基于MATLAB的带整流负载同步发电机仿真研究

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摘要：由于带整流负载同步发电机系统的建模和求解非常复杂，本文采用了SimPowerSystems模块库中的电气元件模块，建立了带整流负载同步发电机系统的matlab仿真模型，准确而有效地对该系统各种运行状态进行了动态仿真分析，并与试验结果进行了相应的对比。在仿真研究中，发现了最大短路电流峰值与同步发电机参数之间的关系，这为带整流负载同步发电机系统的参数设计、故障保护等方面的研究工作提供了理论基础。

关键词：整流 同步发电机 仿真 模型

引言

带整流负载的同步发电机系统已广泛存在于电站、舰船、飞机等独立供电系统中。对于整流系统模型的计算与仿真受到了许多学者的关注。但由于同步电机及整流桥数学模型建立和求解的复杂性，给人们的分析研究带来了一定的困难。

随着MATLAB软件的推出与发展，该软件强大的计算能力和完善的电力系统模型使得带整流负载的同步发电机的仿真问题变得简捷而准确。本文通过建立带整流负载的同步发电机系统的MATLAB仿真模型，分析了该系统的各种动态过程，对比仿真与试验结果，证明MATLAB的仿真模型能够满足实际电力系统研究的需要，结果比较理想。同时，仿真结果对于整流系统的参数设计、故障保护、设备运行可靠性等工作都具有重要意义。

整流系统模型的建立

2.1 同步发电机的动态数学模型

在分析同步发电机动态数学模型时，作如下假设：①发电机参数恒定；②磁饱和、磁滞、涡流影响忽略不计；③定子三相对称；④忽略磁场的高次谐波。

同步电机由定子和转子两部分组成，定子上有A、B、C三个绕组，转子上有一个励磁绕组、两个阻尼绕组，这六个绕组间存在相互的电磁耦合关系。同步发电机的d轴和q轴等值电路图如图1所示。

图1 同步发电机的d轴、q轴等值电路图

根据电路KVL定律，发电机六个绕组可以建立如下六个回路电压平衡方程：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中记号说明：

d、q：直轴、交轴分量；

R、s：转子、定子分量；

l、m：漏感、自感；

f、k：励磁绕组分量、阻尼绕组分量；

根据六个绕组之间的磁链耦合关系，按照右手螺旋定则，可以得到发电机数学模型的六个磁链方程如下：

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

2.2 整流桥的数学模型

整流桥是由三相全波整流电路组成。整流桥的桥臂可由二极管、晶闸管、GTO、MOSFET、IGBT等多种形式构成。每种管子的数学模型都是由导通电阻、导通电感和前向压降串联构成。管子的数学模型如下式：

Vak=(Ron+Xon)i+Vf(13)

式中，Ron：导通电阻；Xon：导通电抗；Vf：前向压降

2.3 整流系统模型的建立

根据上面建立的同步发电机和整流桥的仿真模型，本文建立了如图2的同步发电机整流系统的仿真模型。为了消除整流桥产生的谐波干扰，在直流侧并联了滤波电容C和电阻。

图2 同步发电机整流系统的仿真模型

仿真中，同步发电机的输入功率Pm，励磁电压Vf及初始状态的设定可根据负载需要由Powergui模块来给出。Powergui模块是MATLAB6.5电力系统仿真中功能很强大的一个模块，可进行电机的初始状态设定，稳态运行计算，电感、频率测量，傅立叶分析等仿真。Powergui模块可根据要求的同步发电机输出交流线电压值Uab和有功功率值P计算出同步发电机的输入功率Pm，励磁电压Vf及初始状态等参数。

仿真与试验分析

系统仿真中的发电机、整流桥、负载的参数均由试验测量确定。同步发电机为5kVA/380V，1500r/min恒定电压源励磁同步电机(无励磁调节装置)，整流桥为380V/300A三相二极管不可控整流桥，滤波电容为100μF，负载为4.2电阻。

同步发电机具体参数(标幺值)见表1：

Xd

Xd’

Xd’’

Xq

Xq’

0.676

0.127

0.073

0.38

0.08

Xl

Tdo’

Tdo’’

Tq’’

Rs

0.019

1.2189

0.0701

0.0912

0.0039

表1同步发电机参数

下面对同步电机带整流负载的突加负载、突卸负载和突然短路动态过程进行仿真分析。

3.1 整流系统突加负载仿真分析

由于试验中的整流负载额定功率较小，为了便于仿真结果与试验结果进行对比，仿真时，将发电机交流输出线电压(有效值)设定为42V。

单台同步发电机整流系统突加负载的仿真结果如图3所示(负载开关在t=1s时闭合)。(a)为整流桥输出电压Uz波形，(b)为负载两端电压Usc波形。由图可知，发电机空载时，整流桥输出电压Uz约为56V，开关闭合后，由于无励磁调节，电压经短暂的过渡过程将降落为18V。负载电压Usc在开关闭合后迅速上升到峰值，然后回落至16V左右。

