摘要：分析船舶新型脈沖負載特性及其影響，提出一種大功率多模式脈沖負載抗沖擊供電系統(tǒng)及其能量緩沖單元中電容電感的計算方法，實現(xiàn)脈沖負載的功率平抑、能量分組、諧波治理與事故備用，保證船舶電站安全和負載高精度供電.利用MATLAB/Simulink建立含大功率雷達負載的某新型測量船綜合電力系統(tǒng)仿真模型，驗證不同模式下脈沖負載抗沖擊供電系統(tǒng)的有效性.該結構不僅降低脈沖負載的沖擊，還有效抑制系統(tǒng)電壓諧波，解決大功率脈沖負載在獨立電力系統(tǒng)中應用的關鍵技術難題.

　　關鍵詞：抗沖擊供電系統(tǒng);大功率脈沖負載;綜合電力系統(tǒng);多脈波整流;電能質(zhì)量

　　隨著艦船技術的快速發(fā)展，高能武器、電磁發(fā)射裝置和新型雷達等功率脈沖型負載在船舶綜合電力系統(tǒng)中的應用越來越廣泛[1-2].脈沖型負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.當前高技術艦船承載的脈沖負載類型越來越多，如移動通訊設備、高功率武器、雷達、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.以大功率雷達負載為例，其工作周期為10-3～10-1s量級，長脈寬工作模式會導致供電系統(tǒng)功率波動[3-4].

　　船舶論文范例：船舶自主航行關鍵技術研究現(xiàn)狀與展望

　　新型大功率脈沖負載接入會造成如下影響：①電站機電調(diào)節(jié)控制器響應時間長，綜合電力系統(tǒng)無法滿足脈沖負載瞬時功率需求，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，干擾其他敏感負載.開展高動態(tài)響應升壓/降壓型變換器拓撲優(yōu)化工作，降低脈沖功率負載引起的電流紋波，避免脈沖負載對供電系統(tǒng)中直流母線的影響，是保證脈沖功率負載高性能穩(wěn)定工作的關鍵技術方法[9-10].目前，已有研究針對脈沖負載特性及其對獨立電力系統(tǒng)影響展開研究.文獻[11-12]研究了雷達脈沖負載的占空比、工作周期、峰值功率和濾波電容變化時對系統(tǒng)動態(tài)指標的影響規(guī)律.文獻[13]通過仿真研究了電網(wǎng)運行特性與脈沖負載工作模式之間的關系，分析了不同脈沖負載參數(shù)對電網(wǎng)運行特性的影響規(guī)律和程度.

　　文獻[14]建立了含脈沖負載的獨立電力系統(tǒng)模型，推導了源載耦合關系，通過理論結合試驗，找出交直流側之間影響的脈動頻率規(guī)律，對不同脈沖頻率、不同脈沖負載功率展開試驗，給出了脈沖負載功率分配表.上述文獻分析了脈沖負載及電路參數(shù)對系統(tǒng)的影響，對工程設計及后續(xù)脈沖負載在獨立電力系統(tǒng)中的應用做了重要鋪墊，但由于其所研究的脈沖負載功率較小且工作模式單一，所以采用的均是傳統(tǒng)負載供電結構.該結構由三相變壓器、不可控整流橋、電感電容(LC)濾波器組成，因缺乏負載電流快速跟蹤響應環(huán)節(jié)、直流母線電壓電流脈動抑制環(huán)節(jié)、交流側諧波治理環(huán)節(jié)等功能，已無法滿足大功率多模式脈沖負載動態(tài)響應需求和降低負載對船舶電力系統(tǒng)影響的要求.

　　文獻[15]對含脈沖負載的船舶電力推進系統(tǒng)進行研究，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系統(tǒng)及電站沖擊的作用，但該儲能方式并不適用于雷達等此類高頻脈沖負載.文獻[16]設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)，消除負載脈動對供電電源的不利影響，但對于兆瓦級負載并不適用.

　　目前，有學者提出了三相不可控整流器級聯(lián)Buck電路的新型雷達供電單元.文獻[17]建立新型脈沖負載等效拓撲及相應的潮流計算模型，可作為含脈沖負載獨立微電網(wǎng)運行特性及穩(wěn)定性分析的基礎.文獻[18]推導了新型脈沖負載供電結構的數(shù)學模型，通過仿真分析和實物驗證脈沖負載參數(shù)對獨立電力系統(tǒng)的影響規(guī)律.但是上述文獻未針對新型脈沖負載特點及其影響，從系統(tǒng)與負載的匹配性、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構、參數(shù)進行研究和設計.

