教学实习船电力系统建模与仿真

　第42卷第2期　2008年2月

上海交通大学学报

J

OURNALOFSHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITY

Vol.42No.2　

Feb.2008　

　　文章编号:100622467(2008)0220190204

教学实习船电力系统建模与仿真

李东辉1,2,　张均东1,　何治斌1

(1.大连海事大学轮机工程学院,大连116026;2.大连交通大学电气信息学院,大连116028)

摘　要:为了提高教学实习船电力系统仿真器的动态仿真精度,考虑同步发电机的定子暂态和转

速变化,改进同步发电机的数学模型,建立了包括柴油机、自动调压器、态负荷的教学实习船的电力系统动态模型.基于Matlab的,对电力系统的动态性能进行仿真研究.是正确和可靠的,关键词:船舶;电力系统;;中图分类号:TP391.:andSimulationofthePowerSystem

onPracticeTeachingShip

LIDong2hui

1,2

,　ZHANGJun2dong,　HEZhi2bin

11

(1.MarineEngineeringCollege,DalianMaritimeUniversity,Dalian116026,China;2.SchoolElectricityandInformationEngineering,DalianJiaotongUniversity,Dalian116028,China)Abstract:Mathematicmodelofsynchronousgeneratorwasamendedtoconsidertransientthestateofstatorandthespeedofrotor,sothatthedynamicsimulationprecisionofthepowersystemsimulatoronpracticeteachingshipwasenhanced.Adynamicmodelforthepowersysteminpracticeteachingshipwaspresentedandthemodelincludesdieselengine,automaticvoltageregulator(AVR),synchronousgenerator,speedregulatoranddynamicloads.ItisbasedonthesimulinkoftheMatlab.Accordingtothedatafromthetugboat,thedynamiccharacteristicsofthepowersystemweresimulatedandstudied.Contrastingthepracticalgraphsofthepowersystemwiththesimulatedones,itisprovedthatthedynamicsystemmodelandsimulationarecorrectandreliable,andthemodelhasbeenusedtosimulatethepowersystemonthepracticeteachingship.

Keywords:ship;powersystem;dynamicmodel;simulation;synchronousgenerator

　　随着远洋运输事业的快速发展,船舶电力系统的单机和电站容量不断增大,船舶供配电系统控制与管理的复杂程度和自动化程度越来越高,进行大型船舶电力系统的分析与研究具有重要的意义.

收稿日期:2007208224

基金项目:高等学校博士学科点专项科研基金(20030151005)资助项目

船舶电力系统是独立电力系统,其核心是柴油发电机组,系统负荷的种类比较多,动态变化范围比较大,系统的动态过程变化复杂.其动态特性主要取决于柴油发电机组与负荷的共同作用[123].

作者简介:李东辉(19702),男,陕西人,博士生,讲师.研究方向为船舶电力系统建模与仿真.张均东(联系人),男,教授,博士生导师,

电话(Tel.):0411284726338;E2mail:zhjundong@http://doc.guandang.net.

　第2期

李东辉,等:教学实习船电力系统建模与仿真

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目前,很多文献在无限大电网的研究基础上,普遍采用了同步发电机的降阶简化模型,常常忽略了定子暂态和转速变化,虽然方便了对大容量的陆地电力系统的稳态分析,但在突加和突卸负荷时引起一定的计算误差[4,5].对于船舶电站这种独立电力系统,在突加和突卸负荷时引起的计算误差更大,采用降阶简化模型的动态仿真已经不能反映电力系统的实际运行状况.本文针对这一问题,采用新的同步发电机7阶模型,结合柴油机、负荷等模型进行建模与仿真研究.在大连黑嘴子码头,对某拖轮的64kW发电机组,在启动、加卸载、停机各工况下测试实际电压、负荷电流和频率变化波形.对比验证波形,发现仿真波形与实际波形相当吻合,结果令人满意.

图2　柴油机及调速器模型

Fig.2　Modelofdieselandgovernor

1.3　同步发电机模型

1.3.　[(),,发

1　电力系统的动态仿真模型

1.1　.

