十二相不控整流發電機并聯運行的建模與仿真

彭 凌，劉自程，鹿 婷，鄭澤東

Peng Ling1, Liu Zicheng2, Lu Ting1, Zheng Zedong2

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十二相不控整流發電機并聯運行的建模與仿真

彭 凌1，劉自程2，鹿 婷1，鄭澤東2

（1.中國艦船研究中心，武漢 430064；2. 清華大學電機工程與應用電子技術系，北京 100084）

多相整流發電機因其直流供電品質高、可靠性高，在船舶電力推進中得到了越來越多的應用，整流發電機的并聯運行對于提高船舶電力系統的容量和安全性具有重要意義。推導了十二相同步發電機的數學模型，在MATLAB/Simulink中建立了兩臺帶不控整流的十二相同步發電機并聯運行的仿真模型。探討了兩臺并聯運行發電機間功率分配的控制策略，設計了電壓—電流下垂特性曲線和曲線截距的自動補償，并將其應用到勵磁控制系統中。通過仿真實驗，驗證了該控制系統的有效性。

十二相不控整流發電機 功率分配 下垂特性 仿真

0 引言

十二相整流發電機因電壓脈動系數小、可靠性高等優點，在艦船電力推進、郵電通訊、飛機電源系統等需要較高直流供電品質的場所得到廣泛應用[1]。

在艦船上，為了提高供電系統的可靠性，一般由兩臺以上的發電機并聯組成電站供電[2]。如果并聯運行的發電機間功率分配不均勻，會導致某些機組過載運行，影響供電的安全。因此，研究整流發電機組在并聯運行時的功率控制和分配，對提高供電可靠性具有重要意義。

目前對不控整流發電機并聯運行的大部分研究[3-6]集中于系統建模和穩定性分析，對其功率分配控制的研究尚且不足。文獻[7]中的功率分配控制策略雖能按比例分配負荷，但是需要預測并提前設定穩態下發電機的功率輸出，應用在負載變動頻繁且不可預測的場合具有局限性。

本文研究了十二相整流發電機的數學模型，并在MATLAB/Simulink中建立了仿真模型。探討了十二相整流發電機組在穩態下功率分配的控制策略，推導了功率分配與電壓—電流下垂特性之間的數學關系，并將其應用于勵磁控制器，進行了仿真驗證。

1 十二相整流發電機的建模

1.1 十二相同步發電機的建模[8,9]

十二相同步發電機包含定子12相繞組、勵磁繞組、短路繞組和阻尼繞組。定子繞組為4套3相繞組，各相繞組的位置關系如圖1所示。建立電機模型時，忽略空間諧波磁場的影響，認為氣隙磁場是按照正弦分布的；忽略電機鐵芯的飽和、磁滯及渦流的影響，導線的趨膚效應也不考慮；將同步電機轉子上的阻尼回路看成兩相等效的阻尼繞組，即直軸阻尼繞組和交軸阻尼繞組。

通過對各套阻尼繞組的派克變換，實現十二相靜止坐標系到d-q旋轉坐標系的轉換。

對于第i套繞組，變換矩陣Ki為：

那么，d-q旋轉坐標系下的方程為：

對發電機的電壓進行坐標變換后，可以得到d-q坐標系下的電壓為：

同理，可以得到d-q坐標系下磁鏈方程為：

轉矩方程為:

描述發電機的機械特性方程為：

基于數學方程(3)～(6)，可以建立十二相同步發電機的仿真模型。

如圖2所示。

1.2 整流裝置的建模

典型的三相全波整流橋由6個整流二極管組成，MATLAB的SimPowerSystems庫中有通用的三相整流橋模塊，可以更改其參數直接應用于本仿真模型。

整流橋與十二相同步發電機定子繞組的連接關系，如圖3所示。

2 并聯運行的控制策略

9月18日，國務院總理李克強主持召開國務院常務會議。會議強調，在當前國際形勢錯綜復雜情況下，要進一步激發我國市場活力，一個關鍵舉措是要加大簡政減稅降費力度。要把減稅降費措施切實落實到位，對落實情況開展檢查核實，決不允許拖延和打折扣，決不允許自行其是。要按照國務院明確的“總體上不增加企業負擔”的已定部署，在機構改革中確保社保費現有征收政策穩定，有關部門要加強督查，嚴禁自行對企業歷史欠費進行集中清繳，違反規定的要堅決糾正，堅決查處征管中的違法違紀行為。同時，要抓緊研究提出降低社保費率方案，與征收體制改革同步實施。

整流發電機并聯運行與交流發電機并聯運行、直流發電機并聯運行均有差異。整流發電機并車端為直流，無需考慮頻率差、相位差問題，只需考慮直流電壓的差值，因此相對于交流發電機的并車操作更簡單；同時，由于二極管整流系統的存在，整流發電機機端的電流不能反向，所以能量不能逆向流動，這與直流發電機存在明顯區別。

