柴油發(fā)電機(jī)組帶恒功率脈沖負(fù)載運(yùn)行特性研究*

邢 鑫，王金全，徐 曄，嚴(yán) 鋆，亢夢婕

(陸軍工程大學(xué) 國防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

0 引言

隨著負(fù)荷的多樣性發(fā)展，為滿足高功率傳輸信號或能量變換的需求，電力電子開關(guān)設(shè)備的應(yīng)用越來越廣泛，典型用電設(shè)備如高頻通信負(fù)荷、相控陣?yán)走_(dá)以及各種先進(jìn)移動裝備等。這類用電負(fù)荷的工作特點(diǎn)為平均功率小、峰值功率大，隨著工作模式的變化，電流呈現(xiàn)脈沖特性，因此被稱為脈沖負(fù)載。不同于大電力系統(tǒng)，柴油發(fā)電機(jī)組帶脈沖負(fù)載系統(tǒng)主要的區(qū)別在于柴油發(fā)電機(jī)組的容量和慣性較小，機(jī)電調(diào)節(jié)控制器響應(yīng)時間長，負(fù)荷擾動尤其是連續(xù)沖擊性負(fù)荷對系統(tǒng)影響較大，不能及時滿足脈沖負(fù)載對瞬時功率的需求，造成微電網(wǎng)抵御負(fù)載擾動的能力差，給脈沖負(fù)載下微電網(wǎng)運(yùn)行特性分析與控制帶來困難[1]。

文獻(xiàn)[2]闡述了脈沖負(fù)載的工作機(jī)理；文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了可用于仿真和試驗(yàn)分析的脈沖負(fù)載；文獻(xiàn)[4]提到用開關(guān)和負(fù)載組合構(gòu)成脈沖負(fù)載，通過控制開關(guān)的通斷模擬脈沖負(fù)載的特性；文獻(xiàn)[5]研究了脈沖負(fù)載的工作機(jī)理，設(shè)計(jì)了3種可用于試驗(yàn)分析的脈沖負(fù)載結(jié)構(gòu)；文獻(xiàn)[6]提出了可通過變換器結(jié)構(gòu)優(yōu)化來降低脈沖負(fù)載對系統(tǒng)沖擊影響的建議，但未進(jìn)行脈沖負(fù)荷變化時的運(yùn)行分析；文獻(xiàn)[7]建立了含脈沖負(fù)載的綜合電力系統(tǒng)仿真模型，但其分析的主要是功率突變對于系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的影響。脈沖負(fù)載處于不同工作模式時對柴油發(fā)電機(jī)組輸出電壓與頻率的影響卻有較大不同，為避免柴油發(fā)電機(jī)組因脈沖負(fù)載的沖擊而發(fā)生故障，目前廣泛采用增大柴油發(fā)電機(jī)組容量的措施[8]，這種“大馬拉小車”的方式造成了機(jī)組容量的浪費(fèi)。

在工程實(shí)際中，柴油發(fā)電機(jī)組常通過整流裝置為直流脈沖負(fù)載供電。本文以柴油發(fā)電機(jī)組—不控整流器—DC/DC—脈沖負(fù)載系統(tǒng)為研究對象，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)建立了引入負(fù)載功率調(diào)節(jié)的柴油發(fā)電機(jī)組模型，分析了脈沖負(fù)載工作時系統(tǒng)的運(yùn)行情況，研究了系統(tǒng)的運(yùn)行與脈沖負(fù)載功率、輸出占空比和周期的關(guān)系，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所建模型能夠較為準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)的運(yùn)行行為。

圖1 柴油發(fā)電機(jī)組帶恒功率脈沖負(fù)載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

1 脈沖負(fù)載的系統(tǒng)仿真及分析

由于柴油發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行行為非常復(fù)雜，且隨著脈沖負(fù)載的周期、占空比、峰值功率反復(fù)變化，電磁關(guān)系呈非線性，很難通過解析方法進(jìn)行描述。為此，針對這一系統(tǒng)建立系統(tǒng)仿真模型，進(jìn)行仿真分析。

