龐 宇， 黃文燾， 吳 駿， 邰能靈， 孫國亮

(1. 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程系， 上海 200240； 2. 中國船舶及海洋研究工程設(shè)計研究院，上海 200011； 3. 中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214400)

隨著艦船技術(shù)的快速發(fā)展，高能武器、電磁發(fā)射裝置和新型雷達(dá)等功率脈沖型負(fù)載在船舶綜合電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛[1-2].脈沖型負(fù)載的功率脈動無序且頻繁，沖擊峰值高，對系統(tǒng)的穩(wěn)定與電能質(zhì)量造成嚴(yán)重沖擊；另一方面，船舶綜合電力系統(tǒng)“源-網(wǎng)-荷”耦合緊密，電站容量小且轉(zhuǎn)動慣量低，僅依賴于船舶電站無法保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行.大功率脈沖負(fù)載對功率變換供電系統(tǒng)提出了更高的要求，傳統(tǒng) Buck或者 Boost供電單元難以滿足.

當(dāng)前高技術(shù)艦船承載的脈沖負(fù)載類型越來越多，如移動通訊設(shè)備、高功率武器、雷達(dá)、電磁發(fā)射裝置等，具有寬工作頻率、多工作模式和峰值功率大等特點，且其運行具有強隨機性.以大功率雷達(dá)負(fù)載為例，其工作周期為10-3～10-1s量級，長脈寬工作模式會導(dǎo)致供電系統(tǒng)功率波動[3-4].新型大功率脈沖負(fù)載接入會造成如下影響：① 電站機電調(diào)節(jié)控制器響應(yīng)時間長，綜合電力系統(tǒng)無法滿足脈沖負(fù)載瞬時功率需求，產(chǎn)生波動或失穩(wěn)[5-6]；② 系統(tǒng)呈現(xiàn)寬頻域和低慣性特征，非工頻擾動可能引發(fā)次同步間諧波問題，破壞系統(tǒng)穩(wěn)定運行[7-8]；③ 惡化電網(wǎng)電能質(zhì)量，干擾其他敏感負(fù)載.

開展高動態(tài)響應(yīng)升壓/降壓型變換器拓?fù)鋬?yōu)化工作，降低脈沖功率負(fù)載引起的電流紋波，避免脈沖負(fù)載對供電系統(tǒng)中直流母線的影響，是保證脈沖功率負(fù)載高性能穩(wěn)定工作的關(guān)鍵技術(shù)方法[9-10].目前，已有研究針對脈沖負(fù)載特性及其對獨立電力系統(tǒng)影響展開研究.文獻(xiàn)[11-12]研究了雷達(dá)脈沖負(fù)載的占空比、工作周期、峰值功率和濾波電容變化時對系統(tǒng)動態(tài)指標(biāo)的影響規(guī)律.文獻(xiàn)[13]通過仿真研究了電網(wǎng)運行特性與脈沖負(fù)載工作模式之間的關(guān)系，分析了不同脈沖負(fù)載參數(shù)對電網(wǎng)運行特性的影響規(guī)律和程度.文獻(xiàn)[14]建立了含脈沖負(fù)載的獨立電力系統(tǒng)模型，推導(dǎo)了源載耦合關(guān)系，通過理論結(jié)合試驗，找出交直流側(cè)之間影響的脈動頻率規(guī)律，對不同脈沖頻率、不同脈沖負(fù)載功率展開試驗，給出了脈沖負(fù)載功率分配表.上述文獻(xiàn)分析了脈沖負(fù)載及電路參數(shù)對系統(tǒng)的影響，對工程設(shè)計及后續(xù)脈沖負(fù)載在獨立電力系統(tǒng)中的應(yīng)用做了重要鋪墊，但由于其所研究的脈沖負(fù)載功率較小且工作模式單一，所以采用的均是傳統(tǒng)負(fù)載供電結(jié)構(gòu).該結(jié)構(gòu)由三相變壓器、不可控整流橋、電感電容(LC)濾波器組成，因缺乏負(fù)載電流快速跟蹤響應(yīng)環(huán)節(jié)、直流母線電壓電流脈動抑制環(huán)節(jié)、交流側(cè)諧波治理環(huán)節(jié)等功能，已無法滿足大功率多模式脈沖負(fù)載動態(tài)響應(yīng)需求和降低負(fù)載對船舶電力系統(tǒng)影響的要求.文獻(xiàn)[15]對含脈沖負(fù)載的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行研究，分析了飛輪儲能單元的能量緩沖作用，起到了穩(wěn)定直流母線和降低脈沖功率對推進(jìn)系統(tǒng)及電站沖擊的作用，但該儲能方式并不適用于雷達(dá)等此類高頻脈沖負(fù)載.文獻(xiàn)[16]設(shè)計了一種混合儲能方案，能夠有效地使蓄電池減少放電小循環(huán)次數(shù)，消除負(fù)載脈動對供電電源的不利影響，但對于兆瓦級負(fù)載并不適用.目前，有學(xué)者提出了三相不可控整流器級聯(lián) Buck電路的新型雷達(dá)供電單元.文獻(xiàn)[17]建立新型脈沖負(fù)載等效拓?fù)浼跋鄳?yīng)的潮流計算模型，可作為含脈沖負(fù)載獨立微電網(wǎng)運行特性及穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ).文獻(xiàn)[18]推導(dǎo)了新型脈沖負(fù)載供電結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，通過仿真分析和實物驗證脈沖負(fù)載參數(shù)對獨立電力系統(tǒng)的影響規(guī)律.但是上述文獻(xiàn)未針對新型脈沖負(fù)載特點及其影響，從系統(tǒng)與負(fù)載的匹配性、系統(tǒng)運行使用的安全性以及穩(wěn)定性等多角度對供電結(jié)構(gòu)、參數(shù)進(jìn)行研究和設(shè)計.

