吳振宇，李小謙

（1.海軍駐武漢四三八廠軍事代表室，湖北 武漢430064；2.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢430064）

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帶回饋制動(dòng)負(fù)載的同步發(fā)電機(jī)整流系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性研究

吳振宇1，李小謙2

（1.海軍駐武漢四三八廠軍事代表室，湖北 武漢430064；2.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢430064）

摘要：研究了帶回饋制動(dòng)負(fù)載的同步發(fā)電機(jī)整流系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定的機(jī)理，提出了基于轉(zhuǎn)速微分控制和回饋能量泄放電路的解決方案，并通過(guò)matlab仿真驗(yàn)證了采用該方案的合理性和有效性。

關(guān)鍵詞：同步發(fā)電機(jī)整流系統(tǒng)；穩(wěn)定性；回饋制動(dòng)

交直流混和供電艦船的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特殊、運(yùn)行控制復(fù)雜，交直流混合電網(wǎng)圖如圖1所示，QF1～QF6為開關(guān)，G1為汽輪發(fā)電機(jī)，G2為十二相整流發(fā)電機(jī)，GB為蓄電池組，MG1為變流機(jī)組同步電機(jī)，MG2為變流機(jī)組直流電機(jī)，AM為交流配電板，AD為直流配電板，M1為交流電機(jī)負(fù)載。

圖1　交直流混合電網(wǎng)圖

在應(yīng)急供電模式下，整流發(fā)電機(jī)發(fā)出直流電給變流機(jī)組直流機(jī)供電，變流機(jī)組同步電機(jī)再發(fā)出交流電給交流電網(wǎng)供電，蓄電池組起到直流電網(wǎng)穩(wěn)定器的作用。但是，在蓄電池組損壞的情況下，十二相整流發(fā)電機(jī)與變流機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象：在變流機(jī)組交流側(cè)投入負(fù)載時(shí)大約不到1 s，變流機(jī)組出現(xiàn)欠壓失磁跳閘故障。因此，研究直流電網(wǎng)不穩(wěn)定的機(jī)理，解決并聯(lián)運(yùn)行的穩(wěn)定性，對(duì)保障艦船安全和主動(dòng)力裝置安全具有重大意義。

本文通過(guò)對(duì)帶回饋制動(dòng)負(fù)載的同步發(fā)電機(jī)整流系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定機(jī)理的研究，提出了基于轉(zhuǎn)速微分控制和回饋能量泄放電路的解決方案，保證了帶回饋制動(dòng)負(fù)載的同步電機(jī)整流發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1　十二相整流發(fā)電機(jī)充電模型

十二相整流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)具有直流電壓脈動(dòng)小、不受換向限制、可靠性高、維護(hù)方便等突出優(yōu)點(diǎn)，十二相整流發(fā)電機(jī)在需要較高直流供電品質(zhì)的場(chǎng)所得到廣泛應(yīng)用。

十二相整流發(fā)電機(jī)恒壓發(fā)電原理框圖如圖2所示，反饋電壓取自整流發(fā)電機(jī)的整流側(cè)，而不是取自整流發(fā)電機(jī)的交流側(cè)，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是容易滿足直流側(cè)端口電壓的控制精度。但是，當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出電壓小于端口的負(fù)載反饋電壓時(shí)，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器不斷的減小勵(lì)磁電流，企圖將輸出直流電壓拉低。當(dāng)負(fù)載感生電勢(shì)大于整流電壓時(shí)，整流二級(jí)管阻斷能量回饋，整流側(cè)直流電壓被感生電勢(shì)鉗位，故障表現(xiàn)為發(fā)電機(jī)整流電壓會(huì)降低到剩磁電壓。

圖2　十二相整流發(fā)電機(jī)恒壓發(fā)電原理框圖

2　并勵(lì)直流電機(jī)的恒頻PI控制

變流機(jī)組在交流發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，直流電機(jī)作為直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定交流電網(wǎng)頻率。變流機(jī)組要求直流電源電壓在175～320 V范圍變化、負(fù)載在0%～100%額定負(fù)載范圍內(nèi)變化，直流電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)保證交流電壓頻率變化在±2%以內(nèi)。并勵(lì)直流電機(jī)的勵(lì)磁回路如圖3所示，主勵(lì)磁繞組電流基本固定不動(dòng)，控制加磁和減磁繞組的勵(lì)磁電流實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

圖3　并勵(lì)直流電機(jī)的勵(lì)磁回路

圖4所示為仿真波形。電機(jī)采用電樞回路串電阻起動(dòng)，在5 s切除起動(dòng)電阻，10 s投入PI調(diào)節(jié)器，20 s起動(dòng)500 A負(fù)載，35 s切除500 A負(fù)載。仿真波形顯示，在PI調(diào)節(jié)器投入和切除負(fù)載時(shí)，電機(jī)向蓄電池回饋能量制動(dòng)。