1.1 脈沖負(fù)載的系統(tǒng)仿真

相控陣電子雷達(dá)是一類典型的脈沖負(fù)載，負(fù)載工作時消耗的功率呈脈沖特性，顯著特點(diǎn)是平均功率小、峰值功率大。雷達(dá)脈沖負(fù)載工作時，由于負(fù)載功率的脈沖變化，柴油發(fā)電機(jī)組不斷受到加、卸載的作用，導(dǎo)致輸出電壓的畸變嚴(yán)重，系統(tǒng)始終處于動態(tài)變化的狀態(tài)。為了突出研究雷達(dá)脈沖負(fù)載的脈沖特性，忽略雷達(dá)系統(tǒng)中冷卻負(fù)載、電子顯示器、伺服電機(jī)等常規(guī)設(shè)備對供電電源的影響[9]。

在雷達(dá)脈沖負(fù)載實(shí)際的工作過程中，需要控制壓降在一定的范圍內(nèi)。而在目前已有的研究中，通常將雷達(dá)供電系統(tǒng)等效為柴油機(jī)—整流器—脈沖負(fù)載的模式[10]。在此系統(tǒng)中，主要依靠晶閘管整流器來控制直流側(cè)電壓。由于晶閘管整流器對系統(tǒng)的無功沖擊大，會產(chǎn)生較大的起動壓降，同時可控硅的響應(yīng)時間相較于脈沖負(fù)載的變換過程較長，因此這種模擬方法存在一定的不足。DC/DC變換器具有加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)的性能，可以高效率地實(shí)現(xiàn)電壓變換和穩(wěn)定輸出，因此利用DC/DC變換器來穩(wěn)定脈沖負(fù)載端電壓對于保持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

圖2 P30kW_ T56ms_ D40仿真波形

本文以柴油發(fā)電機(jī)組—不控整流器—DC/DC變換器—脈沖負(fù)載系統(tǒng)為研究對象，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示?；诖嗽韴D，利用MATLAB/Simulink軟件建立脈沖負(fù)載系統(tǒng)仿真模型[10]。

在該供電系統(tǒng)中，柴油發(fā)電機(jī)組輸出三相交流電經(jīng)不控整流器可等效為直流電源，通過LC濾波器濾波，再經(jīng)過DC/DC穩(wěn)壓為脈沖負(fù)載供電。在實(shí)際運(yùn)行中，把脈沖負(fù)載的工作模式定義為由開關(guān)周期TS，峰值功率PL和占空比D組成的表征形式。

1.2 仿真結(jié)果分析

柴油發(fā)電機(jī)組中的柴油機(jī)功率設(shè)定為50 kW，同步發(fā)電機(jī)的額定功率為50 kW，功率因數(shù)為0.8，機(jī)組的輸出頻率f為50 Hz，線電壓U為400 V。同時，設(shè)定脈沖負(fù)載的峰值功率PL為30 kW，即R為4Ω，開關(guān)周期TS為56 ms，占空比D為0.4。仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2(a)為柴油發(fā)電機(jī)組輸出電流隨脈沖負(fù)載功率波動的變化曲線，可以看出交流電流幅值隨負(fù)載變化而出現(xiàn)較大幅度變化。當(dāng)電系統(tǒng)無功率輸出時，為標(biāo)準(zhǔn)正弦波；當(dāng)脈沖負(fù)載消耗功率時，電流迅速增大，且畸變較為嚴(yán)重；當(dāng)脈沖負(fù)載不吸收功率時，電流減小，三相電流的變化也是周期性的。

圖2(b)反映了整個仿真過程中柴油發(fā)電機(jī)組輸出頻率的變化趨勢：在柴油機(jī)啟動時出現(xiàn)了輕微的波動，這是因?yàn)椴裼桶l(fā)電機(jī)組的啟動過程是一個動態(tài)調(diào)節(jié)的過程，投入運(yùn)行時，柴油發(fā)電機(jī)組的勵磁調(diào)壓系統(tǒng)經(jīng)過自身調(diào)節(jié)作用使系統(tǒng)重新進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)；1 s時，開關(guān)S在觸發(fā)脈沖作用下控制電阻進(jìn)行周期性的投切，柴油發(fā)電機(jī)組的輸出頻率在某一固定值附近小幅波動，這是脈沖負(fù)載周期性的功率波動造成的。

圖2(c)為交流側(cè)三相電壓的波形，可以看出三相電壓的波形波動較為明顯，對數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT分析，得到交流電壓諧波含量為22.34%。

圖2(d)分別為直流低壓側(cè)電壓和直流波形，其波形在一定值上下周期性波動，且周期與脈沖負(fù)載周期一致，脈沖負(fù)載按照設(shè)定的周期和占空比工作，從圖中可以看出脈沖負(fù)載的峰值電流約為80 A，電壓約為350 V，得出其峰值功率約為28 kW。

