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104 Researchcademic 技术交流 A 综合电力系统直流侧突加负载的电压影响综合电力系统直流侧突加负载的电压影响 黄 兴1，方雄伟2（1.海装上海局驻无锡地区军事代表室，江苏无锡 214000；2.中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011）摘摘 要：要：研究在综合电力系统中压直流侧突加负载时系统侧瞬时电压变化的计算方法。在十二相同步发电机的降阶等效模型基础上，基于其等效三相发电机整流系统直流侧突加阻性负载瞬时电压计算式，给出基于综合电力系统多台十二相同步发电机组并联运行下的瞬态电压降估算方法，并用 1 组算例数据和仿真模型，验证单机压降计算方法的有效性。关键词：关键词：十二相同步发电机；整流系统；降阶模型；突加负载；电压降 中图分类号：中图分类号：U674.7 文献文献标志标志码：码：A DOI：10.16443/ki.31-1420.2023.03.021 Voltage Influence of Sudden Load on DC Side of Integrated Power System HUANG Xing1,FANG Xiongwei2(1.Military Representative Office of Haizhuang Shanghai Bureau in Wuxi Region,Wuxi 214000,Jiangsu,China;2.Marine Design and Research Institute of China,Shanghai 200011,China)Abstract:The method to calculate the transient voltage change of integrated power system with middle voltage and DC side load is studied.Based on the reduced-order equivalent model of 12-phase synchronous generator,the instantaneous voltage calculation formula of DC side-surge load based on its equivalent three-phase generator rectifier system is studied,the estimation method of transient voltage drop based on integrated power system with 12-phase synchronous electric generator operating in parallel is presented,and the effectiveness of the pressure drop calculation method is verified by a set of example data and simulation model.Key words:twelve-phase synchronous generator;rectifier system;reduced-order model;sudden load;voltage drops 0 引言引言 电压波动大小是船舶电力系统电能质量的重要指标，稳定的电压是用电负载正常工作的重要保证。电力系统中有多种因素会造成电网电压的波动，电源侧、电能传输电缆中和负载侧存在与当前状态有较大的改变都可能引起电力系统电压的波动。无论是陆地配电网变压器的负载侧还是船用发电机组电源出口侧，在突加大功率负载时，由于电枢反应和漏抗影响，端电压均会急剧下降，对系统中其他运行负载造成负面影响。当前，各大船级社对暂态电压波动指标都有明确的规定。国内相关规范对一般的交流电气设备要求其能够在电压波动20%的条件下仍然能够正常工作，且恢复时间不超过1.5 s。手册1和规范2都对船舶常规三相交流系统突加负载时的电压降进行了规定和阐述。目前，基于三相同步发 作者简介：黄 兴（1980），男，工程师。研究方向：舰船电力系统自动化。105 电机组构建的船舶电力系统的电压降计算方法已经比较成熟。二代综合电力系统中通常会配置十二相整流发电机系统作为电能主要来源，这主要是因为十二相整流发电机系统具有电压脉动小、不受换向限制和发电效率高等优点。然而，十二相整流发电系统不仅拓扑结构复杂，其整流系统的理论工作状态会超过百种3-4，复杂的结构和工作状态使得在其基础上的分析计算变得十分困难，而研究在其直流侧的负载剧烈变化下的动态特性，就必须对多项整流同步发电机系统模型进行解析。