帶逆變負載的柴油機組穩定性分析及性能測試

黃 欣,趙錦成,解 璞

（軍械工程學院電力工程教研室，河北 石家莊 050003）

帶逆變負載的柴油機組穩定性分析及性能測試

黃 欣,趙錦成,解 璞

（軍械工程學院電力工程教研室，河北 石家莊 050003）

柴油機組加載電力電子非線性負載時會發生低頻振蕩現象導致輸出波形畸變失真。為確定系統穩定性條件，將逆變負載作為研究對象，結合同步發電機-整流器系統分析基礎，建立柴油機組逆變負載等效電路模型，對該系統穩定性條件做出假設，并通過實驗驗證假設的正確性，對該系統的性能進行測試，同時指出存在的問題和不足。

柴油機組；逆變器；等效模型；穩定性

0 引 言

隨著電力電子技術的發展，非線性負載種類增多，柴油機組帶載能力的分析和提高成了現今面臨的問題。當運行參數不匹配時，整個系統可能發生低頻振蕩現象，因此，分析影響系統運行穩定性的因素十分必要。

海軍工程大學電氣工程系針對同步發電機-整流器系統做出了深入的研究，文獻[1-2]揭示了系統穩定性運行機理，給出了穩定條件，同時更加深入分析了同步發電機-整流器系統帶交流負載和反電動勢負載時的穩定性，對分析理論進一步推廣。北京航空航天大學郭宏、清華大學王荀和王善銘等人也都對該系統的數學模型、解析計算方法以及穩定性做了分析[3-4]。

本文以逆變負載為研究對象，推導了系統等效電路模型，分析逆變負載內在構造，提出了該系統穩定性假設，并通過實驗驗證了假設的正確性。

1 柴油機組逆變負載等效電路模型

柴油機組主要由啟動電源和同步發電機構成，同步發電機決定著柴油機組內在特性。為了建立該系統的數學模型，進行準確的理論分析，做出如下假設[5]：

（1）忽略磁滯、磁飽和以及渦流等的影響。

（2）在dqo坐標下，運用派克變換時，對d、q軸分量中的低頻和高頻分量分別進行處理。

（3）逆變負載中的二極管具有理想特性。

選取同步發電機各量的正方向如圖1所示，均采用標幺值，基值為定子電壓和電流的額定值。

在dqo坐標下，d、q軸磁鏈方程可表示為

圖1 同步發電機正方向選定

式中：Xd，Xq——同步電抗；

Xad，Xaq——電樞反應電抗；

iD，iQ——阻尼繞組產生電流；

if——勵磁繞組產生電流。

設idl、iql分別表示中的低頻分量，ψdl、ψql分別為ψd、ψq中的低頻分量，同時，不考慮阻尼繞組對d、q軸低頻分量的作用。X式可以簡化為

式中：X′d，X′q——不考慮阻尼繞組作用時d軸和q軸運算電抗；

根據電壓與磁鏈的關系：

同時忽略低頻分量對時間的倒數，并假定X″d≈X″q，結合X式，推導并簡化得到ua的表達式：

根據和差化積公式，將X式前兩項化為正弦函數，進一步簡化得到：

將式（6）作為兩部分理解，并等效到電路模型中。第一項可等效為電壓源，即同步發電機輸出電壓；后兩項則等效為外阻抗。

2 逆變負載等效電路模型

2.1 逆變電路模型分析

圖2所示為三相電壓型逆變電路[6]，其中，Ud為整流電路流出直流電壓，Z為逆變電路輸出負載。

圖2 三相電壓型橋式逆變電路結構圖

逆變電路的工作方式為180°導電方式，即在圖2中，每個橋臂導電角度為180°，同一半橋上兩臂交替工作，各項開始導電的角度逐次相差120°。因此，在任一瞬間，將有3個橋臂同時導通。

根據逆變電路的工作方式，對輸出電壓定量分析。負載線電壓uUV可由式（7）表示：

uUO，uVO的波形均為Ud/2，只是相位差了120°。由此，把輸出線電壓uUV展開成傅里葉級數：

2.2 逆變負載等效模型

逆變負載由整流電路和逆變電路構成，和柴油機組構成交-直-交系統，如圖3所示。

圖3 柴油機逆變負載系統基本框圖

從逆變電路的理論分析可以看出，輸出線電壓uUV表示為輸入電壓Ud乘以正弦函數，有效值UUV和輸入電壓Ud成倍數關系，即通過整流逆變交-直-交電路，改變了柴油機組輸出電壓的頻率和幅值。同時，整流電路的電氣構造與逆變電路構成互補關系，根據戴維寧等效定理，將整個逆變負載看作電力電子元件構成的非線性負載模型，同時又具有整流電路的大部分特征，構成柴油機組逆變負載系統，進行穩定性分析。