2 脈沖負(fù)載參數(shù)對供電系統(tǒng)運(yùn)行指標(biāo)影響規(guī)律分析

為了更好地分析脈沖負(fù)載各參數(shù)對于系統(tǒng)的影響、描述系統(tǒng)運(yùn)行特性，本文引入了系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)指標(biāo)。交流側(cè)指標(biāo)主要有交流電壓有效值Uac，電源平均輸出功率Pac，電壓相對偏差率RDRu以及頻率波動率δf。直流側(cè)指標(biāo)主要有直流高低壓側(cè)平均值UdH、UdL，直流平均功率Pdc，直流高壓側(cè)電壓波動率δuH、直流高低壓側(cè)電壓波動率δuL。

2.1 改變占空比D的影響分析

設(shè)置恒功率脈沖負(fù)載高壓側(cè)濾波電容C為4 800 μF，低壓側(cè)電容為7 800 μF，峰值功率PL為30 kW，開關(guān)周期TS為56 ms，改變占空比D的大小，此時系統(tǒng)的各特性指標(biāo)如表1所示(限于篇幅，表中列出部分?jǐn)?shù)據(jù)，下同)，各指標(biāo)變化趨勢如圖3所示，其中曲線通過MATLAB軟件的CFTOOL得到。

由表1和圖3可以看出，在系統(tǒng)中僅改變占空比D時，電壓相對偏差率RDRu同樣隨D的增大而遞增；交流電壓有效值Uac與負(fù)載電壓平均值UdH、UdL均在額定值附近小幅波動，變化并不顯著；整流器的交流側(cè)輸入功率Pac、負(fù)載功率Pdc均隨D的增大近似線性遞增；頻率波動率δf隨著占空比先增大后減小，最大值出現(xiàn)在D為0.6時；而直流高壓側(cè)電壓波動率δuH和直流高低壓側(cè)電壓波動率δuL隨著占空比先增大后減小，當(dāng)占空小于0.4時，波動率隨著占空比的增大而增大，當(dāng)占空大于0.6時，波動率隨著占空比的增大而減小。

DUac/VRDRu/%δf /%UdH /VUdL /VδuH/%δuL/%pac/kWpdc/kW0.1230.372.151.20542.82346.308.1410.223.062.590.3229.634.722.37536.79346.3812.7318.998.798.120.5231.106.233.41529.35344.0914.0217.9013.8113.090.7231.118.313.45522.99343.2514.5816.8019.1818.340.9230.469.871.54516.76343.0911.0315.3724.4823.291.0230.2710.920.19515.84342.294.7411.4327.1125.73

2.2 改變峰值功率PL的影響分析

設(shè)置恒功率脈沖負(fù)載高壓側(cè)濾波電容C為4 800 μF，低壓側(cè)電容為7 800 μF，占空比D為40，開關(guān)周期TS為56 ms，改變峰值功率PL的大小。表2為系統(tǒng)的各特性指標(biāo)，圖4為各指標(biāo)變化趨勢。

當(dāng)固定其余參數(shù)不變，增大脈沖負(fù)載峰值功率PL時，相當(dāng)于增大脈沖負(fù)載的平均功率Pav。因此，負(fù)載功率Pdc以及電壓相對偏差率RDRu與占空比改變時的趨勢基本一致，都隨著PL的增大而增大。但從圖4中可以明顯看出RDRu的變化比較平緩，從3%變化到6%左右；而與隨著占空比增加變化不同，δf和直流高壓側(cè)電壓波動率δuH和低壓側(cè)電壓波動率δuL隨峰值功率的增加而單調(diào)遞增，且變化較為明顯，這是因?yàn)殡S著PL增大時，負(fù)載的實(shí)際功率增大，系統(tǒng)中脈沖負(fù)載的作用越強(qiáng)烈，所引起的電壓波動也隨之增大，因而電壓波動也較為明顯。

2.3 改變開關(guān)周期TS的影響分析

設(shè)置恒功率脈沖負(fù)載高壓側(cè)濾波電容C為4 800 μF，低壓側(cè)電容為7 800 μF，峰值功率PL為30 kW，占空比D為50，改變開關(guān)周期TS的大小。表3為系統(tǒng)的各特性指標(biāo)，圖5為各指標(biāo)變化趨勢。

