陳 濤 丁敏飏
(中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011)
現(xiàn)代船舶配置的大功率脈沖負(fù)載工作的脈沖功率可達(dá)到兆瓦級(jí),其工作時(shí)可能導(dǎo)致電網(wǎng)電壓、頻率頻繁波動(dòng),對(duì)發(fā)電機(jī)組和其他用電設(shè)備造成不利影響,因此在設(shè)計(jì)階段需要對(duì)發(fā)電機(jī)組和大功率脈沖負(fù)載進(jìn)行供電動(dòng)態(tài)分析,以滿足大功率脈沖負(fù)載的供電需求。另外,大功率脈沖負(fù)載為大功率非線性負(fù)載,對(duì)電網(wǎng)的諧波含量影響較大,并且電力推進(jìn)船舶電力推進(jìn)設(shè)備本身也是重要的諧波源,艏部側(cè)推裝置若也使用的是變頻調(diào)速形式,有必要根據(jù)本船實(shí)際使用工況,對(duì)電網(wǎng)諧波含量進(jìn)行全面分析計(jì)算,并提出相應(yīng)的諧波控制措施。經(jīng)過上述理論分析和仿真研究,最終保證電網(wǎng)電壓、頻率波動(dòng)和諧波含量均控制在規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi),系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備均能安全可靠地運(yùn)行。
基于下述電站配置進(jìn)行使用工況分析:主電站配置AC 690 V 50 Hz 1 250 kW柴油發(fā)電機(jī)組4臺(tái)。在使用大功率脈沖負(fù)載時(shí),主要分為僅使用大功率脈沖負(fù)載以及使用大功率脈沖負(fù)載+動(dòng)力控位2種工況。2種工況推進(jìn)功率約為540 kW,大功率脈沖負(fù)載最大功率約為1 MW。實(shí)際在使用大功率脈沖負(fù)載時(shí),對(duì)于發(fā)電機(jī)組使用臺(tái)數(shù)存在1 250 kW×2、1 250 kW×3、1 250 kW×4等3種情況。
大功率脈沖負(fù)載為周期性脈沖負(fù)載,使用大功率脈沖負(fù)載工況時(shí),主電站存在使用2臺(tái)、3臺(tái)和4臺(tái)1 250 kW機(jī) 組 并 聯(lián) 的 情 況。1 250 kW機(jī)組柴油機(jī)滿足瞬態(tài)調(diào)速率的加載方式為3級(jí)加載(0→50%→80%→100%),卸載方式為100%卸載。若考慮脈沖負(fù)載直接加載至發(fā)電機(jī)組上,則加載情況最惡劣的為使用2臺(tái)機(jī)組并聯(lián)的情況,每臺(tái)機(jī)組承載500 kW,約占機(jī)組功率40%;使用3臺(tái)機(jī)組并聯(lián)時(shí),每臺(tái)機(jī)組加載333 kW,約占機(jī)組功率的26.6%;使用4臺(tái)機(jī)組并聯(lián)時(shí),每臺(tái)機(jī)組加載250 kW,約占機(jī)組功率的20%。大功率脈沖負(fù)載設(shè)備頻繁的工作,相當(dāng)于發(fā)電機(jī)組突加突卸負(fù)載,造成機(jī)組轉(zhuǎn)速頻繁下降、上升,電網(wǎng)頻率會(huì)因此頻繁波動(dòng),這對(duì)船上用電設(shè)備是不利的,如各類泵、風(fēng)機(jī)等,電網(wǎng)頻率變化其轉(zhuǎn)速也將變化,影響其送油、送水和送風(fēng)量。此外,周期性大功率脈沖負(fù)載也對(duì)發(fā)電機(jī)端電壓產(chǎn)生影響,使電網(wǎng)電壓頻繁波動(dòng)。
對(duì)于采用2臺(tái)機(jī)組并聯(lián)的情況,若脈沖負(fù)載是突加形式,則機(jī)組調(diào)速特性較難滿足要求,必須采取一定的控制措施。在目前的船舶應(yīng)用中,有與大功率脈沖負(fù)載工作性質(zhì)相似的系統(tǒng),采用的是“飛輪+直流發(fā)電機(jī)”的形式,為設(shè)備供電專用機(jī)組,如圖1所示。飛輪的作用是在脈沖不工作時(shí)進(jìn)行儲(chǔ)能,脈沖工作時(shí)的能量需求來自飛輪施放的能量及柴油機(jī)施放的能量之和,因?yàn)轱w輪的加入,彌補(bǔ)了柴油機(jī)本身加載能力及響應(yīng)能力的不足。柴油機(jī)和飛輪之間的合理匹配是設(shè)計(jì)的難點(diǎn),需要進(jìn)行嚴(yán)格的分析論證與計(jì)算。從目前實(shí)船的使用情況看,各方面性能指標(biāo)都較好,這也為大功率脈沖負(fù)載的供電方案提供一定的參考。
