带逆变负载的柴油机组稳定性分析及性能测试

黄 欣,赵锦成,解 璞

（军械工程学院电力工程教研室，河北 石家庄 050003）

带逆变负载的柴油机组稳定性分析及性能测试

黄 欣,赵锦成,解 璞

（军械工程学院电力工程教研室，河北 石家庄 050003）

柴油机组加载电力电子非线性负载时会发生低频振荡现象导致输出波形畸变失真。为确定系统稳定性条件，将逆变负载作为研究对象，结合同步发电机-整流器系统分析基础，建立柴油机组逆变负载等效电路模型，对该系统稳定性条件做出假设，并通过实验验证假设的正确性，对该系统的性能进行测试，同时指出存在的问题和不足。

柴油机组；逆变器；等效模型；稳定性

0 引 言

随着电力电子技术的发展，非线性负载种类增多，柴油机组带载能力的分析和提高成了现今面临的问题。当运行参数不匹配时，整个系统可能发生低频振荡现象，因此，分析影响系统运行稳定性的因素十分必要。

海军工程大学电气工程系针对同步发电机-整流器系统做出了深入的研究，文献[1-2]揭示了系统稳定性运行机理，给出了稳定条件，同时更加深入分析了同步发电机-整流器系统带交流负载和反电动势负载时的稳定性，对分析理论进一步推广。北京航空航天大学郭宏、清华大学王荀和王善铭等人也都对该系统的数学模型、解析计算方法以及稳定性做了分析[3-4]。

本文以逆变负载为研究对象，推导了系统等效电路模型，分析逆变负载内在构造，提出了该系统稳定性假设，并通过实验验证了假设的正确性。

1 柴油机组逆变负载等效电路模型

柴油机组主要由启动电源和同步发电机构成，同步发电机决定着柴油机组内在特性。为了建立该系统的数学模型，进行准确的理论分析，做出如下假设[5]：

（1）忽略磁滞、磁饱和以及涡流等的影响。

（2）在dqo坐标下，运用派克变换时，对d、q轴分量中的低频和高频分量分别进行处理。

（3）逆变负载中的二极管具有理想特性。

选取同步发电机各量的正方向如图1所示，均采用标幺值，基值为定子电压和电流的额定值。

在dqo坐标下，d、q轴磁链方程可表示为

图1 同步发电机正方向选定

式中：Xd，Xq——同步电抗；

Xad，Xaq——电枢反应电抗；

iD，iQ——阻尼绕组产生电流；

if——励磁绕组产生电流。

设idl、iql分别表示中的低频分量，ψdl、ψql分别为ψd、ψq中的低频分量，同时，不考虑阻尼绕组对d、q轴低频分量的作用。X式可以简化为

式中：X′d，X′q——不考虑阻尼绕组作用时d轴和q轴运算电抗；

根据电压与磁链的关系：

同时忽略低频分量对时间的倒数，并假定X″d≈X″q，结合X式，推导并简化得到ua的表达式：

根据和差化积公式，将X式前两项化为正弦函数，进一步简化得到：

将式（6）作为两部分理解，并等效到电路模型中。第一项可等效为电压源，即同步发电机输出电压；后两项则等效为外阻抗。

2 逆变负载等效电路模型

2.1 逆变电路模型分析

图2所示为三相电压型逆变电路[6]，其中，Ud为整流电路流出直流电压，Z为逆变电路输出负载。

图2 三相电压型桥式逆变电路结构图

逆变电路的工作方式为180°导电方式，即在图2中，每个桥臂导电角度为180°，同一半桥上两臂交替工作，各项开始导电的角度逐次相差120°。因此，在任一瞬间，将有3个桥臂同时导通。

根据逆变电路的工作方式，对输出电压定量分析。负载线电压uUV可由式（7）表示：

uUO，uVO的波形均为Ud/2，只是相位差了120°。由此，把输出线电压uUV展开成傅里叶级数：

2.2 逆变负载等效模型

逆变负载由整流电路和逆变电路构成，和柴油机组构成交-直-交系统，如图3所示。

图3 柴油机逆变负载系统基本框图

从逆变电路的理论分析可以看出，输出线电压uUV表示为输入电压Ud乘以正弦函数，有效值UUV和输入电压Ud成倍数关系，即通过整流逆变交-直-交电路，改变了柴油机组输出电压的频率和幅值。同时，整流电路的电气构造与逆变电路构成互补关系，根据戴维宁等效定理，将整个逆变负载看作电力电子元件构成的非线性负载模型，同时又具有整流电路的大部分特征，构成柴油机组逆变负载系统，进行稳定性分析。