本文分析了功率脈沖負(fù)載特性及其對電網(wǎng)的影響，優(yōu)化傳統(tǒng)脈沖負(fù)載供電結(jié)構(gòu)，提出一種大功率多模式脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)的設(shè)計方法，采用功率平抑、能量分組、諧波治理、事故備用等技術(shù)，即 “多脈波變壓器+不可控整流+兩級互聯(lián)直流/直流(DC/DC)變換器”的供電結(jié)構(gòu)，并對能量緩沖環(huán)節(jié)中關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行設(shè)計.仿真分析不同工作模式下負(fù)載對系統(tǒng)的影響，通過傳統(tǒng)和新型脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)性能的對比，說明該結(jié)構(gòu)能顯著改善交流側(cè)電壓電流的畸變率，降低交流側(cè)功率和直流側(cè)母線電壓的波動，驗證了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計的正確性和有效性，對脈沖負(fù)載在獨立電力系統(tǒng)中的應(yīng)用、設(shè)計和參數(shù)優(yōu)化等方面具有重要意義和參考價值.

1 脈沖負(fù)載特性及其影響

1.1 脈沖負(fù)載特性

新型脈沖負(fù)載占空比隨機變化且呈連續(xù)脈沖功率沖擊的強非線性特征，其功率特性既有沖擊性，又有隨機性和波動性，具有工作頻率寬、工作模式多和峰值功率大的特點[19].某雷達(dá)脈沖負(fù)載在不同工作模式下的波形如表1所示.其中：Io為脈沖電流幅值；t為時間；pu.為電力系統(tǒng)的標(biāo)么值，無單位或者認(rèn)為為“1”.

表1 不同工作模式下的負(fù)載參數(shù)和波形Tab.1 Actual load parameters and waveforms at different operating modes

負(fù)載呈現(xiàn)脈沖形式，特別是負(fù)載在滿載與空載模式之間工作時，可簡化成方波來表示.脈沖負(fù)載電流波形及其分解如圖1所示.其中：T為脈沖負(fù)載工作周期；D為占空比；Io(t)為脈沖負(fù)載電流；Iavg(t)為平均電流；Ipul(t)為脈動電流.Io(t)可以分解為Iavg(t)和Ipul(t)兩部分.由于脈沖負(fù)載電流的周期性，F(xiàn)ourier級數(shù)展開[20]，可得脈沖電流中諧波成分的增益In如下：

圖1 脈沖負(fù)載電流波形及其分解Fig.1 Pulse load current waveforms and its decomposition waveforms

(1)

(2)

式中：n為整數(shù)；sinc(nπD)函數(shù)的零點值在n=[k/D]， 系數(shù)k=0,1,…處；φn為諧波成分的相位.

