基于RTDS的應(yīng)急發(fā)電車模擬運(yùn)行特性研究

【關(guān)鍵詞】RTDS；應(yīng)急發(fā)電車；實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器；仿真測試平

引言

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大及快速發(fā)展，作為研究仿真電力系統(tǒng)暫態(tài)過程而開發(fā)的實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器（Real-TimeDigital Simulator， RTDS），已成為一種電力系統(tǒng)領(lǐng)域里研究復(fù)雜電力系統(tǒng)現(xiàn)象的有效手段[1-3]，通過RTDS實(shí)現(xiàn)的電機(jī)數(shù)字仿真可有效運(yùn)用于實(shí)際電機(jī)的設(shè)計(jì)和測驗(yàn)中。

現(xiàn)有應(yīng)急發(fā)電車[4]的數(shù)字仿真方法無法反映真實(shí)系統(tǒng)中的各種電磁耦合現(xiàn)象，存在精度誤差[5-8]。

本文提出一種基于RTDS的應(yīng)急發(fā)電車模擬方法，通過對應(yīng)急發(fā)電車建模，模擬應(yīng)急發(fā)電車功率因數(shù)控制下的實(shí)際運(yùn)行，得到了基于RTDS的應(yīng)急發(fā)電車不同控制下的仿真特性。

一、基于RTDS的應(yīng)急發(fā)電車建模分析

對于應(yīng)急發(fā)電車的發(fā)電系統(tǒng)，其主要包括對應(yīng)額定功率的發(fā)電機(jī)組和油箱。通常發(fā)電機(jī)組根據(jù)電力保障負(fù)荷需求進(jìn)行選擇，油箱儲油量可保證發(fā)電機(jī)滿負(fù)荷工作不少于8小時(shí)。而不同品牌的發(fā)電機(jī)組調(diào)速器與勵磁器有一定差異，對多中壓發(fā)電車的并機(jī)并網(wǎng)有一定影響。

應(yīng)急發(fā)電車配電系統(tǒng)主要提供10kV的交流配電，通過配置總開關(guān)，可輸出航空快速接插件、電纜及電纜絞盤。不同品牌應(yīng)急發(fā)電車配電系統(tǒng)僅在開關(guān)及容量上存在差別，對多臺應(yīng)急發(fā)電車的并網(wǎng)運(yùn)行無明顯影響。

應(yīng)急發(fā)電車的裝載系統(tǒng)一般采用中型或重型二類底盤。車輛需配置進(jìn)排風(fēng)系統(tǒng)、平衡支撐系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)等。不同品牌應(yīng)急發(fā)電車的裝載系統(tǒng)僅存在承重、散熱、速度等方面的差異，對多臺應(yīng)急發(fā)電車的并機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行無明顯影響。

應(yīng)急發(fā)電車由柴油發(fā)動機(jī)、同步發(fā)電機(jī)、調(diào)速器、勵磁控制器、升壓變、電氣和機(jī)械傳感器構(gòu)成，進(jìn)行電磁暫態(tài)仿真建模時(shí)，需要根據(jù)其內(nèi)部控制特性建立狀態(tài)方程，并進(jìn)行控制框圖的確認(rèn)，以此搭建電磁暫態(tài)仿真模型。

基于RTDS的應(yīng)急發(fā)電車模擬方法，包括通過RTDS編程的原動機(jī)仿真模塊、同步發(fā)電機(jī)仿真模塊，發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)仿真模塊和發(fā)電機(jī)組集成硬件控制器模塊。其整體模型如圖1所示，配置內(nèi)部控制參數(shù)、外部負(fù)荷及線路參數(shù)，啟動控制器與RTDS，即可進(jìn)行仿真。

（一）應(yīng)急發(fā)電車原動機(jī)模塊

對基于RTDS的應(yīng)急發(fā)電車整體模型中的原動機(jī)機(jī)動力學(xué)進(jìn)行建模。其中，發(fā)電車原動機(jī)模塊的單位阻尼常數(shù)D可由式（1）所得：

