（电力电子与电力传动专业论文）船舶综合全电力推进系统的建模与计算机仿真研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t m a r i n ei n t e g r a t e df u l le l e c t r i cs y s t e m ，w h i c hi sd e s i g n e dt oc o m b i n e t w om a i ns y s t e m so fp r e s e n tm a r i n ep l a t f o r m ：p o w e rs y s t e ma n de l e c t r i c p r o p u l s i o ns y s t e m ，a n dt or e a l i z et h ei n t e g r a lu t i l i z a t i o no fe l e c t r i ce n e r g y a n dt h ei n t e g r a t i o no fp o w e rs u p p l ya n de l e c t r i cp r o p u l s i o n ，i n c l u d e sa l a r g e n u m b e ro ff l e wt e c h n o l o g i e s t h e s y s t e mi s n o ta s i m p l e c o m b i n a t i o no ft h ep o w e rs u p p l ys y s t e ma n dt h ee l e c t r i cp r o p u l s i o n s y s t e m ，b u tac o m p r e h e n s i v es y s t e mo ft h e m ，f r o map o i n to fv i e wo f c o n s i d e r a t i o no ft h ew h o l ev e s s e le n e r g y e m u l a t i o no ft h ep o w e rs y s t e m a n dp r o p u l s i o ns y s t e mf o rs o m es h i pw i t hf u l le l e c t r i cp r o p u l s i o ni s c o m m i r e d t h ep u r p o s ei st oc o n f i r mc o n d i t i o n sa n di n d e x e st h a t g u a r a n t e er e l i a b l ep o w e re n e r g ya n de l e c t r i cp r o p u l s i o nt o a l l p o w e r c o n s u m i n gd e v i c e s ，t h r o u g hr e s e a r c h i n g o f s t e a d y a n d d y n a m i c p e r f o r m a n c e so fm a r i n ep o w e rs y s t e ma n dp r o p u l s i o ns y s t e mu n d e ra l l s o r t so fw o r k i n gc o n d i t i o n s ，t op r o v i d ed e s i g np r o c e s sw i t ht h e o r e t i c a l j u d g m e n t t h et r a n s i e n ta n a l y s i so ft h es t a b i l i t yo fm a r i n ei n t e g r a t e df u l l e l e c t r i cp r o p u l s i o ns y s t e m ，w h i c hi n c l u d e st h eb u i l d i n go fm a t h e m a t i c a l m o d e la n dp r o g r a m m i n go fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，i sal a r g es u b j e c tw i t h m a n yt a s k s t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e mc o m p o n e n t st h a tc o n s t i t u t e t h em a r i n ei n t e g r a t e df u l le l e c t r i cp r o p u l s i o ns y s t e m ，i n c l u d i n gg e n e r a t o r s ， e x c i t a t