含脈沖負(fù)載的綜合電力系統(tǒng)運(yùn)行特性分析

陳宇航，王　剛

（1.海軍駐葫蘆島四三一廠軍事代表室，遼寧省葫蘆島市 125004 ；2.海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430033）

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含脈沖負(fù)載的綜合電力系統(tǒng)運(yùn)行特性分析

陳宇航1，王剛2

（1.海軍駐葫蘆島四三一廠軍事代表室，遼寧省葫蘆島市 125004 ；2.海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430033）

摘要：綜合電力系統(tǒng)可為艦載電磁炮等脈沖負(fù)載提供高功率密度儲(chǔ)能電源。脈沖負(fù)載的周期性充放電過程將影響綜合電力系統(tǒng)內(nèi)其他發(fā)電、變電、輸電和用電設(shè)備，給系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來一定風(fēng)險(xiǎn)。建立了含脈沖負(fù)載的綜合電力系統(tǒng)仿真模型，在基準(zhǔn)參數(shù)條件下設(shè)置脈沖負(fù)載充電功率和其他負(fù)載功率突變，仿真計(jì)算系統(tǒng)變量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，結(jié)果表明，含脈沖負(fù)載的綜合電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)是周期穩(wěn)態(tài)-周期軌，且系統(tǒng)充放電階段分別對應(yīng)于不同的平衡點(diǎn)；脈沖負(fù)載還將引起綜合電力系統(tǒng)傳輸線路功率振蕩。

關(guān)鍵詞：綜合電力系統(tǒng)脈沖負(fù)載仿真模型運(yùn)行特性

0　引言

艦船綜合電力系統(tǒng)將傳統(tǒng)艦船中相互獨(dú)立的動(dòng)力系統(tǒng)和電力系統(tǒng)整合為單一的電力系統(tǒng)，以電能的形式統(tǒng)一為推進(jìn)負(fù)載、脈沖負(fù)載、和日用設(shè)備等供電，實(shí)現(xiàn)了全艦?zāi)茉吹木C合利用。綜合電力系統(tǒng)有利于簡化艦船動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、推進(jìn)脈沖負(fù)載的上艦應(yīng)用、提高系統(tǒng)效率、降低噪聲能級、減少艦船全壽命周期費(fèi)用，符合艦船電氣化、信息化和智能化的發(fā)展趨勢，代表著艦船動(dòng)力系統(tǒng)未來的發(fā)展方向［1-3］，被譽(yù)為艦船動(dòng)力從人力、風(fēng)力到蒸汽動(dòng)力再到核動(dòng)力之后的第三次革命。

脈沖負(fù)載是指雷達(dá)、激光武器、電磁炮、電磁發(fā)射裝置等需要在短時(shí)間釋放很高功率的負(fù)載［4］。脈沖負(fù)載的能量密度和功率密度都極其巨大，普通電力系統(tǒng)難以耐受這樣的沖擊，需要給該類型負(fù)載配備儲(chǔ)能裝置。脈沖負(fù)載存在充電和放電兩個(gè)周期性交替的階段。脈沖負(fù)載充電階段，系統(tǒng)為儲(chǔ)能裝置充電，達(dá)到相應(yīng)要求后脈沖負(fù)載進(jìn)入放電階段，這時(shí)儲(chǔ)能裝置與系統(tǒng)隔離，按脈沖負(fù)載的需求對其提供能量，完成脈沖負(fù)載的發(fā)射動(dòng)作。隨后，脈沖負(fù)載重新進(jìn)入充電階段，進(jìn)行另一個(gè)周期的儲(chǔ)能、發(fā)射工作。

脈沖負(fù)載周期性的充電和放電過程使得綜合電力系統(tǒng)不再具有一個(gè)穩(wěn)態(tài)的平衡點(diǎn)，而是表現(xiàn)為一系列運(yùn)行點(diǎn)的周期性交替過程，狀態(tài)變量的變化不可避免的對發(fā)電機(jī)和其他負(fù)載產(chǎn)生影響，給系統(tǒng)帶來較大的沖擊。如何建立包含脈沖負(fù)載的綜合電力系統(tǒng)的模型，分析脈沖負(fù)載對綜合電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的影響，是綜合電力系統(tǒng)面臨的新的挑戰(zhàn)。文獻(xiàn)［5］針對脈沖負(fù)荷的變流器配置形式，研究了其對艦船綜合電力系統(tǒng)的沖擊作用，得出充電電路拓?fù)浜碗娏ν七M(jìn)負(fù)荷均可影響綜合電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，但未進(jìn)行負(fù)荷功率變化時(shí)的暫態(tài)分析；文獻(xiàn)［6］利用狀態(tài)平均法對綜合電力系統(tǒng)中恒功率負(fù)載以及恒功率負(fù)載與恒電壓負(fù)載并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，得到了穩(wěn)定判據(jù)，沒有考慮含脈沖負(fù)載的綜合電力系統(tǒng)運(yùn)行特性；文獻(xiàn)［7］設(shè)計(jì)了一種使用于艦船綜合電力系統(tǒng)的飛輪儲(chǔ)能裝置，仿真和試驗(yàn)對比分析表明，該裝置可自動(dòng)切換工作模式，抑制電網(wǎng)電壓波動(dòng)，提高供電品質(zhì)，但其沒有深入分析脈沖負(fù)載影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定的相關(guān)機(jī)理。

