带回馈制动负载的同步发电机整流系统运行稳定性研究

吴振宇，李小谦

（1.海军驻武汉四三八厂军事代表室，湖北 武汉430064；2.武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉430064）



带回馈制动负载的同步发电机整流系统运行稳定性研究

吴振宇1，李小谦2

（1.海军驻武汉四三八厂军事代表室，湖北 武汉430064；2.武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉430064）

摘要：研究了带回馈制动负载的同步发电机整流系统运行不稳定的机理，提出了基于转速微分控制和回馈能量泄放电路的解决方案，并通过matlab仿真验证了采用该方案的合理性和有效性。

关键词：同步发电机整流系统；稳定性；回馈制动

交直流混和供电舰船的电网结构特殊、运行控制复杂，交直流混合电网图如图1所示，QF1～QF6为开关，G1为汽轮发电机，G2为十二相整流发电机，GB为蓄电池组，MG1为变流机组同步电机，MG2为变流机组直流电机，AM为交流配电板，AD为直流配电板，M1为交流电机负载。

图1　交直流混合电网图

在应急供电模式下，整流发电机发出直流电给变流机组直流机供电，变流机组同步电机再发出交流电给交流电网供电，蓄电池组起到直流电网稳定器的作用。但是，在蓄电池组损坏的情况下，十二相整流发电机与变流机组并联运行会出现不稳定的现象：在变流机组交流侧投入负载时大约不到1 s，变流机组出现欠压失磁跳闸故障。因此，研究直流电网不稳定的机理，解决并联运行的稳定性，对保障舰船安全和主动力装置安全具有重大意义。

本文通过对带回馈制动负载的同步发电机整流系统运行不稳定机理的研究，提出了基于转速微分控制和回馈能量泄放电路的解决方案，保证了带回馈制动负载的同步电机整流发电系统运行的稳定性。

1　十二相整流发电机充电模型

十二相整流发电机系统具有直流电压脉动小、不受换向限制、可靠性高、维护方便等突出优点，十二相整流发电机在需要较高直流供电品质的场所得到广泛应用。

十二相整流发电机恒压发电原理框图如图2所示，反馈电压取自整流发电机的整流侧，而不是取自整流发电机的交流侧，这种方式的优点是容易满足直流侧端口电压的控制精度。但是，当发电机输出电压小于端口的负载反馈电压时，发电机励磁调节器不断的减小励磁电流，企图将输出直流电压拉低。当负载感生电势大于整流电压时，整流二级管阻断能量回馈，整流侧直流电压被感生电势钳位，故障表现为发电机整流电压会降低到剩磁电压。

图2　十二相整流发电机恒压发电原理框图

2　并励直流电机的恒频PI控制

变流机组在交流发电状态运行时，直流电机作为直流电动机运行，直流电机的转速决定交流电网频率。变流机组要求直流电源电压在175～320 V范围变化、负载在0%～100%额定负载范围内变化，直流电机的励磁系统保证交流电压频率变化在±2%以内。并励直流电机的励磁回路如图3所示，主励磁绕组电流基本固定不动，控制加磁和减磁绕组的励磁电流实现电机转速的调节。

图3　并励直流电机的励磁回路

图4所示为仿真波形。电机采用电枢回路串电阻起动，在5 s切除起动电阻，10 s投入PI调节器，20 s起动500 A负载，35 s切除500 A负载。仿真波形显示，在PI调节器投入和切除负载时，电机向蓄电池回馈能量制动。

图4　与蓄电池连接的并励直流电机仿真波形

3　引入转速微分和回馈能量泄放回路

并励直流电机转速PI控制必然会带来转速超调，导致转速控制器试图通过加磁来使转速降低，使得电机处于回馈制动的发电状态。

图5所示为基于MATLAB的并励直流电机励磁控制仿真原理图。

图5　并励直流电机仿真原理图

图5中的电源由整流发电机模型替代，仿真波形见图6.在并励电机启动后PI控制器投入、加载、卸载，均会引起直流母线电压的大幅波动。在起动500 A负载后，直流母线电压最低跌落到110 V，将导致并励电机欠压失磁跳闸。

图6　与十二相整流发电机连接的并励直流电机仿真波形

当并励电机感生电势高于整流发电机整流侧电压时，整流发电机的输出电压急剧减小，整流二极管断流，并励直流电机处于自然减速状态，当转速降低到额定转速下，PI控制器又试图通过减小励磁来使电机转速上升，直流母线电压急剧减小，系统出现不稳定的状态。

PI调节器的特点是容易输出超调，将导致转速调节过程中励磁电流大幅波动；同时，并励电机的励磁电压取自直流母线，当没有蓄电池钳位电压时，励磁电流与母线电压形成正反馈，调节过程极易失控。

通过引入转速微分反馈，使转速调节器提前退饱和，抑制转速超调［1］，抑制并励直流电机励磁电流的剧烈变化；直流母线并接1.2Ω泄能电阻（或1.2Ω以下），吸收回馈能量，使整流二极管不断流，整流发电机整流侧电压无大幅波动。基于上述方案的仿真波形如图7所示：在负载起动和卸载的暂态调节过程中，并励电机励磁电流和直流母线电压无大幅波动，证明采用上述方案能保证带并励直流电机的整流发电系统稳定运行。

（续下图）

图7　引入转速微分和回馈能量泄放回路的仿真波形

4　结束语

本文研究了整流发电机与直流并励电机并联运行的不稳定机理，提出了一种解决稳定性方案，通过仿真验证直流电网的稳定性。该方案对于在正常电网和蓄电池损坏的故障叠加状态下，保障舰船安全和主动力装置安全具有重大意义。

参考文献：

［1］陈伯时．电力拖动自动控制系统［M］．第二版.北京：机械工业出版社，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

中图分类号：TM341

文献标识码：A

文章编号：1672-545X（2016）03-0032-03

收稿日期：2015-12-27

作者简介：吴振宇（1987-），男，湖北黄冈人，本科，助理工程师，主要从事舰艇电力电子控制工作；李小谦（1983-），男，湖北武汉人，本科，工程师，主要从事船舶电气设计工作。