3 柴油机逆变负载稳定性分析

柴油机逆变系统是一个强非线性系统，通常采用李雅普诺夫稳定性分析方法，先对该非线性系统初始平衡处进行线性化，然后使用劳斯判据，进行稳定性分析[7]。海军工程大学杨青等[8-9]分别对同步发电机-整流系统、同步发电机-交流整流系统的稳定性进行了详细的理论分析，得出了系统稳定条件，如式（11）所示：

式中：Rc——临界电阻；

Red——直流侧等效电阻。

即系统稳定性由直流侧等效电阻Red决定，当系统运行不稳定时，可通过调节Red的大小，提高系统稳定性。

根据上述分析可知，逆变负载包含整流电路和与整流电路对称的逆变电路，参照同步发电机-整流系统的稳定性条件提出了假设。柴油机组-逆变负载系统稳定性条件，由输出端的等效电阻大小决定，当系统不稳定运行时，通过选取合适大小的等效电阻，可以改善该系统运行特性。

4 性能测试

4.1 测试方法

选取额定容量50kW柴油机组和24kW逆变负载构成试验系统，另选取30 kW阻性负载和20kW直流电源作为试验负载。将试验负载接入系统输出端，通过调节负载大小，验证上述理论分析结果。

4.2 测试结果分析

当试验系统接入15 kW直流电源时，系统出现严重的低频振荡，此时，将30kW阻性负载接入系统串于柴油机组和逆变负载之间，调节阻值，当阻性负载为7.5kW时，振荡情况消除，系统稳定，从而验证了上节提出的假设。噪声、振动数据如表1。

表1 噪声和振动测试结果

波形图如图4、图5所示（上为电压波形，下为电流波形）。

5 结束语

图4 15kW逆变负载时系统振荡波形

图5 加入7.5kW阻性负载后波形

针对柴油机组带逆变负荷出现的低频电流振荡现象，本文根据柴油机组内在结构，对同步发电机中低频、高频分量分开处理，提出了柴油机组逆变负载的等效模型，同时借鉴同步发电机-整流系统的稳定条件，提出假设，并实验验证了假设的正确性，同时提高了系统的整体性能。但本文理论分析较为理想化，同时在实验中，电力电子设备较多，造成电压波形不够理想，仍然存在误差，测试数据有待进一步完善。

[1]张晓锋，温洪，蒋心怡，等.带整流负载同步发电机稳定性研究[J].中国航海，2001，49（2）：100-104.

[2]杨青，马伟明，孙俊忠，等.同时带交流和整流负载的三相同步发电机系统的等效电路模型[J].电工技术学报，2003，18（4）：1-5.

[3]王荀，王善铭，王祥珩.同步发电机整流系统的稳定性分析[J].清华大学学报，2006，46（7）：1193-1196.

[4]王善铭，王荀，王祥珩.同步发电机整流系统的建模[J].清华大学学报，2006，46（7）：1189-1192.

[5]倪以信，陈寿孙，张宝霖.动态电力系统的理论和分析[M].北京：清华大学出版社，2005.

[6]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].西安：机械工业出版社，2007.

[7]Lakshimikantham V， Liu X，Leela S.Variational lyapunov method and stability theory[EB/OL].Elsevier，Mathematical Problems in Engineering，1998（3）：555-571.

[8]杨青，马伟明，孙俊忠，等.同时带交流和整流负载的三相同步发电机系统的运行稳定性[J].电工技术学报，2003，18（5）：5-10.

[9]赵常顺，周智勇.同步发电机整流系统的数学模型及稳定判据[J].船舶技术，2003，25（1）：50-53.

Stability analysis and performance test of diesel engine set with inverter load

HUANG Xin，ZHAO Jin-cheng，Xie Pu
（Department of Electric Engineering，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

There is a low-frequency oscillation when diesel engine set is loaded with power electronics nonlinear load and output waveform distortion will occur.In order to determine the conditions for the stable operation of the system，inverter load was selected as the research object with analysis of SGSAD and the equivalent model of diesel engine set with inverter load were developed forthe system.A hypothesiswasgiven to thissystem.The correctnessofthis hypothesis was verified by experiment，and the performance of the system was tested and the problems and disadvantages were pointed out.

diesel engine set；inverter；equivalent model；stability

TM341+.2；TM712；N945.13；TM930.12

：A

：1674-5124（2014)03-0142-03

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.03.037

2013-05-25；

：2013-07-19

黄 欣（1990-），男，安徽黄山市人，硕士研究生，专业方向为谐波分析和负荷结构等。