i o n a d j u s t e r s ，s p e e dg o v e r n o r s ，l o a d s ，p r o p u l s i o nm o t o r s a n d e l e c t r i cc i r c u i t s a r ea n a l y z e d a n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e li sb u i l ti nt h i s p a p e r t h ep a p e ra n a l y z e st h et r a n s i e n ts t a b i l i t yo fm a r i n ei n t e g r a t e df u l l e l e c t r i cp r o p u l s i o ns y s t e m ，a n dt h es t i m u l a t i o np r o g r a mo ft h es y s t e mi s d e s i g n e d ，b a s e do nt h ea n a l y s i s ，t or e s e a r c ht h er u n n i n go fg e n e r a t o r si n p a r a l l e li nt h ec o n d i t i o n so fs u d d e nl o a d i n ga n du n l o a d i n g ，a n d t h e c a l c u l a t i o n ，a n a l y s i sa n dr e s u l t sa r ed o n eb ym a t l a b t h er e s u l to ft h es i m u l a t i o nh a si tc l e a rt h a tt h ed a t ao fi m i t a t i n ga r e t h es a m ea st h es h i p sa n dt h a tt h em o d e la r ec o r r e c t ， k e yw o r d s ：s h i p ；i n t e g r a t e df u l le l e c t r i cp r o p u l s i o ns y s t e m ；m a t h e m a t i c a l m o d e l ；s i m u l a t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引 用己在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表 的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结 果由本人承担。 作者( 签字) ：i 2 至汹 日期： 访刁年月7 日 第1 章绪论 1 1 综合全电力推进系统的发展及现状 综合全电力推进系统( i n t e g r a t e df u l le l e c t r i cp r o p u l s i o ns y s t e m ) 是一种全新的系统，它包含了大量的高新技术，并不是供电和电力推 进两个系统简单地相加，而是从全舰船的能源高度统盘考虑，真正地 实现了电力和动力两大系统的全面融合。这样的综合系统既容纳了大 量的具有现代最先进的数控技术，又为动力和电力机械领域提供了最 新研究成果；并采用近年发展起来的大功率电子技术来提高全船能源 利用和变换的效率。此外，这个系统可以实施高度的模块化和通用化。 因而，它既能发扬电力推进的长处，又能提高电网供电的可靠性，为 舰船作战使用带来最大的灵活性，使总体设计更能够满足未来舰船的 各种需求。目前国外具有代表性的舰船综合全电力推进系统是英国的 i f e p 系统和美国的i p s 系统。 以英国为例，计划开发的i f e p 系统分为交流与直流推进汇流排 两种系统。以英国排水量为4 5 0 0 t ，航速3 0 节的双轴护卫舰所设计的 i f e p 为例，他们都需要w r 2 1 型燃气轮机，每台燃气轮机驱动一台 2 2 m w 的4 极交流发电机及两台各为1 8 0 r m i n 、2 0 m w 的推进电动机， 所推荐的电动机为鼠笼感应电动机。两种系统都采用高压推进汇流排 ( 6 6 k v a c 或4 k v d c ) ，在推进汇流排和4 4 0 v 、6 0 h z 日用汇流排之间 用功率变换器连接，两台燃气轮机发电机要求能提供2 2 0 m w ，并且 同时供电给日用负载( m a x 2 5 m w ) 。 在低速和巡航速度下，推进功率和日用负载由一台燃气轮机发电 机或者一台或多台柴油发电机供给。小功率的柴油发电机连接到推进 汇流排和日用汇流排上，其规格和分配取决于对其利用率的考虑，以 及在燃汽轮机发电机变为不经济的低速航行时对其维持合理效率的要 求。交流推进汇流排系统的重要特征是燃气轮机直接驱动( 无减速齿轮 箱) 2 2 m w 发电机以3 6 0 0 r m i n 恒速运行，各发电机在1 2 0 h z 交流汇流 排上实现同步。