舰船中压直流综合电力推进系统稳态分析研究

2018-08-16鲍鹏，罗旋

船电技术 2018年8期

鲍鹏，罗旋

鲍鹏，罗旋

(武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

本文对舰船中压直流综合电力推进系统进行稳态分析。首先，根据舰船中压直流综合电力系统基本特点，选定直流分层前推回代法作为基本方法加以改进；同时，提出了适用于该方法的支路计算等效模型，并将上述思想进行程序实现。通过算例分析结果可知，论文所提出的基于直流分层前推回代法的潮流计算方法，能够适用于舰船中压直流综合电力推进系统。

舰船中压直流综合电力推进系统直流分层前推回代法支路计算等效模型

0 引言

舰船中压直流综合电力推进系统稳态分析是对整个系统最基本、最重要的计算。其不同工况下的动态特性分析，如短路分析、暂态分析、稳定性分析等，都需要基于此进行。同时，通过稳态分析能够掌握系统中各节点状态，进而进行功率分配和提高系统的经济性。

传统舰船电力推进系统中电能在传输和分配过程中以交流为主，其稳态分析方法成熟。如回路阻抗法、节点电势法以及基于支路的前推回代法等等[1-5]。但考虑到舰船中压直流综合电力推进系统的特点，探寻直流电力系统潮流计算方法及设备的数学模型，具有很重要的现实意义。

本文选择分层前推回代法作为基础方法，充分利用了舰船中压直流综合电力推进系统层次性分明的特性，首先对分层前推回代法进行直流计算简化，忽略相应的交流因素，并将DC/AC换流器、DC/DC变换器转化为相应的支路计算模型，提出了适用于舰船直流综合电力推进系统的稳态分析方法，最后将潮流计算思想和支路计算模型程序化，实现不同工况下的稳态分析。

1 直流分层前推回代法支路等效模型

直流分层前推回代法属于功率型前推回代法，结合舰船中压直流综合电力推进系统特点，对交流前推回代法公式[6]按如下原则进行转化：考虑直流电力系统中没有相角、无功功率的概念，因此首端已知量为电压幅值，末端已知量为节点有功功率。假设5节点直流系统简图如图1所示，其中包含电阻支路、逆变器支路、DC/DC变换器支路。电阻支路可直接利用简化后的交流前推回代法公式计算，但逆变器及DC/DC变换器支路，因为涉及到能量转换，因此需重新建立相应数学模型。

图1 直流分层前推回代法等值网络图

1.1 DC/DC变换器支路

根据文献[7]方法，将DC/DC变换器等效成如下图所示三支路π型等效电路：

图1 三支路π型等效电路

在计算支路参数时，亦可根据文献[7]提出的方法，此处不再过多赘述。在计算等效功率值P时，利用图2进行说明。对于DC/DC末节点（即图3中3节点），在计算其等效功率值时，需考虑与3节点有连通关系的下层节点，分如下两种情况：1）4节点交流等效功率负载及3-4支路损耗；2）5节点给定功率直流负载及3-5支路损耗；同时，在计算P后，还需将3节点自身功率及30消耗叠加，即为3节点实际总功率。

1.2 DC/AC换流器支路

根据DC/AC换流器数学模型[8]可知，其基本控制方式分为两种：定脉宽调制比控制和定电压控制。为提高计算准确性，针对两种不同控制方式，在等效直流侧功率的计算方法上提出不同等效思路。将DC/AC换流器简化成如图3简化模型。该等效模型由逆变器等效损耗Loss、逆变器滤波电路等效阻抗f+jf、直流母线X、等效交流母线M及交流母线Y。

图3 DC/AC换流器简化等效模型

1.2.1定电压控制

当为定电压控制时，其已知为实际供电母线电压U及该处的给定功率P、Q，设给定供电母线电压U实部为YE，虚部为U，等效母线M电压为U∠0°，可知U=U，U=0。此时由母线M和母线Y组成两节点交流系统，可按照简单潮流计算规则将其等效为已知末节点功率、电压，求取根节点功率、电压的情况。首先，求取等效阻抗功率损耗及电压降落：

求出等效母线M的电压、功率为：

求出传递到直流母线X的等效直流电流值x为：

结合逆变器损耗公式[8]，求得Loss为：

得出等效到直流母线X的功率X为：

1.2.2定脉宽调制比控制

当为定脉宽调制比控制时，实际上逆变器没有其调压作用，此时等效母线M的电压由直流母线X电压及脉宽调制比决定。其公式为：

将母线M和Y组成的系统等效成两节点前推回代系统，其已知量为U、P、Q，求M。该迭代意义是在第k+1次外部迭代时利用内部迭代求取相应参数。设M的相角为0度，即M∠0°。首先从Y节点推算M节点电压、功率，用式（1）~（4）计算。

其次，利用M节点给定电压及回代功率，计算Y节点功率及电压：

反复进行迭代，当U满足设置收敛精度时停止计算。利用此时计算出的U，P以及式（9）~（11）求得直流母线的给定功率P。当每次外部迭代时，由于母线X电压会变化，但脉宽调制比为定值，因此每次母线M给定电压不同，最终导致等效到直流母线X的功率不同，在每次迭代过程中需要重新计算。

