十二相不控整流發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)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(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的建模與仿真

彭 凌1，劉自程2，鹿 婷1，鄭澤東2

（1.中國(guó)艦船研究中心，武漢 430064；2. 清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京 100084）

多相整流發(fā)電機(jī)因其直流供電品質(zhì)高、可靠性高，在船舶電力推進(jìn)中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用，整流發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行對(duì)于提高船舶電力系統(tǒng)的容量和安全性具有重要意義。推導(dǎo)了十二相同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，在MATLAB/Simulink中建立了兩臺(tái)帶不控整流的十二相同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的仿真模型。探討了兩臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行發(fā)電機(jī)間功率分配的控制策略，設(shè)計(jì)了電壓—電流下垂特性曲線和曲線截距的自動(dòng)補(bǔ)償，并將其應(yīng)用到勵(lì)磁控制系統(tǒng)中。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該控制系統(tǒng)的有效性。

十二相不控整流發(fā)電機(jī) 功率分配 下垂特性 仿真

0 引言

十二相整流發(fā)電機(jī)因電壓脈動(dòng)系數(shù)小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在艦船電力推進(jìn)、郵電通訊、飛機(jī)電源系統(tǒng)等需要較高直流供電品質(zhì)的場(chǎng)所得到廣泛應(yīng)用[1]。

在艦船上，為了提高供電系統(tǒng)的可靠性，一般由兩臺(tái)以上的發(fā)電機(jī)并聯(lián)組成電站供電[2]。如果并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)間功率分配不均勻，會(huì)導(dǎo)致某些機(jī)組過(guò)載運(yùn)行，影響供電的安全。因此，研究整流發(fā)電機(jī)組在并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的功率控制和分配，對(duì)提高供電可靠性具有重要意義。

目前對(duì)不控整流發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的大部分研究[3-6]集中于系統(tǒng)建模和穩(wěn)定性分析，對(duì)其功率分配控制的研究尚且不足。文獻(xiàn)[7]中的功率分配控制策略雖能按比例分配負(fù)荷，但是需要預(yù)測(cè)并提前設(shè)定穩(wěn)態(tài)下發(fā)電機(jī)的功率輸出，應(yīng)用在負(fù)載變動(dòng)頻繁且不可預(yù)測(cè)的場(chǎng)合具有局限性。

本文研究了十二相整流發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，并在MATLAB/Simulink中建立了仿真模型。探討了十二相整流發(fā)電機(jī)組在穩(wěn)態(tài)下功率分配的控制策略，推導(dǎo)了功率分配與電壓—電流下垂特性之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，并將其應(yīng)用于勵(lì)磁控制器，進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 十二相整流發(fā)電機(jī)的建模

1.1 十二相同步發(fā)電機(jī)的建模[8,9]

十二相同步發(fā)電機(jī)包含定子12相繞組、勵(lì)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(guān)系如圖1所示。建立電機(jī)模型時(shí)，忽略空間諧波磁場(chǎng)的影響，認(rèn)為氣隙磁場(chǎng)是按照正弦分布的；忽略電機(jī)鐵芯的飽和、磁滯及渦流的影響，導(dǎo)線的趨膚效應(yīng)也不考慮；將同步電機(jī)轉(zhuǎn)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(guò)對(duì)各套阻尼繞組的派克變換，實(shí)現(xiàn)十二相靜止坐標(biāo)系到d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。

對(duì)于第i套繞組，變換矩陣Ki為：

那么，d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的方程為：

對(duì)發(fā)電機(jī)的電壓進(jìn)行坐標(biāo)變換后，可以得到d-q坐標(biāo)系下的電壓為：

同理，可以得到d-q坐標(biāo)系下磁鏈方程為：

轉(zhuǎn)矩方程為:

描述發(fā)電機(jī)的機(jī)械特性方程為：

基于數(shù)學(xué)方程(3)～(6)，可以建立十二相同步發(fā)電機(jī)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(gè)整流二極管組成，MATLAB的SimPowerSystems庫(kù)中有通用的三相整流橋模塊，可以更改其參數(shù)直接應(yīng)用于本仿真模型。

