（电力系统及其自动化专业论文）船舶电站多机组并联运行的励磁控制研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e p a r a l l e lo p e r a t i o no fg e n e r a t o r si sg e n e r a l l yu s e di nm o d e r ns h i pp o w e rs t a t i o n , w i t hw h i c ht h eo u t p u to f s h i pp o w e rs t a t i o ni s 窃( c e l k l e da n dt h eq u a l i t yo f p o w e rs u p p l yi s i m p r o v e d , a n dt h ec o s ti sr e d u c e de f f e c t i v e l y n 1 弛ed i e s e le i q g i l l ei st h em o s tc o r n m o l l p r i m em o v e r i ns h i pp o w e rs y s t e m , a n di th a sm a n y g o o dc h a r a c t e r ss u c hl i k el e s sa u x i l i a r y e q u i p m e n t s , s w d n gr a p i d l y , l o wf u e lc o n s u m p t i o n , a g i l 时c o n t r 0 1 p a r a l l e lo p e r a t i o no f d i e s e lg e n e r a t o rs e th a sg r e a tu 疽t i t yv a l u e h o w e v e r , t h ec c l 0 1 葶疵c o n t r o lp r o b l e mo f g e n e r a t o r si nd i e s e lg e n e r a t o rs e th a sn o tb e e nf i g u r e do u t t i l li i o w t h er e s e a r c hi sc z r f i e d o nf o c u s i n gt h es t r a t e g yo f e x c i t a t i o nc o n t r o lo f g e n e r a t o r s t h em a i nt a s k s 锄a sf o l l o w s ： 1 i no r d e rt od e s c r i b et h ed y n a m i cc h a m c t c 6 s d c so f s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r s ，a n dt a k e i n t oa c c o u n tt h ec o n v e n i e n c eo fa n a l y s i s , b a s e do nt h ep a r kf u n c t i o n , t h ef i f t ho r d e ru t i l i t y m o d e l o f g e n e r a t o r sf o rd e s c r i b i n ge l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n tp r o c e s s ，t h ee x c i t a t i o ns y s t e m m o d e l , a n dt h el o a dm o d e la r eb u i l tm o d e l i n gb ym e c h a n i s mm e t h o d 2 t h ep o w e rf l o wo ft h es i m p l es h i pp o w e rs y s t e mc o m p o s e do ff o u rs a m et y p e d i e s e lg e n e r a t o r si sc a l e d a t e d , b yn o d ev o l t a g em 曲o d , t h ei n i t i a lv a l u ei so b t a i n e dw h e n t h es y s t e ms t e a d yr i m , a n du s e da st h es t a n d a r do f d y n a m i ca n a l y s i s ；t h eu s eo f n o d e - v o l t a g e e q u a t i o n , l h ee s t a b l i s h m e n to fam u l t i - g e n e r a t o rs e t sf o rt h ea n a