船舶大功率脈沖負(fù)載抗沖擊供電系統(tǒng)

龐 宇， 黃文燾， 吳 駿， 邰能靈， 孫國(guó)亮

(1. 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程系， 上海 200240； 2. 中國(guó)船舶及海洋研究工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011； 3. 中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇 江陰 214400)

隨著艦船技術(shù)的快速發(fā)展，高能武器、電磁發(fā)射裝置和新型雷達(dá)等功率脈沖型負(fù)載在船舶綜合電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1-2].脈沖型負(fù)載的功率脈動(dòng)無(wú)序且頻繁，沖擊峰值高，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定與電能質(zhì)量造成嚴(yán)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(dòng)慣量低，僅依賴于船舶電站無(wú)法保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行.大功率脈沖負(fù)載對(duì)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(dāng)前高技術(shù)艦船承載的脈沖負(fù)載類型越來(lái)越多，如移動(dòng)通訊設(shè)備、高功率武器、雷達(dá)、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(diǎn)，且其運(yùn)行具有強(qiáng)隨機(jī)性.以大功率雷達(dá)負(fù)載為例，其工作周期為10-3～10-1s量級(jí)，長(zhǎng)脈寬工作模式會(huì)導(dǎo)致供電系統(tǒng)功率波動(dòng)[3-4].新型大功率脈沖負(fù)載接入會(huì)造成如下影響：① 電站機(jī)電調(diào)節(jié)控制器響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，綜合電力系統(tǒng)無(wú)法滿足脈沖負(fù)載瞬時(shí)功率需求，產(chǎn)生波動(dòng)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(dòng)可能引發(fā)次同步間諧波問(wèn)題，破壞系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行[7-8]；③ 惡化電網(wǎng)電能質(zhì)量，干擾其他敏感負(fù)載.

開(kāi)展高動(dòng)態(tài)響應(yīng)升壓/降壓型變換器拓?fù)鋬?yōu)化工作，降低脈沖功率負(fù)載引起的電流紋波，避免脈沖負(fù)載對(duì)供電系統(tǒng)中直流母線的影響，是保證脈沖功率負(fù)載高性能穩(wěn)定工作的關(guān)鍵技術(shù)方法[9-10].目前，已有研究針對(duì)脈沖負(fù)載特性及其對(duì)獨(dú)立電力系統(tǒng)影響展開(kāi)研究.文獻(xiàn)[11-12]研究了雷達(dá)脈沖負(fù)載的占空比、工作周期、峰值功率和濾波電容變化時(shí)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)的影響規(guī)律.文獻(xiàn)[13]通過(guò)仿真研究了電網(wǎng)運(yùn)行特性與脈沖負(fù)載工作模式之間的關(guān)系，分析了不同脈沖負(fù)載參數(shù)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行特性的影響規(guī)律和程度.文獻(xiàn)[14]建立了含脈沖負(fù)載的獨(dú)立電力系統(tǒng)模型，推導(dǎo)了源載耦合關(guān)系，通過(guò)理論結(jié)合試驗(yàn)，找出交直流側(cè)之間影響的脈動(dòng)頻率規(guī)律，對(duì)不同脈沖頻率、不同脈沖負(fù)載功率展開(kāi)試驗(yàn)，給出了脈沖負(fù)載功率分配表.上述文獻(xiàn)分析了脈沖負(fù)載及電路參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響，對(duì)工程設(shè)計(jì)及后續(xù)脈沖負(fù)載在獨(dú)立電力系統(tǒng)中的應(yīng)用做了重要鋪墊，但由于其所研究的脈沖負(fù)載功率較小且工作模式單一，所以采用的均是傳統(tǒng)負(fù)載供電結(jié)構(gòu).該結(jié)構(gòu)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(fù)載電流快速跟蹤響應(yīng)環(huán)節(jié)、直流母線電壓電流脈動(dòng)抑制環(huán)節(jié)、交流側(cè)諧波治理環(huán)節(jié)等功能，已無(wú)法滿足大功率多模式脈沖負(fù)載動(dòng)態(tài)響應(yīng)需求和降低負(fù)載對(duì)船舶電力系統(tǒng)影響的要求.文獻(xiàn)[15]對(duì)含脈沖負(fù)載的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行研究，分析了飛輪儲(chǔ)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(duì)推進(jìn)系統(tǒng)及電站沖擊的作用，但該儲(chǔ)能方式并不適用于雷達(dá)等此類高頻脈沖負(fù)載.文獻(xiàn)[16]設(shè)計(jì)了一種混合儲(chǔ)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(fù)載脈動(dòng)對(duì)供電電源的不利影響，但對(duì)于兆瓦級(jí)負(fù)載并不適用.目前，有學(xué)者提出了三相不可控整流器級(jí)聯(lián) Buck電路的新型雷達(dá)供電單元.文獻(xiàn)[17]建立新型脈沖負(fù)載等效拓?fù)浼跋鄳?yīng)的潮流計(jì)算模型，可作為含脈沖負(fù)載獨(dú)立微電網(wǎng)運(yùn)行特性及穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ).文獻(xiàn)[18]推導(dǎo)了新型脈沖負(fù)載供電結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)仿真分析和實(shí)物驗(yàn)證脈沖負(fù)載參數(shù)對(duì)獨(dú)立電力系統(tǒng)的影響規(guī)律.但是上述文獻(xiàn)未針對(duì)新型脈沖負(fù)載特點(diǎn)及其影響，從系統(tǒng)與負(fù)載的匹配性、系統(tǒng)運(yùn)行使用的安全性以及穩(wěn)定性等多角度對(duì)供電結(jié)構(gòu)、參數(shù)進(jìn)行研究和設(shè)計(jì).

