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。

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