移動電站動態負載測試的仿真與特性分析

劉 威，朱長青，張 衡，谷志鋒

(1. 陸軍工程大學，河北 石家莊 050000；2. 石家莊鐵道大學，河北 石家莊050000)

1 引言

移動電站主要由柴油機、同步發電機以及控制系統組成，通常用于為獨立電力系統提供電力支持，如用于船舶、裝備系統等供電領域。不同于大容量的電力網，移動電站及其負載構成的獨立電力系統具有電源的容量小，而負載沖擊性強的特點，在負載變化時勵磁與調速系統需要一定的響應時間采取調節措施，造成供電母線電壓和頻率的波動，影響用電負載(火炮、雷達等)的工作性能[1-3]。

各種負載的電路結構和工作原理不同，相關標準對移動電站的電氣性能指標及試驗方法進行了規定[4-5]，其中動態性能測試包括阻感負載的突加、突減和感應電機的直接啟動。目前針對諧波勵磁與電子調速的移動電站的建模研究較少，對移動電站動態特性的評估指標相對簡單，無法全面評估移動電站的性能[6-7]。

本文分析了中小功率等級移動電站常采用的諧波無刷勵磁系統與電子調速系統的數學模型，基于MATLAB/Simulink仿真平臺，構建以阻感負載和感應電動機為測試負荷的移動電站仿真系統。從電壓和頻率的波動、瞬時功率和暫態波形的角度提出評估指標，對移動電站的動態特性進行仿真分析。首先比較兩類動態負載下移動電站特性的不同，并對相關指標進行計算，然后分析負載加載時刻對暫態波形的影響，為優化移動電站測試技術提供依據。

2 仿真系統模型的構建

移動電站由同步發電機和勵磁控制器構成其勵磁系統，由柴油機和調速器構成其調速系統。同步發電機的勵磁系統對于穩定輸出電壓、維持運行穩定具有重要意義，三次諧波無刷勵磁具有簡單可靠、自勵恒壓、動態特性好的優點，在中小型同步電機中得到了廣泛應用。當柴油機的負載變化時，轉速應保持相對穩定，以保證電站頻率穩定，電子調速器消除機械摩擦及損耗的影響，具有控制準確、響應迅速、調試方便的優點?；谌沃C波無刷勵磁與電子調速的移動電站具有良好的性能，下面分別介紹各部分的數學模型。

圖1 移動電站測試系統仿真結構圖

2.1 調速系統數學模型

調速系統由柴油機與電子調速器構成，柴油機通過飛輪盤與同步發電機轉子直接連接，電子調速器由轉速傳感器、電調控制器、電磁執行器組成，如圖2所示。

圖2 調速系統原理圖

采用角速度ω表示內燃機凸輪盤與同步電機轉子的共同轉速，轉速傳感器輸出脈沖信號，經過頻壓轉換得到正比于ω的直流電壓Uwt，給定角速度ωr由轉速調整電位器提供對應電壓Uwr，電調控制器通過比較Uwt與Uwr，獲得偏差EU。轉化過程近似線性，增益KT由轉化裝置決定，則

EU=Uwr-Uwt=KT(ωr-ω)

(1)

EU經過電調控制器的PID環節輸出電磁執行器的驅動信號IE，其比例系數KP、積分時間常數TI和微分時間常數TD由出廠前整定，用傳遞函數表示為

(2)

電磁執行器輸出軸與柴油機油量調節桿連接，輸入為轉速控制器的驅動信號IE，輸出為油量調節桿的控制位移LE，可采用一階慣性環節等效，其環節增益KE、慣性時間常數TE可通過實驗確定，傳遞函數為

(3)

柴油機的輸出力矩與循環充氣量、循環燃油加入量、熱效率等有關，實際內部過程十分復雜，詳細分析并建立高階模型較為復雜。由于電站在正常工作時，柴油機工作在額定轉速附近，動態范圍較小，根據穩態特性進行分段線性化，可以得到較好的精度。從系統外部輸入的角度，穩態時輸出轉矩TD可以表示為[8]