圖1 飛輪+直流發(fā)電機(jī)
但對(duì)于采用綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的船舶,若采用專門的柴油發(fā)電機(jī)組供大功率脈沖負(fù)載使用,則喪失了綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。因此提出主電站發(fā)電機(jī)組直接進(jìn)行脈沖功率加載的供電方案,需要優(yōu)化大功率脈沖負(fù)載設(shè)備脈沖負(fù)載性質(zhì),使其對(duì)電網(wǎng)的影響降至最低,保證電網(wǎng)品質(zhì)滿足規(guī)范要求,系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備均能安全可靠地工作。
由于主電站發(fā)電機(jī)組加載特性和調(diào)速性能較為固定,因此要降低大功率脈沖負(fù)載對(duì)電網(wǎng)的影響,只能對(duì)大功率脈沖負(fù)載自身的負(fù)載特性進(jìn)行調(diào)整,使之既要滿足設(shè)備本身的技術(shù)指標(biāo),又要將其對(duì)電網(wǎng)的影響降至可接受的范圍內(nèi)。對(duì)于大功率脈沖負(fù)載負(fù)載特性的調(diào)整,提出了兩種方案:
方案1:設(shè)備本身增加儲(chǔ)能環(huán)節(jié)。大功率脈沖負(fù)載儲(chǔ)能環(huán)節(jié)原理見下頁圖2。脈沖啟動(dòng)前,飛輪電池儲(chǔ)存能量,與脈沖電源一起處于待機(jī)狀態(tài)。脈沖電源直接從電網(wǎng)獲取能量,飛輪電池從脈沖電源待機(jī)狀態(tài)時(shí)獲取能量。二者能量合成即為脈沖負(fù)載所需能量。由于增加了儲(chǔ)能環(huán)節(jié),大功率脈沖負(fù)載對(duì)電網(wǎng)來說由周期性脈沖負(fù)載變?yōu)檩^為連續(xù)的負(fù)載,且瞬間功率需求不大,對(duì)電網(wǎng)的沖擊較小。
圖2 脈沖儲(chǔ)能環(huán)節(jié)原理圖
方案2:不需要增加其他的硬件設(shè)備,只對(duì)脈沖波形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),將脈沖的前后沿設(shè)計(jì)成坡狀,以降低對(duì)電網(wǎng)的沖擊,但需兼顧設(shè)備的性能指標(biāo)。經(jīng)初步估算,采用飛輪電池方案,需要增加額外的空間需求,費(fèi)用較高,可靠性也有待進(jìn)一步驗(yàn)證。因此大功率脈沖負(fù)載設(shè)備還是考慮采用將負(fù)載脈沖設(shè)計(jì)成帶有前后緩沖沿的方案。
根據(jù)大功率脈沖負(fù)載設(shè)備的工作特性,脈沖負(fù)載有單脈沖、脈沖串兩種類型,負(fù)載功率因數(shù)(0.95~0.99),幾乎為呈純阻性有功負(fù)載。單脈沖共有3種,滿功率脈沖為1 MW,上升沿與下降沿時(shí)間分別如圖3所示。
圖3 單脈沖負(fù)載
組合脈沖串由相同功率的首尾短脈沖、中心長(zhǎng)脈沖構(gòu)成,上升沿與下降沿時(shí)間如圖4所示。
圖4 組合脈沖串負(fù)載
大功率脈沖負(fù)載設(shè)備采用直接連接至母船AC 690 V電網(wǎng)的供電方式,根據(jù)大功率脈沖負(fù)載波形及功率因數(shù),對(duì)機(jī)組并聯(lián)供電運(yùn)行的情況進(jìn)行仿真,仿真主要按機(jī)組電壓波動(dòng)及轉(zhuǎn)速波動(dòng)兩個(gè)方面進(jìn)行,以判斷大功率脈沖負(fù)載設(shè)備工作時(shí)對(duì)電網(wǎng)的影響。
由于大功率脈沖負(fù)載功率因數(shù)較高,因此發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)高功率因數(shù)負(fù)載以及脈沖負(fù)載的適應(yīng)性。
