三相坐標系下帶非平衡負載的船舶電力系統的仿真與實驗

黃從武 熊 浩

(海軍工程大學電氣工程系 武漢 430033)

船舶電力系統中存在非對稱靜態負載,整流橋,快速限流器,能量存儲器等非平衡負載,以及由于發生故障時,船舶電力系統帶非平衡負載運行,特別是三相整流橋換向瞬間存在兩相短路的情況,這些都是典型的非平衡負載情況.因此在分析船舶電力系統時,應考慮中性點的漂移.傳統的dq0坐標系下只能分析對稱負載的運行,對非平衡負載運行情況很難進行研究.而在三相坐標系下可按每相的瞬時參數值進行仿真分析,因此可準確地分析船舶電力系統的實際運行情況.目前國內在三相坐標系下對船舶電力系統進行仿真分析很少有人涉足,相關文獻基本沒有.本文根據文獻[1]中三相坐標系下帶平衡負載的數學模型,建立了三相坐標系下考慮中性點漂移的各元件的數學模型,根據數學模型進行了仿真,并與實驗結果進行了比較分析,證明所述方法是正確的.

1 數學模型

船舶電力系統中典型的單節點電站如圖1所示.圖中G1為同步發電機,M3為等效異步電動機,Z5為等效靜態負載.假設同步發電機的零點電勢為0,則除了需要確定三相電壓Ua,Ub,Uc之外,還必須確定異步電動機和靜態負載的零點電勢U03,U05.船舶電力系統中兩相短路是典型的嚴重非平衡負載情況.

圖1 非平衡負載時電力系統的等效模型

1.1 非平衡負載時發電機及調節器數學模型

三相坐標系下考慮中性點漂移的同步發電機數學模型為

分析單節點電站時,假設U01為0.

1.2 非平衡負載時異步電動機數學模型[2-3]

三相坐標系下考慮中性點漂移的異步電動機數學模型為

式中：U03為零點電勢或者中性點漂移電壓.

1.3 非平衡負載時靜態負載數學模型[4-5]

三相坐標系下考慮中性點漂移的靜態負載數學模型為

式中：U05為零點電勢或者中性點漂移電壓.

1.4 系統連接方程

船舶電力系統中不存在中性線,因此

并且根據基爾霍夫第一定理,存在如下關系

2 仿真分析

選取圖1中異步電動機M3斷開,靜態負載Z5的b,c兩相短路情況進行仿真分析.仿真參數為.電阻及阻抗等為標么值,時間常數為s.

仿真中兩相短路發生時,轉子初始角 γ1= 10°.選擇步長h=π/60=30°(電角度),即h= 0.052 36同步秒.在此種情況下,由仿真可知,仿真波形如圖2所示.橫坐標為迭代次數,縱坐標為標么值.并且在b,c短路過程中,Ib1+Ic1=0,Ia1=0.穩定后,b相和c相的電流幅值的標么值為相的電壓幅值的標么值為0.35,b相和c相的電壓幅值的標么值為0.18.

圖2 兩相短路仿真波形

3 實驗分析

為保證實驗的針對性,發電機的勵磁不調節,對b,c相進行兩相短路實驗.所以在仿真過程中Uf1=1,Ik1=0.選取b,c兩相短路后3個典型時刻進行分析,分析結果如圖3所示.

圖3 兩相短路實驗波形

2)根據實驗所得,在趨于穩定時b,c相電流處于峰值時刻,Ia1=0 A,Ib1=-58.76 A,Ic1= 60.86 A;電流標么值為=1.14.同時,Uc1=-30.1 V;電壓標么值為：Ua1=0.34,Ub1=可見,大致滿足

盡管兩相短路時相電流的初始段波形與短路發生時發電機的轉子位置有關,實驗中兩相短路瞬間轉子的位置也難以確定,但是不影響分析兩相短路的過渡過程.由以上實驗結果可知,在b,c兩相短路后任意時刻,大致滿足 Ib1+Ic1=0,Ia1=0,并且實驗中各相電流相電壓的過渡過程與仿真所得到的過渡過程一致.相電流的誤差是由于測量誤差、電壓諧波及線路損耗引起,但總體上在10%的工程誤差范圍內,不影響分析的結論.

4 結束語

帶非平衡負載是現代化船舶電力系統的重要運行狀態之一.由于不存在中線,所以當研究帶非平衡負載的船舶電力系統時,必須考慮中性點的漂移.三相坐標系下對兩相短路進行的仿真與相應的實驗分析表明,在三相坐標系下建立的引入中性點的數學模型及仿真方法對分析帶非平衡負載的船舶電力系統是準確可靠的.

[1] Я с ак о в Г С.Т е о р и я р е ж и м о в и ав т о м ат и з ац и я к о р аб е л ь н ы хэ л е к т р о э н е р г е т и ч е с к и х с и с т е м[M]. СП б：ВМА,2004.

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[3] Я с ак о в Г С,Т р е т ь я к М В.Р а с ч е тп е р е х о д н ы х п р о ц е с с о вв К Э С с д в у м я у з л о в ы м и т о ч к ам и. М е т о д и к а К-3627[R].Л：ВМА,1987.

[4]Я с ак о вГС.М о д е л ьиал г о р и т м ыр е ш е н и яу р ав н е н и й с в я з и ав т о н о м н о й э н е р г о с и с т е м ы п р о и з в о л ь н о й с т р у к т у р ы[J].Э л е к т р и ч е с т в о,1991(3)：5-12.

[5] Ц у н ъ у Х,Я с ак о вГС.Р ас ч е тэ л е к т р о м е х ан и ч е с к и х п е р е х о д н ы хп р о ц е с с о ввК Э Ссо д н о йу з л о в о йт о ч к о й вф аз н о йс и с т е м ек о о р д и н а т.М е т о д и к а№.05504 [R].С ПБ：ВМА,2008.