黃 河 馬 凡 付立軍 張向明 荊從凱

十二相整流發(fā)電機并聯(lián)供電系統(tǒng)直流中點環(huán)流特性及其抑制方法

黃 河 馬 凡 付立軍 張向明 荊從凱

（艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室（海軍工程大學） 武漢 430033）

十二相整流發(fā)電機是船舶中壓直流綜合電力系統(tǒng)的主要發(fā)電設備。將全船整流發(fā)電機輸出的正負極、直流中點分別并聯(lián)組網，向全船中壓用電設備提供三線制直流電能，可減輕中壓用電設備的絕緣和直流均壓控制壓力，但也增加了系統(tǒng)直流中點環(huán)流的風險。針對此問題，該文建立了等效電路模型，揭示了多臺整流發(fā)電機并聯(lián)時直流中點環(huán)流產生的機理與頻率特征，提出了可有效抑制直流中點環(huán)流的接地電阻設計原則，時域仿真和物理試驗驗證了該理論分析結果的正確性。

中壓直流綜合電力系統(tǒng) 十二相整流發(fā)電機 直流中點 高阻接地 環(huán)流抑制

0 引言

為滿足多種實際工況需求，艦船中壓直流綜合電力系統(tǒng)通常采用多臺十二相整流發(fā)電機并聯(lián)組網方案[1]。利用十二相整流發(fā)電機不受系統(tǒng)頻率限制的特點，通過發(fā)電機勵磁控制和原動機調速控制共同調節(jié)發(fā)電機組輸出有功功率，系統(tǒng)地解決功率等級及調速特性差異極大的發(fā)電機組并聯(lián)組網控制與功率均分難題[2-3]。

環(huán)流相關機理分析及抑制方法研究常見于多組整流器、逆變器等裝置并聯(lián)系統(tǒng)[4-8]，以解決功率不均、開關損耗過大等影響系統(tǒng)安全運行的問題。多臺十二相整流發(fā)電機組直流側并聯(lián)輸出時，由于整流橋二極管的單向導通特性，使得這些發(fā)電機組正負極之間不會出現(xiàn)環(huán)流[9]。但為了降低絕緣水平、有效減免三電平推進變頻器等中壓用電設備直流側均壓控制環(huán)節(jié)[10-12]，中壓直流綜合電力系統(tǒng)將所有十二相整流發(fā)電機的直流中點引出且并聯(lián)組網。因不同發(fā)電機內部參數(shù)和連接線纜參數(shù)的差異性，不同機組直流側輸出存在一定電勢差，若機組直流中點直接連接，存在直流中點環(huán)流的風險。目前國內外暫無相關文獻對該問題進行報道或研究。

為此，本文首先介紹了雙機并聯(lián)發(fā)電系統(tǒng)的拓撲結構及其運行原理，闡明機組并聯(lián)時直流側中點接地及連接方式的特點；分析了直流中點環(huán)流的產生機理及主要諧波特征，提出了機組直流中點并聯(lián)引出點前串聯(lián)接入等值電阻的環(huán)流抑制方法，并通過時域仿真和物理試驗驗證了理論分析的正確性。

1 中壓整流發(fā)電機并聯(lián)供電系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結構拓撲

十二相整流發(fā)電機并聯(lián)供電系統(tǒng)原理圖如圖1所示，主要包括容量不同的兩臺整流發(fā)電機及其原動機、勵磁控制系統(tǒng)。其中，整流發(fā)電機主要由十二相同步發(fā)電機、二十四脈波不控整流器及勵磁控制系統(tǒng)組成。

圖1 十二相整流發(fā)電機并聯(lián)供電系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)基本工作原理[3,9]：調速器采樣原動機轉速，并閉環(huán)控制原動機拖動十二相整流發(fā)電機至工作轉速，同步發(fā)電機發(fā)出的交流電經二十四脈波不控整流器轉換為直流電后并聯(lián)接入電網。不同發(fā)電機的勵磁控制系統(tǒng)通過分別調節(jié)各自勵磁機勵磁電流，實現(xiàn)機組調壓、穩(wěn)定并聯(lián)及輸出功率均分。

1.2 中壓主網直流中點接地及并聯(lián)連接方式

如圖1所示，直流中點引出的中壓直流綜合電力系統(tǒng)中性點采用交流側不接地、直流側高值電阻接地方式[13-14]。直流中點經電阻直接接地，可以降低設備及其連接電纜的絕緣使用要求，有效減少間歇性弧光過電壓及故障電流等危害，且便于接地故障電流的檢測[15-16]。

