大擾動下的船舶電站暫態仿真分析

韓 旗

（海軍駐704所軍事代表室，上海 200031）

大擾動下的船舶電站暫態仿真分析

韓 旗

（海軍駐704所軍事代表室，上海 200031）

針對目前在船舶電站暫態穩定分析中普遍采用的仿真工具MATLAB/Simulink算法受限且仿真時間過長的不足，應用時域仿真法建立船舶電站的數學模型，再用基于隱式梯形積分法的C#.NET程序對其求解。通過對仿真結果的分析驗證了仿真方法的有效性。

船舶電站；大擾動；暫態；C#.NET；隱式梯形積分法

0 引言

目前，國內外求解船舶電力系統仿真模型普遍利用MATLAB/Simulink豐富的電力系統模塊進行仿真計算[1]，這種方法減輕了人工編寫程序的負擔也簡化了仿真的過程，但它不能完整如實地反映系統的數學建模過程。本文用C#.NET語言編寫基于隱式梯形積分法程序，解出構成模型的非線性微分代數方程組的數值解，用計算機語言編程的方法不僅方便我們隨時修改模型和模型參數，模型的階數還可以自由決定，為本文建立發電機七階模型奠定了基礎。

目前，微分代數方程組的求解方法大致來說有改進歐拉法、龍格-庫塔法、隱式梯形積分法等，而隱式梯形積分法相對于其它方法數值穩定性和精度較高，因此得到廣泛應用[2]。

1 船舶電站數學建模

船舶電站的非線性微分代數方程組包含同步發電機方程、柴油機及其調速系統方程、勵磁系統方程和負荷方程。同步發電機方程又可拆分為描述電磁暫態過程的電磁回路方程和描述機電暫態過程的轉子運動方程，如圖1所示。

圖1 船舶電力系統組成示意圖

到目前為止，很多文獻忽略船舶電網相對于陸地大電網的特殊性，采用陸地無限大電網常用的發電機降階模型，不考慮轉速變化和定子暫態，這在系統暫態分析時會有一定誤差[3]，在對船舶電站所帶負荷突增和突卸時的仿真時，會引起更大的誤差，所以這種用簡化過的方式建立動態仿真模型已經反映不了船舶電站的實際狀態，有必要建立同步發電機的七階數學模型。

1.1 同步發電機建模

本文建立的發電機七階數學模型，考慮到了定子繞組暫態過程和阻尼繞組D、Q以及勵磁繞組暫態過程和轉子動態過程，它是在dq0坐標系下建立的數學模型，適于研究船舶電力系統各種物理問題[1]。

經過派克變換后的磁鏈方程（標幺值形式）為：

經過派克變換后的電壓方程（標幺值形式）為：

為了推導七階數學模型，必須定義以下幾個中間量：電機q軸空載電勢：

電機q軸暫態電勢：

定子勵磁電勢：

電機d軸次暫態電勢：

電機q軸次暫態電勢：

1)定子電壓方程

定子電壓方程由式(2)和(3)變換所得：

其中，磁鏈表達式為：

2)轉子f繞組電壓方程

由式(5)、式(6)代入方程式(3)可得：

3)轉子D繞組電壓方程

將式(4)、式(8)代入式(3)、式(5)得到：

4)轉子Q繞組電壓方程

由式(1)變換可得：

5)轉子運動方程

式(9)與式(10～14)共同構成七階同步發電機數學模型。

1.2 柴油機及其電子調速系統數學建模

當柴油發電機組運行時，一旦負荷發生變化，發電機組運行的穩態就會被打破，導致發電機加速或者減速[4]。根據達蘭貝爾原理：

式中，J為轉動慣量；ω為轉速；Td為驅動力矩，Td=f(w , fi)；Tr為阻力矩；fi為噴油量。對于非增壓型柴油機而言，它的驅動力矩可看為關于柴油機轉速ω與噴油量fi的函數。以下是把Td按照泰勒級數展開：