整流橋與十二相同步發(fā)電機(jī)定子繞組的連接關(guān)系，如圖3所示。

2 并聯(lián)運(yùn)行的控制策略

9月18日，國(guó)務(wù)院總理李克強(qiáng)主持召開(kāi)國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議。會(huì)議強(qiáng)調(diào)，在當(dāng)前國(guó)際形勢(shì)錯(cuò)綜復(fù)雜情況下，要進(jìn)一步激發(fā)我國(guó)市場(chǎng)活力，一個(gè)關(guān)鍵舉措是要加大簡(jiǎn)政減稅降費(fèi)力度。要把減稅降費(fèi)措施切實(shí)落實(shí)到位，對(duì)落實(shí)情況開(kāi)展檢查核實(shí)，決不允許拖延和打折扣，決不允許自行其是。要按照國(guó)務(wù)院明確的“總體上不增加企業(yè)負(fù)擔(dān)”的已定部署，在機(jī)構(gòu)改革中確保社保費(fèi)現(xiàn)有征收政策穩(wěn)定，有關(guān)部門(mén)要加強(qiáng)督查，嚴(yán)禁自行對(duì)企業(yè)歷史欠費(fèi)進(jìn)行集中清繳，違反規(guī)定的要堅(jiān)決糾正，堅(jiān)決查處征管中的違法違紀(jì)行為。同時(shí)，要抓緊研究提出降低社保費(fèi)率方案，與征收體制改革同步實(shí)施。

整流發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行與交流發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行、直流發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行均有差異。整流發(fā)電機(jī)并車端為直流，無(wú)需考慮頻率差、相位差問(wèn)題，只需考慮直流電壓的差值，因此相對(duì)于交流發(fā)電機(jī)的并車操作更簡(jiǎn)單；同時(shí)，由于二極管整流系統(tǒng)的存在，整流發(fā)電機(jī)機(jī)端的電流不能反向，所以能量不能逆向流動(dòng)，這與直流發(fā)電機(jī)存在明顯區(qū)別。

2.1 下垂特性的設(shè)計(jì)

在交流發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行中[10,11]，對(duì)于有功功率的分配，一般通過(guò)設(shè)定各發(fā)電機(jī)調(diào)速器的調(diào)差系數(shù)，利用頻率—有功功率的下垂特性，實(shí)現(xiàn)各臺(tái)發(fā)電機(jī)間按照特定的比例分配有功功率。對(duì)于無(wú)功功率的分配，則是通過(guò)設(shè)定各發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制器的調(diào)差系數(shù)，利用電壓—無(wú)功功率的下垂特性，實(shí)現(xiàn)各臺(tái)發(fā)電機(jī)間按比例分配無(wú)功功率。

對(duì)于并聯(lián)運(yùn)行的十二相整流發(fā)電機(jī)，由于輸出端和并聯(lián)處都是直流，不輸出無(wú)功功率，且整流系統(tǒng)前端交流側(cè)的頻率相互獨(dú)立，因此不能使用交流發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的功率分配策略。由于兩發(fā)電機(jī)的直流側(cè)電壓相同，所以可以利用直流電壓這一公共量設(shè)計(jì)電壓—電流下垂特性曲線，通過(guò)勵(lì)磁控制器對(duì)勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)，控制各整流發(fā)電機(jī)輸出直流電壓的幅值，實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流即功率的按比例分配。

在勵(lì)磁控制器中，引入負(fù)載電流的負(fù)反饋，可以得到整流發(fā)電機(jī)輸出電壓—負(fù)載電流的下垂特性，如圖4所示。

當(dāng)兩臺(tái)整流發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，在端口直流電壓相等的限制下，各發(fā)電機(jī)通過(guò)下垂特性確定各自的工作點(diǎn)。本文中，要求兩臺(tái)整流發(fā)電機(jī)按照1:4的特定比例分配負(fù)荷。