　　本文分析了功率脈沖負載特性及其對電網(wǎng)的影響，優(yōu)化傳統(tǒng)脈沖負載供電結構，提出一種大功率多模式脈沖負載供電系統(tǒng)的設計方法，采用功率平抑、能量分組、諧波治理、事故備用等技術，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”的供電結構，并對能量緩沖環(huán)節(jié)中關鍵參數(shù)進行設計.仿真分析不同工作模式下負載對系統(tǒng)的影響，通過傳統(tǒng)和新型脈沖負載供電系統(tǒng)性能的對比，說明該結構能顯著改善交流側電壓電流的畸變率，降低交流側功率和直流側母線電壓的波動，驗證了系統(tǒng)結構及參數(shù)設計的正確性和有效性，對脈沖負載在獨立電力系統(tǒng)中的應用、設計和參數(shù)優(yōu)化等方面具有重要意義和參考價值.

　　1脈沖負載特性及其影響

　　1.1脈沖負載特性

　　新型脈沖負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].其中：Io為脈沖電流幅值;t為時間;pu.為電力系統(tǒng)的標么值，無單位或者認為為“1”.　　負載呈現(xiàn)脈沖形式，特別是負載在滿載與空載模式之間工作時，可簡化成方波來表示.

　　1.2脈沖負載供電系統(tǒng)模型脈沖負載供電系統(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兩條支路分攤，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跟隨脈沖負載引起電流中的平均電流Iavg(不考慮開關頻率紋波)，而脈動電流部分則盡量由輸出電容支路來提供，通過合理設計輸出電容大小來控制輸出電壓Uo的波動要求.

　　通過分析脈沖負載引起電流的組成，可以獲得如下結論：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)結構，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，從而能夠同時保證脈沖負載的高精度供電和平抑脈沖負載對供電系統(tǒng)輸入側的沖擊.

　　2大功率多模式抗沖擊脈沖負載供電系統(tǒng)優(yōu)化

　　脈沖負載種類很多，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構[21].傳統(tǒng)脈沖負載供電系統(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荷組成.新型脈沖負載供電方案將采用功率平抑、能量分組、諧波治理、事故備用等技術所構建的電力網(wǎng)絡保證大容量船舶電站安全供電和負載精準得電要求.

　　2.1功率平抑

　　具有“寬工作頻率、多工作模式和高功率”特性的新型雷達陣面會嚴重影響電網(wǎng)平穩(wěn)運行，所以需要采取功率波動抑制手段.由于雷達功率波動隨著探測目標的軌跡呈現(xiàn)不確定性，所以須按照負載最嚴苛狀態(tài)對系統(tǒng)的影響進行設置.如果單獨設置一套大容量平抑設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造成影響的風險.因此在設計中采用從交流側到負載側，加入多級穩(wěn)壓電路的方式對脈沖負載進行隔離.脈沖負載的傳統(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荷組成，在整流電路與脈沖負載之間加入Buck電路和Boost電路的級聯(lián)模塊，作為功率平抑裝置，減少脈沖負載對交流側系統(tǒng)的功率沖擊.

　　其中：PP為脈沖負載功率峰值;S為脈沖開關;L為電感;C為電容.3脈沖負載能量緩沖單元參數(shù)設計3.1Buck電路結構與參數(shù)的設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系，所以在分析功率等級、開關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計.

　　5結論

　　本文對含大功率脈沖負載的船舶綜合電力系統(tǒng)進行了研究，包括脈沖負載特性和大功率多模式脈沖負載供電系統(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論.

　　(1)脈沖負載電流中所含諧波分量的大小只與脈沖占空比有關，諧波基頻與脈沖頻率有關.(2)脈沖負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)結構，降低脈沖負載沖擊并保證高精度供電.(3)在含脈沖負載的船舶電力系統(tǒng)中，不可控整流結構較可控整流結構更合適，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”的結構，優(yōu)化電站、儲能與負載之間的協(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載的諧波污染，降低其運行時對其他敏感性負載的影響;③通過模塊化、多冗余設計，提高特殊負載的供電生命力.本文對供電系統(tǒng)中能量緩沖單元參數(shù)進行了設計和計算，但該環(huán)節(jié)的控制策略和參數(shù)優(yōu)化方面還需要進一步研究，而且隨著脈沖負載供電系統(tǒng)變復雜，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構，建立大信號分析模型，推導出系統(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.

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　　作者：龐宇1，2，黃文燾1，吳駿2，邰能靈1，孫國亮3