推进功率取自于交流汇流排，各电动机由一台带直流 哈尔滨工程大学硕士学位论文 环节的变频器驱动。推进汇流排与日用汇流排的连接由可提供高质量 电源的旋转变流机( 同步电动发电机) 实现，旋转交流机能执行频率变 换、电压变换、隔离推进汇流排的谐波等功能。 直流推进汇流排系统中，发电机不必恒速运行或在推进汇流排上 实现同步，他们的运行速度可在系统电压和发电机设计所确定的极限 范围内变化。因此，对于给定的战舰工况来说，可使原动机的效率最 高，推进发电机与直流汇流排通过全波二极管整流器进行连接，但还 需要隔离电感器的吸收与整流器波纹和二极管换向所相关的电压差。 由于电源侧变换器( 二极管整流器) 已与发电机联系在一起，故电动机 侧变换器0 w m 逆变器) 是单极的。推进汇流排与日用汇流排通过 p w m 逆变器进行连接，它是双向的( 可逆的) ，这样就可以使各个发 电机组向直流汇流排供电。表1 1 列出了2 2 m w 发电机、2 0 m w 及 1 8 0 r m i n 感应电动机和p w m 变频器等的设计参数；图1 1 为护卫舰 用的综合全电力推进系统( 交流汇流排) 框图；图1 2 为护卫舰用的综合 全电力推进系统( 直流汇流排) 框图。 表1 12 2 m w 发电机、2 0 m w 电动机及p w m 变频器等设计参数 发电机感应电旋转变流机变频器 动机 推进侧日用侧总计 额定功率( m w ) 2 22 01 51 51 0 额定转速( r m i n ) 3 6 0 01 8 03 6 0 03 6 0 0 极数41 642 频率( h z l 1 2 0 2 41 2 0 6 0 相数3633 相连接星型v 型 线电压6 6 k v6 6 k v4 4 0 v 线电流( k a l 2 1 4 相电压6 k v 相电流 6 5 5 a 满载效率( ) 9 7 39 7 2 39 59 59 0 满载功率因数 0 ，90 8 7 3 外壳总长( m m ) 3 5 7 63 6 3 5 重量( t ) 4 08 05 57 5 1 6 5 冷却方式 空冷 2 推m 跚 觉藏i 铷堪 黧遗4 4 0 v 6 0 1 1 7 u 坩茳施藩 图1 1 护卫舰用综合电力推进系统( 交流汇流排) 框图 煮汽乾执嚣电帆 禳进霞瘴箨( 竟蠢， 毫肇删姗蜂h 用黼 图1 2 护卫舰综合电力推进系统( 直流汇流排) 框图 英国研究者认为交流汇流排系统比直流汇流排系统优越，因为其 电气设备尺寸较小，研究成本较低，并可减少装置制造费用。英国还 计划将该系统在配置上稍加改动，应用在2 0 0 0 0 t 级航速3 0 节的航空 3 母舰上。如图1 3 所示。 摊避 漉搏、嫡1 2 0 u z空覆4 v ，6 m 圮 lj i i 茳巍律 图1 3 航母综合电力推进系统( 交流汇流排) 框图 除了英国i f e p 系统和美国i p s 系统外，德国m t g 公司提出了四 推进电机双桨 交、直流两方案) 综合电力系统的概念。它是基于增强 舰船的生命力、降低舰船的水下噪声、减少舰船的全寿期费用等方面 来考虑的。另外还有一种称为“吊舱式综合全电力推进系统”的方案。 吊舱式电力推进实质上是一种特殊的推进模块，尽管它的积体不大， 却能够代替一根完整的传统轴系。 我们国家在这方面起步较晚，目前尽管相对落后，但国家开始加 大投资和研制力度。在民船方面由天津新港船厂建造“中铁渤海一 号”船是我国首次采用综合全电力推进系统的客滚船，也是世界上第 一次采用第三代电力推进系统的火车滚装渡船，设有火车、汽车两层 连续甲板和旅客舱。全船系统均为计算机自动控制，是我国目前最大、 技术最先进、安全性最好、舒适度最佳的客滚船，达到国际先进水平。 综上所述，随着科学技术的不断发展，能源领域新技术、新装备 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的不断出现以及各国科学家们在这方面工作的不断深入，综合电力推 进系统的优点还会不断地被发现；因此，对新一代水面舰船来说，采 用综合全电力推进系统是现代科学技术发展的必然趋势。 1 2 问题的提出 与传统的动力推进相比，综合全电力推进系统能通过设备的通用 性、实施的简易性和标准化来实现未来整个舰队的高性能与低成本， 具有综合优化性能，i f e p 已经成为当今世界各发达国家舰船发展的重 点。我国在舰船综合电力推进系统方面的发展相对比较缓慢，尽管也 提出了大力发展综合电力系统，但同国外发达国家比在舰船的自动化 程度、故障诊断、事故处理、稳定性、可靠性、生命力、电磁兼容、 关键部件的国产化率、减少使用期费用等方面仍有一定的差距。 本论文是针对某全电力推进船的电力系统和推进系统进行综合计 算机仿真研究的，综合全电力推进系统如图1 4 所示。目的是通过研 究在不同工况下舰船电力系统、推进系统静动态过程的性能，来确定 保证所有用电设备提供可靠电能和可靠电力推进的条件和指标，为设 计提供理论依据，因此本论文的研究具有重要的意义。 1 3 计算机仿真方法 计算机仿真分析是进行舰船综合全电力推进系统暂态稳定性分析 的基础。