第9卷第6期 2014年12月 中国舰船研究 V0l_9 NO.6 Dec。2014 Chinese Jouma1 of Ship Research 网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/doi/10.3969 ̄.issn.1673—3185.2014.06.018.html 期刊网址:WWW.ship—research.eom 引用格式:喻浩,彭凌,刘自程,等.异型同步发电机并联运行控制策略数值仿真[J].中国舰船研究,2014,9(6):104—109. YU Hao,PENG Ling,LIU Zicheng,et a1.Numerical simulation of the controlling strategy of different synchronous generators duringparallel operation[J].Chinese Journal of ShipResearch,2014,9(6):104—109. 异型同步发电机并联运行控制策略数值仿真 喻浩 ,彭凌 ,刘自程 ,鹿婷 1海军装备部驻上海地区军事代表局,上海200120 2中国舰船研究设计中心,湖北武汉430064 3清华大学电机工程与应用电子技术系,北京100084 摘要:异型同步发电机的并联稳定运行是船舶电力系统发展中遇到的新问题。研究同步发电机投入并联运 行的条件,并以此为基础设计并联运行的控制策略,然后利用调速器下垂的特性实现同步发电机间的有功功率 分配,利用自动调压装置下垂的特性实现同步发电机间的无功功率分配。最后,在MATLAB/Simulink中建立异 型同步发电机并联运行的仿真模型,并对并联控制策略进行验证。仿真结果表明:在发电机的并车过程中,冲 击电流得到了有效控制;在并联运行中,发电机的有功功率和无功功率实现了预期的合理分配。 关键词:同步发电机;并联运行;下垂特性;仿真 中图分类号:U665.1 文献标志码:A DOI:10.3969/j.issn.1673—3185.2014.06.018 Numerical Simulation of the Controlling Strategy of Different Synchronous Generators During Parallel Operation YU Hao ,PENG Linf,LIU Zichenf,LU Ting。 1 Shanghai Military Representative department,Naval Armament Department of PLAN, Shanghai 200120,China 2 China Ship Development and Design Center,Wuhan 430064,China 3 Department of Electrical Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China Abstract:The parallel operation of different synchronous generators is of vital importance to the ma— rine electric power system.This paper analyzes the physical conditions required for the stable parallel operation of different synchronous generators.Based on those physical conditions,the controlling strat— egy for the synchronization process and stable operation is proposed.The droop characteristics of speed regulators and automatic voltage regulators are used to distribute active and reactive load among the two generators according to their rated power respectively.Then,based on the detailed mathemati— cal model of synchronous generators,a simulation system of the two different synchronous generators in the mode of parallel operation and the corresponding digital control system is established with MAT— LAB/Simulink.Finally,the simulation results are presented and analyzed,which demonstrate the va— lidity of the proposed controlling strategy in forced synchronization of the two generators,as well as the distribution of active and reactive load among generators in a desired proportion during stable parallel operation. Key words:synchronous generator;parallel operation;droop characteristics;simulation 收稿日期:2014—04—26 网络出版时间:2014—11-25 17:26:00 基金项目:国家部委基金资助项目 作者简介:喻浩,男,1971年生,高级工程师。研究方向:船舶电气 彭凌(通信作者),男,1983年生,博士,工程师。研究方向:船舶电气与电力推进。E.mail:pengl@mails.thu.edu.cn 6 型同步发电机并联运 105 O 引 言 在船舶电力系统中,同步发电机的并联不但 可以提高整个系统的容量,而且还可以在一台发 电机有故障的情况下,通过提高其他发电机的发 电量来维持系统的正常供电。随着船舶电力系统 容量及同步发电机单机容量的不断增大,同步发 电机并联运行的经济性、稳定性及其可靠性就显 得尤为重要n 。 目前,已有一些关于同步发电机并联运行的 仿真研究,但都存在着一些局限性。