容量不同的兩臺發(fā)電機組構成的電站單元通常布置于同一艙室，如圖2所示。單臺發(fā)電機直流側通過獨立電阻就近接地，通過電纜直接將兩臺發(fā)電機的直流中點O1、O2短接構建出中點公共端O，作為負載中性點輸入。如忽略機組直流中點短接電纜阻抗影響，此時系統(tǒng)的接地電阻可等效為一套電阻'，且'=/2。若臺機組并聯(lián)，則系統(tǒng)接地電阻等效為'=/。

圖2 雙機并聯(lián)供電系統(tǒng)直流中點接地拓撲

2 直流中點環(huán)流的機理與特性分析

2.1 直流中點環(huán)流產生機理分析

中點引出的中壓直流電力系統(tǒng)中多臺整流發(fā)電機組并聯(lián)時，由于不同發(fā)電機內部參數(shù)與連接線纜參數(shù)存在差異，且不同機組整流橋的初始相位不完全一致，因此整流橋直流輸出存在壓差。以雙機并聯(lián)系統(tǒng)為例，如圖3所示，O1、O2分別為1號、2號發(fā)電機直流側中點輸出端，o1、o2為兩臺發(fā)電機直流中點到公共端的連接線纜等效阻抗，o1、o2為各整流發(fā)電機直流中點對地電壓，o為直流中點公共端對地電壓，若o1＜o2時，1號、2號發(fā)電機直流中點O1、O2之間形成環(huán)流o2o1，電流流向為O2→O1；若o1＞o2時，1號、2號發(fā)電機直流中點O1、O2之間形成環(huán)流o1o2，電流流向為O1→O2。

圖3 雙機并聯(lián)供電系統(tǒng)直流中點環(huán)流示意圖

圖4為1號、2號整流發(fā)電機組并聯(lián)帶載運行時直流中點環(huán)流回路示意。其中，P1、N1分別為1號發(fā)電機組直流側正極和負極的輸出端，p1、n1分別為1號發(fā)電機組直流側正、負極輸出連接線纜的等效阻抗，p1、n1分別為1號發(fā)電機組正、負極輸出電流；P2、N2分別為2號發(fā)電機組直流側正極和負極的輸出端，p2、n2分別為2號發(fā)電機組直流側正、負極輸出端連接線纜的等效阻抗，p2、n2分別為2號發(fā)電機組正、負極輸出電流。

圖4 雙機并聯(lián)帶載時直流中點環(huán)流回路示意圖

若1號發(fā)電機組直流中點O1的對地電壓o1大于2號發(fā)電機組直流中點O2的對地電壓o2時，則1號發(fā)電機組的負極N1、2號發(fā)電機組的正極P2、兩機組的直流中點O1、O2以及各點之間連接線纜形成環(huán)流回路o1o2（P2→負載→N1→O1→O2→P2），且滿足o1o2=n1-p1=p2-n2；若1號發(fā)電機組直流中點O1對地電壓o1小于2號發(fā)電機組直流中點對地電壓o2時，則1號發(fā)電機組的正極P1、2號發(fā)電機組的負極N2、兩機組的直流中點O1、O2以及各點連接線纜之間形成環(huán)流回路o2o1（P1→負載→ N2→O2→O1→P1），且滿足o2o1=p1-n1=n2-p2。

2.2 雙機并聯(lián)系統(tǒng)環(huán)流特性分析

十二相整流發(fā)電機可等效為四個三相理想電壓源供電的二十四脈波不控整流器[13-14]。以兩并兩串（先并后串）結構的十二相整流發(fā)電機組為例，由于系統(tǒng)直流中點通過接地電阻流入大地的電流值較小，基本忽略不計。因此，可將并聯(lián)帶載運行系統(tǒng)電路進行簡化等效，如圖5所示，dt11～dt14為1號整流發(fā)電機組四組整流橋直流側的輸出電壓；dt21～dt24為2號整流發(fā)電機組四組整流橋直流側輸出電壓；L、L分別為負載支路的等效電感和電阻。