1.2 脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)模型

脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)模型如圖2所示，DC/DC變換器部分可以是單級或雙極，也可以不含直流變換器.其中：ICo、ILo分別為輸出電容Co和濾波電感Lo的支路電流；Uin為輸入電壓；RLo和RCo為電容和電感的內(nèi)阻；Uo為輸出電壓.由Kirchhoff電流定律可得，Iavg+Ipul=ICo+ILo，脈沖負(fù)載引起的電流中脈動部分Ipul會由輸出電容Co和濾波電感Lo兩條支路分?jǐn)?，若要使供電系統(tǒng)輸入電流的脈動盡可能減小，則需控制流過電感的電流ILo跟隨脈沖負(fù)載引起電流中的平均電流Iavg(不考慮開關(guān)頻率紋波)，而脈動電流部分則盡量由輸出電容支路來提供，通過合理設(shè)計輸出電容大小來控制輸出電壓Uo的波動要求.

圖2 脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)模型Fig.2 Model of the pulse load power supply system

通過分析脈沖負(fù)載引起電流的組成，可以獲得如下結(jié)論：① 若供電系統(tǒng)中未采用DC/DC 變換器，則均存在較大的輸入電流脈動和輸出電壓波動；② 若供電系統(tǒng)中采用單級DC/DC變換器，則輸出穩(wěn)壓和輸入穩(wěn)流無法同時實現(xiàn)，要么允許脈沖負(fù)載功率以脈動電流的形式出現(xiàn)在供電系統(tǒng)輸入端，要么輸出電壓存在一定的波動范圍；③ 若供電系統(tǒng)采用兩級變換器級聯(lián)結(jié)構(gòu)，前級變換器允許輸出電壓存在一定的波動來實現(xiàn)輸入電流跟隨脈沖負(fù)載引起電流的平均電流部分(即穩(wěn)定輸入電流)，中間電容為脈沖負(fù)載提供脈動功率，后級變換器在輸入電壓波動時控制輸出電壓的穩(wěn)定.這樣前后兩級變換器分別實現(xiàn)不同的功能，脈動功率由中間電容來承擔(dān)，從而能夠同時保證脈沖負(fù)載的高精度供電和平抑脈沖負(fù)載對供電系統(tǒng)輸入側(cè)的沖擊.

1.3 脈沖負(fù)載對綜合電力系統(tǒng)的影響

船舶綜合電力系統(tǒng)與陸地大電網(wǎng)相比是一個“源-網(wǎng)-荷”緊密連接的獨立電力系統(tǒng)，具有“強耦合、非線性、高協(xié)同”的特點，依賴發(fā)電機組電壓頻率調(diào)整來實現(xiàn)穩(wěn)定控制，因電纜線路長度短、線路損耗小、短路電流大，系統(tǒng)狀態(tài)信息迅速地在內(nèi)部傳播，系統(tǒng)工況復(fù)雜，負(fù)載變化頻繁，受限的發(fā)電機組容量及轉(zhuǎn)動慣量會讓大功率沖擊性負(fù)載對系統(tǒng)造成不良影響，由于工作環(huán)境惡劣，空間位置有限，供電系統(tǒng)及其關(guān)鍵設(shè)備的可靠性、生命力、緊湊性要求高.

大功率多模式脈沖負(fù)載加入船舶綜合電力系統(tǒng)中，會給系統(tǒng)穩(wěn)定運行和控制增加難度，如表2所示.因此，綜合電力系統(tǒng)為適配脈沖負(fù)載，根據(jù)脈沖負(fù)載功率需求特性，其供電裝置需配置能量緩沖環(huán)節(jié)對功率進(jìn)行平滑處理之后再與船舶主電網(wǎng)連接，不僅需要增大電站容量，還應(yīng)優(yōu)化電站、儲能與負(fù)載之間的協(xié)調(diào)能力，以提升船舶載荷與供電品質(zhì).

