梁樹甜, 王 力

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船舶綜合電力系統(tǒng)大容量脈沖設(shè)備仿真技術(shù)研究

梁樹甜, 王 力

(武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064)

以船舶綜合電力系統(tǒng)和大容量脈沖設(shè)備為研究對(duì)象，在對(duì)大容量脈沖設(shè)備充電電路原理分析的基礎(chǔ)上，對(duì)大容量脈沖設(shè)備模型內(nèi)容進(jìn)行了具體的研究分析，并進(jìn)行了MATLAB仿真，仿真結(jié)果表明，建立的模型有較高的準(zhǔn)確性。

船舶綜合電力系統(tǒng) 大容量脈沖設(shè)備 脈沖功率技術(shù) 仿真

0 引言

綜合電力系統(tǒng)(Integrated Power System，IPS)實(shí)現(xiàn)全船電力的綜合管理，其不僅可以為電力推進(jìn)系統(tǒng)、日用負(fù)載等提供連續(xù)電能，也能為某些特殊負(fù)載提供瞬時(shí)高能，是艦船動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)，也是未來使用艦載高能武器的關(guān)鍵技術(shù)[1]。

在現(xiàn)代艦船上，大容量脈沖設(shè)備，包括高能功率武器(如電磁軌道炮)、飛機(jī)彈射/回收系統(tǒng)等的瞬時(shí)輸出功率可達(dá)百M(fèi)W級(jí)，充電電路的充電功率也達(dá)到幾MW或十幾MW。由于脈沖負(fù)荷瞬時(shí)功率很大，它的使用必將給整個(gè)艦船綜合電力系統(tǒng)的性能帶來較大的沖擊，影響供電質(zhì)量，從而對(duì)電力推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。因此，在電力推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮大容量脈沖設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的電壓沖擊、諧波污染等危害。要對(duì)大容量脈沖設(shè)備進(jìn)行分析研究，首先應(yīng)建立其仿真模型，這是本文的主要研究內(nèi)容。

1 大容量脈沖設(shè)備的基本原理

1.1 脈沖功率技術(shù)

脈沖功率技術(shù)(Pulsed Power Technology，PPT)，是以小功率把電能長時(shí)間輸入到儲(chǔ)能設(shè)備中，通過對(duì)電能的脈沖壓縮、整形、傳輸?shù)忍幚?，在極短的時(shí)間內(nèi)向負(fù)載放電，得到各種理想的高幅度、大功率、陡前沿的電脈沖輸出，為各種應(yīng)用負(fù)載提供大電流脈沖功率源。

脈沖功率系統(tǒng)的構(gòu)成與應(yīng)用領(lǐng)域如圖1所示[2]，主要包含電網(wǎng)、儲(chǔ)能單元、開關(guān)、脈沖波形控制單元、負(fù)載(應(yīng)用對(duì)象)五個(gè)部分。其中，前四部分組成了脈沖功率電源，后兩部分是負(fù)載。

大容量脈沖設(shè)備一般利用電容器充電電源從電網(wǎng)獲得初始能量[3],因此，研究大容量脈沖設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的影響，事實(shí)上就是研究大容量脈沖設(shè)備的充電電路對(duì)電網(wǎng)的影響。因此，本文不關(guān)心圖1開關(guān)之后的具體結(jié)構(gòu)及工作特性，只研究儲(chǔ)能裝置仿真建模。

1.2 大容量脈沖設(shè)備的儲(chǔ)能裝置

對(duì)電容器充電儲(chǔ)能是以電容器作為儲(chǔ)能器件的脈沖功率系統(tǒng)獲得初始能量、形成脈沖功率的重要工作過程。

電容器充電方式有恒壓充電、恒流充電、恒功率充電等多種方式，充電電壓公式分別為：

得各充電方式充電特性示意圖2。若采用恒壓充電，充電回路中有限流電阻，電阻會(huì)消耗額外的能量。恒流充電電路中沒有限流電阻，所以效率較高。恒功率充電同樣無需串聯(lián)限流電阻，充電速度較快，但是，充電開始時(shí)刻會(huì)有電流沖擊，如要減小電流沖擊，就要減小充電功率，這樣會(huì)影響充電速度。因此，對(duì)于大容量文脈沖負(fù)載來說，恒流充電是較好的選擇。

隨著大功率高頻開關(guān)器件和電力電子技術(shù)的發(fā)展，高頻化成為各種電源的必然發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)，由于控制技術(shù)的進(jìn)步，使得電容器充電電源獲得快速發(fā)展。