采用该法不仅可以进行参数设置，暂态过程的选择，并且可 以利用计算机的丰富图形功能，进行各种动静态过程的曲线显示。利 用数字仿真程序可以形象地建立舰船综合全电力推进系统地实际运行 状态，可以进行各种暂态过程的仿真。 本文主要研究在忽略系统的电磁暂态情况下舰船综合全电力推进 系统突加、突卸负载的暂态稳定性，这属于机电暂态过程。机电暂态 过程的仿真主要研究系统受到大扰动后的暂态稳定性，即研究系统受 到诸如短路故障，切除线路、发电机、负荷，或者冲击性负荷等大扰 动作用下，系统的动态行为和保持同步稳定运行的能力。电力系统机 电暂态仿真的算法是联立求解电力系统微分方程组和代数方程组，以 哈尔滨工程大学硕士学位论文 获得物理量的时域解。微分方程组的求解方法主要有隐式梯形积分法、 改进欧拉法和龙格一库塔法等，其中隐式梯形积分法由于数值稳定性 好而得到越来越多的应用，代数方程组的求解方法主要采用适于求解 非线性代数方程组的牛顿法。按照和代数方程的求解顺序可分为交替 解法和联立解法。系统模型的微分方程组，主要采用m a t l a b 软件来进 行运算、求解和结果分析与显示。 图1 4 综合全电力推进系统计算机仿真系统图 1 4 本文的主要工作 舰船综合全电力推进系统的暂态稳定性分析，包括整个系统数学 模型的建立和数值仿真程序的编制，是一个任务量很大的课题。陆用 电力系统的暂态稳定性分析中，有各种类型的完善的电力系统模型， 有各种比较完整的电力系统潮流分析程序，然而这些软件在舰船综合 全电力推进系统的分析中都是不具备的。因此舰船电力系统暂态稳定 分析的课题实际上包含了建立系统数学模型，编制系统稳态潮流和暂 6 态的分析程序，以及进行暂态稳定性分析的工作。 本文的主要工作如下： ( 1 ) 分析发电机、励磁调节器，原动机调速器、负荷、变压器、 推进电动机、以及线路等组成舰船综合全电力推进系统元件的特性， 并建立数学模型； ( 2 ) 采用节点电压法建立舰船的稳态数学模型，并计算系统的稳态 潮流，得出系统暂态稳定分析所需的初值； ( 3 ) 采用基于改进欧拉法和迭代解法的暂态稳定分析方法分析舰 船综合全电力推进系统的暂态稳定性，并编制仿真程序； ( 4 ) 进行单台、两台发电机并联运行情况下突加、突卸负载的研 究，并给出三台发电机并联运行方案。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章系统各部件数学模型 从组成综合全电力推进系统的部件和设备来看，计算机仿真系统 主要由发电机、开关、馈线、静负荷、三电平逆交器、三绕组变压器 和六相推进电机组成，它们作为一个基本组成单元都有自己的模型。 我们所研究的每一种工况都是这些基本组成单元的组合。因此，基本 单元的数学模型便成为进行舰船综合全电力系统计算机仿真研究的基 础。 2 1 发电机组的数学模型 2 1 1 同步发电机的数学模型 在建立同步发电机数学模型时，将其视为理想电机，其各量正方 向采用发电机惯例。由于三相同步发电机的定子绕组是三相对称的， 当转子励磁绕组通一直流励磁电流i 。时，转子便出现n 、s 相间的磁 极。如转子在原动机带动下以同步转速旋转，在定子绕组中便感应出 三相对称电势。当该发电机接上三相对称负载时，发电机定子绕组便 通过三相对称电流。因此，以同步发电机及对称的静、动态负荷构成 的电力系统是三相对称的。所以在进行电力系统稳态分析中都将对称 的三相电路转化成单相电路来分析，然后再按对称条件得到另两相的 结果。可是在进行电力系统动态分析时，除了考虑同步发电机切割电 势之外，还要考虑定子绕组中因本身电流变化引起的自感电势和其它 回路电流变化引起的互感电势。给求解带来困难。为此，人们在求解 同步发电机动态特性时，都采用随同步发电机转子一起旋转的坐标系 一d 、q 、0 坐标。引进变换矩阵如式( 2 - 1 ) 瞳1 ： c = 1 鲁c o s o 1 2 0 0 ) 一詈s 嘶- 1 2 0 0 ) 三 3 詈蝴一姗 一 s i n ( y 一2 4 0 0 ) j 三 3 8 ( 2 - 1 ) y 吖 删 墨 。一，2n争三， 就可以将a 、b 、c 相坐标表示的参数转换为d 、q 、0 坐标表示了， 阱嘲 ， 考虑到电力系统为三相三线制，中线电流为零，即屯+ + j c = o ，所以d 、 q 、0 坐标中的零轴分量乇= 0 。根据同步发电机的电磁关系，可得同 步发电机以标幺值形式表示的基本方程。1 ： 电压方程： f2 p 一一， i2 p + 一 1= p p f a + 知 ( 2 - 3 ) j0 = p d 4 - 曷d “ l o = p + 且g 如 磁链方程： rv d = 一x 乒d + x 0 七x 矗d i 2 一0 + k 坳= 嘞毛+ 坳缸+ 砀d “ ( 2 - 4 ) 1d = + l d 知+ 而l d 矗d l 口2 叫r 卅+ 为l 口k 式中，下标d 表示纵轴分量；q 表示横轴分量；a 表示定子绕组；f 表 示励磁绕组；1 表示阻尼绕组。 