维普资讯 http://www.cqvip.com 第３１卷 第２期 ２００７年４月 武汉理Ｔ大学学报（鹜 霾差） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ （Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ） Ｖｏ１．３１ Ｎｏ．２ Ａｐｒ．２００７ 基于Ｓａｂｅｒ的船舶同步发电机仿真＊ 陈 蕾 吴 明 陈 辉 （武汉理工大学能源与动力工程学院 武汉４３００６３） 摘要：运用Ｓａｂｅｒ仿真软件。在分析船舶同步发电机数学模型基础上，在ＳａｂｅｒＳｋｅｔｃｈ中建立船舶同 步发电机及其励磁调节系统的仿真模型。并且在ＳａｂｅｒＳｅｏｐｅ中得到相关波形．验证了发电机模型 的正确性，为船舶电力系统的分析提供了一个有效的工具． 关键词：船舶同步发电机；数学模型；Ｓａｂｅｒ；仿真 中图法分类号：Ｕ４６４．２３５ ０ 引 言 同步发电机常采用ｄｏｑ坐标系统下的派克方 程作为数学模型．为了更容易实现算法的控制及 在船舶电力系统的设计和研究中，计算机仿 进行发电机输出端电压谐波分析，本文采用ａｂｃ 真技术得到了广泛应用．作为一种模拟、数字及混 合信号仿真软件，Ｓａｂｅｒ软件可以根据设计对象 的需要，构造所需研究的电路模型．利用Ｓａｂｅｒ软 件既可以用于验证设计对象的可信性，也可以辅 坐标系下同步发电机的数学模型．其电压和磁链 方程如下Ｅ¨． Ｕ。 ‰ 助设计，简化设计过程．Ｓａｂｅｒ软件提供了丰富的 元件库，可以对电子学、电力电子学、电机工程、机 械工程、电光学、光学和水利电力工程的控制系统 ＋Ｐ ， ， Ｕｆ 口 匡 ， ， ｄ 和数据采样系统进行仿真．在实际仿真中，还经常 需要建立特定的模型，Ｓａｂｅｒ软件提供了硬件描 述语言Ｍａｓｔ，利用Ｍａｓｔ语言可以建立满足各种 （２） 设计要求的模型，并能够进行系统级的混合信号 ｑ Ｍ Ｍ Ｍｆｑ Ｍ ｄｑ Ｌ Ｌ ｉ ｑ 仿真． 式（１）中 ＝ ＝ 为定子绕组电阻；，．厂为转子绕 组电阻；“为各绕组端电压；ｉ为各绕组电流； 为 １ 发电机数学模型 １．１三相同步发电机数学模型 各绕组合成磁链；Ｐ为算子ｄ／ｄｔ．式（２）中系数矩 阵的对角元为各绕组的自感，非对角元为两绕组 的互感． 理想同步发电机的简化假定条件：忽略磁路 饱和影响；定子三相绕组空间位置彼此相差１２０。， 结构完全相同；转子绕组和定子绕组间的互感磁 ａｂｃ坐标系下同步发电机的电磁转矩方程 Ｔ 一Ｐ ／ ３［ （以一ｉｃ）＋ （ 。一 ）＋， （ 一 ）］ ａｂｃ坐标系下同步发电机的转子运动方程 ＝通在气隙中也按正弦规律分布；忽略定子及转子 的槽和通风沟的影响．一般来讲，根据理想同步发 电机所得的计算结果能满足工程要求的准确度． 收稿日期：２００６—１０—２７ Ｔ 一Ｔ 一Ｄ 陈蕾：女，２４岁，硕士，主要研究领域为计算机仿真与自动控制 ’教育部高等学校博士点科研基金项目资助（批准号：２００４０４９７０１２） 维普资讯 http://www.cqvip.com 第２期 陈蕾，等：基于Ｓａｂｅｒ的船舶同步发电机仿真 ・２７１・ 式中： 为机组转子的转动惯量； 为机组转子的 角速度；Ｔ 为机组转子承受的机械转矩； 为机 组转子承受的电磁转矩；Ｄ为机组摩擦系数； 为电机极对数． １．２励磁机数学模型 针对船舶普遍使用的无刷交流励磁系统 ］， 本文采用ＩＥＥＥ推荐的ＡＣ—Ｉ型励磁系统模型，其 模型方框图如图１．图１中，Ｅ 为发电机励磁电 压； 为励磁机电流；Ｋ。为电枢反应系数； 为 励磁机内电势，本文仿真所用参数采用ＩＥＥＥ推 荐参考值进行仿真ｎ］：Ｋ 一４００，Ｔ 一０．０２，Ｋ，一 ０．００３，Ｔ，一１．０，ＫＥ：１．０，ＴＥ一０．８０，ＫＤ一 ０．３８，Ｋｃ一０．２，Ｖ 一１４．５，Ｖ 一一１４．５． 图 Ａｃ＿ 型励磁系统方框图 ２ 仿真模型的建立 Ｓａｂｅｒ仿真器的核心是一系列机械、能量守 恒定理，具体到电路是克希荷夫电流定理及电路 上任何节点电流为零．因此仿真器关心的是电流 的求取．在Ｍａｓｔ语言里电压为ｃｒｏｓｓ变量是中间 值，电流为ｔｈｒｏｕｇｈ变量是仿真器要求取的值． Ｓａｂｅｒ建模分两个步骤，首先用Ｍａｓｔ语言写器件 的模块（ｔｅｍｐｌａｔｅ），它是用Ｍａｓｔ语言编写的源程 序，用于描述器件的工作性能．第二步，利用Ｓａｂｅｒ 提供的ｓｙｍｂｏｌ ｅｄｉｔ为第一步编写的器件画出元 件图．值得注意的是，用Ｍａｓｔ语言编写的模板名 必须要与程序保存的．