电气设备短路对舰艇电站暂态稳定性的影响
王云华 薛士龙
摘 要： 对舰艇电站在电气设备短路下的暂态稳定性分析，实现舰艇电站电气设备的短路故障分析和诊断，构建舰艇电站电气设备平面线圈磁场分布下的等效电路模型。采取磁共振模式进行电气设备短路下的输出功率与效率的计算，通过对舰艇电站系统输出效率的差异性特征分析，实现对电气设备短路条件下的舰艇电站暂态稳定性测试和分析，通过测试电站输出的电压增益、电流增益、功率因数、效率等参量实现对舰艇电站的带载能力评估。测试结果表明，对舰艇电站暂态稳定性进行测试，通过所提方法进行稳定性调节和电机优化设计控制，能使得电压增益稳定和输出功率稳定在较高的水平，电机效率和负载较高，提高了舰艇电站电气设备系统的稳定性。
关键词： 电气设备； 短路； 舰艇电站； 暂态稳定性
中图分类号： TN948?34； TM461 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）10?0111?03
Abstract： The transient stability of the naval ship power station in the case of electrical equipment short circuit is analyzed to realize the short circuit fault analysis and diagnosis of electrical equipments of naval ship power station. The equivalent circuit model of electrical equipments in naval ship power station under the planar coil magnetic field distribution was constructed. The magnetic resonance mode is used to calculate the output power and efficiency of electrical equipments in the case of short circuit. The difference characteristics of the system output efficiency of the naval ship power station is analyzed to test and analyze the transient stability of the naval ship power station in the case of electrical equipment short circuit. The loading capacity of the naval ship power station is evaluated by means of test of the voltage gain， current gain， power gain， efficiency and other parameters output by the power station. The transient stability of the naval ship power station was tested. The test results show that the method makes the voltage gain， output power， motor efficiency and load stabilized in the high level by adjusting the stability and performing the motor optimization design and control to improve the stability of the electrical equipments of naval ship power station.
Keywords： electrical equipment； short circuit； naval ship power station； transient stability
0 引 言
艦船综合电力系统是从舰船电力推进系统的基础上发展而来。舰船推进电机采用交流电机、永磁电机和超导电机，舰艇电站系统采用柴油机、燃气轮机等通过电机发电，将高速的原动机的旋转机械式能量通过发电机组来产生电能，供舰艇的动力推进和日常生活工作用电。舰艇的电气系统是一个大型的电站发电和电能传输系统，舰艇电站发电机组的布置复杂，常年工作在高温、高湿和腐蚀性环境中，大大缩短了舰船的电站设备的使用寿命和系统可靠性[1?2]。需要对舰船电站的电气设备进行有效的维护，避免电气设备短路，提高舰艇电力系统的稳定性。本文对电气设备短路下舰艇电站暂态稳定性的影响进行分析，实现对舰艇电站电气设备短路故障的输出特征分析和故障诊断，提高舰艇电站电气系统的稳定性。
1 舰艇电机输出功率与效率的计算