無刷發(fā)電機(jī)以其故障少、可靠性高、運(yùn)行時(shí)不產(chǎn)生火花等優(yōu)點(diǎn),而廣泛地應(yīng)用在各行各業(yè)中。根據(jù)勵(lì)磁機(jī)定子所取勵(lì)磁電源的不同,無刷發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁方式可分為端電壓勵(lì)磁方式、相復(fù)勵(lì)勵(lì)磁方式、諧波勵(lì)磁方式和永磁勵(lì)磁方式等。
由于諧波勵(lì)磁方式需要在電機(jī)定子繞組中增加1套單獨(dú)的諧波繞組,增加了電機(jī)的設(shè)計(jì)難度;而永磁勵(lì)磁方式需增加1個(gè)永磁發(fā)電機(jī),增加了整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)的復(fù)雜性,同時(shí)增加了發(fā)電機(jī)的體積和質(zhì)量,因此這兩種勵(lì)磁方式較少采用。
目前船用領(lǐng)域發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)主要有采用相復(fù)勵(lì)勵(lì)磁方式和端電壓勵(lì)磁方式。相復(fù)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)的復(fù)勵(lì)合成特性使得該勵(lì)磁系統(tǒng)不能帶容性負(fù)載;端電壓勵(lì)磁方式時(shí),無論發(fā)電機(jī)帶感性負(fù)載還是容性負(fù)載,只要AVR工作范圍允許內(nèi),勵(lì)磁電流均能有序變化,能夠滿足任何負(fù)載狀態(tài)下的勵(lì)磁電流需求。
大功率脈沖負(fù)載存在功率因數(shù)較高的情況,發(fā)電機(jī)多機(jī)并聯(lián)時(shí),單機(jī)短暫存在由于無功分配不均導(dǎo)致運(yùn)行在容性電流下的情況的可能性,考慮到相復(fù)勵(lì)勵(lì)磁方式不能帶容性負(fù)載,為了增加發(fā)電機(jī)的運(yùn)行安全性,發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁方式更適合采用端電壓勵(lì)磁方式。
為了驗(yàn)證端電壓勵(lì)磁方式下的發(fā)電機(jī)帶脈沖負(fù)載的工作性能,采用了建模仿真進(jìn)行驗(yàn)證。
2.2.1 柴油發(fā)電機(jī)組模型
柴油發(fā)電機(jī)組由柴油原動(dòng)機(jī)、調(diào)速器、發(fā)電機(jī)和調(diào)壓裝置構(gòu)成,控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖5。
圖5 發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)速反饋輸入、控制調(diào)節(jié)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出和外圍控制開關(guān)等環(huán)節(jié)組成。文中使用的柴油發(fā)電機(jī)組分析對(duì)象采用Woodward電子調(diào)速,其原理框圖見圖6。
圖6 柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型
同步發(fā)電機(jī)采用Simulink自帶的3階同步發(fā)電機(jī)模型,并采用IEEE AC-Type1型勵(lì)磁系統(tǒng)模型中的相關(guān)部分作為本環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型,見圖7。
圖7 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型
基于前述的柴發(fā)機(jī)組數(shù)學(xué)模型已經(jīng)建立了發(fā)電機(jī)組的柴油機(jī)組整機(jī)、調(diào)速器、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器灰盒模型。本文電站使用的1 250 kW機(jī)組與某型船的機(jī)組同型號(hào),利用某型船的摸底試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)整仿真模型的調(diào)速器、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器參數(shù),進(jìn)行模型標(biāo)定工作。
