（电力电子与电力传动专业论文）船舶柴油发电机系统仿真.pdf

i nl i n ew i t ht h eb r a n d - n e w i n t e g r a ld e v e l o p m e n t o f g l o b a le c o n o m i c s i nt h e 2 1s lc e n t u r yi ns h a n g h a ia n dt or e a l i z et h eg o a lo fc o n s t r u c t i n gs h a n g h a ii n t o a ni n t e m a t i o n a ls h i p p i n gc e n t e r 。t h em a r i n ep o w e r s y s t e mn e e d s a na d v a n c e d d e v e l o p m e n t t h e r e f o r e ，t h eb e t t e rq u a l i t yo fm a d n ep o w e rs y s t e mm a n a g e r ， a sw e l ia st h er e l a t e dt h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n dt e c h n i c a id e v e l o p m e n ta r e n e e d e d i no n eh a n d m a r i t i m es a f e t ya d m i n i s t r a t i o no fp r cd e m a n d e st h a ta l i m a r i n e e n g i n e e r sm u s t b ew e l lt r a i n e di no r d e rt om a s t e r i n gt h em a r i n ee l e c t r i c p o w e rs y s t e mm a n a g e m e n t ，t h u sn e e d st od e v e l o par e l a t i v em a d n ep o w e r s y s t e ms i m u l a t o r o nt h eo t h e rh a n d ，b e i n gah i g hn o n l i n e a rq u a l i t ys y s t e m ， m a r i n ep o w e r s y s t e mn e e d s t ob em o d e l e da n ds i m u l a t e du n d e ra na c c u r a t e s i m u l a t i o na n da n a l y s i se n v i r o n m e n t b e c a u s em a d n ep o w e rs y s t e mt a k e s d i e s e le n g i n eg e n e r a t o rs y s t e ma sp o w e rs o u r c e ，i t sn e c e s s a r yt ol a u n c ha d e e p e rr e s e a r c hf o rd i e s e lg e n e r a t o rs y s t e m o nt h es u p p o r to fr e s e a r c h p r o j e c tw h i c hb e l o n g st o t h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo f s h a n g h a i 1 1 1 e s i m u l a t i o no fm u l t i m o d e lr n a d n e s y n t h e 缸s a l l yp o w e rs y s t e ma n dp o w e r p r o p e l l a n ts y s t e m ”，t h er e s e a r c ho ft h i sd i s s e r t a t i o ni sa i m e dt oh i g h l i g h tt h e t h e o r e t i c a lr e s e a r c ho fd i e s e l e n g i n eg e n e r a t o rs y s t e mt o m a k ei tm o 悖 a p p l i c a b l e a sar e s u l t ，t h i sw i l l m a k ec o n t r h 0 m i o nt os h a n g h a i ss h i p p i n g i n d u s t r y f o rt h i s r e a s o n ，t h es m s c - 2 0 0 0m a d n ee n g i n er o