圖4　與蓄電池連接的并勵(lì)直流電機(jī)仿真波形

3　引入轉(zhuǎn)速微分和回饋能量泄放回路

并勵(lì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速PI控制必然會(huì)帶來(lái)轉(zhuǎn)速超調(diào)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速控制器試圖通過(guò)加磁來(lái)使轉(zhuǎn)速降低，使得電機(jī)處于回饋制動(dòng)的發(fā)電狀態(tài)。

圖5所示為基于MATLAB的并勵(lì)直流電機(jī)勵(lì)磁控制仿真原理圖。

圖5　并勵(lì)直流電機(jī)仿真原理圖

圖5中的電源由整流發(fā)電機(jī)模型替代，仿真波形見圖6.在并勵(lì)電機(jī)啟動(dòng)后PI控制器投入、加載、卸載，均會(huì)引起直流母線電壓的大幅波動(dòng)。在起動(dòng)500 A負(fù)載后，直流母線電壓最低跌落到110 V，將導(dǎo)致并勵(lì)電機(jī)欠壓失磁跳閘。

圖6　與十二相整流發(fā)電機(jī)連接的并勵(lì)直流電機(jī)仿真波形

當(dāng)并勵(lì)電機(jī)感生電勢(shì)高于整流發(fā)電機(jī)整流側(cè)電壓時(shí)，整流發(fā)電機(jī)的輸出電壓急劇減小，整流二極管斷流，并勵(lì)直流電機(jī)處于自然減速狀態(tài)，當(dāng)轉(zhuǎn)速降低到額定轉(zhuǎn)速下，PI控制器又試圖通過(guò)減小勵(lì)磁來(lái)使電機(jī)轉(zhuǎn)速上升，直流母線電壓急劇減小，系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定的狀態(tài)。

PI調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)是容易輸出超調(diào)，將導(dǎo)致轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過(guò)程中勵(lì)磁電流大幅波動(dòng)；同時(shí)，并勵(lì)電機(jī)的勵(lì)磁電壓取自直流母線，當(dāng)沒有蓄電池鉗位電壓時(shí)，勵(lì)磁電流與母線電壓形成正反饋，調(diào)節(jié)過(guò)程極易失控。

通過(guò)引入轉(zhuǎn)速微分反饋，使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器提前退飽和，抑制轉(zhuǎn)速超調(diào)［1］，抑制并勵(lì)直流電機(jī)勵(lì)磁電流的劇烈變化；直流母線并接1.2Ω泄能電阻（或1.2Ω以下），吸收回饋能量，使整流二極管不斷流，整流發(fā)電機(jī)整流側(cè)電壓無(wú)大幅波動(dòng)。基于上述方案的仿真波形如圖7所示：在負(fù)載起動(dòng)和卸載的暫態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程中，并勵(lì)電機(jī)勵(lì)磁電流和直流母線電壓無(wú)大幅波動(dòng)，證明采用上述方案能保證帶并勵(lì)直流電機(jī)的整流發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

（續(xù)下圖）

圖7　引入轉(zhuǎn)速微分和回饋能量泄放回路的仿真波形

4　結(jié)束語(yǔ)

本文研究了整流發(fā)電機(jī)與直流并勵(lì)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的不穩(wěn)定機(jī)理，提出了一種解決穩(wěn)定性方案，通過(guò)仿真驗(yàn)證直流電網(wǎng)的穩(wěn)定性。該方案對(duì)于在正常電網(wǎng)和蓄電池?fù)p壞的故障疊加狀態(tài)下，保障艦船安全和主動(dòng)力裝置安全具有重大意義。

參考文獻(xiàn)：

［1］陳伯時(shí)．電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)［M］．第二版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

Research on Stability of Synchronous Generator-Rectifier Systems With Regenerative Braking Load

WU Zhen-yu1，LI Xiao-qian2
（1.Naval Representative Office in No.438 Factory，Wuhan Hubei 430064，China；2.Wuhan Second Ship Design and Research Institute，WuhanHubei 430064，China）

Abstract：This paper research on instability of synchronous generator-rectifier systems with regenerative braking load.To improve the system's stability，a method，which uses speed differential controlling and the absorption circuit to leak regenerative braking energy.By means of simulation on simulink platform，the feasibility and effectiveness of the proposed method are verified by simulation results.

Key words：synchronous generator-rectifier systems；stability；regenerative braking

中圖分類號(hào)：TM341

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-545X（2016）03-0032-03

收稿日期：2015-12-27

作者簡(jiǎn)介：吳振宇（1987-），男，湖北黃岡人，本科，助理工程師，主要從事艦艇電力電子控制工作；李小謙（1983-），男，湖北武漢人，本科，工程師，主要從事船舶電氣設(shè)計(jì)工作。