圖5 雙機并聯(lián)帶載等效電路

若發(fā)電機組交流側第1套等效電源的初始相位為0i（為機組編號，且=1, 2），則其他三套等效電源初始相位依次為0i+π/6、0i+π/12和0i+π/4，且1號、2號機組交流側初始相位差為。設0i=0，則1號機組的交流側等效電源A相繞組相電壓表達式為：a11=m1sin(1)、a12=m1sin(1π6)、a13=m1sin(1π12)、a14=m1sin(1π4)，2號機組交流側第1套等效電源A相繞組相電壓表達式為：a21=m2sin（2+），B相、C相繞組電壓與A相電壓相位依次相差2π3、4π3。其中，m1、m2為電壓幅值。若1號、2號機組交流側頻率分別用1、2表示，則滿足12π1，22π2，1≤2。

單個三相橋式不控整流器輸出6脈波直流，以1號發(fā)電機組為例，三相橋式不控整流器輸出直流電壓波形如圖6所示，整流器11在1個脈波周期π(31)內其直流輸出電壓的時域表達式[17]為

同理，整流器12在1個脈波周期π(31)內直流輸出電壓的時域表達式為

由于整流器11、12并聯(lián)時直流側輸出電壓值取決于單個整流器電壓的最大值，則單個脈波周期π(61)的直流側電壓時域表達式為

同理，可得一個時域周期內on1、po2和on2的時域表達式為

由式（3）～式（6）可知1.5m1≤po1(po2)≤1.732m1，1.5m2≤on1(on2)≤1.732m2，整流橋輸出電壓呈現(xiàn)脈動性。設2=1，=|π(6)-|，為1號、2號發(fā)電機直流側輸出單極電壓在時域上的初始相位差。若π(6)-＞0時，同一時域坐標系下的兩型發(fā)電機組直流側輸出端口單極等效電壓波形如圖7所示。若π(6)-＜0，則圖7所示po2(on2)波形沿時間軸左移2角度。顯然，兩臺發(fā)電機的極間電壓變化不完全一致，即存在差異性。

圖7 兩型發(fā)電機組單極輸出等效電壓波形

對po1、po2進行傅里葉級數(shù)展開，其表達式為

令(2π)，則兩型電機的交流側頻率11(2π)，22(2π)。顯然po1、po2的主要諧波頻次為121、122的整數(shù)倍頻。同理可知on1、on2的主要諧波頻次也為121、122的整數(shù)倍頻。因此，在系統(tǒng)直流中點環(huán)流回路中，其電源po2+on1（或po1+on2）的主要諧波頻次為121及122的整數(shù)倍頻，最低階次為min(121、122)。系統(tǒng)正常運行時，其直流中點回路環(huán)流的諧波頻率特征應與電壓相同。

3 抑制直流中點環(huán)流的接地電阻設計原則

雙機并聯(lián)供電帶載系統(tǒng)中，由于勵磁控制系統(tǒng)對發(fā)電機端口電壓的精準調節(jié)，加載在負載兩端的電壓值基本保持不變，當負載阻抗特性確定時，系統(tǒng)功率輸出不受機組間直流中點環(huán)流影響。當負載功率一定時，系統(tǒng)直流中點環(huán)流值大小的主要影響因素為發(fā)電機組自身及其中性點連接線纜的分布阻感參數(shù)，因此，可通過增大機組直流中點之間的連接線路阻抗以抑制環(huán)流。

對于中性點引出的雙機并聯(lián)供電系統(tǒng)，設其系統(tǒng)等效接地電阻為2，根據(jù)圖2b拓撲，可在每臺發(fā)電機組直流中點串接電阻1，如圖8所示，機組直流中點經串接電阻再等效并聯(lián)接地。對地分布電容相同的情況下，當系統(tǒng)接地電阻越大時，系統(tǒng)阻尼越小，系統(tǒng)短路故障的失穩(wěn)可能性越大[13]。因此，1應選擇適中數(shù)值。

圖8 直流中點增加串接電阻示意

4 仿真與物理試驗驗證

4.1 系統(tǒng)參數(shù)