本文首先建立了含脈沖負(fù)載的綜合電力系統(tǒng)仿真模型，利用仿真給出了脈沖負(fù)載對綜合電力系統(tǒng)運(yùn)行的影響，分析了含脈沖負(fù)載綜合電力系統(tǒng)所面臨的問題。

1　含脈沖負(fù)載的綜合電力系統(tǒng)仿真模型

為了突出研究問題的主要特征，對于包含脈沖負(fù)載的綜合電力系統(tǒng)進(jìn)行簡化，保留系統(tǒng)功率傳輸?shù)闹饕考?。系統(tǒng)由兩臺(tái)同步發(fā)電機(jī)組、交流母線、推進(jìn)負(fù)載、日用負(fù)載和脈沖負(fù)載構(gòu)成，如圖1所示。

圖1　含脈沖負(fù)載的綜合電力系統(tǒng)示意圖

圖1中G1和G2為同步發(fā)電機(jī)組，分別接入B1和B2交流母線，交流母線通過母線L互聯(lián)。交流母線B1接有推進(jìn)負(fù)載和日用負(fù)載P1，交流母線B2接有脈沖負(fù)載P2。

綜合電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程為

式中E1和E2分別為發(fā)電機(jī)G1和G2的q軸電勢，δ1、ω1和δ2、ω2分別為發(fā)電機(jī)G1和G2的功角和角速度，ω0為額定角速度，TJ1、PT1、D1和TJ2、PT2、D2分別為發(fā)電機(jī)G1和G2的慣性時(shí)間常數(shù)、機(jī)械功率和阻尼系數(shù)［8］，PL1和PL2分別為推進(jìn)負(fù)載、日用負(fù)載P1和脈沖負(fù)載P2的有功功率，x為互聯(lián)母線L的電抗，從母線B1到母線B2傳輸?shù)墓β蕿镻B12，除了時(shí)間t、TJ1、TJ2、δ1、δ2和ω0外其余的變量都是標(biāo)幺值。

電網(wǎng)的額定功率、額定電壓、額定頻率分別為Sn、Un、fn。發(fā)電機(jī)組G1調(diào)速系統(tǒng)主要由調(diào)速器、伺服電機(jī)及渦輪機(jī)組成，調(diào)速器可由PI控制器及一次調(diào)頻下降率反饋組成［9-10］，如圖2所示。PI控制器比例和積分系數(shù)分別為k11和k12，s為Laplace算子，Rp1為機(jī)組的調(diào)差系數(shù)。伺服電機(jī)可以用一個(gè)時(shí)間常數(shù)為TG1的慣性環(huán)節(jié)表示。本文的渦輪機(jī)用非再熱式汽輪機(jī)表示，其數(shù)學(xué)模型可以用一個(gè)時(shí)間常數(shù)為TCH1為的慣性環(huán)節(jié)表示。調(diào)速器給定的負(fù)荷參考功率為Pm1。

推進(jìn)負(fù)載、日用負(fù)載的有功功率PL1用恒功率模型表示。脈沖負(fù)載主要消耗系統(tǒng)有功功率實(shí)現(xiàn)其功能，其瞬時(shí)功率可能大于系統(tǒng)的額定功率，為此需要為其配備儲(chǔ)能系統(tǒng)。脈沖負(fù)載處于充電和放電的周期交替工作狀態(tài)，當(dāng)其處于充電狀態(tài)時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)與供電系統(tǒng)相連，從系統(tǒng)吸收功率，為了確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行和具有較高的電能質(zhì)量，這部分的吸收功率應(yīng)為恒定值［11-13］。當(dāng)脈沖負(fù)載處于放電狀態(tài)時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)與供電系統(tǒng)脫離，利用儲(chǔ)存的能量給脈沖負(fù)載供電［14-16］。脈沖負(fù)載的有功功率如圖3所示。

圖2　發(fā)電機(jī)組G1調(diào)速系統(tǒng)的簡化模型

圖3　脈沖負(fù)載的有功功率波形圖

圖中脈沖負(fù)載充電功率幅值為Pc2，周期為T2，放電時(shí)間為Td2。

綜合上述，在MATALAB Simulink中建立含脈沖負(fù)載的綜合電力系統(tǒng)仿真模型如圖4所示。

圖4　含脈沖負(fù)載的綜合電力系統(tǒng)仿真模型

2　綜合電力系統(tǒng)運(yùn)行特性仿真分析

綜合電力系統(tǒng)的參數(shù)見表1，這組數(shù)據(jù)稱為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