o ms i m u l a t o rw a s s u c c e s s f u l l yd e v e l o p e db ys h a n g h a im a r i t i m eu n i v e r s i t y i t sf u n c t i o nm e tt h e r e q u i r e m e n t s o fs t c v ，7 8 9 5c o n v e n t i o nd r a f t e d b y i m 0f i n t e m a t i o n a l m a r i t i m eo r g a n i z a t i o n ) a n dt h er e q u i r e m e n t so fo u rc o u n t r yd e m a n d so n m a r i n ee n g i n e e r s m a r i n ep o w e rs y s t e mm o d e ii st h ec o r eo fe l e c t r i cp o w e r s y s t e mi nm a r i n ee n g i n er o o ms i m u l a t o r 1 no r d e rt ob eb e t t e ru s e di n 住u 随 s i m u l a t i o na n da n a l y s i s t h ea c c u r a t eo fm o d e in e e d st ob ei m p r o v e d t h e r e s e a r c ho fm a r i n ed i e s e l e n g i n eg e n e r a t o rs y s t e m s i m u l a t i o ni n c l u d e s m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nr e s u l t s a n a l y s i s b a s e do nm e c h a n i s m o ft h em a r i n e d i e s e le n g i n ep o w e rs y s t e m ，a n da c c o r d i n gt ot h em a r i n ep o w e rs y s t e mo f y u n h ev e s s e l ，t h i sd i s s e r t a t i o ns e t s u pas i m u l a t i o n m o d e lo fy u n h e g e n e r a t o rs y s t e m t h e nr u n s t h i sm o d e la n da n a l y z e st h er u n n i n gr e s u i t sw i t h t h ek n o w l e d g eo fe l e c t r i cp o w e r s y s t e m s t a b i l i z et h e o r y 1 1 1 ed e v e l o p i n gt o o li s m a t l a b 6 1s o f t w a r e 1 1 1 eg o o de f f e c t sl i ei nt h ec o n v e n i e n tm o d e l i n g s i m p l e m e a s u r e m e n to fs y s t e mv a r i a n t sa n dc l e a rr e s u l t s 1h ed i s s e r t a t i o nl n d u d e s s e v e nc h a p t e r sa sb e l o w ： c h a p t e r 1 b r i e f l yi n t r o d u c e dt h er e a s o nw h y t h es u b j e c to fm a r i n ed i e s e l g e n e r a t o rs y s t e m s i m u l a t i o nh a dr i s e ni nr e c e n ty e a r sa n dt h et h e o r e t i c a la n d r e a l i s t i cs i g n i f i c a n c eo fs i m u l a t i o na p p l i c a t i o n i n c h a p t e r2 ，3a n d4 ，t h em a t h e m a t i c sm o d e l so fg e n e r a t o rs y s t e m ， s p e e dr e g u l a t o rs y s t e ma n de x c i t i n gs y s t e mr e s p e c t i v e l yw e r ed e s c r i b e di