表2 大功率多模式脈沖負(fù)載適應(yīng)性綜合電力系統(tǒng)特點

2 大功率多模式抗沖擊脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)優(yōu)化

脈沖負(fù)載種類很多，根據(jù)其功率等級、周期時間尺度和工作特點會采用不同的供電結(jié)構(gòu)[21].傳統(tǒng)脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)由柴油發(fā)電機組、三相變壓器、不可控整流橋、LC濾波器以及脈沖型負(fù)荷組成.新型脈沖負(fù)載供電方案將采用功率平抑、能量分組、諧波治理、事故備用等技術(shù)所構(gòu)建的電力網(wǎng)絡(luò)保證大容量船舶電站安全供電和負(fù)載精準(zhǔn)得電要求.

2.1 功率平抑

具有“寬工作頻率、多工作模式和高功率”特性的新型雷達(dá)陣面會嚴(yán)重影響電網(wǎng)平穩(wěn)運行，所以需要采取功率波動抑制手段.由于雷達(dá)功率波動隨著探測目標(biāo)的軌跡呈現(xiàn)不確定性，所以須按照負(fù)載最嚴(yán)苛狀態(tài)對系統(tǒng)的影響進(jìn)行設(shè)置.如果單獨設(shè)置一套大容量平抑設(shè)備可能會造成與總體適裝性上的矛盾，同時也增加了單一故障對全船使命任務(wù)造成影響的風(fēng)險.因此在設(shè)計中采用從交流側(cè)到負(fù)載側(cè)，加入多級穩(wěn)壓電路的方式對脈沖負(fù)載進(jìn)行隔離.脈沖負(fù)載的傳統(tǒng)供電系統(tǒng)由柴油發(fā)電機組、三相變壓器、不可控整流橋、LC濾波器以及脈沖型負(fù)荷組成，在整流電路與脈沖負(fù)載之間加入Buck電路和Boost電路的級聯(lián)模塊，作為功率平抑裝置，減少脈沖負(fù)載對交流側(cè)系統(tǒng)的功率沖擊，如圖3所示.其中：PP為脈沖負(fù)載功率峰值；S為脈沖開關(guān)；L為電感；C為電容.

圖3 串聯(lián)功率平抑單元的脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)Fig.3 Pulse load power supply system of cascade connected power suppression unit

在確定了功率平抑裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之后，需要對Buck電路和Boost電路中的元器件參數(shù)進(jìn)行確定，以確保其能夠有效地緩解脈沖負(fù)載接入系統(tǒng)后的沖擊，電路參數(shù)的選擇涉及到電路所帶的負(fù)載功率脈沖參數(shù)，詳見第3節(jié).

2.2 能量分組與備用

新型雷達(dá)陣面供電需求較大，若采用常規(guī)單路供電形式單路供電電流將超過1×104A，大電流傳輸所需要的設(shè)備安裝、電纜附設(shè)、開關(guān)保護(hù)器件選擇均會成為工程實施的難點.因此，將雷達(dá)陣面供電獨立于全船其他任務(wù)和日用設(shè)備，采用分組傳輸?shù)男问綄崿F(xiàn)，具體分組可根據(jù)陣面功率大小確定.采用分組能量傳輸后，設(shè)置臨時電纜跨接環(huán)節(jié)來提高設(shè)備單一故障后的可用性.

由于采用兩級直流變壓環(huán)節(jié)，通過分組供電與多路配電相結(jié)合的方式利用故障后臨時電纜敷接實現(xiàn)故障重構(gòu)，保證設(shè)備單一故障后的可用性，提高負(fù)載供電生命力.故障模式下的重構(gòu)連接如圖4所示.第1組供電支路上的移相變壓器、平抑電源(脈沖平抑電源轉(zhuǎn)換裝置)、直流配電板損壞時，該組的每路陣面電源可分別從鄰近的直流配電板連接取電，以保證其正常工作.

圖4 故障模式下的重構(gòu)連接示意圖Fig.4 Schematic diagram of reconstructed connection in fault mode

2.3 諧波治理

脈沖負(fù)載為直流負(fù)載，其供電系統(tǒng)存在整流環(huán)節(jié).整流電路有傳統(tǒng)的三相6 脈沖不可控全橋整流、多脈沖整流(多脈沖變壓器+不可控整流橋)、脈沖寬度調(diào)制(PWM)整流3種方案.3種方案的主要性能指標(biāo)比較如表3所示.其中：THD為總諧波失真理論值；m為脈波數(shù).

