帶回饋制動負載的同步發電機整流系統運行穩定性研究

吳振宇，李小謙

（1.海軍駐武漢四三八廠軍事代表室，湖北 武漢430064；2.武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢430064）

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帶回饋制動負載的同步發電機整流系統運行穩定性研究

吳振宇1，李小謙2

（1.海軍駐武漢四三八廠軍事代表室，湖北 武漢430064；2.武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢430064）

摘要：研究了帶回饋制動負載的同步發電機整流系統運行不穩定的機理，提出了基于轉速微分控制和回饋能量泄放電路的解決方案，并通過matlab仿真驗證了采用該方案的合理性和有效性。

關鍵詞：同步發電機整流系統；穩定性；回饋制動

交直流混和供電艦船的電網結構特殊、運行控制復雜，交直流混合電網圖如圖1所示，QF1～QF6為開關，G1為汽輪發電機，G2為十二相整流發電機，GB為蓄電池組，MG1為變流機組同步電機，MG2為變流機組直流電機，AM為交流配電板，AD為直流配電板，M1為交流電機負載。

圖1　交直流混合電網圖

在應急供電模式下，整流發電機發出直流電給變流機組直流機供電，變流機組同步電機再發出交流電給交流電網供電，蓄電池組起到直流電網穩定器的作用。但是，在蓄電池組損壞的情況下，十二相整流發電機與變流機組并聯運行會出現不穩定的現象：在變流機組交流側投入負載時大約不到1 s，變流機組出現欠壓失磁跳閘故障。因此，研究直流電網不穩定的機理，解決并聯運行的穩定性，對保障艦船安全和主動力裝置安全具有重大意義。

本文通過對帶回饋制動負載的同步發電機整流系統運行不穩定機理的研究，提出了基于轉速微分控制和回饋能量泄放電路的解決方案，保證了帶回饋制動負載的同步電機整流發電系統運行的穩定性。

1　十二相整流發電機充電模型

十二相整流發電機系統具有直流電壓脈動小、不受換向限制、可靠性高、維護方便等突出優點，十二相整流發電機在需要較高直流供電品質的場所得到廣泛應用。

十二相整流發電機恒壓發電原理框圖如圖2所示，反饋電壓取自整流發電機的整流側，而不是取自整流發電機的交流側，這種方式的優點是容易滿足直流側端口電壓的控制精度。但是，當發電機輸出電壓小于端口的負載反饋電壓時，發電機勵磁調節器不斷的減小勵磁電流，企圖將輸出直流電壓拉低。當負載感生電勢大于整流電壓時，整流二級管阻斷能量回饋，整流側直流電壓被感生電勢鉗位，故障表現為發電機整流電壓會降低到剩磁電壓。

圖2　十二相整流發電機恒壓發電原理框圖

2　并勵直流電機的恒頻PI控制

變流機組在交流發電狀態運行時，直流電機作為直流電動機運行，直流電機的轉速決定交流電網頻率。變流機組要求直流電源電壓在175～320 V范圍變化、負載在0%～100%額定負載范圍內變化，直流電機的勵磁系統保證交流電壓頻率變化在±2%以內。并勵直流電機的勵磁回路如圖3所示，主勵磁繞組電流基本固定不動，控制加磁和減磁繞組的勵磁電流實現電機轉速的調節。

圖3　并勵直流電機的勵磁回路

圖4所示為仿真波形。電機采用電樞回路串電阻起動，在5 s切除起動電阻，10 s投入PI調節器，20 s起動500 A負載，35 s切除500 A負載。仿真波形顯示，在PI調節器投入和切除負載時，電機向蓄電池回饋能量制動。

圖4　與蓄電池連接的并勵直流電機仿真波形

3　引入轉速微分和回饋能量泄放回路

并勵直流電機轉速PI控制必然會帶來轉速超調，導致轉速控制器試圖通過加磁來使轉速降低，使得電機處于回饋制動的發電狀態。

圖5所示為基于MATLAB的并勵直流電機勵磁控制仿真原理圖。

圖5　并勵直流電機仿真原理圖

圖5中的電源由整流發電機模型替代，仿真波形見圖6.在并勵電機啟動后PI控制器投入、加載、卸載，均會引起直流母線電壓的大幅波動。在起動500 A負載后，直流母線電壓最低跌落到110 V，將導致并勵電機欠壓失磁跳閘。

圖6　與十二相整流發電機連接的并勵直流電機仿真波形

當并勵電機感生電勢高于整流發電機整流側電壓時，整流發電機的輸出電壓急劇減小，整流二極管斷流，并勵直流電機處于自然減速狀態，當轉速降低到額定轉速下，PI控制器又試圖通過減小勵磁來使電機轉速上升，直流母線電壓急劇減小，系統出現不穩定的狀態。

PI調節器的特點是容易輸出超調，將導致轉速調節過程中勵磁電流大幅波動；同時，并勵電機的勵磁電壓取自直流母線，當沒有蓄電池鉗位電壓時，勵磁電流與母線電壓形成正反饋，調節過程極易失控。

通過引入轉速微分反饋，使轉速調節器提前退飽和，抑制轉速超調［1］，抑制并勵直流電機勵磁電流的劇烈變化；直流母線并接1.2Ω泄能電阻（或1.2Ω以下），吸收回饋能量，使整流二極管不斷流，整流發電機整流側電壓無大幅波動。基于上述方案的仿真波形如圖7所示：在負載起動和卸載的暫態調節過程中，并勵電機勵磁電流和直流母線電壓無大幅波動，證明采用上述方案能保證帶并勵直流電機的整流發電系統穩定運行。

（續下圖）

圖7　引入轉速微分和回饋能量泄放回路的仿真波形

4　結束語

本文研究了整流發電機與直流并勵電機并聯運行的不穩定機理，提出了一種解決穩定性方案，通過仿真驗證直流電網的穩定性。該方案對于在正常電網和蓄電池損壞的故障疊加狀態下，保障艦船安全和主動力裝置安全具有重大意義。

參考文獻：

［1］陳伯時．電力拖動自動控制系統［M］．第二版.北京：機械工業出版社，2007.

Research on Stability of Synchronous Generator-Rectifier Systems With Regenerative Braking Load

WU Zhen-yu1，LI Xiao-qian2
（1.Naval Representative Office in No.438 Factory，Wuhan Hubei 430064，China；2.Wuhan Second Ship Design and Research Institute，WuhanHubei 430064，China）

Abstract：This paper research on instability of synchronous generator-rectifier systems with regenerative braking load.To improve the system's stability，a method，which uses speed differential controlling and the absorption circuit to leak regenerative braking energy.By means of simulation on simulink platform，the feasibility and effectiveness of the proposed method are verified by simulation results.

Key words：synchronous generator-rectifier systems；stability；regenerative braking

中圖分類號：TM341

文獻標識碼：A

文章編號：1672-545X（2016）03-0032-03

收稿日期：2015-12-27

作者簡介：吳振宇（1987-），男，湖北黃岡人，本科，助理工程師，主要從事艦艇電力電子控制工作；李小謙（1983-），男，湖北武漢人，本科，工程師，主要從事船舶電氣設計工作。