隨著電力電子、高頻開關(guān)器件和控制技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了圖3所示的高頻PFM控制方式電容器充電電路。因?yàn)榇朔N具有電路損耗功率小、電磁干擾小、抗負(fù)載短路能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因而成為了高壓電容器充電電源的首選電路拓?fù)鋄4]。

2 儲(chǔ)能裝置原理分析及仿真參數(shù)選擇

圖3中，電源經(jīng)各模塊轉(zhuǎn)換的示意圖如下，下面進(jìn)行具體分析。

1)電網(wǎng)

本文的電網(wǎng)選擇為380V、50Hz三相交流電。

2)三相整流

根據(jù)文獻(xiàn)[1]的結(jié)論：充電電路采用不可控整流器的形式比采用可控整流器的形式對(duì)電網(wǎng)的沖擊小，因此，本文采用三相橋式不可控整流形式。

3)濾波

L,C構(gòu)成低通濾波電路，濾除整流電路輸出的6次以上諧波，根據(jù)電路理論，低通濾波電路諧振角頻率,品質(zhì)因數(shù)。

4)逆變電路

逆變電路采用單相全橋逆變電路。

5)恒流電路

儲(chǔ)能裝置之所以能實(shí)現(xiàn)恒流充電，是由恒流電路的特性決定的。

將儲(chǔ)能負(fù)載折合到變壓器原邊用電阻R表示，逆變電路等效為方波電源，得到等效電路如圖5所示。

幅頻特性圖如下，由圖看出，而當(dāng)開關(guān)頻率在一定范圍內(nèi)時(shí)（頻率較小或較大），電流隨負(fù)載基本不變(不同的Q對(duì)應(yīng)的曲線重疊)，因而具有恒流特性。

實(shí)際設(shè)計(jì)中，開關(guān)頻率一般取諧振頻率的1／2左右。本文中取,，則開關(guān)頻率約為80 Hz。

6)升壓變壓器

升壓變壓器主要起到隔離、升壓的作用。

變壓器的主要參數(shù)是變壓器的變比，下面分析計(jì)算變壓器的變比。取儲(chǔ)能電容的峰值功率為1000 kW，充電時(shí)間為4分鐘，電容器充電后電壓根據(jù)文獻(xiàn)[3]取為20 kV。

7)單相整流及儲(chǔ)能電容

單相整流采用單相橋式不可控整流。

3 大容量脈沖設(shè)備的仿真

根據(jù)以上分析，采用MATLAB/Simulink建立大容量脈沖設(shè)備仿真模型，如下：

仿真時(shí)間為60 s，仿真結(jié)果如圖8所示。

由圖看出，電容電壓基本按線性上升，即恒流充電，電源電流隨著電容電壓的上升也逐步加大，與理論分析相符。

作為對(duì)比，建立文獻(xiàn)[3]中用電流源代替負(fù)載的簡化模型，如圖9，電源電流仿真結(jié)果如圖10，與圖8進(jìn)行對(duì)比，可見仿真結(jié)果有差異(60秒時(shí)，電流分別為350A和310A)，這主要是因?yàn)楹喕Ｐ涂紤]的是負(fù)載的理想狀態(tài)，沒有考慮中間電源轉(zhuǎn)換如整流、逆變等導(dǎo)致的。

4 結(jié)束語

本文對(duì)大容量脈沖設(shè)備恒流充電電路進(jìn)行了詳細(xì)的分析，建立了仿真模型，并進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果與理論分析相符，并且，通過對(duì)比，證明了仿真模型的準(zhǔn)確性。此研究可為大容量脈沖設(shè)備在船舶綜合電力系統(tǒng)上的應(yīng)用提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 甄洪斌，張曉鋒等. 脈沖負(fù)荷對(duì)艦船綜合電力系統(tǒng)的沖擊作用研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26(12):85-88.

[2] 譚親躍. 大容量脈沖功率系統(tǒng)對(duì)電能質(zhì)量的影響研究[D]. 武漢：華中科技大學(xué)，2011.

[3] 王新枝，夏立等. 脈沖負(fù)載管理研究現(xiàn)狀[J]. 中國航海，2014，37(1):39-42.

[4] 王川. 負(fù)荷沖擊型大擾動(dòng)下船舶綜合電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性研究[D]. 大連：大連海事大學(xué)，2012.

Simulation Technology of High-capacity Pulse Equipment of Marine Integrated Power System

Liang Shutian, Wang Li

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM761

A

1003-4862（2016）11-0077-04

2016-08-15

梁樹甜(1984-), 男，碩士。研究方向：船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。