带整流负载的同步发电机系统已广泛存在于电站、船舶、飞机等独立供电系统中。许多学者关注整流系统模型的计算和模拟。然而，由于同步电机和整流桥数学模型建立和解决的复杂性，人们的分析和研究带来了一些困难。
随着MATLAB随着软件的推出和开发，软件强大的计算能力和完善的电力系统模型使带整流负载的同步发电机的模拟问题变得简单准确。本文通过建立带整流负的同步发电机系统MATLAB模拟模型分析了系统的各种动态过程，比较了模拟和测试结果，证明了MATLAB模拟模型能满足实际电力系统研究的需要，效果理想。同时，模拟结果对整流系统的参数设计、故障保护和设备运行可靠性具有重要意义。
2.1 动态数学模型同步发电机
在分析同步发电机动态数学模型时，假设如下：①发电机参数恒定；②忽略了磁饱和、磁滞和涡流的影响；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和两个阻尼绕组，两个绕组之间有相互的电磁耦合。同步发电机的d轴和q轴等值电路图如图1所示。
图1 d轴同步发电机，q轴等值电路图
根据电路KVL发电机六个绕组可建立以下六个电路电压平衡方程
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
中标说明
d、q：直轴、交轴重量；
R、s：转子、定子重量；
l、m：漏感、自感；
f、k：励磁绕组和阻尼绕组的重量；
根据六个绕组之间的磁链耦合关系，发电机数学模型的六个磁链方程可以通过右手螺旋定则获得
(7)
(8)
(9)
(10)
(11)
(12)
2.2 数学模型的整流桥
整流桥由三相全波整流电路组成。二极管、晶闸管、GTO、MOSFET、IGBT其他形式。每个管道的数学模型由导电阻、导电感和前向压降组成。管道的数学模型如下
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 建立整流系统模型
根据上述同步发电机和整流桥的模拟模型，建立了如图2所示的同步发电机整流系统的模拟模型。滤波电容C和电阻并联在直流侧，以消除整流桥产生的谐波干扰。
图2 同步发电机整流系统的模拟模型
在模拟中，同步发电机的输入功率Pm，励磁电压Vf初始状态的设置可根据负载需要进行Powergui给出模块。Powergui模块是MATLAB6.5电力系统模拟中功能强大的模块可设置电机初始状态、稳态运行计算、电感、频率测量、傅立叶分析等模拟。Powergui模块可根据要求同步发电机输出交流线的电压值Uab同步发电机输入功率与有功率值P计算Pm，励磁电压Vf参数，如初始状态。
仿真与试验分析
系统模拟中的发电机、整流桥和负载参数由试验测量确定。同步发电机为5kVA/380V，1500r/min恒流桥为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
模拟分析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。
3.1.整流系统突加载模拟分析
由于试验中的整流负载额定功率较小，发电机交流输出线电压（有效值）设置为42，以便于模拟结果与试验结果进行比较V。
单台同步发电机整流系统突加载的模拟结果如图3所示(负载开关在t=1s时闭合)。(a)输出整流桥的电压Uz波形，(b)负载两端的电压Usc波形。从图中可以看出，当发电机空载时，整流桥的输出电压Uz约为56V，开关关闭合后，由于没有励磁调节，电压通过短时间过渡降至18V。负载电压Usc开关关闭后迅速上升到峰值，然后下降到16V左右。
(a)电压Uz波形
(b)电压Usc波形
图3发电机运行模拟结果
以上检查MATLAB本文进行了与模拟参数相同的同步发电机带整流负载试验。在试验中，同步电机的转速由LTG1-55kW直流电机由直流调速柜控制(220V/90A)恒定电压源提供同步电机励磁。试验波形通过Wavestar For Oscilloscopes从示波器软件TDS220录入。试验结果如图4所示(负载开关)t=1s时闭合)。(a)输出整流桥的电压Uz波形，(b)负载两端的电压Usc波形。对比图3和图4的相应电压波形，仿真与试验结果基本一致，证明了仿真的正确性。
(a)电压Uz波形
(b)电压Usc波形
图4 发电机运行试验结果
3.2.整流系统突卸载模拟分析
同步发电机突卸载是同步发电机带整流负载运行的另一个典型过渡过程。本文采用相同的模拟模型对该过程进行模拟分析。模拟结果如图5所示(负载开关)t=5s时断开)。(a)输出整流桥的电压Uz波形，(b)负载两端的电压Usc波形。从图5可以看出，整流桥的输出电压Uz开关断开后迅速上升到50V，然后经历约3s时间收敛到空载运行稳态值56V。负载电压Usc开关断开后迅速下降为0。
(a)电压Uz波形
(b)电压Usc波形
图5发电机运行模拟结果
图6显示了同步电机从负载到空载的试验波形，(a)输出整流桥的电压Uz波形，(b)负载两端的电压Usc波形。模拟与试验结果相当一致。
(a)电压Uz波形
(b)电压Usc波形
图6 发电机运行试验结果
3.33整流系统突然短路模拟分析
整流系统突然短路故障是电力系统的常见故障，也是系统保护必须考虑的问题。巨大的短路电流威胁着系统的安全运行。短路电流的确定对整流系统保护装置的固定设计具有重要意义。模拟模型的建立大大简化了设计过程。
整流系统的直流侧短路相当于交流侧的三相对称短路。图7显示了额定电压230的整流系统V在空载运行条件下，直流侧和交流侧电流波形发生突然短路故障。从图中可以看出，系统直流侧最大短路电流峰值约为280A。
(a)直流侧电流波形
(b)三相电流波形交流侧
图7 整流系统突然短路电流波形
研究短路电流与同步电机参数之间的关系，探讨降低最大短路电流峰值的方法。假设发电机的其他参数保持不变，直轴超瞬变电抗Xd’’从0.073变为0.15.同上直流侧短路仿真，短路电流波形如图8所示。从图中可以看出，随着Xd最大短路峰值显著降低。
图8Xd’’=0.15的短路电流波形
进一步的模拟研究还发现了短路电流值的大小和Tdo有关系。假设发电机的其他参数保持不变，Tdo’’从0.0701s变为0.01s，由于短路电流波形如图9所示。Tdo最大短路电流峰值显著降低。
图9Tdo’’=0.01s的短路电流波形
结论
(1)与整流负整流负荷的同步发电机MATLAB模拟模型的准确性通过比较模拟和测试波形来验证。
(2)通过模拟整流系统突然短路的过程，发现直轴超瞬变电抗Xd直轴超瞬变短路时间常数 Tdo’’ 对系统最大短路电流峰值影响较大。
（3）在整流系统设计中，可根据短路电流的控制需要设计和选择合适的同步电机参数，以确保故障保护装置的安全运行。