l y s i so fm a t h e m a t i c a lm o d e l so fp a r a l l e l s y s t e m s ； 3 i nt h ep r o c e s s i n go fd e s i g ne x c i t a t i o nc o n l r o l l c r , d u f i n gt h es t e a d ys t a t ep o i n t , a l l g e n e r a t o r sa l el i n e a r i s e d , a n dt h eg e n e r a t o r sa r ep a r a l l e l e d 缸o u g ht h en e t w o r k , a n dt h e s t a t es p a c ee q u a t i o n , t h eo u t p u te q u a t i o na n dt h ec o n t r o le q u a t i o na r em o d e l e dt od e s c r i b e t h el i n e a r i z e dm u l t i p l es y s t e m t h ec h a r a c t e ro f d e c e n t r a l i z e da n dc o o r d i n a t e dc o n l r o lt h e o r y i sm l a i y z e d ，a n dt h eo u t p u tf e e d b a c kd e c e n t r a l i z e da n dc o o r d i n a t e dc o n t r o lt h e o r yi su s e di n d e s i g n i n gt h ee x c i t a t i o nc o n t r o l l e r , a n dt h eo u t p u t , w h i c hi se a s i l yo b t a i n e di nr e a ls y s t e m , s u c ha s ：r o t o ra n g l e v e l o c i 锣彩，e x c i t a t i o nv o l t a g e e 村，o u t p u te l e c t r o r n a g n e t i c p o w e rp , , g e n e r a t o rv o l t a g e 以i s d r e w i n ，a st h ef e e d b a c k , t h ep r o p e a i e so f t h eg e n e r a t o r s e ta l er e s t r i c t e db yq 1 1 a d 谢cp e r f o r m a n c ei n d e x , a n dt h eo p t i m a lf e e d b a c kp a r a r n c t c r so f v a r i a b l e sa l eo b t a i n e dt t r o u # l e v i n e - - - - a t h a n se q u a t i o n , a n dt h ee x c i t a t i o nv o l t a g ee r d 哈尔滨工程大学硕十学位论文 i sc o n t r o l l e db yt h ep a r a m e t e r s ，t ok e e pt h ev o l t a g es t e a d y 4 ，n l ec o n t r o l l e rd e s i g n e di nf r o n t , i su s e di ns h i pp o w e rs t a t i o n , a n dt h ep e r f o r m a n c e o ft h ec o n t r o l l e ri sc h e c k e db ys u d d e n l ya p p l y i n ga n ds u d d e n l yr e m o v i n gd e a dl o a d , a n d t h ed y n a m i cs i m u l a t i o nc u r v e sa r ep r o v i d e d 田：l es i m u l a t i o nr e s u l ti sa n a l y z e da n dt h e c o n c l u s i o n sf i r ea sf o l l o w s ：t h ec o n l r o l l e rd e s i g n e di nt h i sp a p e r li se a s yt oc o n t r o la n de a s y t oi 抵a n dt h ee o o p e r a t e ar e s u l to ft h e c o n t r o l l e ri sp r