帶逆變負(fù)載的柴油機(jī)組穩(wěn)定性分析及性能測試

黃 欣,趙錦成,解 璞

（軍械工程學(xué)院電力工程教研室，河北 石家莊 050003）

帶逆變負(fù)載的柴油機(jī)組穩(wěn)定性分析及性能測試

黃 欣,趙錦成,解 璞

（軍械工程學(xué)院電力工程教研室，河北 石家莊 050003）

柴油機(jī)組加載電力電子非線性負(fù)載時會發(fā)生低頻振蕩現(xiàn)象導(dǎo)致輸出波形畸變失真。為確定系統(tǒng)穩(wěn)定性條件，將逆變負(fù)載作為研究對象，結(jié)合同步發(fā)電機(jī)-整流器系統(tǒng)分析基礎(chǔ)，建立柴油機(jī)組逆變負(fù)載等效電路模型，對該系統(tǒng)穩(wěn)定性條件做出假設(shè)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證假設(shè)的正確性，對該系統(tǒng)的性能進(jìn)行測試，同時指出存在的問題和不足。

柴油機(jī)組；逆變器；等效模型；穩(wěn)定性

0 引 言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，非線性負(fù)載種類增多，柴油機(jī)組帶載能力的分析和提高成了現(xiàn)今面臨的問題。當(dāng)運(yùn)行參數(shù)不匹配時，整個系統(tǒng)可能發(fā)生低頻振蕩現(xiàn)象，因此，分析影響系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的因素十分必要。

海軍工程大學(xué)電氣工程系針對同步發(fā)電機(jī)-整流器系統(tǒng)做出了深入的研究，文獻(xiàn)[1-2]揭示了系統(tǒng)穩(wěn)定性運(yùn)行機(jī)理，給出了穩(wěn)定條件，同時更加深入分析了同步發(fā)電機(jī)-整流器系統(tǒng)帶交流負(fù)載和反電動勢負(fù)載時的穩(wěn)定性，對分析理論進(jìn)一步推廣。北京航空航天大學(xué)郭宏、清華大學(xué)王荀和王善銘等人也都對該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、解析計(jì)算方法以及穩(wěn)定性做了分析[3-4]。

本文以逆變負(fù)載為研究對象，推導(dǎo)了系統(tǒng)等效電路模型，分析逆變負(fù)載內(nèi)在構(gòu)造，提出了該系統(tǒng)穩(wěn)定性假設(shè)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了假設(shè)的正確性。

1 柴油機(jī)組逆變負(fù)載等效電路模型

柴油機(jī)組主要由啟動電源和同步發(fā)電機(jī)構(gòu)成，同步發(fā)電機(jī)決定著柴油機(jī)組內(nèi)在特性。為了建立該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行準(zhǔn)確的理論分析，做出如下假設(shè)[5]：