2 基于直流分层前推回代法潮流计算程序实现

根据上述分析，基于直流分层前推回代法程序设计基本步骤分为三步：层次分析实现、前推计算实现以及回代计算实现。

2.1 层次分析实现

层次分析是以根节点为基准，某节点层数即其与根节点的“距离”。在本文设计中，层次分析通过拓扑分析来实现，按图论中邻接表思想进行搜索，并保存所有基础连通路径[9]。在所有保存的路径中，加入当前搜索需要的特定条件并加以判断，即可合理选择需要路径。

2.2 前推计算实现

假设系统中最大层数编号为maxlayer，定义该层为负荷层；最小层数编号为1，定义该层为根节点层。当前取出的层数为及-1层，且分别有和个节点，在进行计算时考虑以下几点：

1）当=maxlayer时，取出节点为负荷层节点，此时应读取负荷节点注入功率进行前推计算，分为两种情况：

a．当该负荷层节点为直流负载节点时，直接读取输入负荷功率进行计算；

b．当该负荷层节点连接交流负载时，则先根据2.2节的计算方法，计算出等效到该节点的直流功率，再进行计算；

2）为方便计算某k层节点总功率，在设计双循环嵌套时，将k层节点放在外循环，k-1层节点放在内循环，实现对于下层节点遍历后，再计算上层节点数据的目的。

3）当层节点为DC/DC末节点时，设与其相连的下层节点有e个，首先应计算出个节点的功率以及e个节点与该DC/DC末节点间的线路损耗，将功率和线路损耗全部叠加到DC/DC末节点上，求出该DC/DC末节点计算总功率，再利用DC/DC数学模型计算DC/DC支路三个参数，为DC/DC支路前推计算做准备；

4）当某-1层节点（p节点）连接的k层节点有（≥ 2）个时，-1层该节点电压、功率按如下原则计算：

a．在功率的求解上，只需将下层各节点功率及各支路功率损耗之和加到p节点即可；

b．在电压的求解上，为保证计算的准确性，对下层f个节点的前推电压qi值取平均值，作为p节点的最终电压，即：

2.3 回代计算实现

在回代过程中，基本假设与2.2节相同，设当前取出层数为层及+1层，且分别有和个节点，在进行计算时考虑以下几点：

1）进行回代计算时，当某h层节点连接的h+1层节点不止有一个，需要进行功率分配，分为两种情况：

a．当=1时，即该节点为根节点，只需在数据库中取出根节点和各节点间输送功率即可进行计算；

b．当不为1时，在回代计算中当前层节点功率已经与前推时，因此应对回代过程中层节点和h+1层节点功率分配进行修正，设当前层节点功率为P，连接p个+1层节点，其功率分别为P1-P，则层节点与节点间的功率修正公式为：

2）当前h层节点为DC/DC支路首节点，+1层节点为DC/DC末节点时，此时该支路为DC/DC变换器支路，由于其基本参数由h+1层末节点功率和电压来确定的，在回代时未知。因此在回代时不需对DC/DC支路使用参数进行计算，与前推保持一致。

3）与前推计算类似，在双循环嵌套时，上层节点为外循环，下层节点为内循环，方便计算。

2.4 程序设计流程图及主界面实现

根据2.1-2.3小节叙述，对整体程序设计流程总结如图4所示，并设计基于直流分层前推回代法主界面。

图4 程序设计流程图

在开始计算前需要设置两个参数：1）计算根节点选择，点击下拉菜单会显示算例中所有直流母线名称，即可选择相应母线；2）在迭代方式上，可以选择按迭代精度收敛或按迭代次数收敛；点击开始计算，就会在节点分层、迭代次数、迭代精度以及计算结果四个显示框中显示当前节点分层情况、当前迭代次数、当前最大迭代精度以及潮流计算各节点功率、电压及支路损耗结果。

3 稳态计算算例分析

根据146 m甲板驳实船参数，将其设计成舰船中压直流推进系统，并考虑到在进行系统稳态分析时，只考虑直流节点和负荷节点，将系统等效成如图所示。

首先，设定各节点电压如表所示：

表1 系统中各个母线节点类型分配表

以航行工况为例，设置迭代精度为10-5，主界面中计算结果如图6所示。为更加符合实际情况，在显示计算功率时已将DC/DC变换器三支路功率消耗作为整体损耗处理。

在电压方面：直流母线5偏差最大，达到dc=2.18‰；交流母线1偏差最大，约为ac=2.27‰。从潮流计算实际等效图可知，直流母线5和交流母线1通过逆变器相连，电压偏差情况具有一致性。交流母线5-8为主/侧推母线节点，为定电压控制，因此交流母线电压恒定。在功率方面：直流前推回代法计算的功率值与直流牛顿拉夫逊法不同，各节点功率都是下层节点功率之和。如直流母线3功率为1.748 MW，其下层直流母线4、5、6节点功率分别为1 MW、0.616 MW、0.128 MW，总和为1.744 MW，考虑电缆3、4、5功率损耗，功率是平衡的。以此类推分析可知，各节点功率均符合实际。直流母线1节点仍为唯一提供功率节点，提供功率out=16.49 MW。