表3 3種整流電路方案的主要性能指標(biāo)比較Tab.3 Comparison of main performance indexes of three rectifier circuit schemes

多脈沖整流是通過不同的繞組聯(lián)結(jié)方式得到相位不同的電壓矢量，使得網(wǎng)側(cè)電流由不同相位的電流矢量疊加而成，使整流電路網(wǎng)側(cè)的方波電流變?yōu)榀B加而成的階梯波電流.整流脈沖數(shù)增多，根據(jù)階梯波抵消原理，合成電流波形的階梯數(shù)越多，電流中諧波成份越少，THD 越小，變壓器漏抗使階梯波邊沿變緩，因而實際THD會略小于理論值[22].

對于可控PWM整流裝置，其可以實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流正弦化，且運行于單位功率因數(shù)，目前應(yīng)用也非常廣泛，雖然其存在很多優(yōu)點，技術(shù)也日趨成熟，但在含脈沖負(fù)載的船舶電力系統(tǒng)中，其使用對比不可控整流裝置存在鎖相不準(zhǔn)確、高頻諧波和功耗較高等問題.

2.3.1鎖相問題 含脈沖負(fù)載的船舶電力系統(tǒng)中電網(wǎng)環(huán)境較為惡劣，存在電壓畸變，如諧波、頻率突變、相位突變以及三相不平衡等電能質(zhì)量問題.在PWM整流器控制中，為實現(xiàn)其網(wǎng)側(cè)有功、無功功率控制，同步坐標(biāo)系下電流內(nèi)環(huán)控制一般需要鎖相環(huán)節(jié)對電網(wǎng)電壓進(jìn)行鎖相，動態(tài)獲取電網(wǎng)電壓相位信息，實現(xiàn)直軸d和交軸q的定位，提供計算基準(zhǔn).目前的電壓過零鎖相電路依賴于電壓信號零點時刻的檢測，當(dāng)系統(tǒng)存在電壓畸變時，電壓信號零點與基波零點不一致，鎖相環(huán)無畸變電壓的抑制能力，因而在畸變電壓條件下會得到錯誤的相位信息，無法快速、準(zhǔn)確地鎖定電壓相位，進(jìn)而對于需要系統(tǒng)電壓同步的PWM整流器產(chǎn)生影響，使其輸出電流產(chǎn)生異常，更進(jìn)一步惡化電網(wǎng)的電能質(zhì)量.現(xiàn)在已經(jīng)有很多學(xué)者對應(yīng)用于不理想電網(wǎng)環(huán)境下的改進(jìn)型鎖相環(huán)技術(shù)進(jìn)行研究，但目前還缺乏專門針對含脈沖負(fù)載獨立電網(wǎng)的鎖相技術(shù).文獻(xiàn)[23]對脈沖負(fù)荷的沖擊作用進(jìn)行了研究.仿真結(jié)果表明，脈沖負(fù)載供電采用不可控整流形式比可控整流形式對艦船電力系統(tǒng)造成的沖擊小得多.因此在飛機、艦船等獨立電力系統(tǒng)中，為提高系統(tǒng)的可靠性和安全性，大多采用不可控整流形式.

2.3.2高頻諧波問題 可控整流采用PWM技術(shù)，在開關(guān)頻率附近產(chǎn)生高次特征諧波，給電網(wǎng)帶來高次諧波污染.為消除諧波污染，會在電網(wǎng)和整流器之間加入濾波裝置，基于電感電容電感(LCL)型的濾波器應(yīng)用最為廣泛，兼顧低頻段增益和高頻段的衰減.但采用LCL輸出濾波的PWM整流器為3階系統(tǒng)，存在固有的諧振頻率點，如果獨立電力系統(tǒng)中由于脈沖負(fù)載而存在的某次諧波與PWM整流器的固有諧振頻率相近或者相等時，將會產(chǎn)生諧波諧振現(xiàn)象，使本身較小的諧波成分嚴(yán)重放大，并且隨著并聯(lián)的PWM整流器個數(shù)增加，諧振峰的頻率向低頻段移動，電能質(zhì)量嚴(yán)重下降.多個PWM整流器并聯(lián)運行的仿真結(jié)果如圖5所示.其中：Φ為相位；M為幅值增益；f為電網(wǎng)頻率；U為電壓；I為電流；N為變流器并聯(lián)個數(shù)；PCC為公共連接點.

