有限容量系統(tǒng)脈沖性負(fù)荷建模與仿真

劉正春，王 勇，尹志勇，王文婷

(軍械工程學(xué)院，河北 石家莊050003)

0 引 言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，電力系統(tǒng)中的負(fù)荷日趨復(fù)雜化和多樣化。電氣化鐵路、冶金等電網(wǎng)中大功率非線性、沖擊性及波動(dòng)性等特殊負(fù)荷的應(yīng)用，使得電網(wǎng)產(chǎn)生諧波、三相不平衡、電壓波動(dòng)與閃變等電能質(zhì)量問(wèn)題［1，2］。尤其是在有限容量的電力系統(tǒng)中，特殊負(fù)荷對(duì)發(fā)電機(jī)的影響則表現(xiàn)得更為明顯，因此，建立特殊負(fù)荷模型對(duì)電力系統(tǒng)分析控制的重要性已受到廣泛關(guān)注［3］。

目前對(duì)諧波性負(fù)荷和沖擊性負(fù)荷的研究已經(jīng)普遍開(kāi)展，并且有了較為明確的定義，但對(duì)脈沖性負(fù)荷的研究還比較少。本文主要對(duì)脈沖性負(fù)荷的機(jī)理進(jìn)行理論分析，設(shè)計(jì)了3 種不同結(jié)構(gòu)的脈沖性負(fù)荷電路模型，并進(jìn)行分析、仿真與計(jì)算，找出不同結(jié)構(gòu)之間實(shí)現(xiàn)脈沖性負(fù)載的差異，并討論其對(duì)發(fā)電機(jī)的影響和各自適用場(chǎng)合。

1 脈沖性負(fù)荷的定義與特征

由于特殊負(fù)荷的分類(lèi)還不太明確，對(duì)脈沖性負(fù)荷的研究還比較少，目前一般將其籠統(tǒng)歸類(lèi)為沖擊性負(fù)荷。沖擊性負(fù)荷的定義為“具有周期性或非周期性，突然變化很大的負(fù)荷”，如電弧煉鋼爐、軋鋼機(jī)等。這類(lèi)負(fù)荷對(duì)電力系統(tǒng)的影響較大，其變化峰值相對(duì)于系統(tǒng)容量也較大，對(duì)其周期性的定義一般在幾s 到幾min［4，5］。

而事實(shí)上，電力系統(tǒng)中還存在著一些沖擊頻率較高、作用時(shí)間短、功率變化快，峰值功率很高，但平均功率較低的負(fù)荷，如，雷達(dá)發(fā)射機(jī)的工作頻率可達(dá)400 Hz，而平均功率只有2.8 kW［6］。這類(lèi)負(fù)荷目前的概念與界定都比較模糊。

經(jīng)過(guò)對(duì)各種設(shè)備負(fù)荷特性的研究，本文給出脈沖性負(fù)荷的定義:“用電特性參數(shù)值在短持續(xù)時(shí)間內(nèi)突變后，迅速回到其初始狀態(tài)，突變的峰值功率很高，但平均功率較低，且具有一定周期性的負(fù)荷?！?/p>

其特征表現(xiàn)為:

(1)具有連續(xù)周期性，頻率一般大于10 Hz(T≤100 ms);

(2)具有突變性，負(fù)載狀態(tài)可在瞬間變化，作用時(shí)間短;

(3)功率變化快，峰值功率很高，平均功率較低;

例如航標(biāo)燈、移動(dòng)數(shù)字設(shè)備、電動(dòng)汽車(chē)、定向能武器、脈沖發(fā)電機(jī)［7，8］等都是比較典型的脈沖性負(fù)載。

2 幾種脈沖性負(fù)荷電路結(jié)構(gòu)

2.1 AC 半控型脈沖負(fù)載結(jié)構(gòu)(Ⅰ型)

根據(jù)上述負(fù)荷特征，可知脈沖性負(fù)荷的特征參數(shù)主要為工作頻率、占空比和幅值。為了進(jìn)一步研究脈沖性負(fù)荷對(duì)有限容量系統(tǒng)的影響，根據(jù)這3 個(gè)參數(shù)來(lái)建立脈沖性負(fù)荷的電路結(jié)構(gòu)。