n d e t a i l s t h o s em o d e l sf o r m e dt h eb a s i so f s i m u l a t i n g ad i e s e l g e n e r a t o r s y s t e m c h a p t e r 5d e s c r i b e dt h ec o n d i t i o n so fg e n e r a t o r s y s t e m s p a r a l l e lr u n n i n g a n di t sr e a l i z a t i o no fs i m u l a t i o n i n c h a p t e r6 ，w es e tu pt h es i m u l a t i o nm o d e lo fy u n h e d i e s e le n g i n e g e n e r a t o rs y s t e m ，s i m u l a t e dc o m m o nm a r i n ep o w e rs y s t e mf a u l t sp r o c e s s ， a n do b t a i n e dal o to fc o n c l u s i o nf r o mt h e r u n n i n gr e s u l t c h a p t e r 7s u m m a r i z e dt h i sd i s s e r t a t i o n i ta l s o p u t f o r w a r ds o m e p m b l e m se x i s t i n ga tp r e s e n ta n d t h et r e n d so f d e v e l o p m e n t i nt h i sf i e l d k e yw o r d s ：s y s t e ms i m u l a t i o n ，m a r i n ed i e s e le n g i n eg e n e r a t o r ，s p e e d r e g u l a t i n gs y s t e m ，a u t o m a t i cv o l t a g er e g u l a t o r 论文独创性声明 y 9 7 2 s 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文 中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他 或其他机构已经发表或 撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所徽的贡献均已在论文中作 了明确的声明并表示了谢意。 本人同意上海海运学茸移育关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网公布论文的全 部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复镧手段保存论文保密的论 文在解密后遵守此规定。 缈 第一章绪论 1 1 船舶发电机系统仿真的兴起 船舶发电机系统仿真研究是随着船舶电站技术的发展和系统仿真研究的兴 起而开始发展的。 随着船舶电站技术的进一步发展，对电站系统的研究提出了更高的要求。现 代船舶为了提高性能和加强生命力，要求电气化和自动化程度不断提高，促使船 舶发电机系统的容量不断增加。随着电站容量的增大，对电站供电的可靠性、连 续性、经济性、电能质量的要求以及对船舶电站自动化程度的要求都越来越高。 如无人驾驶机舱等的实现，就要求船舶控制系统实现完全自动化控制。 为了更好地研究船舶电站系统，科学工作者提出了许多研究方法。仿真技术 与高性能计算已被公认为是继理论研究、实验技术之后，认识世界与改造世界的 第三种手段。作为一门独立的学科，仿真技术已经有几十年的发展历史，现在已 经广泛应用于工程、商务、管理科学、教学和培训等各个领域。由于电站系统计 算的复杂性，以及仿真技术本身所具有的显著优点，人们很自然地把仿真技术应 用在电站研究中，从而形成了电站系统的仿真研究体系。 1 2 船舶电站系统介绍 船舶电站是由原动机、发电机及其附属设备配电板组成。发电机组是把化学 能转化为电能的装置，通过配电板等进行控制及电力分配。船舶发电机组中带动 发电机运转的原动机一般为柴油机，相应的发电机组称为柴油发电机组。船舶柴 油发电机系统重点研究船舶电站的发电部分，主要是对原动机为柴油机组的系统 的发电和供电进行研究【1 】。 1 船舶电站的运行状态 当船舶运行在不同工况时，船舶电站也相应处于不同的运行状态。( 1 ) 正常 状态：正常情况下向全船供电。( 2 ) 停泊状态：在停泊又无岸电供应情况下，向 停泊船舶的用电负载供电。( 3 ) 应急状态：在紧急情况下，向保证船舶安全所必 需的负载供电。( 4 ) 其他状态：如向全船无线电通讯设备( 如收发报机等) 、各种 助航设备( 雷达、测向仪、测深仪等) 、船内通讯设备( 如电话、广播等) 以及信号 报警系统供电。