陈金凤 , 高 嵬



基于母线并联元件模型的船用中频系统潮流计算与实验验证

陈金凤1, 高 嵬2

（1．中国人民解放军91370部队，福州 350014; 2．海军工程大学电气工程学院，武汉 430033）

针对宽幅压变化的直流电机驱动通风机速度性能差的情况，在不需要速度闭环的前提下，为电机所带风阻性负载稳速准确度在10%以内，设计出了一种稳速装置。基本能满足此类电机负载的要求。文章介绍了稳速装置的工作原理和设计方法，通过实验验证可对直流通风电机进行有效控制。

母线并联 中频系统 潮流

0 引言

采用集中式中频供电系统是解决分布式中频供电系统存在问题的有效技术途径，也是各国海军大型中频供电系统平台的发展方向之一错误！未找到引用源。。在集中供电条件下，中频系统的潮流分析和计算是目前供电系统尚未解决的问题之一，对此类问题的研究能够为故障分析提高必要的技术支持，同时为能量调度提供重要理论依据错误！未找到引用源。。

在电力系统潮流计算方法中，最初在计算机上实现的是高斯-赛德尔迭代法，这种方法内存需求小，以导纳矩阵为基础，收敛性差；算法后来发展为以阻抗矩阵为基础，虽然收敛性好，但内存需求大，限制了其应用范围。可靠性度比较高，收敛速度最好的算法是牛顿-拉斐逊法，对初值的选取敏感度小，但是占用的内存大[2,4]；快速解耦法在工程实践中有着比较广泛的应用，它是对牛顿-拉斐逊法的合理简化。考虑到舰船供电系统具有一些固有特点，比如：多相不平衡负载、辐射状（树状）网络、线路相对较短、多相多模式控制、线路阻抗比（R/X）较高等错误！未找到引用源。，这些特点往往使得传统的潮流计算方法变得可靠性降低[2,4]，不再适用或者出现不收敛的问题。前推回推算法最适合树状网络，并且速度快，占用内存小错误！未找到引用源。；ZBUS法可以应用于弱环网络，和前推回推算法有着类似的性能，但是它占用的内存大，算法效率低错误！未找到引用源。。结合舰船电力系统的特点，从计算速度和内存占用量的角度出发进行考虑，前推回推法错误！未找到引用源。是舰船电力系统的潮流计算的最佳选择。

1前推回推的潮流计算法

以下从2个方面对回推前推算法进行说明，用来更新支路的注入电流，通常是第一类KCL的回推算法；所谓的更新节点电压，也就是第二类，电势压降的前推算法。两种算法相互迭代，最终达到收敛条件。

如图1，系统中网络节点基于广度优先搜索进行分层编号。假定网络中所有的节点电压初始值为0，并设定根节点（松弛节点）电压的值为参考电压即0。

下面是回推前推法的具体计算步骤，其中在第次迭代中：

在计算各支路电流时，从最后一层支路向根节点推进，第次迭代中支路的电流：

前推法求解各节点电压时，从根节点开始向最后一层前推，第次迭代中节点的电压：

上述步骤完成后，各节点三相功率的偏差量为：

如果式（4）中有任何一相的有功功率或无功功率分量没有能够满足收敛条件，就会重复（2）～（3）的计算，直至每相都满足收敛条件，计算结束。

2 母线并联元件模型

就目前而言，电力系统模型大多适用于陆地电网和工频电网，但在舰船中频电力系统中，一般电力系统模型却难以能够满足其潮流计算的需求。

因此，本文针对舰船中频电力系统的特点，重新获取舰船电力系统的支路模型，如图所示。我们的思想是把整个系统看成一系列的母线（即汇流排）通过电压调节器（一般只在初级母线有）、分布导线或者变压器连接起来的树形网络。而每级母线有可能还挂接负载，或并联电容、感应电机等。给定的支路是三相系统，图中所标示的各量是矢量，故文中数学模型的描述均采用粗斜体来表示。在图中，虚线代表的含义为该元件可能是不接地的星型连接形式也可能是三角形连接形式。在节点处应用可以得到：

1)负载

负载模型大致分成三类：恒定电流负载、恒定复功率负载和恒定阻抗负载。下面进行分别说明：

2)感应电机

感应电机模型的建立[7]首先是通过正负序输入导纳矩阵，然后将其序量阻抗转换成相量阻抗矩阵，可以得到：

3)并联电容

并联电容的模型相对简单，通常适用于无功功率的补偿或者用来减小线路的损耗。一般可作为恒导纳组件处理：

3 结果验证

最后将本文中频供电系统中的模型进行试验，并对其所采取的潮流算法进行验证，为此建立了中频电站动态模拟实验平台（图3）。

但是受条件所限，本文的舰船中频电力系统节点的构造相对简单，属于5节点的中频供电系统。供电网络拓扑结构如图4所示。该系统是环状三相三线不接地网络，包含2台发电机，假设1号母线为松弛节点，2号母线为PV节点，其注入有功功率为30kW，参考电压等级230V，其余为PQ 节点。线路中含有两台变压器，电压变比为2：1，负荷功率(kVA )：S3 = 0. 715 + j0. 540，S4 =0. 640+ j0. 480，S5=6. 200+ j4. 650。

线路阻抗参数见表1，计算结果与试验结果见表2。通过与试验结果的比较可以看到，本文的计算误差小于1%。因此，本文建立的模型和采用的计算方法适合舰船中频电力系统潮流计算，计算结果与试验结果吻合良好。

4 结论

本文在深入分析舰船电力系统的基础上，利用前推回推法作为舰船电力系统潮流计算的方法，并且根据该算法的特点给出了元件的母线并联模型，实现了模型和算法的有机融合，尤其对各种连接方式下的变压器模型进行了详细研究，解决了变压器模型在应用到本文算法过程中出现的矩阵奇异性问题和解的唯一性问题。

最后，通过构建的简单5节点中频供电系统试验，验证了所建立模型的正确性和实用性。

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Calculation and Testing of Load Flow for Shipboard Vessel Medium Frequency System Based on Busbar Line Parallel Model

Chen Jinfeng1, Gao Wei2

(1. No. 91370 Troop of PLA, Fuzhou 350014, China; 2. College of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

DC motor control system of wide-range input voltage for a ventilation system has poor performance of speed regulation. A control system of speed regulation is designed, in which the resistive load of the motor without speed closed-loop can keep precision of speed regulation less than 10%, and meet the basic needs of motors load. The paper introduces the working principle and design method of the speed regulation, and experiments prove the excellent effect on controlling the DC motor .

parallel; medium frequency system; load flow

TM33

A

1003-4862（2016）03-0013-03

2015-07-12

陈金凤(1975-)，男，工程师。研究方向：船舶电源及舰船消磁。