综合电力系统模拟试验及仿真研究

张雪妍, 付立军，吴 优，姜远志



综合电力系统模拟试验及仿真研究

张雪妍, 付立军，吴 优，姜远志

（海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室，武汉 430033）

设计和构建了综合交流电力系统物理模拟系统，并在PSCAD中建立了相应的系统仿真模型，完成了综合电力系统谐波和短路电流的模拟试验与仿真计算对比分析，试验和仿真结果吻合，为综合电力系统深入研究奠定了基础。

综合电力系统 物理模拟 仿真 谐波 短路

0 引言

舰船综合电力系统（Integrated Power System，简称IPS）是一种新型的动力系统，是将舰船原动机能量完全转化为电能，同时提供推进用电、高能武器用电和全船其它负载用电的电能综合利用与统一管理系统[1]。与传统意义上的电力系统相比，舰船综合电力系统能够优化总体系统设计，整合舰船动力平台，简化动力系统结构，提高舰船战技性能，降低噪声，支撑舰船高能武器，代表了未来舰船电力系统的发展趋势。

由于电力电子变流装置及大容量推进电机负载的存在，系统运行的稳定性、主网络供电品质、短路电流冲击等安全性问题更加突出，必须在设计阶段予以充分考虑，才能保证整个系统功能的正常实现[2]。

为此，本文建立与综合电力系统实船拓扑结构相似的比例缩小模拟试验系统，并构建相应的电磁暂态仿真系统，通过对系统谐波、短路电流进行模拟试验和仿真计算，验证综合电力系统设计方案的可行性及其建模方法的正确性，为综合电力系统的设计奠定基础。

1 综合电力系统拓扑结构

本文所研究综合电力系统采用中压交流辐射状供电网络，中压交流发电机分区域同时向电力推进负载和全船其它负载供电，对应的模拟系统结构如图1所示。该模拟试验系统由两套发电机组（包含1台变频器、1台电动机和1台三相同步发电机）、两套主推进器（包含2台移相隔离变压器、1台变频器和1台三相异步推进电机）以及负载（直流发电机带电阻性负载模拟螺旋桨）组成。此外，配置1台侧推电机，由异步电动机带直流发电机模拟。

2 主要设备模型

2.1 发电机

为一般起见，考虑同步电机的转子为凸极并具有D、g、Q三个阻尼绕组。g和Q绕组分别反映阻尼较强和较弱的涡流效应。假设同步电机为理想同步电机，即认为同步电机的磁路对称且不饱和及空间磁势按正弦分布[3]。下图给出了定子abc、转子励磁绕组f和阻尼绕组D、g、Q的电流、电压和磁轴的参考正方向。

电压方程[4]：

(1) (2)

磁链方程[4]：

(3) (4)

两台发电机额定功率40 kW，额定线电压390 V，额定线电流74 A，额定频率50 Hz。发电机各经相同长度的电缆连接至母线，在功率均分装置作用下，发电机相角一致，输出功率相等。发电机励磁调节器采用普通PI调节器。

2.2 移相变压器

两套主推进器的移相变压器分别产生 -7.5°、22.5°和7.5°、-22.5°的移相，如图3所示。

2.3 推进电机

模拟推进电机所用三相感应电动机额定功率22 kW，额定线电压380 V，额定线电流42.5 A，额定频率50 Hz，额定转速1480 r/min，采用矢量控制。侧推电机与推进电机数学模型相同，采用起动器起动。电压方程：

(5)

磁链方程：

(6)

电磁转矩表达式：

(7)

机械运动方程：

(8)

表达式中的符号说明如下：

v,v－定子电压d轴、q轴分量；v,v—转子电压d轴、q轴分量；i,i－定子电流d轴、q轴分量；i,i－转子电流d轴、q轴分量；R,R－定、转子电阻；L,L－定、转子自感； L,L－定、转子漏感；L－激磁电感；ω－同步角速度；ω－转差角速度；－微分算子；Ψ, Ψ－定子磁链d轴、q轴分量；Ψ, Ψ－转子磁链d轴、q轴分量；T, T－电磁转矩、负载转矩；p－电机极对数；－电机转动惯量。