本文分析了功率脈沖負(fù)載特性及其對(duì)電網(wǎng)的影響，優(yōu)化傳統(tǒng)脈沖負(fù)載供電結(jié)構(gòu)，提出一種大功率多模式脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，采用功率平抑、能量分組、諧波治理、事故備用等技術(shù)，即 “多脈波變壓器+不可控整流+兩級(jí)互聯(lián)直流/直流(DC/DC)變換器”的供電結(jié)構(gòu)，并對(duì)能量緩沖環(huán)節(jié)中關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì).仿真分析不同工作模式下負(fù)載對(duì)系統(tǒng)的影響，通過(guò)傳統(tǒng)和新型脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)性能的對(duì)比，說(shuō)明該結(jié)構(gòu)能顯著改善交流側(cè)電壓電流的畸變率，降低交流側(cè)功率和直流側(cè)母線電壓的波動(dòng)，驗(yàn)證了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)的正確性和有效性，對(duì)脈沖負(fù)載在獨(dú)立電力系統(tǒng)中的應(yīng)用、設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化等方面具有重要意義和參考價(jià)值.

1 脈沖負(fù)載特性及其影響

1.1 脈沖負(fù)載特性

新型脈沖負(fù)載占空比隨機(jī)變化且呈連續(xù)脈沖功率沖擊的強(qiáng)非線性特征，其功率特性既有沖擊性，又有隨機(jī)性和波動(dòng)性，具有工作頻率寬、工作模式多和峰值功率大的特點(diǎn)[19].某雷達(dá)脈沖負(fù)載在不同工作模式下的波形如表1所示.其中：Io為脈沖電流幅值；t為時(shí)間；pu.為電力系統(tǒng)的標(biāo)么值，無(wú)單位或者認(rèn)為為“1”.

表1 不同工作模式下的負(fù)載參數(shù)和波形Tab.1 Actual load parameters and waveforms at different operating modes

負(fù)載呈現(xiàn)脈沖形式，特別是負(fù)載在滿載與空載模式之間工作時(shí)，可簡(jiǎn)化成方波來(lái)表示.脈沖負(fù)載電流波形及其分解如圖1所示.其中：T為脈沖負(fù)載工作周期；D為占空比；Io(t)為脈沖負(fù)載電流；Iavg(t)為平均電流；Ipul(t)為脈動(dòng)電流.Io(t)可以分解為Iavg(t)和Ipul(t)兩部分.由于脈沖負(fù)載電流的周期性，F(xiàn)ourier級(jí)數(shù)展開(kāi)[20]，可得脈沖電流中諧波成分的增益In如下：

圖1 脈沖負(fù)載電流波形及其分解Fig.1 Pulse load current waveforms and its decomposition waveforms

(1)

(2)

式中：n為整數(shù)；sinc(nπD)函數(shù)的零點(diǎn)值在n=[k/D]， 系數(shù)k=0,1,…處；φn為諧波成分的相位.

1.2 脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)模型

脈沖負(fù)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(jí)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(fù)載引起的電流中脈動(dòng)部分Ipul會(huì)由輸出電容Co和濾波電感Lo兩條支路分?jǐn)?，若要使供電系統(tǒng)輸入電流的脈動(dòng)盡可能減小，則需控制流過(guò)電感的電流ILo跟隨脈沖負(fù)載引起電流中的平均電流Iavg(不考慮開(kāi)關(guān)頻率紋波)，而脈動(dòng)電流部分則盡量由輸出電容支路來(lái)提供，通過(guò)合理設(shè)計(jì)輸出電容大小來(lái)控制輸出電壓Uo的波動(dòng)要求.