無調速系統柴油機當油門開度不變時有：

式中C1為常數，可查柴油機手冊。轉速不變時，fi與Td的關系為：

由式(15～17)得到柴油機在非平衡狀態下的數學模型：

式(18)中 Δfi可看為調速系統輸出，即油門開度，電子調速系統的輸入為轉速偏差信號Δω，那么加入PID環節的電子調速系統的數學模型應為：

式中，h為仿真步長。綜合式(18)得到最終的柴油機及其電子調速系統數學模型：

1.3 勵磁控制系統數學建模

勵磁控制系統起著調節電壓、保持發電機端電壓恒定的作用，并且可以控制并聯運行的發電機無功分配[1]。下面以自并勵靜止勵磁系統為例建立數學模型[5]，如圖2所示。

圖2 自并勵靜止勵磁系統

半可控全波整流電路中，勵磁電壓Ef與導通角α有關，即：

端電壓U的調節是通過勵磁控制系統直接改變α的大小，從而改變勵磁電壓和電流實現的。將發電機端電壓的偏差信號作為輸入，得到的勵磁電壓公式為：

1.4 暫態穩定的船舶電站數學模型

將以上各部分模型的方程組相結合，得到的就是暫態穩定的船舶電站數學模型：

負荷模型就是恒阻抗的模型，它的電阻和電抗值在某一時刻發生突變，以此來模擬電站受到大的擾動。

2 時域仿真法求解數學模型

2.1 隱式梯形積分法原理

用數值算法求解數學模型的過程，實質是在一定的初值條件下，求微分方程數值解，該過程也就是對于離散的時間序列t0，t1，…，tn逐步求出相應的系統狀態矢量值y0，y1，…，yn的過程，所以隱式梯形積分法又稱逐步積分法[1]。

在實際的計算時我們需要對其中的積分項作近似計算。若取

圖3 隱式梯形積分法原理圖

隱式梯形積分法相應的通用計算公式為：

這是一個關于yn+1的非線性差分代數方程，且方程中的參數隨時間變化而變化。

2.2 隱式梯形積分法暫態方程

在用隱式梯形積分法求解本文所建立的船舶電站數學模型時，首先要將其微分方程組化為差分方程，得到隱式梯形積分法的暫態方程。

1)發電機轉子繞組暫態方程

2)發電機定子繞組電壓方程

3)發電機轉子運動方程

2.3 隱式梯形積分法求解流程

根據暫態穩定的船舶電站數學模型和隱式梯形積分法求解數學模型的原理，得到求解流程，如圖4所示：

圖4 隱式梯形積分法求解流程

根據該流程編寫的隱式梯形積分法的 C#.NET程序[6]，在確定了仿真步長、總時間以及各運行狀態對應的負荷阻抗值后，進行數值積分，每一步迭代產生的是狀態變量在當下步長的數值解，最后完成數學模型的求解。

3 仿真算例與結果分析

程序將仿真結果存入Excel表格后再用MATLAB調取仿真得到的數據，繪制成各個變量的曲線。仿真時間為10s，步長為0.005s。擾動前后電阻和電抗的值在圖4中給出。4s時加入擾動，仿真算例的主要參數見表1所示（標幺制）。算例中，系統突增 46.8%的負荷，仿真結果如圖5～7所示。

表1 仿真算例主要參數

圖5 擾動前后的三相負荷電流

圖6 擾動前后的發電機轉速

圖7 擾動前后端電壓

圖5 ～7給出了突增負荷前后的三相負荷電流、發電機轉速以及發電機端電壓的曲線，擾動前的負荷阻抗為r=0.6，x=1.5，擾動后的為r=0.32，x=0.8，阻抗比始終為0.4。突增負荷時的電壓瞬態變化率為7.6%，1.3s后穩定；瞬態調速率為 2.4%，1.4s后穩定。結果都在《鋼質海船入級與建造規范》規定的范圍內[7]。

4 結論

本文建立了船舶電站的高階非線性數學模型，并用隱式梯形積分法的C#.NET程序求解方程組，通過對仿真結果的分析驗證了算法的有效性。

[1] 陸超, 唐義良, 謝小榮, 崔文進. 仿真軟件 MATLAB PSB與PSASP模型及仿真分析[J]. 電力系統自動化,2000, 24(9): 23-27.

[2] 倪以信, 陳壽孫, 張寶霖. 動態電力系統的理論和分析[M]. 北京: 清華大學出版社, 2002.

[3] 李東輝, 張均東, 何治斌. 教學實習船電力系統建模與仿真[J]. 上海交通大學學報, 2008, 48(2): 190-193.

[4] 劉雨. 船舶柴油發電機組的建模與智能控制的仿真研究[D]. 大連: 大連海事大學, 2002.

[5] 區干生. 基于 DSP的微機勵磁調節器的設計與實現[D]. 武漢: 華中科技大學, 2004.

[6] Karli Watson, Christian Nagel. C#入門經典（第三版）[M]. 北京: 清華大學出版社, 2006.

[7] 中國船級社.鋼質海船入級與建造規范[M]. 北京: 人民交通出版社, 2008.

Transient Stability Analysis of Shipping Power Station After Large Disturbance

HAN Qi
(Navy Representative Office Stationed at No. 704 Research Institute, Shanghai 200031, China)

Aiming at the disadvantage of current time-consuming MATLAB/Simulink, nonlinear mathematical models of shipping power station are established by using time domain simulation. Implicit Trapezoidal Integration Method is then selected to solve the equations by C#.NET program. Finally, the results measure up to criterion which proves the advantage of this method.

shipping power station; large disturbance; transient stability; C#.NET; Implicit Trapezoidal Integration Method

TM712

A

韓旗（1970-），男，高級工程師。研究方向：電氣及自動化。