AC 半控型脈沖負(fù)載結(jié)構(gòu)是最簡(jiǎn)單的脈沖性負(fù)載實(shí)現(xiàn)電路，如圖1 所示。

圖1 AC 半控型脈沖負(fù)載結(jié)構(gòu)及其波形Fig.1 Basic structure and waveform ofAC semi-control pulsed load

Ⅰ型結(jié)構(gòu)由1 個(gè)控制單元、2 個(gè)晶閘管(VT1和VT2)和1 個(gè)負(fù)載Rload即可實(shí)現(xiàn)，虛線部分可采用1 個(gè)雙向可控硅來(lái)代替。通過(guò)控制晶閘管的觸發(fā)角α，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓(負(fù)載電壓占空比)的控制。負(fù)載電壓有效值Uout，負(fù)載功率Pout與功率因數(shù)λ 分別為［9］

從Ⅰ型電路輸出電壓波形可以看出，該負(fù)荷的用電特性呈周期性，且負(fù)載功率隨著α 的增大減小，功率因數(shù)也隨之減小。

2.2 AC 全控型脈沖負(fù)載結(jié)構(gòu)(Ⅱ型)

由于晶閘管必須在電流反向或?yàn)? 的條件下關(guān)斷，所以Ⅰ型電路的脈沖頻率只能由輸入電流頻率來(lái)決定，因此AC 半控型脈沖負(fù)載的工作頻率最高只能是輸入頻率的2 倍頻，比如工頻發(fā)電機(jī)下的最高工作頻率為100 Hz，而中頻發(fā)電機(jī)下的最高工作頻率可為800 Hz。為了實(shí)現(xiàn)脈沖負(fù)載工作頻率可控，故采用圖2 所示電路結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)建脈沖負(fù)載。

AC 全控型脈沖負(fù)載結(jié)構(gòu)由4 個(gè)帶反向二極管的IGBT、1 個(gè)控制單元和1 個(gè)負(fù)載Rload構(gòu)成。其中每2 個(gè)IGBT 可組成一雙向可控開(kāi)關(guān)，如V1－VD1與V2－ VD2，V1與V2組合用于控制輸入電流i1的通斷，V3與V4給負(fù)載電流提供續(xù)流通道。設(shè)V1與V2導(dǎo)通時(shí)間為ton，開(kāi)關(guān)周期為T(mén)，則導(dǎo)通比α = ton/T 。通過(guò)計(jì)算也可以知道，該電路的輸出功率與輸出電壓均與觸發(fā)角α 有關(guān)。

因?yàn)镮GBT 的導(dǎo)通與關(guān)斷可由控制信號(hào)完全控制，Ⅱ型結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)負(fù)載脈沖的頻率完全可調(diào)。從電壓波形圖可以看出，負(fù)載脈沖頻率可為輸入頻率的高次倍(圖中所示為輸入頻率的4 倍頻)。

圖2 AC 全控型脈沖負(fù)載結(jié)構(gòu)及其波形Fig.2 Structure and waveform of AC control pulsed load

2.3 三相同幅脈沖負(fù)載結(jié)構(gòu)(Ⅲ型)

AC 全控型脈沖負(fù)載的脈沖幅度受輸入波形的影響，以正弦波形為包絡(luò)線，且其幅度不可控。三相同幅脈沖負(fù)載結(jié)構(gòu)，其脈沖的幅度可由負(fù)載決定，其電路結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 三相同幅脈沖負(fù)載結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of 3-phase same amplitude pulsed load

AC 全控型脈沖負(fù)載結(jié)構(gòu)由6 個(gè)晶閘管和控制單元組成整流電路，共陰極組中與a，b，c 三相電源相接的3 個(gè)晶閘管分別為VT1，VT3，VT5，共陽(yáng)極組中與a，b，c 三相電源相接的3 個(gè)晶閘管分別為VT6，VT4，VT2，按此編號(hào)，晶閘管導(dǎo)通順序?yàn)? －2 －3 －4 －5 －6。整流出來(lái)的波形通過(guò)V1的通斷產(chǎn)生脈動(dòng)。此種脈沖性負(fù)荷產(chǎn)生的脈沖幅度可由負(fù)載Rload決定，V1采用IGBT，可實(shí)現(xiàn)高頻脈沖控制。