其中，ωm為運(yùn)動機(jī)的單位機(jī)械速度，tstop為停止時(shí)間，H為單位慣性常數(shù)。

如果原動機(jī)沒有以預(yù)期停止時(shí)間的150%停止，則控制器設(shè)置為警報(bào)狀態(tài)。

當(dāng)發(fā)電機(jī)組控制器啟動器輸出設(shè)置為on時(shí)，機(jī)械轉(zhuǎn)矩設(shè)置為啟動轉(zhuǎn)矩Tstart。啟動轉(zhuǎn)矩的值是根據(jù)原動機(jī)的預(yù)期啟動時(shí)間tstart選擇的。使用與計(jì)算阻尼常數(shù)相同的程序，通過將電動轉(zhuǎn)矩設(shè)置為0.0p.u，可以使用（2）式來計(jì)算合適的啟動轉(zhuǎn)矩：

（二）發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)模型及控制器硬件集成

勵磁系統(tǒng)模型使用永磁先導(dǎo)勵磁機(jī)作為主勵磁電壓調(diào)節(jié)器電源。

兩個(gè)發(fā)電機(jī)組控制器使用千兆級RTDS收發(fā)器，IO卡連接到模擬發(fā)電機(jī)組模型，用于放大±10 V電壓，分別輸出到控制器的PT和CT輸入處，用于測量發(fā)電機(jī)電壓Vt，abc和電流Is，abc，以及母線電壓 Vb，abc。

數(shù)字輸出的頻率上限受模擬時(shí)間步長 tstep 的限制。 給定軸速度 fm 和飛輪齒數(shù) Nteeth條件下， MPU 信號的平均脈沖寬度 tpulse可以用公式（4）計(jì)算：

本方法提出了一種基于RTDS的應(yīng)急發(fā)電車模擬方法，可用來模擬應(yīng)急發(fā)電車中核心的發(fā)電機(jī)部分。由于采用了RTDS半實(shí)物仿真的方法，能夠反映真實(shí)系統(tǒng)中的各種電磁耦合現(xiàn)象，降低仿真與實(shí)際間的誤差，指導(dǎo)應(yīng)急發(fā)電車的運(yùn)行控制研究。

二、單臺應(yīng)急發(fā)電車運(yùn)行特性仿真分析

根據(jù)廠家資料收集，得到康明斯品牌10kV 柴油發(fā)電機(jī)組DIG 110 i/4的參數(shù)，如表1表2表3所示，根據(jù)改參數(shù)，搭建應(yīng)急發(fā)電車內(nèi)部柴油發(fā)電機(jī)組及控制模型，對單臺機(jī)組的恒功率因數(shù)和定電壓控制進(jìn)行仿真分析。

（一）超前功率因數(shù)控制仿真

為驗(yàn)證超前功率因數(shù)控制能力，設(shè)定勵磁器功率因數(shù)在t=5s時(shí)由初始值1變化到0.95，圖2為該種控制方式下柴油發(fā)電機(jī)的有功及無功功率標(biāo)幺值輸出曲線，可以看出，模型可以實(shí)現(xiàn)很好的超前功率因數(shù)控制能力，有功功率輸出在經(jīng)過很小的波動后，達(dá)到穩(wěn)定，由于功率因數(shù)超前，所以無功功率由0降為負(fù)值。

圖2為超前功率因數(shù)控制下勵磁電壓輸出曲線，可以看出，在功率因數(shù)發(fā)生變化后，勵磁電壓開始下降，功率因數(shù)達(dá)到穩(wěn)定后，勵磁電壓經(jīng)過短暫的上升后達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。

（二）滯后功率因素控制仿真

為驗(yàn)證滯后功率因數(shù)控制能力，與超前功率因數(shù)控制相同，給定勵磁器功率因數(shù)，通過改變勵磁器控制方式中的值來實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)的滯后，圖3分別為滯后功率因數(shù)控制方式下有功功率和無功功率輸出曲線圖。由圖3可知，有功功率經(jīng)過微小波動后達(dá)到穩(wěn)定，其輸出值近似于超前功率因數(shù)控制方式下的輸出有功值，無功功率由0經(jīng)短時(shí)間后開始上升，最后穩(wěn)定在一個(gè)與超前功率因數(shù)控制方式下穩(wěn)定輸出無功值相反的正值。