将( 2 4 ) 式带入( 2 - a ) 式得： 2 烈+ + b “】+ 巧眈一钆卜哺 2 ，【- 毛+ 3 g 】+ 珂卜而+ 】o + j d 卜吩 2 烈岛+ 砌k + 嘞“】+ 扫 ( 2 5 ) o = 烈白+ o l d 绉+ 葺l d 毛d 】+ 置d d o = 烈一】：0 + 而1 9 口】+ 墨口“ 9 写成矩阵形式为： 【( ，】= 【x 】p 【，】+ 【m z 】+ 【r 】 ，】( 2 - 6 ) 式中， f u 】= u , q0o t 【小瞳妇“i , q 7 【x 】= 陋】= 网= 一x d 0 一x 耐 一x 耐 o 0 _ 0 0 - k 0 x 秘 o l d o 0 坩 而“ o 0 四巳0 0 一锄c d 0 i o x a d 僦_ 0 0 00 0o0o 00 00 一roooo 0一，000 00 r a 0 0 000 墨d 0 000 0 墨。 当 x 的逆存在时，则有： 0 0 0 毛k 【，1 = 【x 】_ 1 【u 卜i x 1 肛州“椰f 力 ( 2 - 7 ) 式即为同步发电机状态方程式。 1 0 一卸 0 0 0 o ( 2 - 7 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 1 2 柴油机及调速器的数学模型 柴油机尚没有准确数学模型。从一般柴油机看，柴油机有两大特 点：一是大惯性；二是调节油门一改变喷油量一燃烧一产生力矩有一 定滞后，由于柴油机多缸之间滞后大约为十几毫秒，与达几秒的机械 时间常数相比可以忽略不计，因此可将柴油机视为惯性环节。 柴油机调速器有机械式、电液式及电子式的，它们均用高阶微分 方程描述，由于我们没有得到调速器的具体结构与参数，因此无法根 据调速器的实际组成建立具体的数学模型，这一直是困扰我们的一个 难题。不论调速器是什么形式，必须满足标准对柴油发电机组频率稳 定度的要求，标准如表2 1 所示： 表2 1 柴油发电机组频率稳定度要求的数据 额定频率频率容差暂态频率容差恢复时间 5 0h z 3 6 3s 由此指标可以得到柴油发电机的转速调节特性。 对于一个调速系统，尽管其阶数较高，但从满足上述静、动态指 标来说，均可将其简化成一个二阶系统。我们且不管柴油发电机组的 调速器是何种形式、何种结构、何种参数，从满足动、静态指标出发， 可把柴油机及其调速器视为典型二阶系统，如图2 1 所示，从而可辨 识出柴油机与调速器的数学模型。 发电机电磁 转矩a t 图2 1 柴油机与调速器的模型结构图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 该模型的微分方程组的表达形式为： 湖 q 以1 q 2 甑 q 1 c 0 1 2 ( 2 8 ) 式中各参数的意义为： r 转速给定； 正。发电机的时间常数； 乏柴油机的时间常数； 五发电机的放大倍数； 置。转速调节器的放大倍数； 足。柴油机的放大倍数。 稳态情况下，z a t = o ，此时我们认为发电机的转速- - 1 ( 标 幺值) 。当然，通过改变转速给定，也可以得到稳态情况下不同的。值。 当柴油机提供的z 或发电机的电磁转矩盯发生变化时，将引起暂 态过程。为了得到不同调速特性对发电机运行的影响，我们将在数据 模块中给出不同峰值时间的几种调速特性。 2 1 3 自动励磁装置数学模型 发电机采用带相复励的自动电压调节器的无刷励磁装置。相复励 属于按扰动调节的开环励磁系统，其动态响应较好，但稳态精度较差。 电压校正器是按电压偏差调节的闭环控制系统，其动态性能及稳态精 度都较好。由于无刷励磁系统有励磁机、发电机两个大惯性环节，为 了减小系统的超调量，提高稳定性，一般都把自动励磁调节系统设计 成标准型系统，这样，我们就可以不必考虑无刷励磁的具体结构、 线路与参数，而从满足动态响应出发去建立调压系统的数学模型“1 。 r 芳。 墨o o 0 o 邑 4 髟o -，。l t i 瓦 瓦弘。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 对发电机电压的动、静态指标的要求如表2 2 所示： 表2 2 发电机电压的动态和静态指标 额定电压 稳态电压调整率暂态电压容差l 暂态电压恢复时间 6 6 0 伏2 + 1 6 l2s 根据船用交流发电机电压调节器技术条件( 6 j b 5 1 s - - 8 8 ) 的要 求，上述指标应在发电机运行于额定转速、接近额定电压的空载条件 下，突加一个功率因数不超过0 4 ( 滞后) ，其阻抗标幺值为2 的三相 对称负载时得到的。根据上述指标，并参考发电机组突加、突卸实验 电压变化实际情况，通过参数辨识，得到如下励磁系统数学模型，如 图2 2 所示： 电压 端电压反馈u 励磁电压u e d 调爱佰号 相复励装置 图2 2 同步发电机自动励磁调节器的模型结构示意图 当发电机空载时，u d = 0 ，= 昂= 1 ，i = 0 ，由式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 得 ”g2 y 口2 。口d i f d2 l 所以 掰：上 ( 2 9 ) 忉2 石 2 。