2.1 下垂特性的設計

在交流發電機的并聯運行中[10,11]，對于有功功率的分配，一般通過設定各發電機調速器的調差系數，利用頻率—有功功率的下垂特性，實現各臺發電機間按照特定的比例分配有功功率。對于無功功率的分配，則是通過設定各發電機勵磁控制器的調差系數，利用電壓—無功功率的下垂特性，實現各臺發電機間按比例分配無功功率。

對于并聯運行的十二相整流發電機，由于輸出端和并聯處都是直流，不輸出無功功率，且整流系統前端交流側的頻率相互獨立，因此不能使用交流發電機并聯運行的功率分配策略。由于兩發電機的直流側電壓相同，所以可以利用直流電壓這一公共量設計電壓—電流下垂特性曲線，通過勵磁控制器對勵磁電流的調節，控制各整流發電機輸出直流電壓的幅值，實現負載電流即功率的按比例分配。

在勵磁控制器中，引入負載電流的負反饋，可以得到整流發電機輸出電壓—負載電流的下垂特性，如圖4所示。

當兩臺整流發電機并聯運行時，在端口直流電壓相等的限制下，各發電機通過下垂特性確定各自的工作點。本文中，要求兩臺整流發電機按照1:4的特定比例分配負荷。

兩臺的下垂特性分別為：

由并聯約束條件有：

由功率分配關系有:

即

2.2 勵磁控制器的設計

在本控制策略的探討中，由于整流作用使得兩臺發電機的頻率相互獨立，可以設定各整流發電機在調速器作用下轉速恒定，探討恒頻下的控制策略。那么，控制策略實現的關鍵為勵磁控制器的設計。

圖6為勵磁控制器的控制原理框圖，由下垂特性曲線給定輸出電壓的指令值，通過PI調節勵磁電壓，使得發電機輸出電壓等于指令值。虛線框內為下垂曲線截距的調節，其目標為使得下垂特性給出指令值等于額定工作電壓。截距自動調節的引入，避免了預先為每臺電機計算和指定輸出負荷值[7]，特別是在負荷頻繁變化的時候，有效簡化控制復雜程度，提高系統響應速度，保證了兩臺電機既能按要求準確分配負荷，又能準確地工作在給定的電壓值。

3 仿真驗證

3.1 系統描述

在MATLAB/Simulink中，搭建了兩臺整流發電機并聯帶負載的仿真實驗模型，如圖7所示，圖中從左到右依次為勵磁控制器、十二相同步發電機、整流橋系統、母線電容、負載及信號測量部分。模型中的兩臺整流發電機選取相同的參數，詳見表1。

3.2 仿真運行結果及分析

系統運行過程如下：給定兩臺十二相整流發電機的轉速，在兩臺發電機機端電壓相近時，投入并聯運行；在第5 s時，引入下垂特性，使得兩臺發電機按照容量分配負荷；第15 s時，引入下垂截距調節，補償下垂的電壓；第20 s時，突加負載，觀察兩臺發電機負荷的變化。得到的仿真結果如下各圖所示：

第5 s時整流發電機并車，并引入下垂特性，直流母線電壓發生下降；同時兩臺發電機開始負荷的分配調節，達到穩態時以1:4分配負載電流。第15 s時引入截距自補償，母線電壓恢復至額定電壓4000 V，同時發電機間負載電流分配關系不變。第25 s時突加負載，經過調節恢復到穩態后，母線電壓保持額定值，同時發電機間保持以1:4分配負荷。

4 結論

本文分析了十二相同步發電機的數學模型，利用電壓方程、磁鏈方程、電磁轉矩方程及機械特性方程，建立了十二相整流發電機的仿真模型。研究了整流發電機并聯運行時的功率分配控制策略，介紹了如何設計特定的電壓—電流下垂曲線、曲線截距的自動調節，從而通過改進勵磁調節器的控制，實現整流發電機間負荷的按比例分配和輸出直流電壓的穩定。仿真結果表明：

1）整流發電機的仿真模型較好地反映了其物理特性；

2）并聯運行控制策略能夠快速、準確地實現整流發電機間的穩態負荷分配，同時確保直流母線電壓為額定值。

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Modeling and Simulation of Two Parallel Twelve-phase Synchronous Generator-uncontrollable Rectifier Systems

Peng Ling1, Liu Zicheng2, Lu Ting1, Zheng Zedong2

(1. China Ship Design Center，Wuhan 430064，China;

2. Dept. of Electrical Engineering, Tsinghua University，Beijing 100084，China)

Thanks to high DC power quality and reliability, multiphase generators are increasingly used on ship electric propulsion system, and the parallel operation of generator-rectifier systems is very important for the onboard electrical system in both capacity and safety. The paper describes mathematical equations of twelve-phase synchronous generators, models two parallel generator-uncontrollable rectifier systems in MATLAB/Simulink, discusses the control strategy of active power distribution, designs the voltage-current droop characteristic and automatic intercept compensation, and finally applies the strategy to Excitation Regulator. Simulation results demonstrate the validity of the control system.

TM611

A

1003-4862（2015）03-0030-06

2014-10-14

彭凌(1983-)，男，工程師。研究方向：船舶電氣。