()3个绕组的位置在空间上相差120°电角度,3个绕组在结构上完全相同.它们均在气隙中产生正弦形分布的磁动势.

(3)发电机磁铁部分的磁导率为常数,即忽略磁滞、磁饱和的影响,也不考虑涡流及集肤作用等的影响.

(4)定子及转子的槽及通风沟等不影响发电机定子及转子的电感,即认为发电机的定子及转子具有光滑的表面.

同步发电机基本方程的推导即基于上述理想发电机的假定.当要考虑定子暂态、转速变化等因素影响时,则要对基本方程作相应的修正[7,8].1.3.2　新的同步发电机7阶数学模型:=+

τdt″q0(Xe+X″q)

ω(Xe+X″q

=+

τdt″d0(Xe+X″d)

ω(Xe+X″dτ　=uf-e′e″d0q+q

dtX′X′d-X″dd-X″dτ　=-e″′d0q+eq-(X′d-X″d)id

dt

τ　=-e″q0d+(Xq-X″q)iq

dtτ　=Tm-[e″″Jqiq+edid-(X″d-X″q)iqid]-dt

μ(ω-1)=ω-1dt

.其中,励;调速器则按照转矩与转速的变化规律调节柴油机喷油量来保证柴油机转速恒定,最终使发电机的电压频率稳定

.

图1　船舶电力系统总体模型

Fig.1　Overallmodelofpowersysteminship

1.2　柴油机及调速器模型

柴油机是驱动发电机运转的原动机,本文中柴油机与其油门执行器的组合采用二阶环节进行建

模,模型由连续系统模块集进行建模,系统模型如图2所示.图中,参考转速与柴油机实际转速比较后送入主控制器,与放大单元构成了比例微分加二阶惯性环节的控制单元,通过调节柴油机油门执行器起到转速调节作用.柴油机输出转速通过积分单元转换为转矩,该转矩通过机组延时后再与乘法器的转速信号相乘得到机械功率信号,发电机在该机械功率的驱动下发出电磁功率.该调节系统对发电机被控对象的控制形成转速闭环负反馈,最终起到PID调节作用

.

291

上　海　交　通　大　学　

学　报

1.5　负荷模型

第42卷　

式中:e″e″q轴次暂态电势;e′d、q分别为d、q为q轴暂

态电势;iq和id分别为定子电流的q、d轴分量;ω为同步发电机的电角速度;δ为发电机转子q轴与以同步速度旋转的系统参考轴之间的电角度;X″X″d、q分别为d、q轴次暂态电抗;X′X′q轴暂d、q分别为d、

τ态电抗;τ″″q轴开路次暂态时间常数;d0、q0分别为d、

ττ′d0为d轴开路暂态时间常数;J为发电机组的惯性时间常数;Ra为定子绕组的电阻;Tm为柴油机的转矩;μ为发电机转子的风阻系数;uf为发电机的励磁电压;Re、Xe分别为负荷模型的电阻和电抗.e″e″d、q、

ω和δ为7个状态变量.式中发电机参数可e′iq、id、q、

以通过试验进行参数识别.考虑上述数学模型,基于Matlab中的Simulink组件,搭建如图3所示的发电

根据动态特性,负荷总体上分为三大类:感应电动机负荷、静负荷和无功功率补偿负荷.船舶电力系统是一个独立的电力系统,负荷变化对电力系统的稳定影响很大[11,12].从发电机输出端向外等效的原理出发,本文根据负荷的特性、有功功率和功率因数将船上的负荷模拟为三类等值阻抗函数.负荷模型的电阻和电抗变量包含在发电机的数学模型中.

2　仿真与实测的对比分析

2.1　突加、图5

、

.

机仿真模块

.

图3　基于simulink构成的发电机仿真模块

Fig.3　Simulationmodelofgeneratorbasedonsimulink

1.4　励磁系统模型

本文的励磁系统模型方框图如图4所示.模型

由Simulink组件中的连续系统模块集进行建 …… 此处隐藏：5286字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……