这类用电设备的特点是耗电量不大，但对供电电源的电压、频率、 稳压和稳频的性能有特殊的要求。因此，船上有时需要设置专门的发电机组、整 流或逆变装置向全船用电设备供电。总之，不管船舶电站处于什么运行状态，都 要求其能连续、可靠、经济和合理地向船舶进行供电。 2 船舶电站的特点 船舶电站是船舶电力系统的核心。船舶电站在船舶整体设计中，占有很重要 的位置。尤其在现代自动化船舶上，各种设备都要用电来控制，这一点就更突出。 船舶电站与陆上电站相比有以下特点： ( 1 ) 船舶电站的容量较小( 目前世界上最大的船舶电站单机容量达到了数万千瓦， 一般万吨船单机容量为一千千瓦左右) ，而某些大电动机容量与电站单机容量可 相比拟，因此对电网的影响较大。当电动机起动时，起动电流引起电网电压降落 大，使得发电机组的转速和频率波动较大。 ( 2 ) 船舶电站的发电设备与用电设备之间的距离很短，因此在计算电网压降时， 往往可以忽略电缆的电抗。 ( 3 ) 船舶电气设备的工作条件比较恶劣，如环境温度较高，相对湿度较大，存在 盐雾、霉菌、油雾，使导电金属受到腐蚀，并使绝缘材料性能降低；船舶的摇摆、 倾斜和振动影响电气设备运行的可靠性和稳定性。 正因为船舶环境对电站系统的独特要求，需要对船舶电站系统模型另行研 究，不可以照搬陆上电站系统的模型。须针对船舶电站的特点，建立适合船用的 电站系统模型，使其更好地服务于现代航运事业【2 】。 1 3 系统仿真研究概况 近二十年来，随着系统工程技术的迅速发展，仿真技术已从传统工程领域扩 展到非工程领域，在社会经济系统、环境生态系统、能源系统、生物医学系统和 教育训练系统等各个领域都得到了广泛的应用。仿真技术正是从其广泛的应用中 获得了日益强大的生命力，而仿真技术的发展反过来又促进了其他领域的研究开 发，可谓相得益彰。 1 仿真的三个基本过程 仿真是一种基于模型的行为，为了对系统进行分析，需要对系统进行试验。 现代系统仿真包括三个基本的过程：系统建模、仿真建模和仿真实验。通过系统 建模活动，建立实际系统的数学模型；选择适当的软件平台，建立系统的仿真模 型，就是仿真建模过程；对建立好的仿真模型，进行参数的选择和设置，在计算 机上运行，结合实际系统分析运行结果的过程称为仿真实验。一般分析或设计一 个系统时，需要多次试验、反复进行这三个过程，才能得出最佳的仿真模型。 2 2 仿真与系统设计的结合 一个较为复杂的系统，其设计过程一般要经历可行性论证、初步设计、详细 设计和实旋等若干阶段。在每个阶段，仿真技术均可提供强有力的技术支持。在 可行性论证阶段，可以根据系统设计的目标及边界条件，对各种方案进行定量比 较，发现不同方案的优缺点，为系统设计打好基础。在系统设计阶段，设计人员 可以利用仿真技术建立或完善系统模型，进行模型试验、模型简化以及模型优化 设计。系统设计中经常涉及新的设备、部件或控制装置，对所采用的新装置，可 以利用仿真技术进行子系统( 实际部件加模型) 实验。这样，既可避免由于新子系 统的投入对原系统可能造成的破坏或影响，又可大大缩短设计周期，提高系统投 入的一次成功率。例如，我国某电站2 5 万k w 发电机组的安装，事先在电厂仿 真系统上以进行了细致的子系统实验，对全部自动装置的参数都做了整定，在实 际机组安装完毕的同时，自动装置也全部调试完成，很快地投入运行，从而节省 了不少时间【3 】。 1 4 船舶发电机系统仿真研究现状及存在的一些问题 船舶电力系统仿真经过几十年的发展，不论是在理论上，还是在实践上，都 已经取得了丰硕的成果，积累了大量的系统仿真模型和行之有效的仿真算法。国 内几所高校成功研制了轮机模拟器，开发了一系列相关的仿真培训软件，使其在 船员培训和日常航运技术人员教学中得到了广泛的应用。除了在仿真模型的研制 开发上取得了显著成就外，在仿真算法标准化和通用化的开发上也取得了重大的 突破。过去科研人员通常需要手工计算大量的物理、数学方程，对每个模型单独 编写算法，如龙格一库塔方法、尤拉方法等，编写的算法程序烦琐，缺乏通用型。 现在，由美国m a t h w o r k s 公司推出的m a t l a b 应用软件，为各种算法编写了标准 通用模块，不同系统之间的模块可以互相交互，大大减少了算法的重复编写工作， 为仿真模型中的运算提供了巨大的方便。可视化界面的开发，使得对m a t l a b 软 件的使用变得相当简单。总而言之，随着模型和算法的完善，电力系统仿真必将 拥有美好的前景和广阔的发展空间【4 】。不过，虽然船舶电力仿真技术正在日新 月异地发展，但目前仍然存在一些缺陷，主要表现在【5 】： 1 模型方法尚不完善 研究同一个系统的同一个问题可以建立出不相同的模型，而且有些非线性问 题目前还无法建立出准确的模型进行求解【3 】。 2 仿真算法还不优化 当系统模型大而且复杂时，计算速度很慢，仿真的实时性差。如仿真两台主 3 发电机组跳闸，由应急发电机组向电网供电的模型( 2 1s t a t e s ，4 4i n p u t s ，4 5 o u t p u t s ) ，仿真运行时间设定5 秒，实际运行了大约2 0 0 分钟。 3 目前各种仿真软件之间交互性差 开发的模型不可脱离其开发软件的编译环境独立运行，无保密性而言，不利 于专利保护。 