o m i n e n t , b e s i d e st h a t , t h e c o n t r o l l e rc a na d a p tt oa v a r i e t yo f d i s r l r b a l l c e k e yw o r d s ：s h i pp o w e rs t a t i o n ；p a r a l l e lo p e r a t i o r l ；e x c i t a t i o ns y s t e m ；d e c e n w a l i z e da n d c o o r d i n a t e dc o n l r o l 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已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) ：吃琵勿f 日期：么穆号年舌月“。日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 圈往授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇 作者( 签字) ：鹰象古f 日期：沙拜年舌月盯日 导师( 签字) ： 年? 7 月力c ， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1课题的背景和意义 1 1 1 船舶电力系统的特点 电力系统是由发电、变电、输电、配电、用电等设备组成的整体。电力 系统和提供能源的动力装置统称为动力系统。船舶电站自动化涉及整个动力 系统的控制 1 】。同样，船舶电力系统也是由发电、配电、输电和用电四个部 分组成。目前功率较小的船舶电力系统的运行电压绝大多数为低压( 3 8 0 v 或 4 4 0 v ) ，除照明采用降压变压器外，系统中没有变电这个环节。船舶电力系统 使用低电压( 3 8 0 v 或4 4 0 v ) 运行，当船舶电站的功率达到一定的数值时，电能 的输送变得困难，断路器的分断能力和继电保护部分难于满足要求。因此， 系统中某些部分的运行电压采用中压( 1 k v , - - - , 1 0 k v ) ，系统中将引入变电这个 环节。 这里所说的船舶电力系统通常是指正常的电力系统，又称主电站。有的 船舶，如客轮和大型海轮等还有应急电力系统。主电站、应急电力系统作为 正常电力系统的一部分。主电站因故中断供电时，应急电力系统继续供电运 行，这时应急电力系统表现为独立的供电系统。另外，由蓄电池和充放电板 构成的临时供电系统又称小应急供电系统，也是电力系统的一部分。 表1 1 船舶电站的分类 原动机类型 电流类型 电站的用途 蒸汽机、柴油机、汽轮机，燃汽轮机等 直流和交流 主电站和应急电站 船舶电力系统是电源、配电装置、电力网以及船用电负载( 如电动舵机、 侧推器、起货机、锚机、电灯、电热器、武器系统等) 所组成的完整体系的 总称。其主电源一般采用柴油发电机组、汽轮发电机组、燃气轮机发电机组 等，小型应急电源由蓄电池组构成。发电机组，包括它们的控制、配电装置 及辅助设备、电力网( 供电缆线、电线、配电器械) 称为船舶电站。船舶电 哈尔滨工程大学硕士学位论文 站由原动机、发电机和主配电装置组成的。图1 。l 表示多发电机组的船舶电站 示意图。g 表示发电机组，t 为变压器，q f 为转换开关。 主配电板 分配 q f l 层蓁萎苕 q f 3 q f 7 q e 8 跨援线 q f 5 q f 6 二负荷 t 2 t l照明蛔 ：一 q f 2，l哥照明 q f 4 ：一 负荷_ _ _ _ _ _ ：_ 一 q f 9 跨接线 图1 1 船舶电站示意图 由于主机拖动螺旋桨的功率有1 0 1 5 ，甚至更大的储备。而航行时 需要电站供给的电能不超过主机功率的1 0 ，因此为了充分利用主机功率， 提高经济性，近年来某些船，尤其是小船、渔轮采用主机轴带发电机( 称主轴 发电机或悬挂式发电机) 供电的电站，当主轴转速较低或船停泊时，由备用电 源供电。船舶电站是船舶电气设备的核心。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，各种设备都要用电控制。 船舶电力系统与陆用电力系统有很多共同之处，如研究方法、控制策略 等，但是由于负荷的特点和具体工作条件不同，二者也存在着较大的差异： 1 、船舶电站容量较小。陆上电站一般采用汽轮机组发电，单机功率一般 为3 0 1 0 4 k w 和6 0 1 0 4 k w 两种，为了保证供电的可靠性、经济性，陆上电力 系统一般由十几个、甚至数十个不同类型的发电厂联合供电。电力系统容量 达上亿千瓦；船舶电力系统是一个孤立的电力系统，目前世界上最大的船舶 电站容量也只有几万千瓦，一般万吨船仅为1 0 0 0 k w 左右，而某些大电动机容 2 哈尔滨工程大学硕七学位论文 量与电站容量可相比拟，大电动机起动电流引起的电网电压降落大，发电机 组的转速和频率波动较大，因此负荷对发电机存在着很大的影响。 2 、船舶电力系统的负载对系统的稳定性有比较大的影响。