综合电力系统直流侧突加负载的电压影响.pdf
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1、 104 Researchcademic 技术交流 A 综合电力系统直流侧突加负载的电压影响综合电力系统直流侧突加负载的电压影响 黄 兴1,方雄伟2(1.海装上海局驻无锡地区军事代表室,江苏无锡 214000;2.中国船舶及海洋工程设计研究院,上海 200011)摘摘 要:要:研究在综合电力系统中压直流侧突加负载时系统侧瞬时电压变化的计算方法。在十二相同步发电机的降阶等效模型基础上,基于其等效三相发电机整流系统直流侧突加阻性负载瞬时电压计算式,给出基于综合电力系统多台十二相同步发电机组并联运行下的瞬态电压降估算方法,并用 1 组算例数据和仿真模型,验证单机压降计算方法的有效性。关键词:关键词:
2、十二相同步发电机;整流系统;降阶模型;突加负载;电压降 中图分类号:中图分类号:U674.7 文献文献标志标志码:码:A DOI:10.16443/ki.31-1420.2023.03.021 Voltage Influence of Sudden Load on DC Side of Integrated Power System HUANG Xing1,FANG Xiongwei2(1.Military Representative Office of Haizhuang Shanghai Bureau in Wuxi Region,Wuxi 214000,Jiangsu,China;2.
3、Marine Design and Research Institute of China,Shanghai 200011,China)Abstract:The method to calculate the transient voltage change of integrated power system with middle voltage and DC side load is studied.Based on the reduced-order equivalent model of 12-phase synchronous generator,the instantaneous
4、 voltage calculation formula of DC side-surge load based on its equivalent three-phase generator rectifier system is studied,the estimation method of transient voltage drop based on integrated power system with 12-phase synchronous electric generator operating in parallel is presented,and the effect
5、iveness of the pressure drop calculation method is verified by a set of example data and simulation model.Key words:twelve-phase synchronous generator;rectifier system;reduced-order model;sudden load;voltage drops 0 引言引言 电压波动大小是船舶电力系统电能质量的重要指标,稳定的电压是用电负载正常工作的重要保证。电力系统中有多种因素会造成电网电压的波动,电源侧、电能传输电缆中和负载侧
6、存在与当前状态有较大的改变都可能引起电力系统电压的波动。无论是陆地配电网变压器的负载侧还是船用发电机组电源出口侧,在突加大功率负载时,由于电枢反应和漏抗影响,端电压均会急剧下降,对系统中其他运行负载造成负面影响。当前,各大船级社对暂态电压波动指标都有明确的规定。国内相关规范对一般的交流电气设备要求其能够在电压波动20%的条件下仍然能够正常工作,且恢复时间不超过1.5 s。手册1和规范2都对船舶常规三相交流系统突加负载时的电压降进行了规定和阐述。目前,基于三相同步发 作者简介:黄 兴(1980),男,工程师。研究方向:舰船电力系统自动化。105 电机组构建的船舶电力系统的电压降计算方法已经比较成