为了研究配置十二相整流发电机的综合电力系统在突加负载后电压波动计算方法，本文在已有相关文献的研究成果基础上分析研究综合电力系统在突加负载时其直流母线电压的手动近似计算方法，并对多整流发电机组并联系统的加载特性进行分析探讨。1 十二相同步发电机模型十二相同步发电机模型 十二相整流发电机由十二相交流发电机和整流桥环节2个部分组成。本文以十二相（四Y移15）同步发电机整流系统为例，其原理电路如图1所示。a1b1c1a2b2c2a3b3c3a4b4c4Y1Y2Y3Y4RXia1ib1ic1ia2ib2ic2ia3ib3ic3ia4ib4ic4c2 图 1 十二相（四 Y 移 15）整流发电机组原理图 十二相整流同步发电机（四Y并联移15）的定子为12相电枢绕组采用4Y互移15 电角度的绕组形式，4套三相绕组的中性点互补相连，每套三相绕组都连接1组三相整流桥。十二相（四Y并联移15）的同步发电机定子上存在4套三相绕组并联运行，分别记为Y1、Y2、Y3、Y4，各自相差15 相位。在dq0坐标系下，Y1、Y2、Y3、Y4分别等效成d轴方向的d1d4绕组和q轴方向的q1q4绕组。为了简化分析过程并突出主要因素，将十二相（四Y移15）同步发电机假定为Park理想电机，定子正电流产生负向磁链，转子正电流产生正磁链。根据文献5-6的研究成果，基于功率不变的等效原则，将十二相整流发电机的模型等效为三相降阶发电机模型，如图2所示。earVD1VD2VD3VD4VD5VD6ebecfqfduaubucUdtxtxtxrr 图 2 等效三相整流电路系统图 106 Researchcademic 技术交流 A 降阶的等效三相同步发电机带整流负载，将其电流换向过程可以看作超瞬变过程。采用adx标幺值系统，降阶的等效三相同步发电机可用正弦波电动势E1和换向电抗xt等效。根据图2的结构写出换向期间和导通期间的等效电机端电压方程：ataabtbbctccsin2sin34sin3uEx piriuEx piriuEx piri （1）式（1）中：xt为换向电抗；r为电枢电阻；为转子d轴领先a相轴线的电角度，且=t；为电机功率角；p为微分算子；E为电动势幅值。在进行实际计算时，相关参数可按式（2）处理。1222tg()2dqtdqdqx x xE E E E E（2）十二相整流发电机降阶为三相交流发电机的形式，就可以方便使用常规三相交流电路的方法来研究十二相整流发电机的特性。本文基于此降阶模型来研究综合电力系统的直流侧突加负载产生的电压降问题。2 突加电阻性负载时的直流侧瞬时电压突加电阻性负载时的直流侧瞬时电压 在发电机组的系统输出端加载负载后，机组的内阻同负载构成串联关系连接。电源在外加负载上的电压分配使得发电机的输出端电压降低。当等效三相同步发电机带整流负载时，由于二极管的单向导通性和整流桥换向重叠过程影响，发电机带整流负载时处在不断地导通和换相的切换状态，因此这过程可近似为不断变化的两相突然短路。在常规的船舶交流系统中，突加的大功率负载往往是电动机之类的感性负载。但是由于在直流电制下，在直流侧突加大功率电动机负载时，则需要通过与其相适应的逆变器装置才能接入。因此，大功率电动机感性负载突加在综合电力系统直流侧的电感耗能和延迟效应并不明显。为了更具有研究意义，本文用假定突加阻性负载来分析加载突变的机理。在等效三相同步发电机的直流侧突加电阻RL，忽略整流桥的发热损失，由功率守恒原则，可得出交流侧等效负载与直流侧突加负载之间的关系：226acL036cosd2I RRItt（）（3）化简式（3）为 acL3123RR（）（4）此时由式（4）可给出等效的三相电压关系：ataacabtbacbctcaccsin2sin34sin3uEx pirRiuEx pirRiuEx pirRi （5）突加负载RL等效于在交流侧突加阻感性负载actRjx。由于整流器电抗xt阻尼绕组的作用，在突加阻性负载RL时的交流侧瞬时电压变化将主要由等效发电机的超瞬态电抗决定。因此考虑突加电阻RL后，由电压方程的近似解析解，发电机交流侧等效初始端电压：2222Ltee2eee(0.371)()(0)ddqRxRx uERx x（6）式（6）中：Re=r+0.609RL，xde=xd+xt，xqe=xq+xt。3 综合电力系统运行的突加负载模型探讨综合电力系统运行的突加负载模型探讨 采用综合电力系统技术的船舶，其电站一般会由多台十二相整流发电机组构成，整流器并联运行时会产生多个复杂的中间转换过程，其功率分配过程比常规的三相发电机组并联更为复杂。系统并联运行时的突加负载可能会出现电压不稳定或功率分配不均的现象。综合电力系统中，若并联运行的两类型不同容量大小的整流发电机组存在较大差异，通过单机恢复动态性能试验结果可知，两类型机组在瞬 107 态调速率、瞬态调压率、转速恢复时间、电压恢复时间等参数都不一样。综合电力系统电站的动态性能很大程度上取决于2种机组的动态过程参数，机组参数、整流器参数与控制策略，短时内的突加突减负载时，系统参数还可能会发生变化。