船舶电站的负 载一般为电动机，静态负荷较少，很多负载的容量同发电机容量可比拟，容 量大的负载切换时对系统电压、频率的影响较大。 3 、船舶电气设备的工作条件比陆上电力系统恶劣。如环境温度较高、相 对湿度较大，有时高达9 5 - 1 0 0 、存在盐雾、霉菌、油雾，这些使导电金 属更容易受到腐蚀，并使绝缘材料性能降低；由波浪冲击、往复式机器运转、 螺旋桨运转、火炮射击等引起的船体的摇摆、倾斜、振动，影响电气设备运 行的正确性和可靠性。环境条件对电气设备的运行性能和工作寿命有严重的 影响。 4 、船舶电气设备比较集中，电网比较小，输配电网络比较简单，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可以忽略电缆的电抗。 电力设备的电压等级与发电机组的电压等级可以是相同的，一般发电机组的 电压取3 9 0 v 或3 8 0 v ，用电设备电压为3 8 0 v 。陆上电力系统由于容量大、输 电距离远，常采用高压或超高压输电，输配电网络比较复杂。 5 、船舶电力系统稳定性较差。各种故障如短路、断路等对系统稳定性将 产生较大的影响，战斗情况下，负载变化居0 烈，短路、断路不可预计。 柴油机是目前船舶上应用广泛的一种发电原动机。船用柴油机的主要优 点【2 l ：运行时有较高的经济性。柴油机有效热效率在7 0 以上，而汽轮机动 力装置由于多次能量转换，导致效率低下；油耗低，即使是高速机也比蒸汽 轮机和燃气轮机低；安装方便，无特殊要求；中、高速机组质量轻、辅助设 备少，而汽轮机装置复杂，它需要锅炉：、凝汽器和管路等，辅助设备多； 良好的机动性。主机从起动到全负荷一般在l o m i n 以内，而汽轮机从空载启 动到全负荷运行一般要3 5 m i n 以上；操作简单，控制灵活。 柴油机装置也有一些缺点限制了它的使用：单机功率小。目前中速柴油 机单机功率一般在2 x 1 0 4 k w 以下，高速柴油机的单机功率一般8x1 0 3 k w 以 下。单机功率小限制了它在大、中型水面船舶上的使用；运行过程中振动大、 噪音高；寿命较低，高速机仅为o 5x1 0 4 h 以下；低速运行时稳定性较差。 哈尔滨1 二程大学硕士学位论文 1 1 2 发电机组并联运行的意义 发电机组的并联运行是船舶电站主要的供电形式，具有以下优点【3 j ： l 、提高船电系统的容量。由于多机并联运行，其电站容量远高于单机容 量，为发展超大容量电站提供了可能性。 2 、提高供电质量、电压稳定性。特别是当大负荷投入时，往往引起电压 和频率的波动，并联运行可以减轻这种波动。 3 、经济性好、供电方式灵活。由于采用相对容量小的机组并联运行，维 护、保养较易、费用相对较低。并联运行可根据实际负荷的大小，决定并联 运行机组的台数，避免运行中出现功率浪费现象。不同类型的船舶原动机在 效率、机动性、油耗、功率方面各有特点，将其并联混合运行可以提高系统 的灵活性和经济性。 4 、提高供电的可靠性【4 】。多机并联运行，当个别机组发生故障时，仍可 提供一定容量的电能，不中断供电。 1 1 3 船舶电力系统稳定性的特点 船舶电力系统暂态稳定性与陆上电力系统暂态稳定性的概念相同。但船 舶电力系统有其自身的特征，不能将陆上系统暂态过程的研究结论完全照搬 到船舶电力系统中去。船舶电力系统的暂态过程的特征有： 1 、电网功率不大，发电机与其负载的功率可相比拟。在突加负载和事故 情况下，电网电压值、电流、频率有急剧的变化。 2 、线路短，线路电抗不大，同时在定子回路中有比较大的电阻存在。 3 、系统电气回路有很小的时间常数，因此电磁暂态过程进行的速度较快； 柴油发电机的惯性常数很小，汽轮发电机组和燃气轮机发电机组的惯性常数 很大，而不同型式原动机的发电机可以并联运行，与此相关的是系统中机械 暂态过程的速度较慢。 4 、船舶电力系统的相互耦合作用十分强烈；并联发电机之间，负载之间， 发电机与负载之间存在着强烈的耦合作用。 由于以上特征，决定了船舶电力系统的暂态稳定性除了与陆上电力系统 具有相似的一面外，又有自己的特殊性。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 4 励磁系统对电力系统稳定性的影响 电力系统稳定，目前人们关注的主要是功角稳定、电压稳定和频率稳定。 功角稳定包括静态稳定和暂态稳定。船舶电力系统的暂态稳定性【5 j ，指 正常运行的电力系统承受大的扰动后，各发电机组是否能继续保持同步运行 的问题。引起船舶电力系统较大扰动的原因有： 1 、负荷的突然变化。投人或切除大容量的压载泵、空压机、锚机和舵机 等电力设备的瞬间。 2 、电力系统的短路故障，其中以三相短路最严重。 当电力系统受到大扰动时，因原动机的调速器具有很大的惯性，它必须 经过一定的延迟时间，才能改变原动机的机械功率。因此，在扰动发生最初 的一段时间里，发电机转子轴上输出的电磁功率与输人的机械功率巴之间 的平衡遭到破坏，相当于在发电机转子轴上作用一个不平衡转矩，发电机组 转子开始改变其速度国，发电机的功率角度万随之改变，从而使并联发电机 转子间发生相对运动。功率角度万的变化，反过来又影响到机组的电流、电 压及发电机组输出的电磁功率。 提高暂态稳定性有两种方法【6 】，减小功角曲线的加速面积或增大减速面 积。