7、熟。二代综合电力系统中通常会配置十二相整流发电机系统作为电能主要来源,这主要是因为十二相整流发电机系统具有电压脉动小、不受换向限制和发电效率高等优点。然而,十二相整流发电系统不仅拓扑结构复杂,其整流系统的理论工作状态会超过百种3-4,复杂的结构和工作状态使得在其基础上的分析计算变得十分困难,而研究在其直流侧的负载剧烈变化下的动态特性,就必须对多项整流同步发电机系统模型进行解析。为了研究配置十二相整流发电机的综合电力系统在突加负载后电压波动计算方法,本文在已有相关文献的研究成果基础上分析研究综合电力系统在突加负载时其直流母线电压的手动近似计算方法,并对多整流发电机组并联系统的加载特性进行分析探讨
8、。1 十二相同步发电机模型十二相同步发电机模型 十二相整流发电机由十二相交流发电机和整流桥环节2个部分组成。本文以十二相(四Y移15)同步发电机整流系统为例,其原理电路如图1所示。a1b1c1a2b2c2a3b3c3a4b4c4Y1Y2Y3Y4RXia1ib1ic1ia2ib2ic2ia3ib3ic3ia4ib4ic4c2 图 1 十二相(四 Y 移 15)整流发电机组原理图 十二相整流同步发电机(四Y并联移15)的定子为12相电枢绕组采用4Y互移15 电角度的绕组形式,4套三相绕组的中性点互补相连,每套三相绕组都连接1组三相整流桥。十二相(四Y并联移15)的同步发电机定子上存在4套三相绕组并
9、联运行,分别记为Y1、Y2、Y3、Y4,各自相差15 相位。在dq0坐标系下,Y1、Y2、Y3、Y4分别等效成d轴方向的d1d4绕组和q轴方向的q1q4绕组。为了简化分析过程并突出主要因素,将十二相(四Y移15)同步发电机假定为Park理想电机,定子正电流产生负向磁链,转子正电流产生正磁链。根据文献5-6的研究成果,基于功率不变的等效原则,将十二相整流发电机的模型等效为三相降阶发电机模型,如图2所示。earVD1VD2VD3VD4VD5VD6ebecfqfduaubucUdtxtxtxrr 图 2 等效三相整流电路系统图 106 Researchcademic 技术交流 A 降阶的等效三相同步
10、发电机带整流负载,将其电流换向过程可以看作超瞬变过程。采用adx标幺值系统,降阶的等效三相同步发电机可用正弦波电动势E1和换向电抗xt等效。根据图2的结构写出换向期间和导通期间的等效电机端电压方程:ataabtbbctccsin2sin34sin3uEx piriuEx piriuEx piri (1)式(1)中:xt为换向电抗;r为电枢电阻;为转子d轴领先a相轴线的电角度,且=t;为电机功率角;p为微分算子;E为电动势幅值。在进行实际计算时,相关参数可按式(2)处理。1222tg()2dqtdqdqx x xE E E E E(2)十二相整流发电机降阶为三相交流发电机的形式,就可以方便使用常
11、规三相交流电路的方法来研究十二相整流发电机的特性。本文基于此降阶模型来研究综合电力系统的直流侧突加负载产生的电压降问题。2 突加电阻性负载时的直流侧瞬时电压突加电阻性负载时的直流侧瞬时电压 在发电机组的系统输出端加载负载后,机组的内阻同负载构成串联关系连接。电源在外加负载上的电压分配使得发电机的输出端电压降低。当等效三相同步发电机带整流负载时,由于二极管的单向导通性和整流桥换向重叠过程影响,发电机带整流负载时处在不断地导通和换相的切换状态,因此这过程可近似为不断变化的两相突然短路。在常规的船舶交流系统中,突加的大功率负载往往是电动机之类的感性负载。但是由于在直流电制下,在直流侧突加大功率电动机
12、负载时,则需要通过与其相适应的逆变器装置才能接入。因此,大功率电动机感性负载突加在综合电力系统直流侧的电感耗能和延迟效应并不明显。为了更具有研究意义,本文用假定突加阻性负载来分析加载突变的机理。在等效三相同步发电机的直流侧突加电阻RL,忽略整流桥的发热损失,由功率守恒原则,可得出交流侧等效负载与直流侧突加负载之间的关系:226acL036cosd2I RRItt()(3)化简式(3)为 acL3123RR()(4)此时由式(4)可给出等效的三相电压关系:ataacabtbacbctcaccsin2sin34sin3uEx pirRiuEx pirRiuEx pirRi (5)突加负载RL等效于
13、在交流侧突加阻感性负载actRjx。由于整流器电抗xt阻尼绕组的作用,在突加阻性负载RL时的交流侧瞬时电压变化将主要由等效发电机的超瞬态电抗决定。因此考虑突加电阻RL后,由电压方程的近似解析解,发电机交流侧等效初始端电压:2222Ltee2eee(0.371)()(0)ddqRxRx uERx x(6)式(6)中:Re=r+0.609RL,xde=xd+xt,xqe=xq+xt。3 综合电力系统运行的突加负载模型探讨综合电力系统运行的突加负载模型探讨 采用综合电力系统技术的船舶,其电站一般会由多台十二相整流发电机组构成,整流器并联运行时会产生多个复杂的中间转换过程,其功率分配过程比常规的三相发
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