如图3所示，为双机并联模型，采用十二相整流发电机组降阶等效模型来描述。按照信号平均值的原则，在忽略整流机组开关暂态效应和机械暂态时，对线性系统的并联各机组而言，突加负载时所分担的负载所造成的电压降程度，与单机系统中突加相同负载时的电压降程度相同。1E2Ext2xt11r2r1gRLR2gR瞬态压降等效分压电阻V 图 3 双整流发电机组并联系统突加负载等效模型 若图3中并联相同突加负载RL，则等效为分别向1#机组和2#机组突加了分别为Rg1和Rg2的电阻。理论上，暂时突加电阻Rg1和Rg2的大小也应该与机组容量比例相同，如果是两台同类型同容量的机组，应该有12ggRR。而事实上，由于机组的响应速度不同，2个等效突加电阻的承担值也是有区别的，Rg1和Rg2直接对应2台机组的瞬态调压率指标，使得Rg1和Rg2加载不会引起任一机组的过载。考虑到一般grR，Rg1对瞬态功率分配差可表示为 Lg2g1g22Ng1 1N21221121N2N1NggggRRRR PR PPVR RRRPPP（7）同理：Lg2g1g22Ng1 1N222g2g1g1g21N2N1NRRRR PR PPVR RRRPPP（8）式（7）和式（8）中：V为直流侧母线电压。显然，理想状态是当Rg1P1N=Rg2P2N时，两机组没有动态功率分配差度。然而，在实际工程中，每次突加同电阻负载所造成的瞬态压降是不一样的，分配差度是存在的。在并联系统中，必须考虑动态功率分配差度过大的情况，防止动态响应较快的机组出现过载。为了避免此情况的发生，文献7和文献8提出了在机组励磁装置中引入暂态阻尼环节的方法。按照此模型，1#机组和2#机组在突加负载时的瞬态电压表达式分别为 2222g1t1e_g1e_g1g12e_g1e_g1e_g1(0.371)()(0)qdqRxRxuERxx （9）2222g2t2e_g2qe_g2g22e_g2de_g2qe_g2(0.371)()(0)RxRxuERxx （10）对瞬态电压降等效电阻Rg1和Rg2的确定，较为理想的状态是按照功率比例分担原则：L1 Ng11N2NL2Ng21N2NR PRPPR PRPP （11）但在实际工程上，如果两台并联机组的动态性能差异较大，如1#整流机组的动态响应速度快于2#整流机组，则在加载瞬间1#机组所承担的等效电阻Rg1是会偏大的，其会在突加暂态的初始一段时间内承担大于理论比例分担的负载，后面随着2#机组动态响应的输出起效，1#所承担的功率会下降，所以Rg1和Rg2都是个变化量，式（10）和式（11）是估算式。当综合电力系统中通常配置大小两档容量的整流发电机组，存在多台动态性能不一样的机组（通常配置大小两档整流发电机组）时，如配置有m台1#类型机组和n台2#类型机组，假设同样类型机组的动态响应速度一样，在突加负荷时仍能按照各台发电机之间的比例分配，则根据降阶模型组成m+n的并联系统，根据并联阻抗原理，1#类型机组和2#类型机组的瞬态电压降估算方法为 108 Researchcademic 技术交流 A t1_1e1_11_1t1_2e1_21_2t1_e1_1_1_t1_1e1_11_1t1_2e1_21_2t1_e1_1_g1/100%/mmmmmmmxxrxxrxxruxxrxxrxxrR+（12）t2_1e2_12_1t2_2e2_22_2t2_e2_2_2_t2_1e2_12_1t2_2e2_22_2t2_e2_2_g2/100%/nnnnnnnxxrxxrxxruxxrxxrxxrR+（13）式（12）和式（13）中：/为阻抗并联运算符号，eee2ddx x x。若i台容量和动态性能一致的整流发电机组并联，则系统瞬态压降的估算式子为 t1_1e1_11_1t1_2e1_21_2t1_e1_1_1_t1_1e1_11_1t1_2e1_21_2t1_e1_1_L/100%/()/()immiiiixxrxxrxxruxxrxxrxxrR+（+）+（14）4 算例分析算例分析 本章的算例分析用于对第二章节中的降阶等效模型推导出的发电机交流侧等效初始端电压进行验证。对单台十二相整流发的电机组单机组的直流负载端突加阻性负载开展，以整流发电机为例进行负载瞬时电压的计算和仿真对比分析。直流侧电压4 000 V，其他定其十二相整流发电机组相关电磁参数，主要参数采用标幺值：r=0.06,rfd=0.000 26,rkd=0.003,rkq=0.003,xdy=0.4,xqy=0.2,xady=0.343,xaqy=0.143,xdm1=xdm2=xdm3=0.34,xqm1=xqm2=xqm3=0.15,xdqm1=xdqm2=xdqm3=0,xfd=0.373,xkd=0.355,xkq=0.151,RL=0.6,xd=0.23,xd=0.14,xq=0.24,xq=0.12。