9 ) 当发电机运行于额定负载，既u = = 1 ，= 厶= 1 ，e o s 妒= 0 8 时， 从同步发电机相量图可求出畅、，从而可得： 洒= 笙譬塑( 2 - 1 0 ) 4 a d 已知相复励变压器经整流后的输出电流为 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ；j ( 心) 2 + l x f j j 2 + 2 心吩，如尹( 2 - 1 1 ) 由此可以确定k 、置。 若表示励磁机的输出电压，表示励磁机分流电流，则带a v r 2 = 吾置oj 1 l l 。 j + 鲁习陉 + 三一乏 孝 + 兰曼 玛，蜀与p i 调节器及分流器参数有关的常数5 毛、瓦与p i 调节器、分流器及反馈系数有关的常数； 2 1 ，4 柴油发电机组的动力学方程 柴油发电机组的动力学方程为嘲： ，警= 巧一乙( 2 - 1 3 ) ，转动部分的总转动惯量，单位姆d ，1 2 ； 飞轮矩( g d 2 ，单位| d ，1 2 ) 表示时，有j = g d 2 4 9 ；当取转矩的基值 乃；x 1 0 3 ( 2 a n , 6 0 ) 单位n d n 、时间基值咯= 1 2 ，r 石，单位j 时，动 1 4 力学方程变为： h d 毋6 0 = 五一z ( 2 - 1 4 ) 式中，h = 2 r t 3 a x ( 4 9 d s d x ( , 6 0 ) 2 ，称为惯性常数。其中晶为同步 发电机额定视在功率，j 黝；碣为同步转速，m i n 。 同步发电机电磁转矩的标幺值为： 2 缈d 一钞q ( 2 1 5 ) 将( 2 1 4 ) 代入( 2 - 1 3 ) ，整理后得： 西= i l 墨一 嘲锄白匀o 锄台 0 0 k 同步电机转子位置方程为： 6 = ( 一a o o ) t( 2 - 1 6 ) 当取为电角速度基值时，方程( 2 一1 6 ) 变为： 艿= 细一1 ) t( 2 - 1 7 ) 这里，艿、与上式符号意义不同，是标幺值。该式对时间求导得： 艿=101(2-18) 式( 2 9 ) 、( 2 一1 6 ) 、( 2 1 8 ) 联立构成柴油发电机组数学模型。 一r 陴+ q 明 丝二丝二丝二丛二丛 h hhhh 0001o r 2 1 9 ) u 王。 一 -。l + 2 2 静负载的数学模型 舰船电力系统的静负载多半是感性负载( r l ) ，在相坐标中 五一三负载的微分方程是”： = 厶誓慨 = 厶誓嘲( 2 - 2 0 ) 虬= 厶誓峨 因负载是三相对称的，有l = 厶= l o = 工，r o = = = ，。当将静 负载转换为d 、q 、0 坐标时，微分方程式变为： 蚴= 三誓一毗+ r i a ( 2 - 2 1 ) u q = l - 誓+ 工毛+ 啊 2 3 馈线的数学模型 设有一馈线k ，其首端电压为u a l ，i ，其末端e g 压g s 2 ，2 ， 其中通过的电流为k ，k ，该段馈线的电阻与电感为r k ，则馈线 的方程为 ( 2 2 2 ) 2 4 开关的数学模型 各开关动作时间和相应整定值见表2 3 。在一般的分析计算中， 视开关触头的接触电阻为零，不予考虑。只有当考虑线路及发电机保 护时，才考虑开关。由于开关动作时间较短，为简化分析，不考虑开 关的动作过程，即不考虑开关触头断开时形成电弧的影响，也就是说 将开关视为瞬断的理想元件。发电机主开关有长延时、短延时及 速断三种保护方式。 协k嚣 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表2 3 各开关动作时间和相应整定值 电流互感 系统额定开关整定值 长延时短延时瞬动电流 开关型号( 1 5 i r( 1 0 i r( i i i n ) 器i n ( a )值( a )i r ( a ) 时) ( s )时) ( s )( 5 0 u s 时) q f lm t l 6 n 11 6 0 01 0 9 3 4 70 8 i n = 1 2 8 0 2 5o 21 0 o f 2 m t 0 8 n 16 3 04 3 7 3 9 0 8 i n = 5 0 42 50 21 2 o f 3m t l 6 n 11 6 0 01 0 9 3 4 70 8 i n = 1 2 8 02 50 21 0 o f 6m t l 6 n l1 0 0 08 2 3 3 30 9 i n = 9 0 01 2 5o 16 o f 7m t l 6 n 11 0 0 06 9 9 8 10 8 i n = 8 0 01 2 50 16 q f 8 m t 0 8 n 14 0 02 4 6 8 80 7 i n = 2 8 02 5o 21 0 q f 9 m t 0 8 n 14 0 02 1 8 6 90 6 i n = 2 4 01 2 5o 11 0 口f l om t 0 8 n l6 3 04 1 7 4 70 7 i n = 4 4 11 2 5o 11 0 开关触头之间的电阻胄为： r ： 沦。凰+ 爱o p 驰一f l + 知孰岛( 2 - 2 3 ) 1 0其它 式中，0 长延时动作电流，单位a ； 幺短延时动作电流，单位a ； 岛瞬断动作电流，单位a ； f i 达到动作电流的时刻，单位s 。 2 5 同步推进电动机模型 本文所研究的电力推进系统采用的推进电机为六相双y 绕组同步 电动机，在建立同步机数学模型时，同步电机视为理想电机，各量的 正方向采用电动机惯例。 