圖2 脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)模型Fig.2 Model of the pulse load power supply system

通過(guò)分析脈沖負(fù)載引起電流的組成，可以獲得如下結(jié)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(dòng)和輸出電壓波動(dòng)；② 若供電系統(tǒng)中采用單級(jí)DC/DC變換器，則輸出穩(wěn)壓和輸入穩(wěn)流無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)，要么允許脈沖負(fù)載功率以脈動(dòng)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(dòng)范圍；③ 若供電系統(tǒng)采用兩級(jí)變換器級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，前級(jí)變換器允許輸出電壓存在一定的波動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)輸入電流跟隨脈沖負(fù)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(fù)載提供脈動(dòng)功率，后級(jí)變換器在輸入電壓波動(dòng)時(shí)控制輸出電壓的穩(wěn)定.這樣前后兩級(jí)變換器分別實(shí)現(xiàn)不同的功能，脈動(dòng)功率由中間電容來(lái)承擔(dān)，從而能夠同時(shí)保證脈沖負(fù)載的高精度供電和平抑脈沖負(fù)載對(duì)供電系統(tǒng)輸入側(cè)的沖擊.

1.3 脈沖負(fù)載對(duì)綜合電力系統(tǒng)的影響

船舶綜合電力系統(tǒng)與陸地大電網(wǎng)相比是一個(gè)“源-網(wǎng)-荷”緊密連接的獨(dú)立電力系統(tǒng)，具有“強(qiáng)耦合、非線性、高協(xié)同”的特點(diǎn)，依賴發(fā)電機(jī)組電壓頻率調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制，因電纜線路長(zhǎng)度短、線路損耗小、短路電流大，系統(tǒng)狀態(tài)信息迅速地在內(nèi)部傳播，系統(tǒng)工況復(fù)雜，負(fù)載變化頻繁，受限的發(fā)電機(jī)組容量及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量會(huì)讓大功率沖擊性負(fù)載對(duì)系統(tǒng)造成不良影響，由于工作環(huán)境惡劣，空間位置有限，供電系統(tǒng)及其關(guān)鍵設(shè)備的可靠性、生命力、緊湊性要求高.

大功率多模式脈沖負(fù)載加入船舶綜合電力系統(tǒng)中，會(huì)給系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和控制增加難度，如表2所示.因此，綜合電力系統(tǒng)為適配脈沖負(fù)載，根據(jù)脈沖負(fù)載功率需求特性，其供電裝置需配置能量緩沖環(huán)節(jié)對(duì)功率進(jìn)行平滑處理之后再與船舶主電網(wǎng)連接，不僅需要增大電站容量，還應(yīng)優(yōu)化電站、儲(chǔ)能與負(fù)載之間的協(xié)調(diào)能力，以提升船舶載荷與供電品質(zhì).

表2 大功率多模式脈沖負(fù)載適應(yīng)性綜合電力系統(tǒng)特點(diǎn)

2 大功率多模式抗沖擊脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)優(yōu)化

脈沖負(fù)載種類很多，根據(jù)其功率等級(jí)、周期時(shí)間尺度和工作特點(diǎn)會(huì)采用不同的供電結(jié)構(gòu)[21].傳統(tǒng)脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)由柴油發(fā)電機(jī)組、三相變壓器、不可控整流橋、LC濾波器以及脈沖型負(fù)荷組成.新型脈沖負(fù)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(shù)所構(gòu)建的電力網(wǎng)絡(luò)保證大容量船舶電站安全供電和負(fù)載精準(zhǔn)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(dá)陣面會(huì)嚴(yán)重影響電網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行，所以需要采取功率波動(dòng)抑制手段.由于雷達(dá)功率波動(dòng)隨著探測(cè)目標(biāo)的軌跡呈現(xiàn)不確定性，所以須按照負(fù)載最嚴(yán)苛狀態(tài)對(duì)系統(tǒng)的影響進(jìn)行設(shè)置.如果單獨(dú)設(shè)置一套大容量平抑設(shè)備可能會(huì)造成與總體適裝性上的矛盾，同時(shí)也增加了單一故障對(duì)全船使命任務(wù)造成影響的風(fēng)險(xiǎn).因此在設(shè)計(jì)中采用從交流側(cè)到負(fù)載側(cè)，加入多級(jí)穩(wěn)壓電路的方式對(duì)脈沖負(fù)載進(jìn)行隔離.脈沖負(fù)載的傳統(tǒng)供電系統(tǒng)由柴油發(fā)電機(jī)組、三相變壓器、不可控整流橋、LC濾波器以及脈沖型負(fù)荷組成，在整流電路與脈沖負(fù)載之間加入Buck電路和Boost電路的級(jí)聯(lián)模塊，作為功率平抑裝置，減少脈沖負(fù)載對(duì)交流側(cè)系統(tǒng)的功率沖擊，如圖3所示.其中：PP為脈沖負(fù)載功率峰值；S為脈沖開(kāi)關(guān)；L為電感；C為電容.