Wu 和Liu 等 进行了同步发电机并联运行的相关仿真研 究,但都存在着同步发电机模型不够精确的问题; 李东辉等 介绍了同步发电机的并联过程,即并 车的实现,但没有阐述并联后2台发电机的协调 运行控制策略;周艳红等 虽然介绍了同步发电 机并联运行时实现功率分配的基本原理,但却没 有对具体实现的技术方案进行仿真和验证。本文 将主要针对不同原动机类型、不同容量的异型同 步发电机,详细分析其并车条件和并联运行的控 制策略及实现方法,并在MATLAB/Simulink中利 用较为精确的同步电机数学模型建立2台同步发 电机的并车控制系统、有功功率调节系统和无功 功率调节系统的仿真模型,进行并车过程及并联 运行的工况仿真。 1同步发电机的并车 要实现准同步并车,必须满足4个条件 :待 并机组相序一致、待并机组电压大小相等、待并机 组电压的初相位相同、待并机组的频率相同。 数字式准同步并车分为电压差检测、频率差 检测和相位差检测3个部分。 在电压差检测中,若两机组的有效值偏差在 10%以内,则电压差检测环节闭锁;否则,进行电 压的调整,直至满足闭锁条件。 在频率差检测中,若两机组的频率相差在 0.5 Hz以内,其间因不是相差太小以至于无法捕 捉同相位点,于是频率差检测环节闭锁;否则,进 行频率的调整,直至满足闭锁条件。 在以上2个检测条件均闭锁后,再进行相位 差检测,即两机组相对应的线电压实时值之差的 过零点(相位差为0的点)。考虑到从合闸指令发 出到合闸动作完成的延迟时间,应当在相位差 为0之前就提前发出合闸的指令 。 2并联运行同步发电机的有功功率 分配及频率调整 发电机输出的有功功率是由原动机的机械功 率转化而来,电力系统的有功功率变化会引起发 电机组转速的变化,从而使得电网频率发生变化。 发电机转速的调整由原动机的调速器实现, 发电机组的频率特性取决于调速器的特性。调速 器的功能,即调节发电机组的转速,z与发电机组 的输入功率尸(即原动机的输出功率)之间的关 系。为了维持机组的稳态运行,调速器的调速特 性一般都是有差且呈下垂状 ],如图1所示。 P P 图1 发电机调速器的下垂特性 Fig.1 Droop characteristic of speed regulator 并联运行的发电机组之间有功功率的分配与 2台发电机的频率功率特性(即调速器的调速特 性)有关,如图2所示。 j。 图2频率下垂特性与有功功率分配 Fig.2 Relation between droop characteristic and distribution of active power 在图2中,由于进入了并联运行,故2台发电 机输出的频率会被强制同步,若强制同步的频率 为 ,则特性曲线有稳定的交点 。,2台机组分 别承担有功功率P 和P ,并且P =P:。当有功 功率增加△P时,频率下降为 ,2台发电机分别 运行在 点和 :点,各自承担有功功率 ’和 P2。,且P ’≠P ’。因此,由于具有有差特性,并联 ! 垒 垦 研 9 运行的发电机能够根据负荷变化自动分配有 功功率。 随无功功率电流的变化规律,通常用Ua=f(IQ)的 曲线表示。电压调整特性又称为发电机无功功率 外特性,为了有利于并联运行的稳定进行,发电机 的调压特性曲线均应呈下垂特性,如图4所示。 可见,通过合理设定各机组调速器的调速特 性(下垂特性),就可以实现有功功率的合理分 配。对于异型发电机组,应按照各自的额定容量 来分配有功功率。在本文中,若期望2台发电机 按照其容量分配有功功率,即4:1,则可根据有差 特性进行如下推导: P1=一kl(_厂一 )+P。1 (1) P =一k2(产f0+尸。 (2) 若使P =4P ,则有 k =4k, (3) P。1=4P。: (4) 因此,通过2台机组有差特性的合理调整,即 可按要求实现有功功率的按要求分配。 以上所述为一次调频的过程。通过有差特性 进行的一次调频,其最终稳定点的频率往往不是 所期望的频率(如50 Hz),因此,还要进行二次 调频,以使发电机组的有功一频率静态特性平行 地上下移动,从而使最终平衡点的频率稳定在 50 Hz,如图3所示。图中,在平移后的静态特性 下(即点划线a’,b’),当达到平衡点时,2台机组 的有功功率并未改变,仍分别为P 和P ,但频率 却由 变为了 。 t P pt P2 图3下垂特性的平移 Fig.3 Vertical shitf of droop line 3并联运行同步发电机的无功功率 分配及电压调整 船舶用电设备多为感性负载, 负载电流会 对交流同步发电机产生去磁作用,且电流大小 和功率因数的变化都会引起发电机端电压的变 化,所以同步发电机必须使用自动调压器(Auto. matic Voltage Regulator,AVR)来调整发电机的 端电压 。 同步发电机电压调整特性是指发电机端电压 图4发电机自动调压器的下垂特性 Fig.4 Droop characteristic of AVR 图5所示为2台并联运行发电机的无功电流 分配情况。无功功率增大前,并联机组分别工作 于 点和 点,承担的无功电流分别为 o 和 』o 。无功功率增大后,两机组的工作点会沿外特 性曲线移动,直至所提供的无功功率总和与需求 相平衡(图中的 :和B 工作点),此时,2台机组 承担的无功电流分别为 和,o 。 己,G 图5 电压下垂特性与无功功率分配 Fig.5 Relation between droop characteristic and distribution of reactive power 因此,通过调整AVR的控制,合理设定各机 组的外特性,就可以实现无功功率的合理分配。 同理,对于异型发电机组,应按照各自的额定容量 来分配无功功率。 4 Simulink仿真模型的建立 设1号同步发电机的额定功率P =20 Mw, 额定电压 =6 300 V,其原动机类型为燃气轮 机;2号同步发电机的额定功率P =5 Mw,额定 电压 2=6 300 V,其原动机类型为柴油机。 分别根据燃气轮机和柴油机的数学模型建立 数字仿真模型,以模拟因不同类型原动机的转动 惯量差较大所带来的转速调节特性方面的差异。 6 异型同步发电机并联运行控制策略数值仿真 109 确的同步发电机及原动机调速器数学模型,在 MATLAB/Simulink中建立了2台异型同步发电机 模与仿真[J].大连海事大学学报,2011,37(4): 51-54. 并联运行的仿真模型,对并联控制方案进行了验 证,实现了有功和无功负荷的按比例合理分配,验 证了所提出控制策略的正确性。 参考文献: [1] 薛士龙.船舶电力系统及其自动控制[M].北京:电子 工业出版社,2012. 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