对理想六相双y 绕组同步电动机而言，其定子绕组为3 0o 相带， 对于电机内部而言是等分的十二相3 0o 绕组，对电机外部而言，接成 两个对称的独立的y 型三相绕组系统两个系统在空间上彼此位移3 0 o 电角度，并存在磁耦关系。各绕组电压、电流及磁链正方向如图2 4 所示。 d b 图2 4 理想六相双y 绕组同步电动机的电磁关系 a 、 b c 坐标方程 由于同步电动机的定子绕组是两套三相对称的绕组，各套对称绕 组接上对称的三相电源时，电动机定子各套绕组便通过三相对称电流。 当转子励磁绕组通一直流励磁电流，。时，转子便出现n 、s 相间的磁 极。如转子以同步转速旋转，在定子各套绕组中便感应出三相对称电 势。因此，以同步电动机定子的各套绕组构成的电路系统是三相对称 的。所以在进行稳态分析中都将对称的三相电路转化成单相电路来分 析，然后再按对应条件得到其它各相的结果”1 。 定子各相绕组电压方程为： 口l = p i g “+ r i o l 们= p y 州+ r i b i 甜c 1 2p y d + r i c l ( 2 2 4 ) 甜4 2 。p v 4 2 + r i 0 2 u ”= p y 6 2 + r i b 2 甜以= p y c 2 + r i c 2 式中，p = d d t ，为对时间的导数算子； ，为定子各相绕组电阻。 1 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 转子各绕组电压方程为： l u f2 p y ，+ r f 0 = p y d + r o i d ( 2 - 2 5 ) 【0 = p y 口+ ，口岛 式中，r f 、r o 、，口分别为f 、d 、q 绕组的电阻。 绕组磁链方程，写成矩阵形式为： 乇。i o ：o 乇 7 式中，厶、坞分别为对应绕组间的自感和互感。 转子运动方程： ( 2 - 2 6 ) 式中，7 卜一螺旋桨负载转矩( n d n ) ； 结一电磁转矩( 嘶) ； 争一转子旋转角位移( r a d ) ； 一一转子旋转电角速度( r a d s ) ； 卜转子运动惯量( k g o n 2 ) ； 阻转矩系数。 b 、d q 0 坐标方程 由a 的内容可得，在进行电力推进系统动态分析时，除了考虑同 步电动机的切割电势之外，还要考虑定子绕组中因本身电流变化引起 的自感电势和其它回路电流变化引起的互感电势。这给求解带来困难。 1 9 啦垃婚硷地蹭雕口 跏肌鼬舳跏肋肌跏劬 口 d d d d d d ， d加枷助肋肌助咖助砌 ， r r咖跏鼬胎胁助幻砌砌 筅胎艺枷咖批蜘k笼2 恐恐 埘 m d 捌 埘 甜 m m 埘 毗 m 枷 删 训 枷 舳舢肌胁舳肋咖鼬肋 m 捌 脚m m 竹 屹q 心 一 乙 一 t = 塑廊 毋 ， = 。一坼硼一西 哈尔滨工程大学硕士学位论文 为此，人们在求解同步发电机动态特性时，都采用随同步电动机转子 一起旋转的坐标系一d 、q 、0 坐标。引进变换矩阵，就可以获得相应 的方程形式，变换矩阵为”1 ： c 0 5 见l s i n 吃i l 2 0 o 电压方程： u d 口o i u d q 0 2 甜口 s 吼l 一如 l 0 阿删 = 一1 1 f r 由砬 - 脚 c o s 吒 一s i n e , l 1 0 c o s 吃2 一咖见2 l c o s 以2 一s i n 以2 l 2 + 阡卜 啪。；p 1 卜眵 。 v d q 0 1 v , 却0 2 y j d q o o 0 s 晚2 一s i n 见2 l 2 = 五昱 = rb ，怯乞m 1 2 暂腔 m 女1 2 由2 m n 式中，k 。第一套绕组的交、直轴自感矩阵； ( 2 2 8 ) ( 2 - 2 9 ) ( 2 - 3 0 ) o o o o o o 训卸i 产o o o o o o o 札 修丌ooooo皿 ” 打 m 0 墨芝 嚣州 l = 伽细町ooooo卫 蛳妒斯 竹吖工 跏础妇 。l 塑 哈尔滨工程大学硕士学位论文 k ：第二套绕组的交、直轴自感矩阵； 蚝。：第一套绕组与第二套绕组的交、直轴互感矩阵； 必由2 ，第二套绕组与第一套绕组的交、直轴互感矩阵； 三。转予绕组的交、直轴自感与互感矩阵 射由。，第一套定子绕组与转子绕组的互感矩阵； 肘刎转子绕组与第一套定子绕组的互感矩阵； 肘由，：转予绕组与第二套定子绕组的互感矩阵； 转子运动方程： = z 一瓦一民国 = 兰坼妒。+ y 。乞一y ，厶一：屯：) 一瓦一心国( 2 - 3 1 ) c 、六相同步电动机标幺值方程 定子绕组的基值 取舰船电网的额定运行频率为频率基值； 厶= 厂 ( 2 3 2 ) 相应的电角频率基值或电角速度基值。为： = 2 矾 ( 2 - 3 3 ) 时间基值的定义为：将转子以国。为电角速旋转1 ，谢所需要的时 间定义为时间基值瓦，又称l 脚时，亦即： 五2 1 ，耐 ( 2 - 3 4 ) 定子绕组电流基值，。为： 鼍i 西 缈 ， = 。一坼 棚一出 ，j_i-ii_liiij、ij_ill_l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ib = _ 2 l ( 2 - 3 5 ) 式中l 为六相双y 绕组同步电动机的额定相电流的有效值，则2 l 为 额定相电流的峰值。 