圖4 峰值功率PL改變時系統(tǒng)動態(tài)特性

P/kWUac/VRDRu/%δf/%UdH/VUdL/VδuH/%δuL/%Pac/kWPdc/kW5230.233.520.75543.10352.364.957.612.281.8210230.484.171.54541.97342.056.917.883.993.4720230.225.162.36539.66338.329.8412.687.737.1430230.435.703.18538.33340.4515.1120.7711.3110.6840230.815.874.15538.91339.9524.3224.1814.7714.0750230.965.894.97534.62338.0825.4726.9118.6517.39

表3 開關(guān)周期TS改變時系統(tǒng)的動態(tài)特性(P30_D50)

圖5 開關(guān)周期TS改變時系統(tǒng)動態(tài)特性

從表3和圖5中可以看出，開關(guān)周期TS的大小對電壓相對偏差率RDRu、頻率波動率δf以及直流高、低壓側(cè)電壓波動率δuH、δuL都有很大的影響。由于占空比保持不變，在相同時間內(nèi)，開關(guān)周期變大，相當(dāng)于周期個數(shù)減少，負(fù)載消耗的平均功率基本保持不變；柴油發(fā)電機(jī)組輸出的平均有功功率維持為14kW左右；相電壓的有效值約為230 V，且波動幅度不大；RDRu隨著TS的變大而減小，且在周期為20 ms時RDRu最大為13.65%；δf隨著TS的增加而增大；δuH和δuL同樣隨著TS的增加而增大。

3 柴油發(fā)電機(jī)組帶脈沖負(fù)載運(yùn)行試驗(yàn)分析

3.1 柴油發(fā)電機(jī)組帶脈沖負(fù)載試驗(yàn)分析

柴油發(fā)電機(jī)組的輸出電壓為單相220 V/三相400 V；DC/DC設(shè)置的高、低壓側(cè)電容參數(shù)為4 800 μF、7 800 μF，低壓側(cè)輸出電壓設(shè)定為350 V；以脈沖負(fù)載的導(dǎo)通占空比0.4、工作周期56 ms、峰值功率30 kW為例，采集試驗(yàn)運(yùn)行中的電壓、電流信號，如圖6所示。

圖6所示為柴油發(fā)電機(jī)組帶脈沖負(fù)載的試驗(yàn)波形，其中圖6(a)為交流側(cè)三相電壓的波形，從圖中可以看出，三相電壓的波形波動較為明顯。圖6(b)為交流側(cè)三相電流的波形，三相電流表現(xiàn)為周期性的脈動。圖6(c)、(d)分別為直流高壓側(cè)電壓和低壓側(cè)電壓波形，其波形在一定值上下周期性波動，且周期與脈沖負(fù)載周期一致。圖6(e)為交流側(cè)的功率，即柴油發(fā)電機(jī)組的輸出功率，從圖中可以看出柴油發(fā)電機(jī)組的輸出功率也是周期性的波動。圖6(f)為負(fù)載功率。

圖6 柴油發(fā)電機(jī)組帶脈沖負(fù)載試驗(yàn)波形

圖7 仿真波形與試驗(yàn)波形對比

3.2 仿真與試驗(yàn)對比

為了驗(yàn)證本文所建立仿真模型的精確度，進(jìn)一步分析和驗(yàn)證脈沖負(fù)載與各評價指標(biāo)的關(guān)系，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行比較。

3.2.1仿真與實(shí)驗(yàn)波形的對比

圖7為仿真結(jié)果與試驗(yàn)波形對比圖，從圖中可以看出，直流母線電壓的仿真波形與試驗(yàn)波形都隨著負(fù)載的周期性沖擊在額定值附近波動，負(fù)載電流呈現(xiàn)脈沖性，且與脈沖負(fù)載的工作模式密切相關(guān)，三相交流電流的仿真波形與試驗(yàn)波形基本一致。仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果趨勢和大小相近，說明本文所建立的仿真模型能夠模擬柴油發(fā)電機(jī)組帶脈沖負(fù)載的運(yùn)行特性。

3.2.2仿真與實(shí)驗(yàn)參數(shù)變化的對比

(1)電壓相對偏差率RDRu仿真和試驗(yàn)對比

電壓相對偏差率綜合反映了脈沖負(fù)載對交流電壓波形的影響程度。由圖8可知，電壓相對偏差率RDRu隨脈沖負(fù)載占空比和負(fù)載峰值功率的增大而變大，相比而言，占空比的變化對交流電壓波形畸變程度影響更大；脈沖負(fù)載開關(guān)周期的增大將引起電壓畸變程度降低，這是因?yàn)槊}沖負(fù)載工作周期增大后，相同時間段內(nèi)，脈沖個數(shù)減少，引起交流電壓畸變的區(qū)間縮小，電壓相對偏差率有所降低，仿真結(jié)果與試驗(yàn)得到的結(jié)果完全一致。