基準(zhǔn)參數(shù)條件下，脈沖負(fù)載的充電功率幅值Pc2在20s時(shí)分別由0.3躍升為0.4和0.5，圖5和圖6分別為系統(tǒng)變量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

圖5　系統(tǒng)變量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)（Pc2由0.3變?yōu)?.4）

表1　綜合電力系統(tǒng)參數(shù)

圖6　系統(tǒng)變量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)（Pc2由0.3變?yōu)?.5）

圖7　系統(tǒng)變量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)（18s時(shí)P1由0.8變?yōu)?.0）

基準(zhǔn)參數(shù)條件下，推進(jìn)負(fù)載和日用負(fù)載功率P1分別在18s和19.8s時(shí)由0.8躍升為1.0（擾動(dòng)分別發(fā)生在脈沖負(fù)載的充電階段和放電階段），圖7和圖8分別為系統(tǒng)變量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

圖8　系統(tǒng)變量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)（19.8s時(shí)P1由0.8變?yōu)?.0）

上述的仿真計(jì)算表明，含脈沖負(fù)載的綜合電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)不再是平衡點(diǎn)，而是周期穩(wěn)態(tài)-周期軌。負(fù)載擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)從一個(gè)周期軌過渡到另一個(gè)周期軌。由于周期軌穩(wěn)定性分析比較復(fù)雜，可以采用分段特性描述系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)充放電階段分別對應(yīng)于不同的平衡點(diǎn)。一般來說，脈沖負(fù)載充電時(shí)間要遠(yuǎn)大于放電時(shí)間，在脈沖負(fù)載充電階段，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)逐漸收斂到平衡點(diǎn)；在其放電階段，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)處于從前述平衡點(diǎn)向新平衡點(diǎn)的過渡過程，由于這一階段十分短暫，可以認(rèn)為只是一個(gè)擾動(dòng)過程。比較而言，充電階段系統(tǒng)的阻尼特性十分重要，較充分的系統(tǒng)阻尼可以限制充電階段系統(tǒng)的振蕩。

脈沖負(fù)載的存在，使得綜合電力系統(tǒng)發(fā)電機(jī)和傳輸線路的功率振蕩不可避免。由于系統(tǒng)脈沖負(fù)載功率的周期性變化，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的功角、角速度和輸出機(jī)械功率的周期性振蕩，進(jìn)而導(dǎo)致連接母線傳輸功率的振蕩，其振蕩幅值較大。為此，設(shè)計(jì)含脈沖負(fù)載的綜合電力系統(tǒng)時(shí)，需要考慮發(fā)電機(jī)的機(jī)械應(yīng)力疲勞問題和傳輸線路的功率振蕩問題。

3　結(jié)論

本文利用仿真計(jì)算，完成了脈沖負(fù)載對綜合電力系統(tǒng)運(yùn)行特性影響的研究，并分析了含脈沖負(fù)載的綜合電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)實(shí)際考慮的問題，得到如下結(jié)論：

1）當(dāng)負(fù)載擾動(dòng)時(shí)，含脈沖負(fù)載的綜合電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)是兩個(gè)不同周期軌間的過渡過程，適用于用分段過程描述。

2）較大的系統(tǒng)阻尼可以限制脈沖負(fù)載充電過程中的系統(tǒng)振蕩。

3）含脈沖負(fù)載的綜合電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)須考慮振蕩問題。

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Operation Characteristics of Integrated Power System with Pulse Load

Chen Yuhang1，Wang Gang2
（1.Naval Representative Office in No.431 Factory，Huludao 125004，Liaoning，China； 2.National Key Laboratory for Vessel Integrated Power System Technology，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China）

Abstract:The integrated power system can provide high power-density energy-storage power source for pulse load such as electromagnetic cannon.The periodic charging and discharging process of pulse load will influence other electrical equipments of generating，transforming，transporting and consuming in the integrated power system，which bring risks for system stability.The simulation model of integrated power system containing pulse load is built，sudden disturbances of pulse load and other loads under reference parameter is set up and the dynamic responses of system variable is calculated.The results demonstrate that the stable operating status of integrated power system containing pulse load is periodic stability-periodic orbit，the charging and discharging process correspond with different balance point and the pulse load would lead to power oscillation of transmission line in the integrated power system.

Keywords:integrated power system； pulse load； simulation model； operation characteristics

中圖分類號：TM74

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-4862（2016）06-0001-05

收稿日期：2016-1-29

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（973項(xiàng)目）（2012CB215103）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51377167）

作者簡介：陳宇航（1991-），男，碩士，助理工程師。主要研究方向：艦艇電力系統(tǒng)。