ｓｉｎ文件名一致． 同步发电机的Ｓａｂｅｒ建模：在模板头部分，定 义同步发电机的模板名和同步发电机的输入输出 端１２Ｉ．对于同步发电机而言，输入端１２Ｉ为输入转矩 和励磁电压厂和输出三相电压ａ，ｂ，ｃ为ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ 类型．接着定义中间参数，在Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ段求解 中间参数，中间参数的计算可以简化后面方程的 求解．在Ｖａｌｕｅｓ段计算中间值，这里包括磁链和 电压方程，注意在Ｖａｌｕｅｓ段不能出现微分方程． 在ｃｏｎｔｒｏｌ段写控制语句，可以设定电压等中间值 的初值，以满足仿真初始条件的需要如：ｉｎｉｔｉａｌ一 ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ（Ｕ ，０），ｉｎｉｔｉａｌ—ｃｏｎｄｉｏｎ（ｉｆ，０）最后在 Ｅｑｕａｔｉｏｎｓ段写出电流的表达式和状态方程求解 电流，这里可以有微分方程，在电流量的后面加 上“＋”表示电流的正方向，在电流量的后面加上 “：”表示该量由后面的式子决定．到这里模型程序 就完成了．图２所示为用Ｍａｓｔ语言描述的同步发 电机模型主程序流程图． 图２同步发电机模型程序流程图 ３ 模型验证及发电机动态特性分析 本文仿真所用发电机参数为：额定电压 １３ ８００ Ｖ；额定功率３３ ０００ ｋＶＡ；额定转速３ ６００ ｒ／ｍｉｎ；频率６０ Ｈｚ；额定空载励磁电流５１ ３９０ Ａ； 极对数２；电机转子转动惯量７５０；摩擦阻力系数 １．５；定子电阻０．００３ Ｑ；励磁电阻１３２ Ｑ； 轴电 感１．０４ ｍＨ；ｑ轴电感９２０ Ｈ；零序电感３９ Ｈ； ＾ ｄ为１ ｍＨ，＾ 为８９０ Ｈ． 将仿真时间设为５ Ｓ，初始步长设为１ ｓ，其他 参数取默认值，仿真结果在ＳａｂｅｒＳｃｏｐｅ里的波形 如图３所示．ＳａｂｅｒＳｃｏｐｅ有详细的测量工具，能对 仿真得出的波形进行准确地分析［ｓ］． ２０ ６９‘｝ Ｊ＇控 立 苗 ０ 一２０ ０ ０．５ １．０ １．５ ２．０ ２．５ ３．０ ３．５ ４．０ ４．５ ｆ／ｓ 图３额定转速空载励磁电压下ａ相电压 图４所示为额定转速及空载励磁电压下，同 步发电机空载运行时发电机ａ相定子输出电压波 形．从图中可以看出同步发电机输出电压频率为 ６０．００２ Ｈｚ，电压峰值１９ ２３６ Ｖ，与发电机原参数： 频率６０ Ｈｚ及电压峰值￣／２×１３ ８００＝１９ ５１６ Ｖ 维普资讯 http://www.cqvip.com ・２７２・ 武汉理工大学学报（交通科学与工程版） ２００７年第３１卷 相差较小，证明所建模型基本正确 ２０ １２０ Ｈｚ处为０．４２９ ８ Ｖ；而带大电机负载时６０ Ｈｚ 处电压为１８ ９９０ Ｖ，其他频率上电压分布明显增 ∞ ０∞ 互 曾 ０ 三 加，如１２０ Ｈｚ处有８５．７７３ Ｖ．说明带大电机负载 时，电网谐波含量有明显增加． 苗 ０ ．Ｚｂ ．Ｚ ．３０ Ｚ ４ 结 论 ，／ｓ 图４ ａ相电压峰值及频率测量值 讨论发电机带负载时的动态特性，图５是在 仿真时间３ Ｓ时起动一大电动机时，发电机输出端 ａ相电压波形．可以看到电压在３ Ｓ时有明显的振 荡，经过约０．５ Ｓ的时问回复正常．在上面时域分 析的基础上可以进行频域分析，如Ｆｏｕｒｉｅｒ，ＦＦＴ 船舶电力系统是一个复杂的强耦合的系统， 分析有很大难度．而由于混合仿真软件Ｓａｂｅｒ的 众多特点，使其适用于船舶电力系统仿真分析．本 文对Ｓａｂｅｒ建模方法的论述具有普遍性和直接 性，不仅仅针对同步电机．Ｓａｂｅｒ仿真所反映的规 分析． ４０ 律，与理论分析上是一致的，仿真结果是可靠的． 通过Ｓａｂｅｒ仿真可以使一个理想化的系统向接近 实际的系统过渡． 参考文献 ０ １．０ Ｚ．０ ｌ 三 ２０ 奋０ ２０ ４０ ３．０ ４．０ ５．０ ［１］ 倪以信．陈寿孙．张宝霖．动态电力系统的理论和分 析．北京：清华大学出版社，２００２ 李基成．现代同步发电机励磁系统设计及应用．北 ［２］ 京：中国电力出版社，２００２ 图５起动大电机时ａ相电压 图６是发电机分别带纯电阻负载和带大电机 负载时对ａ相电压做傅立叶分析的波形图．运用 ＳａｂｅｒＳｃｏｐｅ里的波形测量工具测出：带电阻负载 时电压分布主要集中在６０ Ｈｚ处，有１９ ４３７ Ｖ， ＭｊＶ；ｆ／Ｈｚ Ｈｌ３８ｌ ［３］ 高海波，陈明昭，陈辉．ＷＭＳ一２０００型船舶电站仿 真器的设计与建模．