圖5 多個PWM整流器并聯(lián)運行的仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of several PWM rectifiers running in parallel

在指令電流中加入250、550、950 Hz的諧波成分，對多個整流器并聯(lián)運行進(jìn)行仿真，可以得到LCL型PWM整流器諧波放大現(xiàn)象的950 Hz成分?jǐn)?shù)據(jù)，如表4所示.從表4中可以看到，950 Hz成分隨著并聯(lián)PWM整流器個數(shù)的增加，出現(xiàn)了嚴(yán)重的放大情況.

表4 PWM整流器的950 Hz諧波Tab.4 950 Hz components of PWM rectifier

由圖5(b)可知，在250 Hz 頻率上，變流器并聯(lián)個數(shù)的增加對輸出電流的影響不大，沒有出現(xiàn)諧振現(xiàn)象；在550 Hz頻率上，隨著變流器并聯(lián)個數(shù)的增加，輸出電流、電容電壓和公共連接點，即系統(tǒng)交流母線與整流器連接點，電壓開始出現(xiàn)放大現(xiàn)象；在950 Hz 頻率上，隨著變流器并聯(lián)個數(shù)的增加，輸出電流出現(xiàn)了明顯的放大，8臺變流器并聯(lián)時，電容電壓和PCC電壓都出現(xiàn)了諧振現(xiàn)象，而在實際工程中，大功率脈沖負(fù)載的供電往往會采用多組形式，降低單臺設(shè)備的功率和體積.

2.3.3功率損耗 由于半導(dǎo)體材料的特性，其本身在開關(guān)過程中會產(chǎn)生功率損耗，一方面降低系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率，另一方面會使設(shè)備產(chǎn)生熱量，需要考慮散熱問題.全控性元器件，如絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的功率損耗主要來源:飽和開通狀態(tài)下通態(tài)電阻產(chǎn)生的通態(tài)損耗和開關(guān)過程中電流電壓不同步引起的開關(guān)損耗.二極管的功率損耗則包括導(dǎo)通損耗和反向恢復(fù)損耗，由于其反向漏電流很小，故反向損耗很低[24-25].傳統(tǒng)Si二極管存在反向恢復(fù)電流，而新型碳化硅肖特基勢壘二極管(SBD)沒有反向恢復(fù)損耗.相比于可控PWM整流來說，不可控整流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中只有二極管一種功率器件，因此在相同工況下，PWM整流器的損耗大于不可控整流器，且開關(guān)管工作溫度也偏高.若再計及控制器，采樣電路等的損耗，二者差距將更加明顯.大功率脈沖負(fù)載的供電系統(tǒng)的輸出功率大，功率密度高，設(shè)備存放空間相對較小，故電源的熱量產(chǎn)生及散熱問題也是供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計中要考慮的因素之一.

濾波器能夠治理諧波，無源濾波器結(jié)構(gòu)簡單、運行穩(wěn)定，但只能補償固定頻率的諧波，且易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波放大，有源濾波器可動態(tài)濾除各次諧波，但可靠性相對較低，在高頻、大功率的場合不適用.文獻(xiàn)[26]將大容量無源濾波器和較小容量的有源濾波器組合，應(yīng)用于多工作模式下的船舶電力系統(tǒng)，但若用于含大功率脈沖負(fù)載的系統(tǒng)，不僅增加成本和空間，還需要特殊設(shè)計[27]，并不適用.

因此，新型脈沖負(fù)載供電結(jié)構(gòu)中直流環(huán)節(jié)采用“兩級DC/DC互聯(lián)直流變換器”提供負(fù)載脈動功率部分，緩解負(fù)載沖擊和保證供電精度；整流環(huán)節(jié)采用“多脈波變壓器+不可控整流”治理電能質(zhì)量污染問題；最后發(fā)電機組提供負(fù)載平均功率部分，充分其固有機械慣量，減少直流環(huán)節(jié)電容儲能容量，節(jié)省船上的空間，提高供電系統(tǒng)的功率密度和能量密度[17]，即“多脈波變壓器+不可控整流+兩級DC/DC互聯(lián)直流變換器”的結(jié)構(gòu)，如圖6所示.其中：AC為交流；粉色區(qū)域中，VT1和D1為Buck電路的開關(guān)管及控制信號，L1和C1為Buck電路的濾波電感和輸出電容；黃色區(qū)域中，VT2和D2為Boost電路的開關(guān)管及控制信號，L2和C2為Boost電路的濾波電感和輸出電容.考慮到綜合電力系統(tǒng)含有大量電力電子開關(guān)，和“寬工作頻率、多工作模式”的脈沖負(fù)載對系統(tǒng)的影響，將會出現(xiàn)大量諧波，多脈波數(shù)選用24脈.