减小加速面积的有效措施之一是加快故障切除时间；而增加减速面积的 有效措施是在提高励磁电压响应比的同时，提高强励电压倍数，这样当故障 切除后，发电机内电势迅速上升，增加功率输出。显然，强励倍数越高，电 压响应越快，励磁调节对改善暂态稳定的效果越明显。实践证明，采用励磁 系统控制发电机组比用其它方法更为有效，按效益投资比及易于实现来说， 励磁控制是最好的方法，因此有的国家将其列为电力系统控制的基本措施。 电压稳定主要由无功功率条件决定。而调节发电机机端或系统中枢点电 压是励磁系统的基本功能之一。电力系统理想的运行状态是电压和频率保持 不变，实际上这是不可能的，只是要求变化保持在一定的范围内。通常引入 下列两个指标规范励磁系统性能【7 】。 1 、静态指标 由调速特性符合规范要求的原动机驱动的交流发电机连其励磁系统，应 在负载从空载至额定负载范围内，其功率因数为额定值的情况下，保持稳态 哈尔滨工程大学硕士学位论文 电压的变化值在额定电压的2 5 以内。应急发电机允许在3 5 以内。 静态电压变化率的计算公式为： 点：坐1 0 0 ( 卜1 ) “ u 。 式中u 负载变化时，电压达到的最高值或最低值； 额定电压； 2 、动态指标 交流发电机在空载、转速为额定转速、电压接近额定值的状态下，突加 和突卸6 0 额定电流及功率因数不超过0 4 ( 滞后) 的对称负载时，若电压跌 落，其瞬态电压值不低于额定电压值的8 5 ；电压上升，其瞬态电压值不高 于额定电压值的1 2 0 ，电压恢复到与最后稳定值相差3 范围内所需要的时间 应不超过1 5 s 。 对发电机上述要求的前提是原动机的调速器也满足一定的要求。一般要 求静态调速率不大于额定转速的5 ，动态调速率不大于额定转速的1 0 ，稳 定时间不大于4 s 。 优良的励磁系统不仅可以保证发电机可靠运行，提供合格的电能，还能 有效地提高系统的技术指标。励磁控制系统为发电机提供励磁功率、控制并 联运行发电机组的无功功率分配。除此，励磁系统还对同步发电机本身乃至 整个电网的阻尼特性有重要的影响。例如，在快速励磁系统的作用下，如果 在励磁调节器的设计、整定中不采取一定的措施，就可能使系统的阻尼恶化， 影响线路的功率输送能力，甚至导致自发低频振荡的产生。从这个意义上讲， 励磁系统的功能还应包括提高线路的功率输送能力、改善系统的阻尼特性， 即提高系统的稳定性。 1 2 国内外研究现状 1 2 1励磁控制器的发展 船用同步发电机的自动励磁装置类型多、分类方法各异。通常可以按照 直流励磁电源的获得方法、励磁调节器的作用原理、励磁装置的组成元件进 行分类。 1 、按照直流励磁电源的获得方法分类 6 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 按此方法可分为直流励磁机他励、静止自励、交流励磁机他励等三种类 型。直流励磁机他励方式是最早采用的一种励磁方式，现已基本被淘汰；静 止自励方式简单可靠、电磁惯性小、励磁系统有优良的动态性能，特别是相 复励装置，由于具有电流复励，能够直接起动与发电机容量相近的异步电动 机，特别适合在船舶上使用；交流励磁机的他励方式，省去了电刷和滑环， 所以又称这种励磁方式为无刷励磁方式。这种励磁方式不但可靠性比直流励 磁机高，而且动态性能也比直流励磁机优良。但由于交流励磁机随电枢旋转， 制作工艺要求较高，设计比较复杂。 2 、按照励磁调节器的作用原理分类 此种分类法，可将励磁系统分为按电压偏差调节、按扰动调节、复合调 节三类。同步电机的主要扰动来自电枢电流。按偏差调节的励磁调节器又称 负反馈型励磁调节器，是一种比较通用和完善的调节器。它能减小随机扰动 引起的偏差；无需对扰动进行测量，却能克服多种扰动的影响。选择足够大 的增益和采取适当的校正环节，从理论上说，可以使静态和动态电压变化率 达到任意规定的范围；按扰动调节的励磁调节器结构简单，它直接根据扰动 量的大小进行前馈调节，工作可靠、强励能力强、动态响应性能好；复合式 励磁调节器通常以扰动补偿为主，以偏差调节为辅，称为a v r 。它既有调压 精度高、无功分配均匀等按偏差调节的优点，又具有强励倍数大、动态性能 好等按扰动调节的优点，是一种比较理想的励磁调节器。现代船舶电站的主 发电机绝大多数采用复合式励磁调节器。 3 、按励磁装置的元件分类 此种分类方法可将励磁系统分为炭阻式励磁装置、相复励装置、三谐波 励磁装置、可控硅励磁装置等。电磁型、半导体型励磁控制器均属于模拟式 的控制器，所有控制功能均由硬件完成。因为模拟式控制器结构复杂、操作 繁琐、维护困难，随着大规模集成电路、数字控制技术、计算机技术的迅速 发展和成熟，以微处理器为主要特征的数字电子技术正逐步应用到励磁系统 中，取代传统的模拟式励磁控制器。微机励磁控制器的发展为更复杂、更高 级的控制理论在励磁控制上的应用铺平了道路。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 1 2 2 控制理论的发展 励磁控制算法的改进总是紧紧依赖于控制理论的发展，可以说励磁控制 方式的每一次突破都是以控制理论的发展为契机的。