定子绕组电压基值u 。为： = 2 ( 2 - 3 6 ) 式中u b 为六相双y 绕组同步电动机的额定相电压的有效值，则j 2 u 为额定相电压的峰值。 定予绕组容量基值& 为： s b = 铡0 m = 3 u 8 l b t 2 - 3 7 ) 定子绕组电阻、电抗及阻抗基值为： 耻弘等= 警 。s ) 定子绕组自感基值可定义为： l 8 ：阜k ：x 8 ( 2 - 3 9 ) 定子绕组磁链基值为： ”岛厶= 鲁 ( 2 _ 4 0 ) 转子绕组的基值 转子绕组容量的基值为： s毋=u国i佃02_41) 转子绕组阻抗的基值为： 喝= 知= 等 ( 2 _ 4 2 ) 转子绕组自感的基值为： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 l x z - 扭一 。 b 转子绕组磁链的基值为： v 一山鼍 ( 2 - 4 3 ) ( 2 - 4 4 ) 为了使传统的标幺电机参数保留在标幺值电机方程中，转子基值 在选取上采用了l 基值系统。 d 、d q o 坐标下的标幺值方程 根据上述内容，可以获得由0 2 标下六相双y 绕组同步电动机且 不计0 轴分量的标幺值方程( 上标丰省略) 。 电压方程： 甜们 甜町 “d 2 ”9 2 u | ( = o ) ( = o ) 磁链方程： v d , v p i y d 2 y d 2 哗f 峄d 妒口 x a 0 x m 0 x 试 x t o 转子运动方程： 眵v q , l y 。： 邓巨 0 x 9 0 x “ 0 0 x ” + x “ 0 x d 0 x 。 x 。 0 一e a v 小 y 讥 一y d 2 矿4 2 0 o o 0 x 0 x q 0 0 x 。 + x 1 d 0 x n 0 x f x h o x 日 0 x 甜 0 x _ x d o ( 2 - 4 5 ) ( 2 - 4 6 ) 功协锄协v幻切 -；iiihiiiiini“譬l r ，r 0 b 饧 伽：彬伽：掣：v勿：位 ooo o h d e ，a 。：一乙 ，。讲 ( 2 4 7 ) 堕；1 一 击 其中，电磁转矩的方程为： = l ! f r 棚l + 1 | f ，d 2 2 一y 舯毛l y 口2 i d 2 ( 2 4 8 ) 机械负荷为风机类负荷，其方程为： l = k , o e 0 2 ( 2 - 4 9 ) 式( 2 4 5 ) 一( 2 - 4 7 ) 即为同步电动机状态方程式。 不论工作在何工况，都将包括上述基本设备的部分或全部。因此， 就可根据各种工况下参与工作的各个设备的数学模型组成系统数学模 型，便可在这个模型基础上进行计算机仿真了。 2 7 本章小结 舰船综合全电力推进系统的数学模型主要包括发电机、开关、馈 线、静负荷、三电平逆变器、三绕组变压器和六相推进电机等，本章 主要研究各部件的输入输出关系，并转换成微分方程组，为后续的暂 态稳定性分析及仿真奠定基础。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章仿真程序设计 采用计算机仿真方法研究电力系统稳定性，不仅选择工作状态和 更改参数方便，而且有形象的输入、输出关系，比之数学方法分析稳 定性更适宜于工程研究。计算机仿真方法就是在建立遭受扰动作用的 系统微分方程之后用近似的方法求取微分方程的数值解，得到遭到干 扰后的电流、电压变化规律。程序设计的任务就是如何建立微分方程 ( 建模) 、如何求解( 仿真计算) 及如何把解形象地表达出来( 图形显示) 。 由于综合电力推进系统主要由柴油发电机组( 包括柴油机、调速器、同 步机、调压器) 、静负荷、馈线、开关、推进电机和三电平逆变器等设 备组成，每一种设备不管其功率大小、形式是否相同，都有其相似特 性，可用确定的数学模型描述，因此，每一个设备都可以作为一个基 本单元，组成基本模块。每一个所研究的典型工况就是由某些基本模 块组成的。程序的首要任务就是将这些基本设备组合在一起，构成所 研究工况的数学模型。每一种工况虽然复杂性不同，数学模型的阶数 也不同，但从求解的角度看都是一样的。为了使编程工作简化，我们 采用了目前世界上非常流行的控制系统辅助设计工具软件一 i a t l a b 。 这样，我们工作的重点便成为如何将我们建立的数学模型变成符合 m a t l a b 应用条件的模型，也就是说省去了求数字解的时间，把重点放 在解决如何应用的问题上，这不仅节省了大量的精力和时间，也提高 了仿真的精度。 3 1 程序的组成 组成框图如图3 1 所示。 图3 1 程序组成框图 3 。2 各模块基本功能 3 2 1 控制模块功能 控制模块对整个系统的计算机仿真实施总控制，具有设置工作状 态、帮助、查询等功能。 “设置”的功能是选择典型工况、设置工作状态； “帮助”就是使操作者了解本软件使用方法及版本信息； “查询”就是使操作者观看输入参数、响应曲线、性能指标及有 关数据。这些功能都是通过窗口形式实现的。 3 2 2 基本模块功能 各元部件是以具有一定的输入、输出的模块给