（1）忽略磁滯、磁飽和以及渦流等的影響。

（2）在dqo坐標(biāo)下，運(yùn)用派克變換時，對d、q軸分量中的低頻和高頻分量分別進(jìn)行處理。

（3）逆變負(fù)載中的二極管具有理想特性。

選取同步發(fā)電機(jī)各量的正方向如圖1所示，均采用標(biāo)幺值，基值為定子電壓和電流的額定值。

在dqo坐標(biāo)下，d、q軸磁鏈方程可表示為

圖1 同步發(fā)電機(jī)正方向選定

式中：Xd，Xq——同步電抗；

Xad，Xaq——電樞反應(yīng)電抗；

iD，iQ——阻尼繞組產(chǎn)生電流；

if——勵磁繞組產(chǎn)生電流。

設(shè)idl、iql分別表示中的低頻分量，ψdl、ψql分別為ψd、ψq中的低頻分量，同時，不考慮阻尼繞組對d、q軸低頻分量的作用。X式可以簡化為

式中：X′d，X′q——不考慮阻尼繞組作用時d軸和q軸運(yùn)算電抗；

根據(jù)電壓與磁鏈的關(guān)系：

同時忽略低頻分量對時間的倒數(shù)，并假定X″d≈X″q，結(jié)合X式，推導(dǎo)并簡化得到ua的表達(dá)式：

根據(jù)和差化積公式，將X式前兩項(xiàng)化為正弦函數(shù)，進(jìn)一步簡化得到：

將式（6）作為兩部分理解，并等效到電路模型中。第一項(xiàng)可等效為電壓源，即同步發(fā)電機(jī)輸出電壓；后兩項(xiàng)則等效為外阻抗。

2 逆變負(fù)載等效電路模型

2.1 逆變電路模型分析

圖2所示為三相電壓型逆變電路[6]，其中，Ud為整流電路流出直流電壓，Z為逆變電路輸出負(fù)載。

圖2 三相電壓型橋式逆變電路結(jié)構(gòu)圖

逆變電路的工作方式為180°導(dǎo)電方式，即在圖2中，每個橋臂導(dǎo)電角度為180°，同一半橋上兩臂交替工作，各項(xiàng)開始導(dǎo)電的角度逐次相差120°。因此，在任一瞬間，將有3個橋臂同時導(dǎo)通。

根據(jù)逆變電路的工作方式，對輸出電壓定量分析。負(fù)載線電壓uUV可由式（7）表示：

uUO，uVO的波形均為Ud/2，只是相位差了120°。由此，把輸出線電壓uUV展開成傅里葉級數(shù)：

2.2 逆變負(fù)載等效模型

逆變負(fù)載由整流電路和逆變電路構(gòu)成，和柴油機(jī)組構(gòu)成交-直-交系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 柴油機(jī)逆變負(fù)載系統(tǒng)基本框圖

從逆變電路的理論分析可以看出，輸出線電壓uUV表示為輸入電壓Ud乘以正弦函數(shù)，有效值UUV和輸入電壓Ud成倍數(shù)關(guān)系，即通過整流逆變交-直-交電路，改變了柴油機(jī)組輸出電壓的頻率和幅值。同時，整流電路的電氣構(gòu)造與逆變電路構(gòu)成互補(bǔ)關(guān)系，根據(jù)戴維寧等效定理，將整個逆變負(fù)載看作電力電子元件構(gòu)成的非線性負(fù)載模型，同時又具有整流電路的大部分特征，構(gòu)成柴油機(jī)組逆變負(fù)載系統(tǒng)，進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

3 柴油機(jī)逆變負(fù)載穩(wěn)定性分析

柴油機(jī)逆變系統(tǒng)是一個強(qiáng)非線性系統(tǒng)，通常采用李雅普諾夫穩(wěn)定性分析方法，先對該非線性系統(tǒng)初始平衡處進(jìn)行線性化，然后使用勞斯判據(jù)，進(jìn)行穩(wěn)定性分析[7]。海軍工程大學(xué)楊青等[8-9]分別對同步發(fā)電機(jī)-整流系統(tǒng)、同步發(fā)電機(jī)-交流整流系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析，得出了系統(tǒng)穩(wěn)定條件，如式（11）所示：

式中：Rc——臨界電阻；

Red——直流側(cè)等效電阻。

即系統(tǒng)穩(wěn)定性由直流側(cè)等效電阻Red決定，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定時，可通過調(diào)節(jié)Red的大小，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

根據(jù)上述分析可知，逆變負(fù)載包含整流電路和與整流電路對稱的逆變電路，參照同步發(fā)電機(jī)-整流系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件提出了假設(shè)。柴油機(jī)組-逆變負(fù)載系統(tǒng)穩(wěn)定性條件，由輸出端的等效電阻大小決定，當(dāng)系統(tǒng)不穩(wěn)定運(yùn)行時，通過選取合適大小的等效電阻，可以改善該系統(tǒng)運(yùn)行特性。

4 性能測試

4.1 測試方法

選取額定容量50kW柴油機(jī)組和24kW逆變負(fù)載構(gòu)成試驗(yàn)系統(tǒng)，另選取30 kW阻性負(fù)載和20kW直流電源作為試驗(yàn)負(fù)載。將試驗(yàn)負(fù)載接入系統(tǒng)輸出端，通過調(diào)節(jié)負(fù)載大小，驗(yàn)證上述理論分析結(jié)果。