1 5 船舶发电机系统仿真的发展趋势 随着计算机技术的发展，系统建模和仿真技术也随之发展。由于电力系统的 理论研究已经比较成熟，因而船舶发电机系统仿真的发展趋势与系统仿真技术的 发展趋势相一致，向着交互性、通用性、可靠性、实时性更强的方向发展。集中 在如下几个方面的发展【6 】： 1 基于h l a 的分布式实时交互应用开发方案 1 9 9 6 年1 0 月美国国防部正式规定h l a ( h i g hl e v e la r c h i t e c t u r e ) 为国防部 范围内仿真项目的标准技术框架，开始推行h l a ，用它代替原有的d i s 、a l s p 等标准。同时提交i e e e 作为i e e e l 5 1 6 发布，2 0 0 0 年9 月成为国际通用的标 准。美国自2 0 0 1 年起只支持基于h l a 仿真系统开发，我国航空、航天、航海 有关部门也在大力开展h l a 的研究、开发和应用推广。h l a 主要目的是促进仿 真应用的互操作性和仿真资源的可重用性，采用五层架构模式，如图1 1 所示。 良好的重用性，使得为一个仿真应用开发的模型能在不同的仿真应用中实现共 享，从而大大节省新系统的开发费用和开发周期；良好的互操作性，使得不同的 h l a 应用模型能实现集成，实现基于网络的多子系统的交互和对抗仿真。预计 基于h l a 的分布式开发方案必将在船舶电力系统仿真研究和应用中得到推广。 圈1 1 基于m a 的五层架构模型 2 人工智能的分支c n n ( 混沌神经网络1 在建模中的广泛应用 9 0 年代以来，混沌( c h a o s ) 理论的研究已取得了实质性进展，混沌学出现了 4 应用的契机，在高新科技领域中有潜在的应用可能，从而国际上出现了激烈竞争 的发展趋势【7 】。人工神经网络( a n n ) 有处理复杂非线性映射的能力、较强的容 错能力和对噪声的鲁棒性【8 】，可以很好地满足负荷的非线性特性，在电力系统 中得到了广泛的应用，但人工神经网络在处理不确定信息方面存在不足【9 】。将 混沌机制引入神经网络，使神经网络的学习动力学过程成为混沌动力学过程，形 成c n n 理论，c n n 具有更加丰富的和远离平衡点的动力学特性【1 0 】。大型船 舶电力系统是一个高阶强耦合的非线性系统，在采用电力电子变频器调节推进电 动机转速之后，更增加了网络谐波和电磁干扰等问题，使系统更加复杂。因此， 通过研究电力系统负荷的本质特征，分析系统的混沌现象，利用c n n 进行大功 率发电机组模型的参数辨识，用c n n 解决船舶电力系统建模的智能化问题，可 以提高模型的准确性。理论分析表明，c n n 算法将在系统建模的应用中有巨大 的潜力【1 1 】。 3 ，分布式虚拟环境、智能虚拟环境在电力系统仿真中的应用 目前开发的船舶电力系统仿真软件绝大多数用于轮机人员的培训中，这些仿 真软件存在的缺点是培训环境不够逼真。未来培训仿真软件的开发，结合分布式 虚拟环境、智能虚拟环境技术，仓4 造非常接近真实的虚拟环境，让轮机人员有身 临其境、实地操作的感觉，提高培训效果【1 2 。 1 6 本文研究内容概述 本文结合云河轮电力系统，研究如何精确分析船舶柴油发电机系统的动态性 能。对其发电机系统进行建模与仿真，主要工作集中在仿真建模和仿真试验，具 体如下： 1 同步发电机建模 2 原动机和转速调节系统建模 3 励磁系统建模 4 一些电网和负载建模 5 对发电机并联运行进行仿真 6 对电力系统常见故障进行仿真和分析 进行以上仿真研究的实际意义在于，仿真运行得出的结果可： 1 为电力系统设备保护提供数据所用。 2 校验所选择主开关的保护电流的断流容量，参数用于主开关整定。 3 为电力系统提供了一种新的分析方法。 4 为神经网络、智能化建模提供参考数据。 第二章同步发电机 同步发电机是船舶电力系统的核心，它集旋转与静止、电磁变化与机械运动 于一体，把热能转换为电能，供给船舶电力系统。船舶电力系统的稳定性在很大 程度上是一个使相互连接的同步电机保持同步的问题。因此，理解同步电机的特 性和建立其精确的模型是极其重要的【1 3 。 2 1同步发电机的数学描述方法 1 描述同步发电机的两种基本方法 ( 1 ) 一种是用a b c 相变量表示的磁链电流电压关系方程。 ( 2 ) 另一种用d q o 轴系来表示的磁链电流电压关系方程。 2 a b c 相变量和d q o 变量之间的变换 设定子a 相和d 轴之间的夹角为0 ，q 轴超前d 轴9 0 度。则定子相电流到 d q 轴新变量的变换如下： 一k , i c o s 9 + i b c o s ( o 詈石) + i , c o s ( e + ；膏) 】( 2 - 1 ) = 一【i s i n o + s i u ( e 一寻膏) + s i n ( e + 三石) 】( 2 - - 2 ) 常数b 和是任意的，可以选择它们的数值来使得性能方程的数字系数简化。 在有关同步电机理论的大部分文献中，取值为2 3 。