3 推进电机矢量控制技术

对于一般感应电机调速系统而言，从转矩到转速近似为一个积分环节，其积分的时间常数由电机和负载的机械惯量决定，为不可控量，因此转矩控制性能的好坏直接关系到一个调速系统的动静态特性。

交流电机的转矩一般和定转子旋转磁场及其夹角有关。因此，要想控制转矩，必先检测和控制磁通。在磁场定向矢量控制系统中，一般把d-q坐标系放在以同步角速度ω旋转的同步旋转磁场上，把静止坐标系中的各交流量转化为旋转坐标系中的直流量，并使d轴与转子磁场方向重合，此时转子磁通q轴分量为零（即Ψ=0）。对于鼠笼式感应电机转子电压v=v=0，则由方程可得定子电流d轴分量：

转矩公式：

(10)

转差角频率：

(11)

上述方程构成转子磁场定向矢量控制的基本方程式。它表明转子磁链Ψ=Ψ仅由i产生，与i无关，因此i被称为定子电流的励磁分量，i是定子电流的转矩分量。也就是说，当i不变，即Ψ=Ψ不变时，如果i变化，转矩T立即随之成正比地变化，没有任何滞后。系统的控制框图如图4所示（图中带‘*’的量表示是给定量）。图中转子磁链角1由电流模型得到：

(12)

式中ω为转子旋转电角频率。

SVPWM的输出相电压是在正弦波形的基础上叠加一个三次谐波的零序分量，由于零序分量的注入，比传统的SPWM提高15.47%。

4 试验与仿真结果

按照图中所示系统结构搭建模拟试验系统，并在商业仿真软件PSCAD中建立相应仿真系统模型如图5所示，对系统谐波和短路电流进行试验与仿真对比分析。

4.1 谐波分析

两套发电机组并联运行，两套主推进器均带100%负载，线电压、电流畸变率的计算及实验值如表1所示，其中记+22.5/-7.5°变压器为1#变压器，记-22.5/+7.5°变压器为2#变压器，波形如图6所示。

4.2 短路电流

两套发电机组并联运行，母线电压为123.5伏，一台异步电动机空载挂网，在390V母线上短路，结果如图8，图9所示。

谐波分析、短路电流的计算与实验结果吻合，验证了系统模型的正确性，其建模及数值计算方法可以用于综合电力系统的深入分析计算。

5 结语

本文针对采用中压交流网络结构的舰船综合电力系统，按比例缩小构建了模拟试验系统，并建立了相应的数学模型和仿真模型，进行了系统主网谐波和短路电流的试验、仿真对比分析，验证了模拟试验系统可行性与仿真系统正确性，为综合电力系统的实船设计与分析提供了技术支撑。

[1] 马伟明. 舰船动力发展的方向—综合电力系统[J]. 海军工程大学学报, 2002, 14(6): 1-5.

[2] 贺开华. 大规模综合电力系统稳定性分析[J]. 船电技术, 2013, 33(5): 27-30.

[3] 吴浩伟. 同步发电机短路动态过程的Matlab仿真研究[J]. 船电技术, 2012, 32(9): 16-18.

[4] 马伟明. 同步电机过渡过程分析[M]. 武汉：湖北科学技术出版社，2001.

Experiment and Simulation of Integrated Power System

Zhang Xueyan，Fu Lijun，Wu You，Jiang Yuanzhi

( National Key Laboratory for Vessel Integrated Power System Technology, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China）

TM743

A

1003-4862（2015）01-0001-04

2014-07-08

国家重点基础研究发展计划项目(973项目)(2012CB215103)；国家自然科学基金项目（51377167）。

张雪妍（1990-），女，硕士研究生。研究方向：电力系统安全运行。