基于母線并聯(lián)元件模型的船用中頻系統(tǒng)潮流計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

陳金鳳 , 高 嵬

?

基于母線并聯(lián)元件模型的船用中頻系統(tǒng)潮流計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

陳金鳳1, 高 嵬2

（1．中國(guó)人民解放軍91370部隊(duì)，福州 350014; 2．海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033）

針對(duì)寬幅壓變化的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)通風(fēng)機(jī)速度性能差的情況，在不需要速度閉環(huán)的前提下，為電機(jī)所帶風(fēng)阻性負(fù)載穩(wěn)速準(zhǔn)確度在10%以內(nèi)，設(shè)計(jì)出了一種穩(wěn)速裝置。基本能滿足此類電機(jī)負(fù)載的要求。文章介紹了穩(wěn)速裝置的工作原理和設(shè)計(jì)方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可對(duì)直流通風(fēng)電機(jī)進(jìn)行有效控制。

母線并聯(lián) 中頻系統(tǒng) 潮流

0 引言

采用集中式中頻供電系統(tǒng)是解決分布式中頻供電系統(tǒng)存在問(wèn)題的有效技術(shù)途徑，也是各國(guó)海軍大型中頻供電系統(tǒng)平臺(tái)的發(fā)展方向之一錯(cuò)誤！未找到引用源。。在集中供電條件下，中頻系統(tǒng)的潮流分析和計(jì)算是目前供電系統(tǒng)尚未解決的問(wèn)題之一，對(duì)此類問(wèn)題的研究能夠?yàn)楣收戏治鎏岣弑匾募夹g(shù)支持，同時(shí)為能量調(diào)度提供重要理論依據(jù)錯(cuò)誤！未找到引用源。。

在電力系統(tǒng)潮流計(jì)算方法中，最初在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)的是高斯-賽德?tīng)柕?，這種方法內(nèi)存需求小，以導(dǎo)納矩陣為基礎(chǔ)，收斂性差；算法后來(lái)發(fā)展為以阻抗矩陣為基礎(chǔ)，雖然收斂性好，但內(nèi)存需求大，限制了其應(yīng)用范圍?？煽啃远缺容^高，收斂速度最好的算法是牛頓-拉斐遜法，對(duì)初值的選取敏感度小，但是占用的內(nèi)存大[2,4]；快速解耦法在工程實(shí)踐中有著比較廣泛的應(yīng)用，它是對(duì)牛頓-拉斐遜法的合理簡(jiǎn)化?？紤]到艦船供電系統(tǒng)具有一些固有特點(diǎn)，比如：多相不平衡負(fù)載、輻射狀（樹(shù)狀）網(wǎng)絡(luò)、線路相對(duì)較短、多相多模式控制、線路阻抗比（R/X）較高等錯(cuò)誤！未找到引用源。，這些特點(diǎn)往往使得傳統(tǒng)的潮流計(jì)算方法變得可靠性降低[2,4]，不再適用或者出現(xiàn)不收斂的問(wèn)題。前推回推算法最適合樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)，并且速度快，占用內(nèi)存小錯(cuò)誤！未找到引用源。；ZBUS法可以應(yīng)用于弱環(huán)網(wǎng)絡(luò)，和前推回推算法有著類似的性能，但是它占用的內(nèi)存大，算法效率低錯(cuò)誤！未找到引用源。。結(jié)合艦船電力系統(tǒng)的特點(diǎn)，從計(jì)算速度和內(nèi)存占用量的角度出發(fā)進(jìn)行考慮，前推回推法錯(cuò)誤！未找到引用源。是艦船電力系統(tǒng)的潮流計(jì)算的最佳選擇。

1前推回推的潮流計(jì)算法

以下從2個(gè)方面對(duì)回推前推算法進(jìn)行說(shuō)明，用來(lái)更新支路的注入電流，通常是第一類KCL的回推算法；所謂的更新節(jié)點(diǎn)電壓，也就是第二類，電勢(shì)壓降的前推算法。兩種算法相互迭代，最終達(dá)到收斂條件。

如圖1，系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)基于廣度優(yōu)先搜索進(jìn)行分層編號(hào)。假定網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)電壓初始值為0，并設(shè)定根節(jié)點(diǎn)（松弛節(jié)點(diǎn)）電壓的值為參考電壓即0。

下面是回推前推法的具體計(jì)算步驟，其中在第次迭代中：

在計(jì)算各支路電流時(shí)，從最后一層支路向根節(jié)點(diǎn)推進(jìn)，第次迭代中支路的電流：

前推法求解各節(jié)點(diǎn)電壓時(shí)，從根節(jié)點(diǎn)開(kāi)始向最后一層前推，第次迭代中節(jié)點(diǎn)的電壓：

上述步驟完成后，各節(jié)點(diǎn)三相功率的偏差量為：

如果式（4）中有任何一相的有功功率或無(wú)功功率分量沒(méi)有能夠滿足收斂條件，就會(huì)重復(fù)（2）～（3）的計(jì)算，直至每相都滿足收斂條件，計(jì)算結(jié)束。

2 母線并聯(lián)元件模型

就目前而言，電力系統(tǒng)模型大多適用于陸地電網(wǎng)和工頻電網(wǎng)，但在艦船中頻電力系統(tǒng)中，一般電力系統(tǒng)模型卻難以能夠滿足其潮流計(jì)算的需求。