3 柴油機逆變負載穩定性分析

柴油機逆變系統是一個強非線性系統，通常采用李雅普諾夫穩定性分析方法，先對該非線性系統初始平衡處進行線性化，然后使用勞斯判據，進行穩定性分析[7]。海軍工程大學楊青等[8-9]分別對同步發電機-整流系統、同步發電機-交流整流系統的穩定性進行了詳細的理論分析，得出了系統穩定條件，如式（11）所示：

式中：Rc——臨界電阻；

Red——直流側等效電阻。

即系統穩定性由直流側等效電阻Red決定，當系統運行不穩定時，可通過調節Red的大小，提高系統穩定性。

根據上述分析可知，逆變負載包含整流電路和與整流電路對稱的逆變電路，參照同步發電機-整流系統的穩定性條件提出了假設。柴油機組-逆變負載系統穩定性條件，由輸出端的等效電阻大小決定，當系統不穩定運行時，通過選取合適大小的等效電阻，可以改善該系統運行特性。

4 性能測試

4.1 測試方法

選取額定容量50kW柴油機組和24kW逆變負載構成試驗系統，另選取30 kW阻性負載和20kW直流電源作為試驗負載。將試驗負載接入系統輸出端，通過調節負載大小，驗證上述理論分析結果。

4.2 測試結果分析

當試驗系統接入15 kW直流電源時，系統出現嚴重的低頻振蕩，此時，將30kW阻性負載接入系統串于柴油機組和逆變負載之間，調節阻值，當阻性負載為7.5kW時，振蕩情況消除，系統穩定，從而驗證了上節提出的假設。噪聲、振動數據如表1。

表1 噪聲和振動測試結果

波形圖如圖4、圖5所示（上為電壓波形，下為電流波形）。

5 結束語

圖4 15kW逆變負載時系統振蕩波形

圖5 加入7.5kW阻性負載后波形

針對柴油機組帶逆變負荷出現的低頻電流振蕩現象，本文根據柴油機組內在結構，對同步發電機中低頻、高頻分量分開處理，提出了柴油機組逆變負載的等效模型，同時借鑒同步發電機-整流系統的穩定條件，提出假設，并實驗驗證了假設的正確性，同時提高了系統的整體性能。但本文理論分析較為理想化，同時在實驗中，電力電子設備較多，造成電壓波形不夠理想，仍然存在誤差，測試數據有待進一步完善。

[1]張曉鋒，溫洪，蔣心怡，等.帶整流負載同步發電機穩定性研究[J].中國航海，2001，49（2）：100-104.

[2]楊青，馬偉明，孫俊忠，等.同時帶交流和整流負載的三相同步發電機系統的等效電路模型[J].電工技術學報，2003，18（4）：1-5.

[3]王荀，王善銘，王祥珩.同步發電機整流系統的穩定性分析[J].清華大學學報，2006，46（7）：1193-1196.

[4]王善銘，王荀，王祥珩.同步發電機整流系統的建模[J].清華大學學報，2006，46（7）：1189-1192.

[5]倪以信，陳壽孫，張寶霖.動態電力系統的理論和分析[M].北京：清華大學出版社，2005.

[6]王兆安，黃俊.電力電子技術[M].西安：機械工業出版社，2007.

[7]Lakshimikantham V， Liu X，Leela S.Variational lyapunov method and stability theory[EB/OL].Elsevier，Mathematical Problems in Engineering，1998（3）：555-571.

[8]楊青，馬偉明，孫俊忠，等.同時帶交流和整流負載的三相同步發電機系統的運行穩定性[J].電工技術學報，2003，18（5）：5-10.

[9]趙常順，周智勇.同步發電機整流系統的數學模型及穩定判據[J].船舶技術，2003，25（1）：50-53.

Stability analysis and performance test of diesel engine set with inverter load

HUANG Xin，ZHAO Jin-cheng，Xie Pu
（Department of Electric Engineering，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

There is a low-frequency oscillation when diesel engine set is loaded with power electronics nonlinear load and output waveform distortion will occur.In order to determine the conditions for the stable operation of the system，inverter load was selected as the research object with analysis of SGSAD and the equivalent model of diesel engine set with inverter load were developed forthe system.A hypothesiswasgiven to thissystem.The correctnessofthis hypothesis was verified by experiment，and the performance of the system was tested and the problems and disadvantages were pointed out.

diesel engine set；inverter；equivalent model；stability

TM341+.2；TM712；N945.13；TM930.12

：A

：1674-5124（2014)03-0142-03

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.03.037

2013-05-25；

：2013-07-19

黃 欣（1990-），男，安徽黃山市人，碩士研究生，專業方向為諧波分析和負荷結構等。