4.2 測試結(jié)果分析

當(dāng)試驗(yàn)系統(tǒng)接入15 kW直流電源時，系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重的低頻振蕩，此時，將30kW阻性負(fù)載接入系統(tǒng)串于柴油機(jī)組和逆變負(fù)載之間，調(diào)節(jié)阻值，當(dāng)阻性負(fù)載為7.5kW時，振蕩情況消除，系統(tǒng)穩(wěn)定，從而驗(yàn)證了上節(jié)提出的假設(shè)。噪聲、振動數(shù)據(jù)如表1。

表1 噪聲和振動測試結(jié)果

波形圖如圖4、圖5所示（上為電壓波形，下為電流波形）。

5 結(jié)束語

圖4 15kW逆變負(fù)載時系統(tǒng)振蕩波形

圖5 加入7.5kW阻性負(fù)載后波形

針對柴油機(jī)組帶逆變負(fù)荷出現(xiàn)的低頻電流振蕩現(xiàn)象，本文根據(jù)柴油機(jī)組內(nèi)在結(jié)構(gòu)，對同步發(fā)電機(jī)中低頻、高頻分量分開處理，提出了柴油機(jī)組逆變負(fù)載的等效模型，同時借鑒同步發(fā)電機(jī)-整流系統(tǒng)的穩(wěn)定條件，提出假設(shè)，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了假設(shè)的正確性，同時提高了系統(tǒng)的整體性能。但本文理論分析較為理想化，同時在實(shí)驗(yàn)中，電力電子設(shè)備較多，造成電壓波形不夠理想，仍然存在誤差，測試數(shù)據(jù)有待進(jìn)一步完善。

[1]張曉鋒，溫洪，蔣心怡，等.帶整流負(fù)載同步發(fā)電機(jī)穩(wěn)定性研究[J].中國航海，2001，49（2）：100-104.

[2]楊青，馬偉明，孫俊忠，等.同時帶交流和整流負(fù)載的三相同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的等效電路模型[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2003，18（4）：1-5.

[3]王荀，王善銘，王祥珩.同步發(fā)電機(jī)整流系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，46（7）：1193-1196.

[4]王善銘，王荀，王祥珩.同步發(fā)電機(jī)整流系統(tǒng)的建模[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，46（7）：1189-1192.

[5]倪以信，陳壽孫，張寶霖.動態(tài)電力系統(tǒng)的理論和分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[6]王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].西安：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[7]Lakshimikantham V， Liu X，Leela S.Variational lyapunov method and stability theory[EB/OL].Elsevier，Mathematical Problems in Engineering，1998（3）：555-571.

[8]楊青，馬偉明，孫俊忠，等.同時帶交流和整流負(fù)載的三相同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2003，18（5）：5-10.

[9]趙常順，周智勇.同步發(fā)電機(jī)整流系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及穩(wěn)定判據(jù)[J].船舶技術(shù)，2003，25（1）：50-53.

Stability analysis and performance test of diesel engine set with inverter load

HUANG Xin，ZHAO Jin-cheng，Xie Pu
（Department of Electric Engineering，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

There is a low-frequency oscillation when diesel engine set is loaded with power electronics nonlinear load and output waveform distortion will occur.In order to determine the conditions for the stable operation of the system，inverter load was selected as the research object with analysis of SGSAD and the equivalent model of diesel engine set with inverter load were developed forthe system.A hypothesiswasgiven to thissystem.The correctnessofthis hypothesis was verified by experiment，and the performance of the system was tested and the problems and disadvantages were pointed out.

diesel engine set；inverter；equivalent model；stability

TM341+.2；TM712；N945.13；TM930.12

：A

：1674-5124（2014)03-0142-03

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.03.037

2013-05-25；

：2013-07-19

黃 欣（1990-），男，安徽黃山市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)橹C波分析和負(fù)荷結(jié)構(gòu)等。