因为在对称条件下， 一i s i n m ，t( 2 - - 3 ) ；，s i n ( m j - 了2 1 t ) ( 2 4 ) t ；i s i n ( m t + 冬) ( 2 - 5 ) 式( 2 - - 3 ) 、( 2 - - 4 ) 、( 2 - - 5 ) 代入式( 2 - - 1 ) ，得 = k 【j s i n s t c o s 日+ j - s i n 佃, t - - - 等- ) c o s 徊一等) + j - s i n 佃，f + 考b s 徊+ 了2 x ) 】 1 = j s i n ( o d 。f 一日) ( 2 6 ) 的幅值等于j 。时，可得k 等于2 3 。同样地取屯等于2 3 。 为了给出一个完全的自由度，必须定义第三个分量来使得三相电流变换成三个变 量。由于两个电流分量和共同产生的磁场等同于原来的三相电流产生的磁 场，第三个分量必须不再在气隙中产生空间磁场。因此，一个方便的第三变量是 零序电流，并与对称分量相联系： 篁；( t + + ) ( 2 7 ) 在对称条件下，( t + + ) = 0 ，从而- - - - 0 。此时d q 轴系成为d q o 轴系。 将a b c 相变量到d q o 变量的变换写成下面的形式： * 删阱争 一s i n 8 “n 徊一争 1l 22 逆交换为： f | 】- 晰旧+ 丝1 、 3 。 确徊+ 争 1 2 嘲口一s i n 81 嘴徊一争一如 一争t 嘲 + 争一咖徊+ 争- ( 2 8 ) ( 2 9 ) 式( 2 8 ) 从a b c 相变量到d q o 变量的变换。本文采用d q o 轴系建立电机模型， 利用式( 2 9 ) 转换变量，输出a b c 相变量，如三相电流、电压等。式( 2 9 ) 与式 ( 2 - - 8 ) 正好相反。 3 c l q o 坐标变换的优点 d q o 变换又称派克变换。它是在最初由勃朗德提出【1 4 】，进一步由道赫蒂 和尼克尔【1 5 】发展起来的双反应理论基础上形成的。用d q o 变量的同步电机 方程进行分析，比用向量的方程要简单，其理由如下：在对称条件下，不出现零 序量；对称稳态运行时，定子量有恒值，在其他运行方式时，它们随时间变化； 与d 轴和q 轴有关的量可由端部试验来测量。 2 2 同步发电机的数学模型 1 数学模型推导前的假设 在推导同步发电机的方程时，作如下假设： ( 1 ) 就定子与转子的相互影响而言，定子绕组沿气隙是正弦分布的 7 ( 2 ) 定子槽不会引起转子电感随转子位置而变化： ( 3 ) 忽略磁滞的影响； ( 4 ) 忽略磁饱和的影响。 前面三点假设是合理的，这己被假设计算性能与实际测量性能相比较的结果 所证实。第四点假设是为了分析方便而设定的。忽略磁饱和时，只需处理线性耦 合电路，并可用叠加原理。 2 同步发电机六阶数学模型 正方向规定( 由于三相对称，本文只取其中的一相分析) ： 电流采用发电机极性惯例，定子电流的正方向是流出电机，励磁和阻尼电路 的电流正方向是流入电机。 电压以沿电流方向的电压降为正。 磁通正向电流按右手螺旋定则产生正向磁通。 转速以逆时针方向为正。 电磁转矩与正转速方向相同者为正。 上下标和变量规定： 下标d 、q _ 一d 、q 轴下标s 、r 定子、转子 下标i 、叶漏感、互感 下标f 、k 一励磁绕组、阻尼绕组 匕瞬时定子相电压 足定子电路电阻 v 0 瞬时阻尼绕组电压侮为零) 励磁电压 一。d 轴速度电动势 工。阻尼绕组的漏感 r h 阻尼电路电阻 阻尼绕组电流 瞬时定子相电流 根据图2 1 示意图所表示的模型， 链关系折算到定子侧计算。 工电枢与阻尼和转子的互感 上- 电枢绕组的漏感 m , d p - 弋i 轴速度电动势 工懈励磁绕组的漏感 曼脚转子电路电阻 励磁绕组电流 其坐标系建立在定子侧，转子侧的量通过磁 8 + + 圉2 - - 1 同步发电机d 、q 轴电气示意图 对示意图解释如下：( 取d 轴分析) 对于定子电路，把式( 卜1 1 ) ( 2 - - 1 3 ) 代入式( 卜1 0 ) 可得到完整的d 轴定子电 路方程。其中。钆是速度电动势，由于d 轴绕组实际上在旋转，要切割磁通， 根据法拉第定律e = b i v = b l r r ”= b s m = 妒n j 可得出速度电动势的表示形式。前 面我们已经假设q 轴超前于d 轴9 0 度，所以q 轴速度电动势是由d 轴磁链感应 出来的。同理，d 轴速度电动势是由一个滞后于d 轴度的轴( 即负的q 轴) 的 磁链感应出来。因此，q 轴的速度电动势是+ ，d 轴的速度电动势是一n k 吼。 电枢绕组的互感包括与转子、阻尼绕组之间的互感【1 6 。 j k 2 - 冀l + 云n 一一( 2 - - 1 0 ) n 。丘+ k ( o + o ) ( 2 - - 1 1 ) r j + 云+ 国一一( 2 - - 1 2 ) + k k ( 2 - - 1 3 ) 。o + 云9 ，( 2 - - 1 4 ) 9 爿5 0 0 + k ( + ) ( 2 - - 1 5 ) k 一气o + 云9 。 ( 2 1 6 )9 “一k + k ( + ) ( 2 1 7 ) o - 。- t + 云妒蛔t ( 2 1 8 ) 妒崎- 。k - - + k ( 2 1 9 ) ， k z 。z k z + 云甲崎z ( 2 - - 2 0 ) 9 h z k z k z + k ( 2 - - 2 1 ) 这些方程中所涉及到的变量，先转换成标幺量纲，再进行计算，原因和过程 如2 3 节分析。