圖6 船舶大功率脈沖負(fù)載抗沖擊供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.6 Surge-suppression power supply system for ship high-power pulse loads

3 脈沖負(fù)載能量緩沖單元參數(shù)設(shè)計

3.1 Buck電路結(jié)構(gòu)與參數(shù)的設(shè)計

由于輸出直流電壓的波動大小與輸出濾波電感和輸出濾波電容的大小有直接關(guān)系，所以在分析功率等級、開關(guān)頻率和控制方式對輸出阻抗的影響之前，有必要先給出輸出濾波器的設(shè)計.Buck電路結(jié)構(gòu)見圖6粉色區(qū)域.當(dāng)限定了輸出濾波電感電流的脈動大小δ時，濾波電感可由下式求得：

(3)

式中：Po為額定輸出功率；fs為電感電流的脈動頻率.當(dāng)濾波電感大小確定后，電感電流的脈動大小為

(4)

假定電感電流的脈動量完全由輸出濾波電容來承擔(dān)，則輸出電壓的紋波為

(5)

將式(4)代入式(5)，得到：

(6)

式中：RC為電容的等效串聯(lián)電阻.

當(dāng)要求輸出電壓的紋波量不大于輸出電壓波動大小γ時，忽略RC，則根據(jù)式(6)可以推導(dǎo)出輸出濾波電容的計算公式為

(7)

3.2 Boost電路結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計

Boost電路結(jié)構(gòu)見圖6黃色區(qū)域.影響輸出電容器的選擇因素有開關(guān)頻率的紋波電流、二次諧波的紋波電流、直流輸出電壓、輸出紋波電壓和維持時間.輸出電容值由如下公式表示：

(8)

式中：ΔU為紋波電壓峰峰值；η為變換器效率；f=50 Hz，為電網(wǎng)頻率.對Boost電路的電感設(shè)計，當(dāng)為電流連續(xù)模式時，其具體公式為

(9)

而電感電流的脈動大小為

(10)

可得電感的計算公式為

(11)

4 算例仿真分析

柴油電機組輸出端 6 600 V三相交流電經(jīng)過24脈波不可控整流，然后經(jīng)過兩級互聯(lián)直流變換，前級Buck電路母線電壓為DC510 V，后級Boost電路輸出DC710 V，供給脈沖負(fù)載，在MATLAB/Simulink中搭建相應(yīng)模型，如圖7所示.其中：G為柴油發(fā)動機；M為推進(jìn)電機.其中級聯(lián)DC/DC電路參數(shù)計算見4.1節(jié).

圖7 新型脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Simulation structure of the new pulse loads power supply system

4.1 Buck電路和Boost電路參數(shù)取值

根據(jù)實船項目的要求，Buck電路輸出電壓波動率為±5%，則γ取為10%.本文選擇濾波電感電流的脈動大小為負(fù)載電流的20%.當(dāng)系統(tǒng)要求帶脈沖負(fù)載時，Po=300 kW，Uo=510 V，開關(guān)頻率為 6.4 kHz.根據(jù)式(3)和(7)，可以得到：

根據(jù)實際器件選取及裕量考慮，最終取值為C1=100 μF，L1=200 μH.

Boost 電路輸出電壓波動為 ±10 V，當(dāng)系統(tǒng)要求帶負(fù)載2時，其輸出功率為Po=300 kW，Uo=710 V，開關(guān)頻率為6.4 kHz，變換器效率η=0.9.同樣，根據(jù)前面電容電感計算式(8)和(9)，得到：

根據(jù)實際器件選取及裕量考慮，最終取值C2=70 mF，L2=150 μH.