(a)电压Uz波形

(b)电压Usc波形

图3发电机运行仿真结果

为了检验上面MATLAB仿真的正确与否，本文进行了与仿真参数相同的同步发电机带整流负载试验。试验中，同步电机转速由LTG1-55kW直流调速柜控制的直流电动机(220V/90A)提供，同步电机励磁由恒定电压源提供。试验波形通过Wavestar For Oscilloscopes软件从示波器TDS220录入。试验结果如图4所示(负载开关在t=1s时闭合)。(a)为整流桥输出电压Uz波形，(b)为负载两端电压Usc波形。对比图3和图4的相应电压波形，仿真与试验结果基本一致，证明了仿真的正确性。

(a)电压Uz波形

(b)电压Usc波形

图4 发电机运行试验结果

3.2 整流系统突卸负载仿真分析

同步发电机突卸负载是同步电机带整流负载运行时的另一典型过渡过程。本文采用了相同的仿真模型对该过程进行仿真分析。仿真结果如图5所示(负载开关在t=5s时断开)。(a)为整流桥输出电压Uz波形，(b)为负载两端电压Usc波形。由图5可知，整流桥输出电压Uz在开关断开后迅速上升至50V，然后经历约3s时间收敛到空载运行稳态值56V。负载电压Usc则在开关断开后迅速下降为0。

(a)电压Uz波形

(b)电压Usc波形

图5发电机运行仿真结果

图6则给出了同步电机由负载到空载的试验波形，(a)为整流桥输出电压Uz波形，(b)为负载两端电压Usc波形。仿真与试验结果也是相当吻合的。

(a)电压Uz波形

(b)电压Usc波形

图6 发电机运行试验结果

3.3 整流系统突然短路仿真分析

整流系统突然短路故障是电力系统常见的一种故障，也是系统保护所必须考虑的问题，巨大的短路电流威胁着系统的安全运行。短路电流大小的确定对于整流系统保护装置的整定设计具有重要的意义。仿真模型的建立使这一设计过程得到大大地简化。

整流系统直流侧短路相当于交流侧三相对称短路。图7为整流系统在额定电压230V空载运行条件下，整流侧发生突然短路故障的直流侧和交流侧电流波形。由图可见，系统直流侧最大短路电流峰值约为280A。

(a)直流侧电流波形

(b)交流侧三相电流波形

图7 整流系统突然短路电流波形

为了研究短路电流与同步电机参数之间的关系，及探讨降低最大短路电流峰值的方法。本文假定发电机其他参数不变，将直轴超瞬变电抗Xd’’从0.073变为0.15，进行同上的直流侧短路仿真，短路电流波形如图8所示。由图可知，随着Xd’’的增大，最大短路峰值显著降低。

图8Xd’’=0.15的短路电流波形

进一步的仿真研究还发现短路电流值的大小与Tdo’’有关系。假定发电机其他参数不变，Tdo’’从0.0701s变为0.01s，短路电流波形如图9所示。由于Tdo’’的减小，最大短路电流峰值有明显的降低。

图9Tdo’’=0.01s的短路电流波形

结论

(1)建立了带整流负载的同步发电机的MATLAB仿真模型，通过对比仿真与试验波形，验证了该仿真模型的准确性。

(2)通过对整流系统突然短路过程的仿真研究发现，直轴超瞬变电抗Xd’’、直轴超瞬变短路时间常数 Tdo’’ 对系统最大短路电流峰值有较大影响。

(3)在整流系统设计中，可根据短路电流的控制需要，设计和选择合适的同步电机参数，以确保故障保护装置的安全动作。

参考文献：

[1] 田铭兴等.带整流负载同步发电机的MATLAB建模和仿真.西安交通大学学报.2003

[2] 高景德，张麟征.电机过渡过程的基本理论及分析方法(上册).北京：科学出版社.1982

[3]张晓锋等.带整流负载的同步发电机的电路模型.清华大学学报.1997

[4]李岩等.同步发电机整流桥负载系统动态的仿真与试验研究.测控技术.2000

Simulation of Synchronous Generator with Rectified Loads Based on Matlab

ABSTRACT：Because the model of generator with rectified loads is very complicated to build. By using the synchronous generator model ,Powergui model and Universal Bridge model in SimPowerSystems , the paper builds the simulation model of Synchronous Generator with Rectified Loads. The paper analyses the result of every typical process simulation and compares the simulation with the experiment. The results of simulation offer the relation between the parameters of generator and maximum fault current. The paper provides parameter design and fault protection of synchronous generator with the theory.

KEYWORDS：rectify;；Synchronous Generator；simulation；model