转换成标幺量纲后的电抗和电阻h 、l r r i d 、l 仃旧、b 、l k d 、 l k q l 、h q 2 、r 怕、r 、r k q l 、r 婶的计算参考2 3 节中的参数转换。 方程解释：把右边六个方程代入左边六个方程中，即可得到d q 轴系下的电 压和电流的关系。当发电机起动时，a b c 三相电流为零，则d q 轴下的电流变量 也为零，依据上述方程可以计算出d q 轴下的电压变量。当发电机起动完成，合 闸时，发电机电枢电压达到额定值，可依据电压计算出电流。同理，可分析出其 9 他运行情况时的计算。注意：由于阻尼绕组是短路的，故，。，v 0 ：恒为零， 因而阻尼绕组只要计算电流即可【1 7 】。 3 电功率、转矩和转速之间关系 ，丢。一l l ，：发电机的总转动惯量； l ：机械转矩； 己= l 曲 p _ ：柴油机输出的机械功率 。：转子的角速度 t ：电磁转矩 _ 一2 万f ，如果f = 6 0 h z ，则国_ = 3 7 7 e l e c r a d s 2 3 标幺表示 ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 在电力系统分析中，用标幺系统来规格化系统变量，常常是很方便的。标幺 系统通过消去单位，把系统量表示成无量纲的比率，从而使计算简单。在上一小 节中表示的同步发电机数学模型中，d q 轴取在定予侧，所以转子侧的量都需要 折算到定子侧计算。如果不采用标幺值运算，则计算过程将变得相当复杂。 标幺量= 实际量量的基值，很好地选择标幺系统能使计算量最小且计算简 单，并容易理解系统特性。一些基值可独立选取，而其余基值则依据系统变量之 间的基本关系推导出来。一般地，基值取主要变量的额定值。 1 基量选择 定子电路的基量选择取主要变量的额定值，转子电路基量的选择必须和定子 电路基量的选择相一致，而且要使得磁链方程简单，即需要满足下列要求： ( 1 ) 不同绕组( 电枢、励磁、阻尼绕组) 之间的标幺互感是可逆的。 ( 2 ) 每个轴上定子和转子电路之间的所有标幺互感是相等的。 满足这两个条件的基量选择下的标幺系统，称为基于- 鲥的标幺系统【1 8 】p 弱。 下标说明：6 a s e 一基量s 一峰值，什一机械量 ，沪d 轴励磁绕组量翮- 卅轴阻尼绕组量如p 可轴阻尼绕组量 - a d ，l 删，_ a k d ，- 柏，上- a i ( q - 弋，q 轴下定子和转子绕组之间的互感 p f 一转子极对数 1 0 定子基量 三相、，媳妇。= 电机额定伏安( 额定容蜀，v 舛 e s b a s e = 额定相电压峰值，、 k 。= 额定频率，h z f 呶。= 线电流峰值 = 三相v a 慨a ，( ( 3 2 ) e s b ) z s b a s e = e s b a s e s b a s e ，q 。b a s e = 2 ，b a s e ，e e c r a d s m b a s e = oh a s e ( 2 p f ) ，m e c h r a d s - s b a = z s b a 6 ) b m ，h 转子基量 粕b e = ( l a d - 删) f s b a ，a k d b a s e ( l 鲥- 削) s b b ，a i k q b a s e - 2 - ( l a q l 甜，s b a ，a e f d b a s e = - ( 三相v a 妇) ， 岫e ，v z 赫= e 触日s e f = ( 三相讼妇e ) ，f 2 舶。，q z k d b a s e = ( 三相似h m ) ，产b a s e ，q z k q b a ”= ( 三相悄6 a s 。) ，2 k 口b ，q 削b a = z ；曲e ，o b e ，h 中s b a s e = l s 姒b a s e ，w b 兀韦匝)正- k 岫= 函撕6 ) b a s e ，h l k q h = z i q b 日6 ) b e ，h f 随= 1 b a s e ，s k e = ( - - 相v a h 一，m b e s e ，no m 2 完整的标幺电气方程推导 在基于上叫的标幺系统下，上| 喇= l 蝴= l a d 。嘲= 上柏 标幺定子电压方程推导：由式i 卜1 0 ) 可知 v l 一- r j , + 专i p - m 以 用e 咀。遍除各项，并注意到e m = k 。z s 嘛= 岫。妒吐。，得 旦。一墨叠+ 旦f ! 11 一竺! ! ! e d 哪z 如i 嘲骷出、- 睇9 妇- 嘲甲妇 用标幺符号表示，得 一v , - - 一r j , + 石1 面d 钆w 一面 ( 2 2 4 ) ( 2 - - 2 5 ) ( 2 2 5 ) 式中，时间的单位为s 。时间也可以用标幺值来表示，时间的基值等于转 予以同步转速转过一个电弧度需要的时间，为 k 。士。上( 2 - 2 6 ) 2 ，r j fk 。石一b = t ( 2 - - 2 6 ) 采用标幺时间，式( 2 2 5 ) 可写成为 一i , - 面+ 乒d 一丽 ( 2 _ 2 7 ) 1 1 将式( 2 2 7 ) 与( 2 10 ) 进行比较，可看出，当涉及的所有量都用标幺值表示时， 原有的方程的形式并没有改变，此时就省去字母上加一横的标幺标注。 