4.2 傳統(tǒng)和新型脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)性能對比

為充分驗證上述結(jié)構(gòu)的有效性，對負(fù)載的5種不同工作模式下的實際波形(見表1)進(jìn)行模擬，分別接入傳統(tǒng)(由三相變壓器、不可控整流橋和LC濾波器組成)和新型脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)中進(jìn)行仿真分析，驗證不同脈沖負(fù)載對系統(tǒng)的影響，包括交流側(cè)電壓、電流畸變率，發(fā)電機端電壓Vd、Vq波動率，以及直流側(cè)電壓波動率，結(jié)果如表5和6所示.

表5 傳統(tǒng)脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)性能Tab.5 Performance of traditional pulse loads power supply system

表6 新型脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)性能Tab.6 Performance of new pulse loads power supply system

從表5和6可以看出，傳統(tǒng)脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)無論接入哪種類型的脈沖負(fù)荷，交流側(cè)電壓電流畸變率都嚴(yán)重超標(biāo)，電能質(zhì)量問題嚴(yán)重，并且對發(fā)電機內(nèi)部特性影響較大.當(dāng)接入負(fù)載2時，對系統(tǒng)的影響最大，直流側(cè)波動達(dá)到163.7 V.新型脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)下，各類型脈沖負(fù)載對系統(tǒng)的影響明顯降低，直流側(cè)電壓也在非常小的范圍內(nèi)波動.工作模式為負(fù)載2時，傳統(tǒng)和新型脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)仿真波形如圖8和9所示.其中：Uabc為發(fā)電機輸出交流電壓；Iabc為發(fā)電機輸出交流電流；UBuck、UBoost分別為Buck電路和Boost電路輸出直流母線電壓.由圖9可知，在加入脈沖負(fù)載以后，新型脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)中Buck電路輸出直流母線電壓穩(wěn)定后的電壓波動范圍在490～530 V，Boost電路輸出直流母線電壓穩(wěn)定后的電壓波動范圍在705～715 V，電壓波動率滿足±5 V的要求.

圖8 負(fù)載2模式下傳統(tǒng)脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)仿真波形Fig.8 Simulation waveforms of the conventional pulsed power supply system at load 2 mode

圖9 負(fù)載2模式下新型脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)仿真波形Fig.9 Simulation waveforms of the new pulsed power supply system at load 2 mode

5 結(jié)論

本文對含大功率脈沖負(fù)載的船舶綜合電力系統(tǒng)進(jìn)行了研究，包括脈沖負(fù)載特性和大功率多模式脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)優(yōu)化兩方面，通過理論研究和仿真分析可以得到如下結(jié)論.

(1) 脈沖負(fù)載電流中所含諧波分量的大小只與脈沖占空比有關(guān)，諧波基頻與脈沖頻率有關(guān).

(2) 脈沖負(fù)載引起的電流包含脈動電流和平均電流兩部分，其供電系統(tǒng)中直流環(huán)節(jié)可采用雙級變換器級聯(lián)結(jié)構(gòu)，降低脈沖負(fù)載沖擊并保證高精度供電.

(3) 在含脈沖負(fù)載的船舶電力系統(tǒng)中，不可控整流結(jié)構(gòu)較可控整流結(jié)構(gòu)更合適，通過多脈波變壓器改善電網(wǎng)電能質(zhì)量.

所以，大功率多模式脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)可采用“多脈波變壓器+不可控整流+兩級互聯(lián)DC/DC直流變換器”的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化電站、儲能與負(fù)載之間的協(xié)調(diào)能力，提升了船舶電力系統(tǒng)載荷能力與供電品質(zhì)：① 通過多級能量緩沖，平抑脈沖負(fù)載沖擊并減少儲能元件單體的體積；② 通過有效控制特殊負(fù)載的諧波污染，降低其運行時對其他敏感性負(fù)載的影響；③ 通過模塊化、多冗余設(shè)計，提高特殊負(fù)載的供電生命力.

本文對供電系統(tǒng)中能量緩沖單元參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計和計算，但該環(huán)節(jié)的控制策略和參數(shù)優(yōu)化方面還需要進(jìn)一步研究，而且隨著脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)變復(fù)雜，其建模與穩(wěn)定分析也變得困難.下一步工作是基于本文供電結(jié)構(gòu)，建立大信號分析模型，推導(dǎo)出系統(tǒng)大擾動下的穩(wěn)定性判據(jù)，并分析物理參數(shù)和控制參數(shù)對穩(wěn)定域的影響.