987.

[4]Я с ак о вГС.М о д е л ьиал г о р и т м ыр е ш е н и яу р ав н е н и й с в я з и ав т о н о м н о й э н е р г о с и с т е м ы п р о и з в о л ь н о й с т р у к т у р ы[J].Э л е к т р и ч е с т в о,1991(3)：5-12.

[5] Ц у н ъ у Х,Я с ак о вГС.Р ас ч е тэ л е к т р о м е х ан и ч е с к и х п е р е х о д н ы хп р о ц е с с о ввК Э Ссо д н о йу з л о в о йт о ч к о й вф аз н о йс и с т е м ек о о р д и н а т.М е т о д и к а№.05504 [R].С ПБ：ВМА,2008.