控制理论的发展趋势总 是由单变量到多变量、由线性到非线性最后到包含智能化的控制方式，励磁 控制方式的发展也经历了一条与之完全相适应的过程，大致经历了以下几个 阶段【8 】： 第一阶段是古典控制理论的发展阶段，从线性定长的单输入一单输出系 统，到按机端电压偏差进行调节的比例调节方式，再到后来的由静态稳定极 限及稳态电压调节精度等方面的要求，形成了按机端电压偏差进行调节的 p i d 控制器。 第二阶段中，电力系统稳定器p s s ( p o w e rs y s t e ms t a b i l i z e r ) 最具代表 性，它在第一阶段发展的基础上，采用机端电压频率厂，或机组转速彩，或是 发电机电磁功率只作为辅助输入量的一种方式，用来抑制因励磁系统和发电 机绕组的滞后特性所产生的低频振荡，从而提高电力系统的动态稳定性。为 了保证输电稳定性和抑制电力系统的低频功率振荡，前苏联专家在二十世纪 5 0 年代末研制了强力式励磁调节器。这种励磁调节器设计的核心思路是：利 用与功率有关的多个参量进行综合控制，以阻止低频功率振荡和提高电力系 统运行的稳定性。但由于变量较多，参数整定很大程度上依赖调试人员的经 验，因而国际上未得到推广。 第三阶段从二十世纪六、七十年代开始，在状态空间方法得到飞速发展 的基础上，建立了一套以状态空间为基础的现代控制理论。随着现代控制理 论的发展，出现了线性最优励磁控制方式、非线性最优励磁控制方式、基于 大系统理论的分散协调控制方式等。除了基于微分几何理论的非线性励磁控 制器外，文献 9 一- - 1 2 指出，目前正在研究的非线性励磁控制方式还有：基于 大范围直接线性化的非线性励磁控制方式、基于李亚普诺夫稳定性理论的非 线性励磁控制方式、基于鼠鲁棒控制的非线性励磁控制方式、基于变结构 控制的非线性励磁控制方式等。虽然理论上证明了这些控制方式对电力系统 具有较好的控制效果，但由于上述理论尚未完全成熟，其数学工具又有一定 的抽象性、复杂性，使得非线性励磁控制方式的推广、应用受到了严重的影 哈尔滨工程大学硕七学位论文 响，到目前为止仍停滞在理论研究阶段。 第四阶段是自适应励磁控制、智能控制及多种控制方式相结合的控制理 论。文献 1 3 - 1 8 指出尽管这些智能励磁控制方式具有种种优点，但是目前智 能型励磁控制方法大多尚停留在仿真阶段，少数应用实例也仅是一些简单的 实验性尝试。文献 1 9 - 2 5 中提到的各种综合控制方式，相比于单一的控制方 式，其效果更加明显。综合控制可分为两个方面：一方面，智能控制和现代 控制理论相结合；另一方面，各种智能控制理论之间的交叉结合。目前在电 力系统励磁控制中研究的热点是神经网络与专家系统的结合、模糊控制与专 家系统的结合、神经网络与模糊控制的结合、遗传算法与它们之间的结合等。 1 3 论文的安排 第1 章介绍了船舶电站的特点、发电机组并联的意义、励磁控制对机组暂 态稳定性的影响，励磁控制器的发展和相应控制理论的研究现状。 第2 章系统地介绍了船舶电站的基本元件柴油机发电机组、励磁系统的数 学模型。 第3 章建立了用于船舶多发电机组并联分析的数学模型，介绍了适用于船 舶电力系统的潮流计算方法、适用于动态分析的改进欧拉法。 第4 章介绍了最优控制理论的优势和应用，在励磁控制器的设计过程中， 建立了线性化的船舶电力系统的模型，推导了励磁控制器的设计方法以及求 解最优反馈增益矩阵。 第5 章在特定的扰动情况下，对简化的船舶电力系统进行仿真研究，校验 控制器的性能，并对仿真结果进行分析。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章船舶电站基本元件的数学模型 2 1 理想电机 同步发电机是电力系统的核心【2 6 1 ，它集旋转与静止、电磁变化与机械运 动于一体，把机械能转换为电能，供给电力系统。其动态性能十分复杂，对 电力系统的动态性能有极大的影响。因此，理解同步电机的特性和建立同步 电机精确的模型是极其重要的。 为了建立同步发电机的数学模型，需要对实际的三相同步发电机做必要 的假定，以简化分析计算，通常的假定有【2 7 】： 1 、电机磁铁部分的磁导率是常数，即忽略磁滞、磁饱和的影响，也不计 及涡流、肌肤效应的影响。 2 、对纵轴和横轴而言，电机转子在结构上完全对称。 3 、定子三相绕组的位置在空间上依次相差1 2 0 。电角度，三个绕组在结 构上完全相同，同时它们都在气隙里产生按正弦分布的磁动势。 4 、定子、转子、通风沟等不影响电机的定子、转子电感，即认为电机的 定子、转子表面光滑。 这些假定可以满足大多数工程问题的需要，实际上大多数电机在出厂的 时候都已经满足上述假定【2 引。研究电机时首先要指定电机的正方向，一般以 发电机方向作定子电量的正向，以口、b 、c 三相作为磁链的正向，定子电流 产生的磁链方向与磁链正向相反，如2 1 图所示。 定子a b c 三相绕组的对称轴a 、b 、c 空间互差1 2 0 。的电角度。设转子逆 时针旋转为正方向，则其依次与静止的a 、b 、c 三轴相遇。定子三相绕组磁 链、帆的正方向分别与口、b 、c 三轴正方向一致。定子三相电流 t ，厶，t 的正方向如图所示，满足定子电流产生的磁链与磁链正向相反。这 种方向的设定与正常运行时定子电流的去磁作用相对应。定子三相绕组端 电压的极性方向、相电流的正方向则按发电机惯例来定义，即定子电流从发 电机的正极流出。