因此，本文針對(duì)艦船中頻電力系統(tǒng)的特點(diǎn)，重新獲取艦船電力系統(tǒng)的支路模型，如圖所示。我們的思想是把整個(gè)系統(tǒng)看成一系列的母線（即匯流排）通過(guò)電壓調(diào)節(jié)器（一般只在初級(jí)母線有）、分布導(dǎo)線或者變壓器連接起來(lái)的樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)。而每級(jí)母線有可能還掛接負(fù)載，或并聯(lián)電容、感應(yīng)電機(jī)等。給定的支路是三相系統(tǒng)，圖中所標(biāo)示的各量是矢量，故文中數(shù)學(xué)模型的描述均采用粗斜體來(lái)表示。在圖中，虛線代表的含義為該元件可能是不接地的星型連接形式也可能是三角形連接形式。在節(jié)點(diǎn)處應(yīng)用可以得到：

1)負(fù)載

負(fù)載模型大致分成三類：恒定電流負(fù)載、恒定復(fù)功率負(fù)載和恒定阻抗負(fù)載。下面進(jìn)行分別說(shuō)明：

2)感應(yīng)電機(jī)

感應(yīng)電機(jī)模型的建立[7]首先是通過(guò)正負(fù)序輸入導(dǎo)納矩陣，然后將其序量阻抗轉(zhuǎn)換成相量阻抗矩陣，可以得到：

3)并聯(lián)電容

并聯(lián)電容的模型相對(duì)簡(jiǎn)單，通常適用于無(wú)功功率的補(bǔ)償或者用來(lái)減小線路的損耗。一般可作為恒導(dǎo)納組件處理：

3 結(jié)果驗(yàn)證

最后將本文中頻供電系統(tǒng)中的模型進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)其所采取的潮流算法進(jìn)行驗(yàn)證，為此建立了中頻電站動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（圖3）。

但是受條件所限，本文的艦船中頻電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，屬于5節(jié)點(diǎn)的中頻供電系統(tǒng)。供電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。該系統(tǒng)是環(huán)狀三相三線不接地網(wǎng)絡(luò)，包含2臺(tái)發(fā)電機(jī)，假設(shè)1號(hào)母線為松弛節(jié)點(diǎn)，2號(hào)母線為PV節(jié)點(diǎn)，其注入有功功率為30kW，參考電壓等級(jí)230V，其余為PQ 節(jié)點(diǎn)。線路中含有兩臺(tái)變壓器，電壓變比為2：1，負(fù)荷功率(kVA )：S3 = 0. 715 + j0. 540，S4 =0. 640+ j0. 480，S5=6. 200+ j4. 650。

線路阻抗參數(shù)見(jiàn)表1，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。通過(guò)與試驗(yàn)結(jié)果的比較可以看到，本文的計(jì)算誤差小于1%。因此，本文建立的模型和采用的計(jì)算方法適合艦船中頻電力系統(tǒng)潮流計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。

4 結(jié)論

本文在深入分析艦船電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用前推回推法作為艦船電力系統(tǒng)潮流計(jì)算的方法，并且根據(jù)該算法的特點(diǎn)給出了元件的母線并聯(lián)模型，實(shí)現(xiàn)了模型和算法的有機(jī)融合，尤其對(duì)各種連接方式下的變壓器模型進(jìn)行了詳細(xì)研究，解決了變壓器模型在應(yīng)用到本文算法過(guò)程中出現(xiàn)的矩陣奇異性問(wèn)題和解的唯一性問(wèn)題。

最后，通過(guò)構(gòu)建的簡(jiǎn)單5節(jié)點(diǎn)中頻供電系統(tǒng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了所建立模型的正確性和實(shí)用性。

[1] 張伯明，陳壽孫，嚴(yán)正．高等電力網(wǎng)絡(luò)分析（第2版） [M]．北京：清華大學(xué)出版社，2007：172-283．

[2] Clayton D H，F(xiàn)isher J D．Electric power distribution systems [HB]．Naval Ships’ Technical Manual Chapter 320，Direction of Commander，Naval Sea Systems Command，1998．

，Sarma N D R．Shipboard systems deploy automated protection [J]．IEEE computer applications in power，1998，04：31-36．

[4] 王錫凡，方萬(wàn)良，杜正春．現(xiàn)代電力系統(tǒng)分析 [M]．北京：科學(xué)出版社，2003：55-111．

，Qi L，Butler-Purry K L．A three phase load flow algorithm for shipboard power systems [C]．Transmission and distribution conference and exposition，IEEE PES，2003，7（12）：227-233．

[6] Baltimore M D．Next generation integrated power systems （NGIPS） for the future fleet [R]．IEEE electric ship technologies symposium，2009．

[7] Chen T H，Chen M S．Distribution system power flow analysis—a rigid approach [J]．IEEE transactions on power delivery，1991，6（3）：1146-1152．

Calculation and Testing of Load Flow for Shipboard Vessel Medium Frequency System Based on Busbar Line Parallel Model

Chen Jinfeng1, Gao Wei2

(1. No. 91370 Troop of PLA, Fuzhou 350014, China; 2. College of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

DC motor control system of wide-range input voltage for a ventilation system has poor performance of speed regulation. A control system of speed regulation is designed, in which the resistive load of the motor without speed closed-loop can keep precision of speed regulation less than 10%, and meet the basic needs of motors load. The paper introduces the working principle and design method of the speed regulation, and experiments prove the excellent effect on controlling the DC motor .

parallel; medium frequency system; load flow

TM33

A

1003-4862（2016）03-0013-03

2015-07-12

陳金鳳(1975-)，男，工程師。研究方向：船舶電源及艦船消磁。