在构建舰艇电站电气设备平面线圈磁场分布下的等效电路模型的基础上，采取磁共振模式进行电气设备短路下的输出功率与效率的计算[3]。本文中舰艇电站采用的是感应电机。感应电机的暂态稳定性分析的约束参数主要包括：舰船综合电力供电的极对数[P]，变电系统的极弧系数[β]，储能系统磁极厚度[lm]，推进电机转子/定子的高耦合系数[ly]，谐振工作点绕组厚度[lw]、配电系统的输出功率[lg]，转子半径[rr]，电流密度[Jcu]，电磁转矩[ls]、定/转子轴向长度（通常用细长比[λ=dbls]表示，其中[db=2（rr+lg））。]定义电机系统的绕组截面积为：[Aw=πlw（2rr+2lg+lw）]。为了保证得到稳定和干扰较小的电压，电源芯片选用TPS767HD301进行舰艇电机输出电压的滤波，电机的功率输出要求包括额定电磁转矩[Tem]和额定旋转角速度[ωr]，TPS767HD301输出为3.3 V和1.6 V，得到电机的输出电压方程为：
计算出舰艇电机的电压输出电路中[R1]和[R2]的值分别为11 kΩ和30 kΩ，在电气设备短路情况下，电气设备的材料特性决定的参数如槽满率[kf]，永磁体剩余磁密[Br]将会对舰艇电站的暂态稳定性产生影响，此时通过LT1587产生3.3 V的电压进行定/转子铁芯B?H曲线调节，在片外时钟频率调制下，电气设备的磁密[Bkneesy]需要事先确定，时钟电路主要使用无源晶振与有源晶振两种方式，得到不同模式下电气设备短路条件下的输出电压的计算方程为：
2 电气设备短路条件下舰艇电站暂态稳定性分析
2.1 舰艇电站的暂态稳定性条件
通过对舰艇电站系统输出效率的差异性特征分析，实现对电气设备短路条件下的舰艇电站暂态稳定性测试和分析，在舰艇的电气设备短路下，结合上述对电机控制系统的分析，得到电气设备短路的暂态稳定性条件描述为：
通过分析模型计算结果和暂态稳定性条件下的输出参量的时域变化图，实现对舰艇电站的带载能力评估和电气设备短路对舰艇电站的暂态稳定性影响分析。
3 实验结果分析
在某大型舰艇综合电力实验室中搭建舰艇电机和综合电力系统模型，进行舰艇电站的供电稳定性分析试验，利用S函数编写电机控制模块，利用Matlab Simulink进行程序封装，实验中选择的参数为[Np=Ns=20]，[f=20.5 kHz] ，[Cp=Cs=0.57 μF]， 舰艇感应发电机的线圈距离变化范围为500～1 000 m，舰艇电气设备进行电能传输的各元件参数值描述见表1。
分析上述结果可知，由于受到电气系统中设备电路短路的影响，导致偏芯偏移，在偏芯100 mm时，通过本文方法进行稳定性调节和电机优化设计控制，能使得电压增益稳定在5.8%，输出功率增益保持95%左右，电机效率较高，电站的暂态稳定性对电气短路具有很好的适应性，确保了舰艇电站的稳定性工作。
4 结 语
为了提高对舰艇电站在电气设备短路下的暂态稳定性，进行电机优化设计和控制分析，构建舰艇电站电气设备平面线圈磁场分布下的等效电路模型，采取磁共振模式进行电气设备短路下的输出功率与效率的计算，通过对舰艇电站系统输出效率的差异性特征分析，实现对电气设备短路条件下的舰艇电站暂态稳定性测试和分析。通过测试电站输出的电压增益、电流增益、功率因数、效率等参量实现对舰艇电站的带载能力评估。实验分析结果表明，通过对舰艇电站暂态稳定性测试，提高了舰艇电站的输出增益和效率，改善了舰艇电站电气设备系统的稳定性工况。
参考文献
[1] COCO S， LAUDANI A， FULGINEI F R， et al. Bacterial chemotaxis shape optimization of electromagnetic devices [J]. Inverse problems in science & engineering， 2014， 22（6）： 910?923.
[2] SATO T， WATANABE K， IGARASHI H. A modified immune algorithm with spatial filtering for multiobjective topology optimization of electromagnetic devices [J]. International journal for computation and mathematics in electrical & electronic engineering， 2014， 33（3）： 821?833.
[3] WANG L， MAO Z， SHI Y， et al. A novel model of predicting archie′s cementation factor from nuclear magnetic resonance （NMR） logs in low permeability reservoirs [J]. Journal of earth science， 2014， 25（1）： 183?188.
[4] RAZAVI A， MAASKANT R， YANG J， et al. Maximum aperture power transmission in lossy homogeneous matters [J]. IEEE antennas & wireless propagation letters， 2015， 14（9）： 175?178.
[5] RAMACCIA D， PALMA L D， ATES D， et al. Analytical model of connected bi?omega： robust particle for the selective power transmission through sub?wavelength apertures [J]. IEEE transactions on antennas & propagation， 2014， 62（4）： 2093?2101.