根据本文所提出的计算方法，在直流侧加载负载的情况下，根据十二相发电机的参数计算出降阶三相发电机的参数。xde=xd=1.42,xqe=xq=0.515,re=0.006,xt=(xd+xq)/2=0.13,xqe=0.25,xde=0.23,xde=0.27,Re=0.782。将以上等效参数带入式（6）后可得：222Ltee2eee(0.602)()(0)0.87qdqRxRx uEERx x。采用降阶三相发电机的计算方法，得到的结果表明突加负载RL使得发电机交流侧等效初始端电压下降13%，并采用数字仿真建模软件进行仿真模拟。使用PSCAD/EMTDC仿真软件建立十二相整流发电机的仿真模型，用十二相的模型来验证三相降阶模型的电压降，运行仿真模型得到的仿真结果如图4和表1中所示。根据图4的仿真图形，得到的仿真结果数值如表1所示。对比降阶模型的计算结果和仿真结果，验证了利用降阶模型进行手动计算方法的有效性。图 4 突加负载时整流发电机的输出电压仿真 时间/s 电压/kV 109 表 1 仿真结果数据表 突加负载前母线 电压/kV 母线电压最大值/kV 突加负载后母线电压 最小值/kV 最小值时刻/s 电压降/%4.060 4.072 3.568 3.017 12.1 5 结论结论 直接建立并利用十二相整流发电机系统的数学模型，精度较高，可直接用于对其暂态性能和稳态性能的仿真分析，缺点是较为复杂，在此模型基础上研究突加负载的瞬时电压计算方法困难较大，在分析多机并联情况下系统性能时候更是如此。本文利用其他文献取得的研究成果，提出在十二相整流发电机降阶等效三相电机模型的基础上研究突加负载造成的电压瞬态降问题。将直流侧的突加负载效应等效到交流侧，并考虑三相整流桥自身特性，推导出突加阻性负载时的瞬时电压计算式。最后，利用此降阶等效模型讨论了在多机并联情况下的综合电力系统突加阻性负载瞬时电压降估算方法。需要指出的是，由于并联系统动态模型是基于降解等效模型的进一步推导，因此假设的理想化条件进一步增多。实际应用中可通过真实的联调试验获得真实数据，对该模型进行修正。参考文献：参考文献：1 中国造船工程学会,中国船舶工业集团公司,中国船舶重工集团公司.船舶设计实用手册(电气分册)M.北京:国防工业出版社,2013.2 中国船级社,上海海规所.钢质海船入级规范2021(第 4 分册)S.2021.3 马凡,付立军,郭云珺,等.十二相同步发电机整流系统直流极间短路电流的解析计算方法J.中国电机工程学报,2021,41(20):7177-7125.4 夏维,郑晓东,吕承,等.多相整流同步发电机系统直流侧短路故障分析J.海军工程大学学报,2020,32(4):25-31.5 纪锋,王公宝,付立军,等.十二相同步发电机降阶等效模型研究J.电力系统保护与控制,2012,40(2):28-33.6 MIN H C,FERNANDO P,ENRIQUE M.Accurate Reduced Order Models for Coherent Synchronous GeneratorsC/57th Annual Allerton Conference on Communication.2019.7 霍承祥,高磊,吴剑超,等.励磁系统动态增益对凸极发电机暂态稳定的影响J.电力系统自动化,2020,44(21):116-121.8 张建承,张甜甜,熊鸿韬,等.柔性励磁系统无功阻尼控制器参数整定方法及现场应用J.电工技术学报,2022,37(17):4435-4445.（上接第（上接第 1717 页）页）3 再气化模块安全性设计分析方法与内容再气化模块安全性设计分析方法与内容 基于本文第2节所述的安全性设计原则进行再气化模块系统设计时，还要结合下列风险分析，确定必要的风险降低指标，并综合考虑系统运行的功能性和可靠性，合理地设计再气化模块5。1）危险与可操作性分析和危险源识别分析。2）定量风险评价。3）应急逃生和救援分析。4）工艺切断和放空系统逻辑分析。5）低温溢流保护方法。6）透气扩散影响性分析。7）ESD和HIPPS系统压力冲击研究。4 结论结论 本文从安全性角度考虑，阐述分析了再气化模块整体布置方案、消防灭火系统、火气探测系 统、管道超压保护系统和泄放系统的设计目的和设计原则，并介绍了系统安全性设计所需的分析方法和主要内容，期望可以为FSRU以及再气化模块的设计优化和建造提供相关经验和指导意见。参考文献：参考文献：1 王德云.LNG 船安全系统设计研究D.上海:上海交通大学,2010.2 朱锋.LNG-FSRU 再气化模块设计优化研究D.江苏镇江:江苏科技大学,2016.3 王文若.海上移动钻井平台水消防系统设计D.辽宁大连:大连海事大学,2013.4 朱崇远,朱永凯,时光志.FSRU 气化装置遮闭式布置J.机电设备,2021,38(3):77-79.5 杜晓程.大型 LNG 船玻璃钢压载水管道应力校核方法J.船舶工程,2021,43(1):119-124.