(2)直流高壓側(cè)電壓波動率δuH仿真和試驗(yàn)對比

2) 在小港口城市平均投資回報(bào)率低下時，小港口城市會積極投資港口，從而誘發(fā)港口投資競爭。要想避免這種現(xiàn)象，只能提高小港口城市的平均投資回報(bào)率，使小港口城市有更多的投資領(lǐng)域，通過發(fā)展其他產(chǎn)業(yè)發(fā)展城市經(jīng)濟(jì)。

脈沖負(fù)載的變化直接影響直流側(cè)電壓波動率的變化，當(dāng)脈沖負(fù)載工作時，負(fù)載電流變大，導(dǎo)致直流母線電壓降低，在脈沖間歇時，幾乎不消耗功率，直流母線電壓漸漸變大，向額定電壓靠近，頻繁的沖擊引起直流母線電壓的不斷波動。系統(tǒng)仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對比如圖9所示。

圖8 電壓相對偏差率RDRu隨運(yùn)行模式的變化曲線

圖9 直流高壓波動率δuH隨運(yùn)行模式的變化曲線

如圖9所示，仿真得到的直流高壓側(cè)電壓波動率δuH隨著開關(guān)周期TS和峰值功率PL增大而增大，隨著占空比D增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，與試驗(yàn)所得結(jié)果一致。在占空比較小的時候，負(fù)載平均功率比較小，此時直流側(cè)電流也比較小，直流電壓下降不大，電壓波動率較小，但在占空比較大時，情況則相反，電壓波動率隨占空比增大而變小，而當(dāng)脈沖負(fù)載的占空比接近于1時，脈沖負(fù)載的特性與恒定負(fù)載特性一致，此時直流電壓波動率也很小，而在脈沖負(fù)載為0.4到0.7之間時，直流母線電壓的波動率最大。

(3)頻率波動率δf仿真和試驗(yàn)對比

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10 頻率波動率δf隨運(yùn)行模式的變化曲線

由圖10可以看出，交流頻率波動率受脈沖負(fù)載的工作模式影響較大。仿真得到的頻率波動率δf隨著開關(guān)周期TS和峰值功率PL增大而增大，隨占空比D的增大呈非線性變化，表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢，與試驗(yàn)所得結(jié)果一致，影響機(jī)理和直流電壓波動率類似。

(4)負(fù)載實(shí)際功率Pdc仿真和試驗(yàn)對比

從圖11可以看出，負(fù)載實(shí)際消耗功率Pdc隨著占空比D和峰值功率PL的增大而增大，隨著開關(guān)周期TS的增大而基本保持不變，與試驗(yàn)所得結(jié)果一致。與理論分析也一致，當(dāng)占空比增大時，峰值功率不變，兩者的乘積也隨之增大；當(dāng)占空比不變時，峰值功率增加，兩者的乘積也會增大。從實(shí)際得到結(jié)果來看，實(shí)際功率隨著占空比和峰值功率變化是有一定的差別的，主要體現(xiàn)在，當(dāng)占空比越接近于1時，曲線的斜率越大，可以理解為此時脈沖負(fù)載近似于阻性負(fù)載，系統(tǒng)功率傳輸效率增大。

圖11 負(fù)載實(shí)際功率Pdc隨運(yùn)行模式的變化曲線

4 結(jié)束語

本文針對恒功率脈沖負(fù)載的特點(diǎn)，以柴油發(fā)電機(jī)組—不控整流器—DC/DC—脈沖負(fù)載系統(tǒng)為研究對象，基于MATLAB/Simulink軟件建立了系統(tǒng)的仿真模型，分析了柴油發(fā)電機(jī)組作用下脈沖負(fù)載的輸出特性，研究了脈沖負(fù)載對柴油發(fā)電機(jī)組供電系統(tǒng)的影響，驗(yàn)證了對柴油發(fā)電機(jī)組的影響不僅與負(fù)載峰值功率PL有關(guān)，而且與脈沖負(fù)載的輸出占空比D、開關(guān)周期TS有很大關(guān)系，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所建模型能夠較為準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)的運(yùn)行行為，為后續(xù)進(jìn)一步的分析研究奠定了基礎(chǔ)。