三相坐标系下带非平衡负载的船舶电力系统的仿真与实验

黄从武 熊 浩

(海军工程大学电气工程系 武汉 430033)

船舶电力系统中存在非对称静态负载,整流桥,快速限流器,能量存储器等非平衡负载,以及由于发生故障时,船舶电力系统带非平衡负载运行,特别是三相整流桥换向瞬间存在两相短路的情况,这些都是典型的非平衡负载情况.因此在分析船舶电力系统时,应考虑中性点的漂移.传统的dq0坐标系下只能分析对称负载的运行,对非平衡负载运行情况很难进行研究.而在三相坐标系下可按每相的瞬时参数值进行仿真分析,因此可准确地分析船舶电力系统的实际运行情况.目前国内在三相坐标系下对船舶电力系统进行仿真分析很少有人涉足,相关文献基本没有.本文根据文献[1]中三相坐标系下带平衡负载的数学模型,建立了三相坐标系下考虑中性点漂移的各元件的数学模型,根据数学模型进行了仿真,并与实验结果进行了比较分析,证明所述方法是正确的.

1 数学模型

船舶电力系统中典型的单节点电站如图1所示.图中G1为同步发电机,M3为等效异步电动机,Z5为等效静态负载.假设同步发电机的零点电势为0,则除了需要确定三相电压Ua,Ub,Uc之外,还必须确定异步电动机和静态负载的零点电势U03,U05.船舶电力系统中两相短路是典型的严重非平衡负载情况.

图1 非平衡负载时电力系统的等效模型

1.1 非平衡负载时发电机及调节器数学模型

三相坐标系下考虑中性点漂移的同步发电机数学模型为

分析单节点电站时,假设U01为0.

1.2 非平衡负载时异步电动机数学模型[2-3]

三相坐标系下考虑中性点漂移的异步电动机数学模型为

式中：U03为零点电势或者中性点漂移电压.

1.3 非平衡负载时静态负载数学模型[4-5]

三相坐标系下考虑中性点漂移的静态负载数学模型为

式中：U05为零点电势或者中性点漂移电压.

1.4 系统连接方程

船舶电力系统中不存在中性线,因此

并且根据基尔霍夫第一定理,存在如下关系

2 仿真分析

选取图1中异步电动机M3断开,静态负载Z5的b,c两相短路情况进行仿真分析.仿真参数为.电阻及阻抗等为标么值,时间常数为s.

仿真中两相短路发生时,转子初始角 γ1= 10°.选择步长h=π/60=30°(电角度),即h= 0.052 36同步秒.在此种情况下,由仿真可知,仿真波形如图2所示.横坐标为迭代次数,纵坐标为标么值.并且在b,c短路过程中,Ib1+Ic1=0,Ia1=0.稳定后,b相和c相的电流幅值的标么值为相的电压幅值的标么值为0.35,b相和c相的电压幅值的标么值为0.18.

图2 两相短路仿真波形

3 实验分析

为保证实验的针对性,发电机的励磁不调节,对b,c相进行两相短路实验.所以在仿真过程中Uf1=1,Ik1=0.选取b,c两相短路后3个典型时刻进行分析,分析结果如图3所示.

图3 两相短路实验波形

2)根据实验所得,在趋于稳定时b,c相电流处于峰值时刻,Ia1=0 A,Ib1=-58.76 A,Ic1= 60.86 A;电流标么值为=1.14.同时,Uc1=-30.1 V;电压标么值为：Ua1=0.34,Ub1=可见,大致满足

尽管两相短路时相电流的初始段波形与短路发生时发电机的转子位置有关,实验中两相短路瞬间转子的位置也难以确定,但是不影响分析两相短路的过渡过程.由以上实验结果可知,在b,c两相短路后任意时刻,大致满足 Ib1+Ic1=0,Ia1=0,并且实验中各相电流相电压的过渡过程与仿真所得到的过渡过程一致.相电流的误差是由于测量误差、电压谐波及线路损耗引起,但总体上在10%的工程误差范围内,不影响分析的结论.

4 结束语

带非平衡负载是现代化船舶电力系统的重要运行状态之一.由于不存在中线,所以当研究带非平衡负载的船舶电力系统时,必须考虑中性点的漂移.三相坐标系下对两相短路进行的仿真与相应的实验分析表明,在三相坐标系下建立的引入中性点的数学模型及仿真方法对分析带非平衡负载的船舶电力系统是准确可靠的.

[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.

[2] Я с ак о в Г С,Т р е т ь я к М В.Р ас ч е тп е р е х о д н ы х п р о ц е с с о ввЭ С Кс о д н о йу з л о в о йт о ч к о й.М е т о д и к а К-3628[R].Л：ВМА,1987.

[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.