TD=f(ω，L)

(4)

柴油機的速度特性指油量調節桿位置不變時，轉矩隨轉速的變化關系，表現為一條光滑且平緩的曲線；轉速一定時，轉矩與油量調節桿位置近似呈線性關系。當工況變化范圍較大時，可以建立多個分段線性化模型。對于額定轉速的某一工況，可以得到TD的表達式為

=m0ω+n0L+b0

(5)

式中：m0，n0，b0為柴油機在該工況下的線性化參數，可通過實驗或特性曲線確定。

考慮到油量調節過程的機械間隙以及柴油機本身的燃燒滯后，柴油機的轉矩響應存在一定的滯后，可以認為油量調節桿位移存在延時td，即Ld(t)=L(t-td)，則式(5)可表示為

TD=m0ω+n0Ld+b0

(6)

2.2 勵磁系統數學模型

勵磁系統由三次諧波無刷勵磁同步發電機與勵磁調節器(AVR)構成[9]。三次諧波無刷勵磁通過在定子槽中增設主繞組(Wm)之外的三次諧波繞組(Wh)，將氣隙磁場的諧波功率引出，經過AVR調節后作為勵磁系統的輸入，對旋轉電樞式交流勵磁機進行勵磁，三次諧波電勢隨著感性負載的增大而增大，因此具有自動電壓調整的特點。勵磁機輸出通過旋轉整流器后轉化為直流，對主發電機勵磁繞組(We)進行勵磁，從而實現勵磁系統的無刷化，系統的原理如圖3所示。

圖3 諧波無刷勵磁系統原理圖

2.2.1 三次諧波繞組電動勢

(7)

式中：N為繞組總串聯匝數；Kw為繞組因數；B為磁場幅值；k1在B0變化不大時可以近似為常量；忽略飽和時E01可以表示為Xadif。

負載時，考慮到轉子的凸極效應，將Fa分解成兩個分量，交軸電樞磁動勢Faq與直軸電樞磁動勢Fad，即

Fa=Fad+Faq

圖4 主極磁動勢與主磁場

圖5 電樞磁動勢與電樞反應磁場

考慮直軸電樞反應時，諧波繞組電動勢Ead3與主繞組電動勢Ead1的關系為

(8)

式中k2可以近似常量；由于Ead1正比于Bad1，不計磁飽和時，Bad1正比于Fad，又Fad正比于Id，即Ead1可表示為IdXad。

同理，考慮交軸電樞反應時，諧波繞組電動勢Eaq3與主繞組電動勢Eaq1的關系為

Eaq3=k3IqXaq

(9)

(10)

2.2.2 同步電機模型

對于同步電機的派克方程，在計及繞組的電磁過渡過程以及轉子機械過渡過程時，方程為七階模型。常用實用模型的簡化忽略定子繞組暫態，令定子電壓方程中變壓器電動勢為零，這種簡化要求同步電機定子繞組中只通過基波正序電流。但在移動電站的動態負載測試中，負載的突變將引起較大的負序電流分量，對應的變壓器電動勢較大，需要考慮定子暫態，因此仿真中應該采用同步電機的七階方程[11-12]。

考慮三次諧波繞組對轉子運動方程的影響，忽略電阻損耗和供給磁場的功率，可認為繞組的輸出電功率等于轉化的機械功率，此時轉子運動方程為

(11)

其中，δ為q軸領先同步坐標系實軸x的角度；TD為柴油機的輸出力矩；P3為三次諧波繞組輸出電功率；H為機組慣性時間常數。

2.2.3 勵磁控制系統模型

AVR是勵磁控制系統的核心，諧波無刷勵磁系統的AVR包括電壓測量比較電路、PID調節電路和可控硅觸發電路等[13]。發電機端電壓經測量環節后與給定電壓比較，其偏差量通過PID環節后輸出控制量UA，UA通過改變勵磁回路中可控硅的導通角對諧波繞組的輸出功率UR進行調節，從而調控勵磁機的輸出，即主發電機的勵磁電壓Ef，最終形成對機端電壓的閉環控制，勵磁系統控制框圖如圖6所示。