依此类推，可写出标幺转子电压方程、标幺定子磁链方程、标幺转子磁链方程等。 3 标幺电抗 如果定子量的频率等于基频，则绕组的标幺电抗在数值上等于标幺电感。如： x d 墨2 ，吼q ，除以z ，h = 乞_ 妇，得 l 。旦上l z m2 矾。l h 当f 一厶。，邑和的标幺值是相等的。同理，用标幺值时，次暂态，暂态电 抗也等于相应的电感。因而，通常的做法是，用电抗来表示同步发电机的参数， 而不是用电感。 4 同步发电机参数转换 x d ：d 轴同步电抗 ) ( d ：d 轴瞬态电抗 x d ”：d 轴次瞬态电抗 x q ：q 轴同步电抗 x q ：q 轴瞬态电抗 x a “：q 轴次瞬态电抗 t d o 或t d ：d 轴瞬态开路或短路时间常数1 v 或t q ：q 轴瞬态开路或短路时间 常数 1 k “或t d ”：d 轴次瞬态开路或短路时间常数t q o ”或t a ”：q 轴次瞬态开路或短路 时间常数 r s ：电枢绕组电阻 注：电抗电阻全部采用标幺值表示， 表示。 呓= 警 ) ( i ：漏电抗 时间常数单位为秒，乘以2n ，就是标幺值 ( 2 _ 2 8 ) 乙；警( 2 - - 2 9 ) 2 毒t 。+ 搀( 2 - - 3 0 ) 一专t k + 兰，( 2 - - 3 1 ) 呓4 i 1 ( k + 撬) ( 2 - - 3 2 )一去( k z + 业l , 。+ l t q z ) ( 2 3 3 ) 吖2 击+ 可寺笺盈 c 2 3 铆 吖一瓦1 ( k + 可石l m 砑l t q 而l i d ) ( 2 - 3 5 ) tjl _ k 耻划鲁) p 3 6 ) 弘+ 撬 邮7 小e 竺笠兰至参 。一， “+ 言葺“_ t l 一辩 串“+ 可蛊 即9 ， 从以上8 个方程可以看出，已知) ( 1 、) ( d 、) ( q 、) ( d 、) ( q 。、) ( d “、x q ”、t o o 。或 t d 、1 0 或t q 。、t o o ”或t a ”、t q o 或t q “，就可以推导出六阶同步电机数学模型中 所需要的8 个参数l k d 、k 、l k q l 、l k q 2 、f k 、r 妞、f 吣1 、r 雌。另外在基于l a d 标幺系统下b = k = ) ( i 、l t d = 洳一x 、l 悯= ) ( q 一) ( i 。从而可以运用六阶同步电 2 4 同步发电机参数的确定 确定同步电机参数的传统方法是根据电机空载时的短路试验。在i e e e 标准 1 1 5 - - 1 9 8 3 中规定了试验步骤【1 9 1 。这些试验提供了、) ( q 、) ( d 、) ( q 、) ( d ”、 ) ( q ”、- f k 。或t d 、_ k ”或t d ”。但是，没有给出q 轴瞬态( _ r q 0 或t q 。) 和次瞬态( _ r q o ” 或t 口”) 常数。 若干取而代之的试验和方法已经给出，并用来获得较好的模型： 增强的突然短路试验【2 0 】； 定子减量试验【2 1 】； 频率响应试验 静止频率响应【2 2 ； 开路频率响应【2 3 】； 在线频率响应【2 4 】； 设计数据分析； 交轴饱和测量。 对于这些方法的专门特性，请参阅相关文献。 第三章原动机和转速调节系统 船舶电站负载的变化，将引起电站发动机组转速的变化，因而使电网频率发 生变化。柴油机的不同转速是通过改变每一循环的喷油量来获得的，当外界负荷 不变时，若供给柴油机一定的油量，使柴油机发出的功率与外晃负荷相平衡，则 柴油机就在某一转速下稳定运转。对于船用柴油机来说，其外界的负荷是变化的， 而且这种变化是不能预计的，外界负荷的增减会导致柴油机转速的降低和增高。 当柴油机用于船舶电站带动发电机时，对转速保持恒定有严格的要求，以保证发 电机的电压和频率稳定，满足并车及供电的需要【2 5 1 。 3 1 调速器的性能指标 1 动态指标 为了评定调速系统的过渡过程的性能，通常采用下列两项动态指标： ( 1 ) 瞬时调速率( 动态调速率) 艿f 。瞬时调速率是指柴油机突卸( 或突加) 全负 荷后的瞬时最大转速( 或瞬时最小转速) 与负荷改变前的标定转速( 或最大空载转 速) 之差同标定转速之比值的百分数。 突卸负载瞬时调速率6 f ：柴油机在标定工况下稳定运转，然后突然卸去全 部负荷，测定转速随时问的变化关系。 6 7 ；n , _ - n b x 1 0 0 ( 3 1 ) 式中：弹一为标定工况突减负荷时的最大瞬时转速( r m i n ) ； 为标定转速( r m i n ) 。 突加负载瞬时调速率艿i ：柴油机在最高空载转速下稳定运转，然后突加全 部负荷，测定转速随时间的变化关系。 艿f 宣 x 1 0 0 式中：n 为最高空载转速下突加负荷时的最小瞬时转速( r m i n ) ； ( 3 2 ) 一为最高空载转速( r r a i n ) 。 瞬时调速率占，用来衡量调速器的灵敏性，其值愈小愈好。通常柴油发电机 要求占，不大于7 d 。 ( 2 ) 稳定时间f l 。过渡过程的稳定时间f