艦船電力系統暫態穩定性研究

李文才，郝國芬

(河北工程技術高等專科學校，河北 滄州061001)

0 引 言

船艦系統的設計構造復雜，其中使用的越來越精密的裝置設備，需要一個較為完善高效的電力系統支撐。在電力系統潛在的各種問題中，其發電機進行持續穩定的供電問題即其暫態穩定性能，對于艦船整體安全有效的運行起著重要作用。對電力系統安全有效的檢測需要用到暫態穩定分析研究，分析的方法及結果是影響系統判斷的重要手段。在電力系統研究領域中，船用電力系統研究尚處于起步階段，較多問題亟待解決，而陸用電網的發展已經日趨成熟，有豐富的經驗可供參考。艦船電網涉及繁雜精密的電子設備，且回路復雜，所以對其暫態穩定的研究具有一定的難度。

艦船電網的暫態穩定性研究牽涉因素復雜，需考慮問題眾多。本文首先提出了一個放電機組全方位數學模型，包括發電機、勵磁原理、調速、負荷模型;接著通過對電力系統發電機工作的分析，采用合適的算法實現艦船電力系統的暫態穩定性模擬仿真，并對仿真結果與艦船實際工作狀態進行客觀比較，驗證該算法方案的可行性和應用的價值。

1 數學模型

電力系統的構成主要可分為2個部分，一部分主要由發電機及傳輸設備構成，為系統提供能量，另一部分包括勵磁器、調速器等，主要負擔起調節電網工作狀態的功能。

1.1 同步發電機模型

對發電機工作情況轉化為如下方程:

上式中:E′q，ω，δ 分別為電壓電勢，功角速度及功角;現假設發電機初始電壓為:

在運行中狀態暫態電壓與勵磁力矩分別為

對各擾動因素用D，Q 坐標下的等效阻尼D(ω-1)表示，則勵磁力矩為:

1.2 勵磁模型

勵磁系統主要作用是調控電壓，以基本的比例式模型為基礎，調節過程如圖1所示。

圖1 勵磁系統Fig.1 Excitation system

由圖1 可得系統狀態方程:

由系統狀態穩定時的電壓關系知:

將Up代入則系統狀態方程在電壓擾動影響下的偏差:

若發電機在運行中無負載的電壓增量計為:

則電壓擾動偏差的關系可表示為:

其中:Kv=XadKvr/Rf，Kv為放大系數。

1.3 調速模型

調速器工作主要任務是進行功率調節，轉換方式如圖2所示。

圖2 調速器框圖Fig.2 Governor principle

功率控制通過過程可用如下公式描述:

由系統已知的轉速差與速率之比，可以算出功率增量。

1.4 負荷模型

轉子負荷參與暫穩態研究時，對分析精度要求更高，則其在感應電機中狀態公式如下:

其中:X′=Xm+ Xi。

2 暫態穩定性分析

2.1 系統分析原理

2.1.1 發電機節點的處理

電力系統的暫態穩定性主要根據系統運行中發電機節點和負荷狀態節點的在受到擾動影響下其穩定狀態的轉變，由于在復雜的電力系統中，節點多且各個位置的狀態計算復雜，在根據工作模型處理時需要選取合適而有效的算法來模擬仿真，為方便分析，現對發電機和負載節點處做適當處理。

假設發電機模型的定子方程為:

其導納矩陣為:

由于迭代方法在處理非線性電路節點時具有分析優勢，故本文使用迭代法處理發電機節點模型，對定子方程使用T 變換

得:

2.1.2 負荷節點的處理

考慮將負荷加入電網時的暫穩狀態方程可表示為:

其中:X′為負荷暫態電抗;rs為電機感應電阻;KH為折算系數，在方程處理為電流源形式則經過變換后方程為:

2.2 分析算法及流程

以往求解節點時使用傳統的歐拉算法，利用區間前端時間導數計算，使得準確度較低。當歐拉算法中對區間導數的取值通過時間步長區間兩端導數均值求得時，結果的準確性提高，方法如下:

接著通過求平均取得末端精確值:

在發電機仿真中求解算法導數均值時，發電機仿真模擬可以簡化為其轉子狀態公式:

因此有

從而發電機的功角速度ω 及功角δ 為:

則在發電機運行中第J個負荷轉子方程為:

則tn時刻可表示為:

其中:

則在tn+1時刻。

由此逐漸迭代功角速度ω 及功角δ，之后對結果進行修正，其中ω 與δ 修正公式為:

Sn+1的修正公式為:

最后用同樣方式算出各個時刻修正值，系統狀態求解方式完成，其算法過程流程總結如圖3所示。

3 仿真分析

在本文中，艦船電力系統各個節點中的在運行中主要參數狀態分別如表1～表3所示。

圖3 改進歐拉算法分析流程圖Fig.3 Improved euler algorithm analysis flow chart

表1 各組發電機參數Tab.1 Generator parameter

表2 電路各阻抗參數Tab.2 Circuit impedance parameters

表3 負載參數Tab.3 Load parameters

為了保證在電力系統暫態分析中模型的可靠，需要選擇精確的仿真算法并對分析結果進行判斷，本文在模擬仿真時是基于各設備點工作狀態下進行的，在分析中，選取的直流發電機初始值為:

在電機轉子運行中，設置其速度放大倍數Kp為3.5 倍，時間常數T=0.01，在電力系統運行狀態下，瞬間在原有狀態下掛載和卸載負荷時的攻角仿真狀態曲線及實際狀態下功角運行曲線如圖4～圖7所示。

圖4 負荷加入仿真情況Fig.4 Load in the simulation

圖5 負荷加入實際情況Fig.5 Load in actual situation

圖6 負荷卸載仿真情況Fig.6 Load discharge simulation

圖7 負荷卸載實際情況Fig.7 Load unload the actual situation

由上述仿真狀態曲線及實際狀態曲線可以看出，當電路系統中突然加入一個大功率負荷時，系統功角突然改變，導致不穩定狀態，在恢復穩定前，電網需經歷較長時間的震蕩衰減，且恢復的功角根據系統各配置不同而改變。由于仿真無法對各個電子器件進行模型狀態梳理，可以看出功角仿真曲線中電力系統的暫態變化較為平滑，實際中狀態過程震蕩往復，但最終震蕩曲線趨于穩定，即艦船電力系統的功率也調節穩定，滿足系統的負載需求，保證艦船的穩定。同時，由于現實電網系統的復雜，需要將更多更詳細的參數輸入仿真。本文提出的仿真運行狀態在一定程度上達到了與實際電力運行狀態的一致性，也證明了該仿真方案的可行性。

4 結 語

隨著艦船配置功能的升級優化，其電力系統穩定性要求也隨之升高。本文根據陸地電網成熟穩定監測系統，提出了一種基于艦船電力系統數學模型的運行仿真分析方法，并選取合適的仿真算法，以電力系統的時域分析為基礎，對其暫態穩定性進行分析，并在分析中與實際情況進行比較驗證，運行結果顯示仿真功角曲線和實際運行的狀態相符，因此，該仿真分析方法可使用于實際艦船穩定性監測。

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