[6] 魏宁，谢永成，李光升，等.电气系统技术状况检测及效能评估方法研究[J].现代电子技术，2014，37（2）：48?50.
摘 要： 对舰艇电站在电气设备短路下的暂态稳定性分析，实现舰艇电站电气设备的短路故障分析和诊断，构建舰艇电站电气设备平面线圈磁场分布下的等效电路模型。采取磁共振模式进行电气设备短路下的输出功率与效率的计算，通过对舰艇电站系统输出效率的差异性特征分析，实现对电气设备短路条件下的舰艇电站暂态稳定性测试和分析，通过测试电站输出的电压增益、电流增益、功率因数、效率等参量实现对舰艇电站的带载能力评估。测试结果表明，对舰艇电站暂态稳定性进行测试，通过所提方法进行稳定性调节和电机优化设计控制，能使得电压增益稳定和输出功率稳定在较高的水平，电机效率和负载较高，提高了舰艇电站电气设备系统的稳定性。
关键词： 电气设备； 短路； 舰艇电站； 暂态稳定性
中图分类号： TN948?34； TM461 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）10?0111?03
Abstract： The transient stability of the naval ship power station in the case of electrical equipment short circuit is analyzed to realize the short circuit fault analysis and diagnosis of electrical equipments of naval ship power station. The equivalent circuit model of electrical equipments in naval ship power station under the planar coil magnetic field distribution was constructed. The magnetic resonance mode is used to calculate the output power and efficiency of electrical equipments in the case of short circuit. The difference characteristics of the system output efficiency of the naval ship power station is analyzed to test and analyze the transient stability of the naval ship power station in the case of electrical equipment short circuit. The loading capacity of the naval ship power station is evaluated by means of test of the voltage gain， current gain， power gain， efficiency and other parameters output by the power station. The transient stability of the naval ship power station was tested. The test results show that the method makes the voltage gain， output power， motor efficiency and load stabilized in the high level by adjusting the stability and performing the motor optimization design and control to improve the stability of the electrical equipments of naval ship power station.
Keywords： electrical equipment； short circuit； naval ship power station； transient stability
0 引 言
艦船综合电力系统是从舰船电力推进系统的基础上发展而来。舰船推进电机采用交流电机、永磁电机和超导电机，舰艇电站系统采用柴油机、燃气轮机等通过电机发电，将高速的原动机的旋转机械式能量通过发电机组来产生电能，供舰艇的动力推进和日常生活工作用电。舰艇的电气系统是一个大型的电站发电和电能传输系统，舰艇电站发电机组的布置复杂，常年工作在高温、高湿和腐蚀性环境中，大大缩短了舰船的电站设备的使用寿命和系统可靠性[1?2]。需要对舰船电站的电气设备进行有效的维护，避免电气设备短路，提高舰艇电力系统的稳定性。本文对电气设备短路下舰艇电站暂态稳定性的影响进行分析，实现对舰艇电站电气设备短路故障的输出特征分析和故障诊断，提高舰艇电站电气系统的稳定性。
1 舰艇电机输出功率与效率的计算