2.2.2 脈沖負(fù)載模型
根據(jù)脈沖負(fù)荷的輸入情況,利用電力電子元件進(jìn)行仿真建模,使電氣外特性與輸入一致,如圖8所示。
圖8 脈沖負(fù)載數(shù)字仿真模型
2.2.3 系統(tǒng)運(yùn)行工況分析
根據(jù)對(duì)使用脈沖負(fù)載的工況分析和脈沖功率情況,各工況匯總見表1。
表1 工況匯總表
最惡劣工況為2臺(tái)1 250 kW機(jī)組帶1 MW脈沖負(fù)載,此時(shí)單臺(tái)機(jī)最大負(fù)荷變化率為49.6%~89.6%。
2.2.4 運(yùn)行工況仿真
2.2.4.1 單脈沖試驗(yàn)1 MW
算例為2臺(tái)1 250 kW機(jī)組,在49.6%負(fù)載情況下加1 MW單脈沖負(fù)載至89.6%額定功率的情況。單脈沖1 MW負(fù)載上升沿為2 s,脈沖串中1 MW負(fù)載上升沿為1 s,因此進(jìn)行兩組試驗(yàn)。
仿真結(jié)果見下頁圖9。第3幅子圖為負(fù)載電流,顯示在推進(jìn)負(fù)載、日用負(fù)載基礎(chǔ)上加入了脈沖負(fù)載后的情形。由于脈沖負(fù)載為純有功(功率因數(shù)趨近于1),對(duì)機(jī)端電壓影響較?。ǖ?幅圖),主要影響轉(zhuǎn)速(第1幅圖)。在脈沖負(fù)載上升完畢后,由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器存在一定的遲滯,因此實(shí)際轉(zhuǎn)速會(huì)比穩(wěn)態(tài)特性有一欠調(diào)。該欠調(diào)幅度直接影響機(jī)組的瞬態(tài)調(diào)速率的計(jì)算值;同理,在脈沖負(fù)載下降完畢后,實(shí)際轉(zhuǎn)速相對(duì)于穩(wěn)態(tài)特性有一超調(diào)。由仿真結(jié)果可知,該工況下機(jī)組的最大瞬態(tài)調(diào)速率為2.1%,最大瞬態(tài)調(diào)壓率為1.5%,符合CCS的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
圖9 雙機(jī)組帶1 MW脈沖負(fù)載,上升沿2 s
其次,考慮一個(gè)更加嚴(yán)酷的工況,即上升沿為1 s。該工況雖然在單脈沖時(shí)不會(huì)出現(xiàn),但會(huì)出現(xiàn)在組合脈沖串中,因此需要特別予以考慮。
仿真結(jié)果見下頁圖10,在該過程中機(jī)組的最大瞬態(tài)調(diào)速率為2.7%,最大瞬態(tài)調(diào)壓率為2.2%,符合CCS 2018的標(biāo)準(zhǔn)。
圖10 雙機(jī)組帶1 MW脈沖負(fù)載,上升沿1 s
其他各種單脈沖負(fù)載的具體過程不再贅述,仿真結(jié)果表明,施加單脈沖負(fù)載時(shí),系統(tǒng)能夠滿足CCS 2018規(guī)定的瞬態(tài)電壓、頻率指標(biāo)的規(guī)定。
2.2.4.2 500 kW組合脈沖試驗(yàn)
算例中取作1組短脈沖-1組長(zhǎng)脈沖-1組短脈沖構(gòu)成脈沖串,長(zhǎng)脈沖時(shí)間縮短為4 s。仿真結(jié)果見下頁圖11。
圖11 雙機(jī)組帶500 kW 脈沖串仿真結(jié)果
通過仿真結(jié)果可得,500 kW脈沖串投入時(shí)造成2.2%的轉(zhuǎn)速變化和1.1%的電壓波動(dòng),系統(tǒng)電壓、頻率能滿足CCS標(biāo)準(zhǔn)的要求。
2.2.4.3 1 MW組合脈沖試驗(yàn)
1 MW組合脈沖的情況較500 kW組合脈沖特殊之處在于中央長(zhǎng)脈沖的上升沿、下降沿為1 s,較為陡峭,且與前后短脈沖間隔時(shí)間相近。根據(jù)仿真結(jié)果見圖12,1 MW脈沖串投入時(shí)造成3.7%的轉(zhuǎn)速變化及2.4%的電壓波動(dòng),系統(tǒng)電壓、頻率能滿足CCS標(biāo)準(zhǔn)。
圖12 雙機(jī)組帶1 MW脈沖串仿真結(jié)果
其他各種脈沖串負(fù)載的具體過程不再贅述。仿真結(jié)果表明,施加脈沖串負(fù)載時(shí),系統(tǒng)也能滿足規(guī)范的相關(guān)要求。
2.2.4.4 仿真結(jié)論