兩臺(tái)的下垂特性分別為：

由并聯(lián)約束條件有：

由功率分配關(guān)系有:

即

2.2 勵(lì)磁控制器的設(shè)計(jì)

在本控制策略的探討中，由于整流作用使得兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的頻率相互獨(dú)立，可以設(shè)定各整流發(fā)電機(jī)在調(diào)速器作用下轉(zhuǎn)速恒定，探討恒頻下的控制策略。那么，控制策略實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵為勵(lì)磁控制器的設(shè)計(jì)。

圖6為勵(lì)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(guò)PI調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓，使得發(fā)電機(jī)輸出電壓等于指令值。虛線框內(nèi)為下垂曲線截距的調(diào)節(jié)，其目標(biāo)為使得下垂特性給出指令值等于額定工作電壓。截距自動(dòng)調(diào)節(jié)的引入，避免了預(yù)先為每臺(tái)電機(jī)計(jì)算和指定輸出負(fù)荷值[7]，特別是在負(fù)荷頻繁變化的時(shí)候，有效簡(jiǎn)化控制復(fù)雜程度，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，保證了兩臺(tái)電機(jī)既能按要求準(zhǔn)確分配負(fù)荷，又能準(zhǔn)確地工作在給定的電壓值。

3 仿真驗(yàn)證

3.1 系統(tǒng)描述

在MATLAB/Simulink中，搭建了兩臺(tái)整流發(fā)電機(jī)并聯(lián)帶負(fù)載的仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停鐖D7所示，圖中從左到右依次為勵(lì)磁控制器、十二相同步發(fā)電機(jī)、整流橋系統(tǒng)、母線電容、負(fù)載及信號(hào)測(cè)量部分。模型中的兩臺(tái)整流發(fā)電機(jī)選取相同的參數(shù)，詳見(jiàn)表1。

3.2 仿真運(yùn)行結(jié)果及分析

系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程如下：給定兩臺(tái)十二相整流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在兩臺(tái)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓相近時(shí)，投入并聯(lián)運(yùn)行；在第5 s時(shí)，引入下垂特性，使得兩臺(tái)發(fā)電機(jī)按照容量分配負(fù)荷；第15 s時(shí)，引入下垂截距調(diào)節(jié)，補(bǔ)償下垂的電壓；第20 s時(shí)，突加負(fù)載，觀察兩臺(tái)發(fā)電機(jī)負(fù)荷的變化。得到的仿真結(jié)果如下各圖所示：

第5 s時(shí)整流發(fā)電機(jī)并車，并引入下垂特性，直流母線電壓發(fā)生下降；同時(shí)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)開(kāi)始負(fù)荷的分配調(diào)節(jié)，達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)以1:4分配負(fù)載電流。第15 s時(shí)引入截距自補(bǔ)償，母線電壓恢復(fù)至額定電壓4000 V，同時(shí)發(fā)電機(jī)間負(fù)載電流分配關(guān)系不變。第25 s時(shí)突加負(fù)載，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)后，母線電壓保持額定值，同時(shí)發(fā)電機(jī)間保持以1:4分配負(fù)荷。

4 結(jié)論

本文分析了十二相同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，利用電壓方程、磁鏈方程、電磁轉(zhuǎn)矩方程及機(jī)械特性方程，建立了十二相整流發(fā)電機(jī)的仿真模型。研究了整流發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的功率分配控制策略，介紹了如何設(shè)計(jì)特定的電壓—電流下垂曲線、曲線截距的自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而通過(guò)改進(jìn)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的控制，實(shí)現(xiàn)整流發(fā)電機(jī)間負(fù)荷的按比例分配和輸出直流電壓的穩(wěn)定。仿真結(jié)果表明：

1）整流發(fā)電機(jī)的仿真模型較好地反映了其物理特性；

2）并聯(lián)運(yùn)行控制策略能夠快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)整流發(fā)電機(jī)間的穩(wěn)態(tài)負(fù)荷分配，同時(shí)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。