3 有限容量系統(tǒng)的幾種脈沖性負(fù)荷仿真分析

3.1 Ⅰ型負(fù)荷仿真分析

根據(jù)AC 半控型脈沖負(fù)載結(jié)構(gòu)原理，構(gòu)建Ⅰ型負(fù)荷的Simulink 模型。模型采用永磁同步電機(jī)模型對(duì)該負(fù)載供電。其中，設(shè)定發(fā)電機(jī)額定功率為100 kW，額定頻率50 Hz，Rload負(fù)載功率30 kW(單相)，脈沖頻率100 Hz，占空比50 %。由斷路器控制在2 s 時(shí)刻接入a 相母線。

該系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖4 所示，可以看出發(fā)電機(jī)輸出在啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生沖擊，在大約1.5 s 時(shí)穩(wěn)定。當(dāng)2 s 時(shí)刻斷路器閉合，接入脈沖負(fù)載后，再次產(chǎn)生沖擊，其轉(zhuǎn)速在3 s 處區(qū)域穩(wěn)定。但a 相電流有效值與輸出的瞬時(shí)功率發(fā)生持續(xù)周期性振蕩。

圖4 永磁同步發(fā)電機(jī)輸出波形Fig.4 Output waveform ofmagneto synchronous generator

從圖4 可以看出發(fā)電機(jī)a 相線電流輸出情況，為了進(jìn)一步觀察脈沖負(fù)載對(duì)發(fā)電機(jī)的影響細(xì)節(jié)，圖5 為將t 軸放大的各電氣參數(shù)波形圖。可以看出，電機(jī)輸出a 相電流不僅在幅值上有波動(dòng)，在波形上也出現(xiàn)了周期性的畸變，畸變出現(xiàn)在負(fù)載脈沖發(fā)生時(shí)刻，電流波形有一個(gè)突降;b 相電流也在負(fù)載接入時(shí)刻發(fā)生了微小的畸變，但其影響不如a 相電流。

圖5 放大后各電氣參數(shù)波形Fig.5 Waveforms of amplified electrical parameters

3.2 Ⅱ型負(fù)荷仿真分析

根據(jù)AC 全控型脈沖負(fù)載結(jié)構(gòu)原理，構(gòu)建Ⅱ型負(fù)荷的Simulink 模型，發(fā)電機(jī)模型采用與上節(jié)同樣的設(shè)置，設(shè)定Rload負(fù)載有功功率25 kW，無(wú)功功率8 var，單相功率為26.3 kVA，由斷路器控制在2 s 時(shí)刻接入a 相母線。

該系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖6 所示，從左至右脈沖負(fù)載頻率分別為100 Hz(2 倍頻)、400 Hz(8 倍頻)、400 Hz，占空比分別為50 %，50 %，20 %。可以看出，不同的脈沖頻率下，ab 相電流產(chǎn)生畸變的次數(shù)不同，1 個(gè)周期內(nèi)，100 Hz 負(fù)載影響電流畸變?yōu)? 次，400 Hz 下畸變?yōu)? 次;從右邊2 幅圖比較的情況看來(lái)，占空比越小，畸變的程度就越小。這是因?yàn)?，占空比小的脈沖突變功率小，故對(duì)發(fā)電機(jī)的影響就小。

b 相電流也受到同樣的擾動(dòng)，但其影響程度比a 相電流要小。

圖6 Ⅱ型負(fù)載不同工況下仿真波形Fig.6 Simulating waveforms oftype II load under different working conditions

3.3 Ⅲ型負(fù)荷仿真分析

根據(jù)三相同幅脈沖負(fù)載結(jié)構(gòu)原理，構(gòu)建Ⅲ型負(fù)荷的Simulink 模型，整流電路采用1 個(gè)6 同步脈沖發(fā)生器作為三相橋式整流電路的觸發(fā)控制信號(hào)，設(shè)置觸發(fā)為0°;設(shè)定Rload負(fù)載功率為80 kW，由斷路器控制在2 s 時(shí)刻接入母線。