投入1 MW單脈沖負(fù)載時(shí),最惡劣情況下(雙機(jī)在網(wǎng)),瞬態(tài)調(diào)速率<2.1%,穩(wěn)定時(shí)間<1 s;瞬態(tài)調(diào)壓率<1.5%,穩(wěn)定時(shí)間<1.5 s。
投入1 MW脈沖串時(shí),最惡劣情況下(雙機(jī)在網(wǎng)),轉(zhuǎn)速變化率<55 r/min,瞬態(tài)調(diào)速率<3.7%,穩(wěn)定時(shí)間<3 s,瞬態(tài)調(diào)壓率<2.4%,穩(wěn)定時(shí)間<2 s。
仿真計(jì)算表明,按照當(dāng)前1 250 kW柴油發(fā)電機(jī)組配置,瞬態(tài)調(diào)壓調(diào)速性能和穩(wěn)定時(shí)間均可以滿足CCS2018的要求。
在供電系統(tǒng)中,產(chǎn)生諧波的根本原因是由于給具有非線性阻抗特性的電氣設(shè)備(又稱非線性負(fù)荷)供電的結(jié)果。這些非線性負(fù)荷在工作時(shí)向電源反饋高次諧波,導(dǎo)致供電系統(tǒng)的電壓、電流波形畸變,供電質(zhì)量變壞。
諧波的危害表現(xiàn)為引起電氣設(shè)備(電機(jī)、變壓器和電容器等)附加損耗和發(fā)熱;使同步發(fā)電機(jī)的額定輸出功率降低,轉(zhuǎn)矩降低,變壓器溫度升高,效率降低,絕緣加速老化,縮短使用壽命,甚至損壞;降低繼電保護(hù)、控制和檢測(cè)裝置的工作精度和可靠性等。諧波注入電網(wǎng)后會(huì)使無功功率增大,功率因數(shù)降低,甚至可能引發(fā)并聯(lián)和串聯(lián)諧振,損壞電氣設(shè)備和干擾通信線路的正常工作。
解決諧波問題的主要思路:
(1)就地補(bǔ)償,如采用多脈動(dòng)整流或具有有源濾波器性能的可控整流器及逆變器,從源頭上抑制或消除電力系統(tǒng)諧波;
(2)集中補(bǔ)償,設(shè)計(jì)無源電力濾波器或有源濾波來抑制或消除非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波污染。
由于裝備有大功率脈沖負(fù)載設(shè)備的船舶采用電力推進(jìn)系統(tǒng),電網(wǎng)諧波源較多,需要根據(jù)實(shí)際使用工況,對(duì)電網(wǎng)諧波含量進(jìn)行全面的分析和計(jì)算,為系統(tǒng)諧波控制設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
主要諧波源計(jì)算參數(shù)如下:
(1)電力推進(jìn)設(shè)備(2套):擬定推進(jìn)電機(jī)額定輸出功率1 800 kW;單軸電力推進(jìn)設(shè)備采用12脈動(dòng)整流,雙軸構(gòu)成虛擬24脈動(dòng)整流;單軸電力推進(jìn)設(shè)備電網(wǎng)輸入端諧波電流占基波電流比例≤20%。
(2)大功率脈沖負(fù)載設(shè)備(1套):最大功率需求為1 MW;電網(wǎng)輸入端功率因數(shù)≥0.93;采用有源濾波型前端,電網(wǎng)輸入端諧波電流占基波電流比例≤10%。
(3)艏部變頻側(cè)推裝置(2套):擬定額定功率600 kW,采用有源濾波型前端。
本船采用綜合電力推進(jìn)系統(tǒng),主電站設(shè)4臺(tái)1 250 kW發(fā)電機(jī)組,通過AC 690 V主配電板為電力推進(jìn)設(shè)備、大功率脈沖負(fù)載設(shè)備、艏部變頻側(cè)推裝置和日用變壓器提供電源。390 V日用配電板由690 V/390 V日用變壓器提供電源。根據(jù)不同使用工況,分別計(jì)算690 V主配電板、390 V日用配電板的總諧波電壓畸變率THD,計(jì)算結(jié)果見下頁表2。
表2 諧波計(jì)算工況表
由上述計(jì)算結(jié)果可知,電網(wǎng)諧波含量最高的為工況4,此時(shí)僅開2臺(tái)發(fā)電機(jī)組,諧波源為電力推進(jìn)設(shè)備和大功率脈沖負(fù)載設(shè)備,AC 690 V配電板處的總諧波電壓畸變率THD為4.79%,接近于CCS規(guī)范要求的5%??傮w在設(shè)計(jì)上可不增加額外的濾波設(shè)備,另外在690 V配電板上設(shè)置備用開關(guān),可便于后續(xù)根據(jù)實(shí)際情況加裝濾波設(shè)備。
THD
均小于5%,滿足CCS的相關(guān)要求。