转子励磁绕组的中心轴为d 轴，并设盯轴沿转子旋转方向 领先d 轴9 0 。的电角度。在d 轴上有励磁绕组厂和一个等值阻尼绕组d ，在 g 轴上有一个等值的阻尼绕组q 。上述假定一般可以满足多机电力系统分析 l o 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 的要求。对于某些汽轮机实心转子，转子g 轴的暂态过程有时需要用两个等 值阻尼绕组来描写，即除了与次暂态过程对应的、 d 图2 1 理想发电机模型 时间常数很小的等值阻尼绕组q 外，还应考虑与暂态过程对应的时间常数较 大的等值阻尼绕组g ，该绕组在暂态过程中的特点与d 轴的励磁绕组厂相对 应，只是无励磁电源激励。为了简便，后面的分析将不考虑g 绕组的存在。g 轴中g 轴绕组的分析可参考d 轴的分析，此时令励磁电压为零即可。 2 1 1 描述同步发电机的基本方法 由于选取的坐标系选不同，描述同步发电机电磁关系的方法很多，其中 应用最多的是： 1 、用a b e 相变量表示的磁链电流、电压关系方程。 2 、用力0 变量来表示的磁链电流、电压关系方程。 a b e 向量表示的方法建立在a b c 静止坐标系的基础上，它根据图2 1 中电 压、电流的关系，结合电磁学的基本定律对电机进行数学描述，最终得到描 述发电机电磁关系的派克方程： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 儿 阪 v f 缈d i 荔 邓l 吩 g d l 。 m b o m 。 m 缸 m d a m 。a + m 曲 k m 曲 m f b m 嘶 m o ， 名0 0 oo oo 0o 0o m 托 m b c l c c m f c m 9 c m o c 0o oo 名0 0 0 oo oo m m 嗲 m d l 口 m 唾 m 够 00 00 00 0o r o 0 0 r q m ；d m b d m c d m f d l d d m o d 雏j d 茜j 【_ f q ( 2 - 1 a ) ( 2 1 b ) 式中，甜、f 、厂、厶m 表示各绕组的电压、电流、磁链、电阻、自感 和互感。该方法建立在解析式的基础上，物理概念清晰。但由于建立在静止 坐标系上，所形成的派克方程中，许多厶m 是空间旋转角度的函数，这使 电机的分析、研究变得繁琐；由0 方法则是建立在旋转坐标系的基础上，它 与静止的a b c 坐标系的关系见图2 2 。 a b q 图2 2d q o 与a b c 坐标的关系 其中d 轴以同步转速缈。旋转，且超前a 轴秒角度，g 轴与d 轴的角度相 差是9 0 。可以通过几何投影关系将a b c 项的电量转换到由o 坐标系上。 二者电流之间的转换关系如下t 1 2 乞0 r 9 2t10b场吁 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i 之l ，i c o s c o s ( e 一2 , r 3 ) c o s ( 0 + 2 万3 ) 怯l j 乇| 2 詈j s i i l 9 一s i n ( o 一2 z 3 ) 一s i n ( o + 2 x 3 ) j j j ( 2 - 2 ) l j。ll 2 1 21 2 j l 乇 j 由0 变换又称派克变换，在双反应理论的基础上形成。用却0 变量对同 步电机方程进行分析，比用a b c 向量描述的方程简单，因为在对称条件下， 砌0 向量中不出现零序量；对称稳态运行时，定子量为恒值，磁链方程成为常 系数方程。从而使得同步发电机的时变系数方程转化成常系数方程，派克变 换是研究电机模型的一次重大的突破，在电机研究史上具有里程碑的意义。 经过派克变换的派克方程如( 2 3 ) 式。 眠 ￥| vd v q i 1 l 甄 2 p l 吩 审d 厶0 0 乞 0o l 缮0 l o a 0 0 + o ) 缈r q 国 0 0 0 0 0 k 0o 厶0 0 三， 0 l 呀 00 + 一名b 一乞z g 一名 r f l f ，d b 饧切 k0l | _ 屯 o 忙 00 l | - 乇 如 o lj 0 厶0i if d o 岛j 【- f d ( 2 - 3 a ) ( 2 - 3 b ) 在电压方程中右端第二项是速度电动势，它与磁场变化相关联，是机电 能量转化的重要条件。 2 1 2 标幺值 在电机的分析过程中，广泛采用的是标幺值，标幺值的表示方法为有名 值与所选定基值之比。 采用标幺值的优点在于不同容量的电机同一参数用有名值表示时数值差 异很大，而用归算到自身容量基值下的标幺值表示时数值相对接近，且能反 映电机的物理特性。例如发电机的d 轴同步电抗髟的标幺值一般在0 6 2 5 左右，当较小时，反映该电机的气隙较大，反之亦然。因此在使用标幺值 砌蜥砌彬咖坳 哈尔滨工程大学硕士学位论文 参数时，可根据其正常的取值范围判断参数的正误，并了解相应电机的物理 特性；发电机定子电量和转子电量用有名值表示时差异很大，如定子电压可 达上万伏，而转子电压只有几百伏，而采用标幺值则较为合理。工程上普遍 采用标幺值。 确定标幺值有3 个规则：互感可逆；符合力学和电学定律的表现形式； 将传统电机参数融入其中。 