在构建舰艇电站电气设备平面线圈磁场分布下的等效电路模型的基础上，采取磁共振模式进行电气设备短路下的输出功率与效率的计算[3]。本文中舰艇电站采用的是感应电机。感应电机的暂态稳定性分析的约束参数主要包括：舰船综合电力供电的极对数[P]，变电系统的极弧系数[β]，储能系统磁极厚度[lm]，推进电机转子/定子的高耦合系数[ly]，谐振工作点绕组厚度[lw]、配电系统的输出功率[lg]，转子半径[rr]，电流密度[Jcu]，电磁转矩[ls]、定/转子轴向长度（通常用细长比[λ=dbls]表示，其中[db=2（rr+lg））。]定义电机系统的绕组截面积为：[Aw=πlw（2rr+2lg+lw）]。为了保证得到稳定和干扰较小的电压，电源芯片选用TPS767HD301进行舰艇电机输出电压的滤波，电机的功率输出要求包括额定电磁转矩[Tem]和额定旋转角速度[ωr]，TPS767HD301输出为3.3 V和1.6 V，得到电机的输出电压方程为：
计算出舰艇电机的电压输出电路中[R1]和[R2]的值分别为11 kΩ和30 kΩ，在电气设备短路情况下，电气设备的材料特性决定的参数如槽满率[kf]，永磁体剩余磁密[Br]将会对舰艇电站的暂态稳定性产生影响，此时通过LT1587产生3.3 V的电压进行定/转子铁芯B?H曲线调节，在片外时钟频率调制下，电气设备的磁密[Bkneesy]需要事先确定，时钟电路主要使用无源晶振与有源晶振两种方式，得到不同模式下电气设备短路条件下的输出电压的计算方程为：
2 电气设备短路条件下舰艇电站暂态稳定性分析
2.1 舰艇电站的暂态稳定性条件
通过对舰艇电站系统输出效率的差异性特征分析，实现对电气设备短路条件下的舰艇电站暂态稳定性测试和分析，在舰艇的电气设备短路下，结合上述对电机控制系统的分析，得到电气设备短路的暂态稳定性条件描述为：
通过分析模型计算结果和暂态稳定性条件下的输出参量的时域变化图，实现对舰艇电站的带载能力评估和电气设备短路对舰艇电站的暂态稳定性影响分析。
3 实验结果分析
在某大型舰艇综合电力实验室中搭建舰艇电机和综合电力系统模型，进行舰艇电站的供电稳定性分析试验，利用S函数编写电机控制模块，利用Matlab Simulink进行程序封装，实验中选择的参数为[Np=Ns=20]，[f=20.5 kHz] ，[Cp=Cs=0.57 μF]， 舰艇感应发电机的线圈距离变化范围为500～1 000 m，舰艇电气设备进行电能传输的各元件参数值描述见表1。
分析上述结果可知，由于受到电气系统中设备电路短路的影响，导致偏芯偏移，在偏芯100 mm时，通过本文方法进行稳定性调节和电机优化设计控制，能使得电压增益稳定在5.8%，输出功率增益保持95%左右，电机效率较高，电站的暂态稳定性对电气短路具有很好的适应性，确保了舰艇电站的稳定性工作。
4 结 语
为了提高对舰艇电站在电气设备短路下的暂态稳定性，进行电机优化设计和控制分析，构建舰艇电站电气设备平面线圈磁场分布下的等效电路模型，采取磁共振模式进行电气设备短路下的输出功率与效率的计算，通过对舰艇电站系统输出效率的差异性特征分析，实现对电气设备短路条件下的舰艇电站暂态稳定性测试和分析。通过测试电站输出的电压增益、电流增益、功率因数、效率等参量实现对舰艇电站的带载能力评估。实验分析结果表明，通过对舰艇电站暂态稳定性测试，提高了舰艇电站的输出增益和效率，改善了舰艇电站电气设备系统的稳定性工况。
参考文献
[1] COCO S， LAUDANI A， FULGINEI F R， et al. Bacterial chemotaxis shape optimization of electromagnetic devices [J]. Inverse problems in science & engineering， 2014， 22（6）： 910?923.
[2] SATO T， WATANABE K， IGARASHI H. A modified immune algorithm with spatial filtering for multiobjective topology optimization of electromagnetic devices [J]. International journal for computation and mathematics in electrical & electronic engineering， 2014， 33（3）： 821?833.
[3] WANG L， MAO Z， SHI Y， et al. A novel model of predicting archie′s cementation factor from nuclear magnetic resonance （NMR） logs in low permeability reservoirs [J]. Journal of earth science， 2014， 25（1）： 183?188.
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[6] 魏宁，谢永成，李光升，等.电气系统技术状况检测及效能评估方法研究[J].现代电子技术，2014，37（2）：48?50.