武汉理工大学学报：交通科学与 工程版，２００１，２５（４）：５００—５０３ ＩＥＥＥ Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ Ｐｒａｃｔｉｃｅ ｆｏｒ Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ［４］ Ｍｏｄｅｌｓ ｆｏｒ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ＳｔｕＤｉｅｓ．ＩＥＥＥ Ｓｔｄ．４２１．５－１９９２．Ａｐｐｒｏｖｅｄ Ｍａｒｃｈ １９。ＩＥＥＥ Ｓｔａｎ— ｄａｒｄｓ Ｂｏａｒｄ，１９９２，８－９；４４—４５ 电阻负载 Ｍｏ￣／Ｖ；ｆ／Ｈｚ Ｈｌ３８ｌ Ｐａｐａｎｔｏｎｉｏｕ Ａ，Ｃｏｏｎｉｃｋ Ａ，Ｆｒｅｒｉｓ Ｌ，ｅｔ ａ１．Ｍｏｄ— ［５］ ｅｌｌｉｎｇ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ａｎ ａｄｖａｎｃｅｄ ｓｔａｔｉｃ Ｖａｒ ｃｏｍ— ｐｅｎｓａｔｏｒ ｕｓｉｎｇ ＳＡＢＥＲ．Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ 大电机负载 ０ ｌ００ ２００ ３００ ４００ ５００ ６００ ∥Ｈｚ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｓｐｅｅｄ Ｄｒｉｖｅｓ。１ ９９６．Ｓｉｘｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ 图６ ａ相电压傅立叶分析波形图 Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ ２３—２５ Ｓｅｐｔ．，１９９６：４９０—４９５ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍａｒｉｎｅ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ａｌｔｅｒｎａｔｏｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓａｂｅｒ Ｃｈｅｎ Ｌｅｉ Ｗｕ Ｍｉｎｇ Ｃｈｅｎ Ｈｕｉ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｕ丁，Ｗｕｈａｎ ４３００６３） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｒｉｎｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ａｎｄ ｉｔｓ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕ１ａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ｉｎ Ｓａｂｅｒ Ｓｋｅｔｃｈ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｗａｖｅｆｏｒｍｓ ａｒｅ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｂｙ Ｓａｂｅｒ Ｓｃｏｐｅ，ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｔｅｓｔｉｆｙ ｔｈｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ’ｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ・ Ｔｈｉｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｍａｒｉｎｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍａｒｉｎｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ；ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ；Ｓａｂｅｒ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