使用标幺值时，选择基值十分重要，通常采用的l 基值系统规定如下 1 ( 下标b 表示基值) ：取厶= 5 0 h z ，c o b = 2 刀五，单位r a d s ；t b = 二，单 珊b 位是s ；定子绕组电流基值i o , = 2 厶，单位是a ，其中厶是发电机额定相电 流的有效值；定子绕组电压基值u o b = 2 ，单位是v ，其中u r 是发电机额 2 定相电压的有效值。定子绕组的容量基值= 3 厶= 詈u o , i n 6 ，单位是k w 。 二 其它的物理量，如电阻、电抗、电容、电感、磁链等基值可以由上述基值， 通过物理学的公式推导得到。励磁绕组、阻尼绕组的基值选取与定子绕组基 值的选取相似，这里不再详细论述。值得注意的是，为了实现电机各绕组间 标幺值互感可逆，各绕组基值的容量需满足- = s 仍= = s q , 。下面用大 写的符号甲，lu 代替小写的字符l ! f ，矗，列出标幺值表示的派克方程： 甲d 甲g 甲。 飞f 甲d 甲d i 一洲- i + 0 x 莓 oo x o 0 qxf 0 x 巧 oo + 一融d r i q 一戳o r f lf r d i d r o i o x d d 0 0 x f d x d 0 1 4 0 x q q 0 0 0 x q i d i q l o lf ld i q ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) d 可 o 厂 d 口 ， 吵叭。oo o d 砌 = d 搿 叼 引豺憎悸 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 1 3 同步发电机的实用模型 对于砌0 坐标系下的同步发电机方程，设定子为星形联结、无中线，此时 零序电流为0 ，零序的各个量不用计算；如果单独考虑d 绕组、巧绕组、忽略 相对独立的零绕组，则在计及d ，q ，f ，d ，q 这5 个绕组的电磁过渡过 程( 以绕组磁链或电流为状态量) 以及转子机械过渡过程( 以国和万为状态 量) 时，电机为七阶模型。对于一个含有多台发电机的电力系统，再加上励 磁系统、调速系统的动态方程，将会出现“维数灾难 ，这对电力系统的分 析显然是不利的。所以实际电力系统分析时，通常根据所需的精度选择适当 维数的实用发电机模型。 为了降低方程的阶数，需要对派克方程进行简化处理。对同步电机实用 模型的最大简化就是忽略定子绕组的暂态，即令定子电压方程中的： 烈= p = 0 ( 2 - 6 ) 它解除了定子绕组磁链不发生突变的约束，也就忽略了维持定子磁链不突变 的非周期分量及相应的脉动力矩。这在研究转子的摇摆稳定问题中一般不会 引起很大的误差，可以把定子电压方程简化，方便计算。应当指出，这种简 化的前提是：在同步电力网络与同步电机接口时，只允许基波的正序分量进 入发电机定子绕组，从而变压器电动势l p 妙l 远小于速度电动势i 国y i 。实际电 力系统的暂态分析过程也是这样处理的；实用发电机模型的另一个假设是令 定子电压方程中的缈1 。从而使定子电压方程线性化。因为在发生电磁变化 时，虽然机械角速度彩也要发生变化，但是相对于电磁变化，机械变化的速 度就慢的多，此时将机械量看做是常量对研究电磁过程影响不大，简化了模 型；仅考虑正序分量对电磁暂态过程的影响；因为船舶发电机组无中线，故 忽略零轴磁链电压方程。 经过上述的简化，实用发电机模型的电磁关系如下： 、警d = 一x d i d - b x l l i f + x 硼l d 协1 曲 甲。= 一五+ 矗乇 ( 2 7 b ) 、警f = 一x 口d i d + x f i f + x f d i d 悟1 0 、警d = 一x 础i d + x 阱l f + x d i d 悟1 飞q = 一x d q i q + x o i o m 1 茴 哈尔溟_ t 程大学硕士学位论文 = 一码一甲。 ( 2 8 a ) = 一心一甲d ( 2 8 b ) u f = 一碑f 七r f l f 她8 c ) 0 = p 甲d4 - 如易 ( 2 8 d ) 0 = p 4 - 乇 ( 2 8 e ) 上述实用的派克方程中，有一些参数和变量在实际工程中并不常用，为 了便于理解和应用，常用一些实用变量取代，例如将磁动势转换为电动势。 为了消去转子的励磁绕组变量，u ，y ，引入了定子侧的3 个等效实用变 且 里o l 、定子励磁电动势e ， r 厂 量= l 等 ( 2 9 ) 1 y 2 、电机( g 轴) 空载电动势乞( 又称“髟后面的电动势 ) 乞= l j r ( 2 1 0 ) 3 、电机g 轴瞬变电动势e ( 又称“髟后面的电动势 ) 以后用b 、毛、乓代替。 稳黼由于专 ( 下标0 表示稳态) ，故： e 佃= 乞o ( 2 1 2 ) 另外，由派克方程可知，稳态时： u q a = e 斡一x d i d o r ，i 口q 广1 3 1 从而得到： 母o = 乞o = o + 髟+ 咒厶 ( 2 一1 4 ) 据此可由稳态时的电量计算e r 。和易。，同时可由上式理解将乞称为电机( q 轴) 空载电动势乞( 又称“艺后面的电动势”) 的物理背景。 电机g 轴瞬变电动势e 与厂绕组磁链成正比，由于暂