圖6 勵磁系統控制框圖

3 仿真結果與分析

移動電站的負載種類多樣，特性不同，由于系統容量小而負載沖擊性強的特點，因此負載突變時的電氣性能指標對于衡量電站性能十分重要。本文根據移動電站試驗標準，采用阻感負載的突變和感應電機的直接啟動來檢測其動態電氣性能指標，仿真設置如表1所示。

表1 仿真系統參數

在阻感負載的突加突卸仿真中，0.5s時突加20kW負載Load1，功率因數為1，1.0s時全部卸載，1.5s時突增25kVA負載Load2，功率因數為0.8，2.0s時全部卸載，每次負載變化前發電機已經進入穩定狀態，仿真結果如圖7所示，四個子圖分別為A相電壓電流波形、端電壓有效值、頻率波動、瞬時有功和無功功率。

圖7 阻感負載的突加突卸仿真結果

在直接啟動感應電機的仿真中，0.5s時將7.5kW的感應電機接入，感應電機的轉矩設為空載，0.8s時斷開感應電機，負載變化前發電機已經進入穩定狀態，仿真結果如圖8所示。

圖8 直接啟動感應電機的仿真結果

為了準確分析移動電站的動態電氣特性，定義以下評估指標：

1)瞬態電壓、頻率調整率δUs與δfs：δUs=(US-U)/U，δfs=(fS-f)/f.

其中，U(f)表示電壓(頻率)的額定值，US(fS)表示負載突變時的瞬時電壓(頻率)的最大值或最小值。

2)瞬時有功、無功最大斜率Dpm與Dqm：Dpm=(pS-pE)/Δt，Dqm=(qS-qE)/Δt.

其中，pS(qS)和pE(qE)表示負載突變時斜率最大分段端點對應的瞬時有功(無功)功率，Δt為分段對應的時間。

通過計算，各項指標的結果如表2所示，通過比較可以得出感應電機直接啟動時的沖擊性遠大于兩組阻感負載的突加過程，其中瞬態電壓調整調整率和瞬態頻率調整率分別為-47.9%和-6.26%，最大瞬時有功功率的斜率達到4.2kW/ms。

表2 指標分析結果

進一步分析移動電站在負載突變時的暫態電壓與電流的波形，現有平臺無法對負載的加載時刻進行調節，這里將負載加載時刻分別發生在電壓的過零點與峰值時刻，對三組負載進行仿真，如圖9和圖10所示?？梢园l現，不同的加載時刻，暫態電壓波形畸變的程度不同，相應的暫態電流的波形也不同。在移動電站的測試系統中，負載突變時電流的最大變化率是需要考慮的因素，也是電站測試用電子負載的關鍵設計指標。經計算，對于不同的負載加載方式，最大電流速率達到了33A/ms，因此在研制電子負載時，其電流跟蹤速率需大于該數值。

圖9 阻感負載在不同加載時刻的暫態波形

圖10 感應電機在不同加載時刻的暫態波形

4 結論

本文針對移動電站的動態特性測試，對移動電站的數學模型進行分析，并基于MATLAB/Simulink仿真平臺，構建以阻感負載和感應電動機為測試負荷的移動電站仿真系統，結果表明所建仿真系統可以用于移動電站動態特性的研究。通過分析仿真結果，比較兩類負載對移動電站造成影響的不同，通過對相關指標進行計算，對移動電站的動態特性進行了全面衡量。進一步分析了負載加載時刻對電壓電流暫態波形的影響，結果表明不同加載方式對應的暫態波形有著明顯的區別，相對感應電機，阻感負載的電流暫態過程相對較短，電流波形穩定快，但是暫態過程中的電流變化率均達到了30A/ms的級別，因此需要很高的電流跟蹤速度，為研制移動電站測試用電子負載提供了參考。利用該數字仿真平臺可以對移動電站測試技術進行深入理論分析，對于全面評估移動電站動態性能，優化電站試驗平臺檢測技術具有重要意義。