由滯后功率因數(shù)控制方式下的勵磁電壓輸出曲線圖可以看出，在勵磁器參考功率因數(shù)的變化過程中，勵磁電壓的變化過程與超前功率因數(shù)控制方式下的勵磁電壓變化相反，開始處于上升狀態(tài)，功率因數(shù)穩(wěn)定后，經(jīng)短暫時(shí)間下降并達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。

（三）定電壓控制仿真

為了驗(yàn)證該柴油發(fā)電機(jī)模型勵磁器可以實(shí)現(xiàn)定電壓控制，設(shè)定參考電壓在t=5s時(shí)由1變化到1.01穩(wěn)定至7s后下降至0.995達(dá)到穩(wěn)定，圖4分別為定電壓控制方式下該柴油發(fā)電機(jī)的有功功率、無功功率輸出曲線，可以看出該模型可以實(shí)現(xiàn)定電壓控制，在參考電壓上升或下降達(dá)到穩(wěn)態(tài)的過程中，有功功率均經(jīng)過短暫波動后達(dá)到穩(wěn)定值，由圖4可知，無功功率隨著參考電壓的變化趨勢變化，對于無功功率穩(wěn)定輸出值，參考電壓為0.995時(shí)，無功功率為一個(gè)較小負(fù)值，參考電壓為1.01時(shí)，無功功率為一個(gè)較小的正值。即無功功率的臨界參考電壓為0.995與1.01之間。

在定電壓控制方式下，柴油發(fā)電機(jī)的勵磁電壓輸出曲線隨著參考電壓的變化趨勢變化，當(dāng)參考電壓達(dá)到穩(wěn)定值后，勵磁電壓較平緩的過渡達(dá)到穩(wěn)定值。

（四）無功功率因素控制仿真

為了驗(yàn)證該模型可以實(shí)現(xiàn)無功功率控制，設(shè)定無功功率控制量在t=5s時(shí)由0變化到0.2。其變化曲線如圖5所示。

由圖可知，在勵磁器在無功功率控制方式下，由柴油發(fā)電機(jī)的輸出有功功率曲線與勵磁電壓輸出曲線可知，所建勵磁模型可以實(shí)現(xiàn)無功功率控制，在無功功率調(diào)節(jié)過程中，有功功率及勵磁電壓經(jīng)過短暫的波動后達(dá)到穩(wěn)定。

結(jié)論

本文基于RTDS的應(yīng)急發(fā)電車模擬方法，通過RTDS模擬應(yīng)急發(fā)電車不同運(yùn)行模塊，得到了不同控制下的應(yīng)急發(fā)電車運(yùn)行特性。本文通過仿真得到的結(jié)論如下：

（1）在超前功率因素控制下，應(yīng)急發(fā)電車有功功率在經(jīng)過很小的波動后，達(dá)到穩(wěn)定，無功功率由0降為負(fù)值；勵磁電壓開始下降，功率因數(shù)達(dá)到穩(wěn)定后，勵磁電壓經(jīng)過短暫的上升后達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值

（2）在滯后功率因素控制方式下，應(yīng)急發(fā)電車有功功率經(jīng)過微小波動后達(dá)到穩(wěn)定，無功功率由0經(jīng)短時(shí)間后開始上升，最后穩(wěn)定在一個(gè)與超前功率因數(shù)控制方式下穩(wěn)定輸出無功值相反的正值；勵磁電壓開始處于上升狀態(tài)，功率因數(shù)穩(wěn)定后，經(jīng)短暫時(shí)間下降并穩(wěn)定在與超前功率因數(shù)控制方式下穩(wěn)定輸出勵磁電壓近似的值

（3）在定電壓控制下，參考電壓上升或下降達(dá)到穩(wěn)態(tài)的過程中，有功功率均經(jīng)過短暫波動后達(dá)到穩(wěn)定值，無功功率的臨界參考電壓為0.995與1.01之間；勵磁電壓隨著參考電壓的變化趨勢變化，當(dāng)參考電壓達(dá)到穩(wěn)定值后，勵磁電壓較平緩的過渡達(dá)到穩(wěn)定值

（4）在無功功率因素控制下，中壓發(fā)電車有功功率及勵磁電壓經(jīng)過短暫的波動后達(dá)到穩(wěn)定。