為更好地驗證中壓直流綜合電力系統(tǒng)機組并聯(lián)時直流中點環(huán)流頻率特征分析及其抑制方法的有效性，根據(jù)圖5系統(tǒng)結構，基于Matlab/Simulink軟件環(huán)境建立系統(tǒng)等效仿真模型，構建了物理試驗系統(tǒng)，系統(tǒng)接地拓撲同圖2b，系統(tǒng)接地電阻阻值400Ω。其中，線路分布參數(shù)值p1=n1=10.5μH、p1=n1=3.05mΩ，p2=n2=17.2μH、p2=n2=8.75mΩ，o=21.96μH、o=87.3mΩ。系統(tǒng)直流側額定電壓為5kV，額定容量4MW，以系統(tǒng)直流側額定電壓、直流額定電流和額定容量為基準值進行標幺化，各設備主要參數(shù)見表1。

表1 系統(tǒng)設備主要參數(shù)

Tab.1 Major parameters of system

4.2 試驗驗證

圖9、圖10分別為雙機并網帶載穩(wěn)態(tài)運行時1號、2號發(fā)電機組直流中點環(huán)流電流波形，環(huán)流峰值約為50A。顯然，無論是仿真還是物理試驗波形，兩臺機組中性點電流波形幅值相仿、相位相反。

圖9 1號發(fā)電機組直流中點電流波形

對1號、2號發(fā)電機組直流中點環(huán)流進行頻譜分析，如圖11所示，其結果顯示，環(huán)流的主要成分為12（=50Hz）的整數(shù)倍頻高次諧波，即頻率特征的理論分析與仿真及物理試驗結果一致，且各頻次諧波含量幅值較為接近。

圖11 雙機并聯(lián)時系統(tǒng)中性點電流諧波含量

根據(jù)圖8所示結構拓撲，將兩臺發(fā)電機直流中點輸出連接線路上各增加等值電阻200Ω，接地電阻降至200Ω。如圖12、圖13所示，此時系統(tǒng)直流中點環(huán)流峰值降至約0.15A。

圖12 增加等值電阻后1號機組直流中點電流波形

圖13 增加等值電阻后2號機組直流中點電流波形

對比仿真結果與物理試驗，其波形結果略有差異，主要原因為仿真模型中忽略了機組功率均分控制時的電壓動態(tài)調節(jié)過程，以及發(fā)電機交流側及電纜連接等部位的寄生電阻、電感分布參數(shù)等影響。

5 結論

本文根據(jù)中性點引出的中壓直流綜合電力系統(tǒng)雙機并網系統(tǒng)結構特點，分析中性點環(huán)流現(xiàn)象產生機理及主要諧波電流頻率特征，并根據(jù)影響環(huán)流值的因素，提出了系統(tǒng)直流中點經等值電阻連接后再引出的接地電阻設計原則，經過模型仿真及物理試驗驗證，該設計原則可有效降低環(huán)流值，利于系統(tǒng)安全運行及接地故障檢測診斷。文中方法和結論可適用于其他形式的多脈波不控整流電源供電系統(tǒng)的環(huán)流諧波分析和抑制研究。

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DC Neutral Point Circulating Current Characteristics and Suppression Method of Twelve-Phase Rectifier Generator Parallel Power Supply System

Huang He Ma Fan Fu Lijun Zhang Xiangming Jin Congkai

（National Key Laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System Naval University of Engineering Wuhan 430033 China）

Twelve-phase rectifier generator is the main power generation equipment of marine medium voltage DC integrated power system. By paralleling the positive poles, negative poles and DC neutral points of the rectifier generators, three-wire DC power is provided to the medium voltage electrical equipment in the whole ship, which can reduce the insulation and DC voltage sharing control pressure of medium voltage electrical equipment, but the risk of DC neutral point circulating current in the system is increased. In order to solve the problem, this paper established an equivalent circuit model, revealed the mechanism and frequency characteristics of DC neutral point circulating current of multiple rectifier generators in parallel, a design principle of grounding resistance was proposed, which can effectively restrain DC neutral point circulating current. Time-domain simulation and physical experiment demonstrate the correctness of mechanical analysis results.

Medium voltage DC integrated power system, twelve-phase rectifier generator, DC neutral point, high resistance grounding, circulation suppression

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210312

TM732

黃 河 男，1989年生，博士，研究方向為電力系統(tǒng)安全運行。E-mail：huanghe_5212@163.com

馬 凡 男，1984年生，研究員，博士生導師，研究方向為艦船綜合電力系統(tǒng)的建模與仿真、保護與穩(wěn)定性。E-mail：mafan0803@163.com（通信作者）

2021-03-11

2021-06-24

國家自然科學基金（51877211）和國家安全重大基礎研究（國防973，613294）資助項目。

（編輯 赫蕾）