負(fù)荷仿真結(jié)果如圖7 和圖8 所示。下圖為a相線電流在不同脈沖頻率下的波形，(由于是三相平衡負(fù)載，故不用再比較b 相電流)可以看出在負(fù)載接入時(shí)刻2 s 之后，發(fā)電機(jī)輸出電流的有效值發(fā)生周期性振蕩，比較50 Hz 與400 Hz 脈沖負(fù)載的a相線電流波形，可以看出，在脈沖頻率較低的情況下，振蕩比較明顯。

圖7 Ⅲ型負(fù)載不同工況下a 相線電流輸出波形Fig.7 Waveforms of a-phase output current oftype III load under different working conditions

圖8 Ⅲ型負(fù)載不同工況下仿真波形Fig.8 Simulating waveforms of type III load under different working conditions

將t 軸放大觀察輸出電流所受影響細(xì)節(jié)，如圖8 所示，可以發(fā)現(xiàn)低頻工況下，在負(fù)載用電時(shí)間段內(nèi)(負(fù)載脈沖時(shí)間內(nèi))為電源電流畸變時(shí)期，其畸變的情況又與整流設(shè)置有關(guān);在高頻工況下，波形受影響情況與Ⅱ型負(fù)載類(lèi)似，即，畸變發(fā)生次數(shù)與位置與脈沖頻率有關(guān)，并可以看出Ⅲ型負(fù)載結(jié)構(gòu)下的畸變大小比較均勻，這是因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)下的脈沖幅值幾乎相等。

3.4 仿真結(jié)果分析

比對(duì)這3 種負(fù)載下的有限容量電力系統(tǒng)的Simulink 仿真結(jié)果，觀察其對(duì)發(fā)電機(jī)的影響，可得到如下結(jié)論:

(1)發(fā)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速在負(fù)載接入時(shí)刻會(huì)產(chǎn)生一定的波動(dòng)，但很快趨于穩(wěn)定;

(2)脈沖性負(fù)載對(duì)輸入電流的影響不同于沖擊性負(fù)載:a.在負(fù)載接入時(shí)刻產(chǎn)生的波動(dòng)比接入沖擊性負(fù)載產(chǎn)生的波動(dòng)，從幅值、功率的角度來(lái)比較，要小很多;b.穩(wěn)定后，接沖擊性負(fù)載的輸入電流繼續(xù)以穩(wěn)定的正弦波形產(chǎn)生，而接脈沖性負(fù)載的輸入電流產(chǎn)生持續(xù)、周期性的畸變;

(3)脈沖負(fù)載影響畸變的因數(shù):a.一個(gè)周期內(nèi)畸變的次數(shù)=脈沖頻率/輸入電流頻率;b.畸變產(chǎn)生的位置與脈沖位置對(duì)應(yīng);c.畸變的大小與負(fù)載脈沖的占空比和脈沖幅值有關(guān):占空比越大，畸變?cè)酱?脈沖幅值越大，畸變?cè)酱蟆?/p>

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了3 種結(jié)構(gòu)的脈沖性負(fù)載，分別為AC 半控型脈沖負(fù)載(Ⅰ型)，AC 全控型脈沖負(fù)載(Ⅱ型)，三相同幅脈沖負(fù)載(Ⅲ型)。其中，Ⅰ型負(fù)載結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，成本較低，占空比可調(diào)，可做為單相或多相負(fù)載使用，但僅可模擬低頻脈沖;Ⅱ型負(fù)載結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)成本高(單相4 個(gè)IGBT器件)，脈沖占空比與頻率均可調(diào)，可用于模擬單相或多相負(fù)載;Ⅲ型負(fù)載脈沖占空比與頻率均可調(diào)(低頻與高頻均可模擬)，各脈沖幅度幾乎相同，可用于模擬整流后脈沖負(fù)載特性，其脈沖幅度可由整流端所接負(fù)載來(lái)決定。

脈沖負(fù)載模型的建立與結(jié)構(gòu)分析對(duì)進(jìn)一步研究脈沖負(fù)荷對(duì)電力系統(tǒng)的影響，制定相應(yīng)的補(bǔ)償措施，研制控制設(shè)備有重要的意義。

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