圖3 串聯(lián)功率平抑單元的脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)Fig.3 Pulse load power supply system of cascade connected power suppression unit

在確定了功率平抑裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之后，需要對(duì)Buck電路和Boost電路中的元器件參數(shù)進(jìn)行確定，以確保其能夠有效地緩解脈沖負(fù)載接入系統(tǒng)后的沖擊，電路參數(shù)的選擇涉及到電路所帶的負(fù)載功率脈沖參數(shù)，詳見(jiàn)第3節(jié).

2.2 能量分組與備用

新型雷達(dá)陣面供電需求較大，若采用常規(guī)單路供電形式單路供電電流將超過(guò)1×104A，大電流傳輸所需要的設(shè)備安裝、電纜附設(shè)、開(kāi)關(guān)保護(hù)器件選擇均會(huì)成為工程實(shí)施的難點(diǎn).因此，將雷達(dá)陣面供電獨(dú)立于全船其他任務(wù)和日用設(shè)備，采用分組傳輸?shù)男问綄?shí)現(xiàn)，具體分組可根據(jù)陣面功率大小確定.采用分組能量傳輸后，設(shè)置臨時(shí)電纜跨接環(huán)節(jié)來(lái)提高設(shè)備單一故障后的可用性.

由于采用兩級(jí)直流變壓環(huán)節(jié)，通過(guò)分組供電與多路配電相結(jié)合的方式利用故障后臨時(shí)電纜敷接實(shí)現(xiàn)故障重構(gòu)，保證設(shè)備單一故障后的可用性，提高負(fù)載供電生命力.故障模式下的重構(gòu)連接如圖4所示.第1組供電支路上的移相變壓器、平抑電源(脈沖平抑電源轉(zhuǎn)換裝置)、直流配電板損壞時(shí)，該組的每路陣面電源可分別從鄰近的直流配電板連接取電，以保證其正常工作.

圖4 故障模式下的重構(gòu)連接示意圖Fig.4 Schematic diagram of reconstructed connection in fault mode

2.3 諧波治理

脈沖負(fù)載為直流負(fù)載，其供電系統(tǒng)存在整流環(huán)節(jié).整流電路有傳統(tǒng)的三相6 脈沖不可控全橋整流、多脈沖整流(多脈沖變壓器+不可控整流橋)、脈沖寬度調(diào)制(PWM)整流3種方案.3種方案的主要性能指標(biāo)比較如表3所示.其中：THD為總諧波失真理論值；m為脈波數(shù).

表3 3種整流電路方案的主要性能指標(biāo)比較Tab.3 Comparison of main performance indexes of three rectifier circuit schemes

多脈沖整流是通過(guò)不同的繞組聯(lián)結(jié)方式得到相位不同的電壓矢量，使得網(wǎng)側(cè)電流由不同相位的電流矢量疊加而成，使整流電路網(wǎng)側(cè)的方波電流變?yōu)榀B加而成的階梯波電流.整流脈沖數(shù)增多，根據(jù)階梯波抵消原理，合成電流波形的階梯數(shù)越多，電流中諧波成份越少，THD 越小，變壓器漏抗使階梯波邊沿變緩，因而實(shí)際THD會(huì)略小于理論值[22].

對(duì)于可控PWM整流裝置，其可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流正弦化，且運(yùn)行于單位功率因數(shù)，目前應(yīng)用也非常廣泛，雖然其存在很多優(yōu)點(diǎn)，技術(shù)也日趨成熟，但在含脈沖負(fù)載的船舶電力系統(tǒng)中，其使用對(duì)比不可控整流裝置存在鎖相不準(zhǔn)確、高頻諧波和功耗較高等問(wèn)題.

2.3.1鎖相問(wèn)題 含脈沖負(fù)載的船舶電力系統(tǒng)中電網(wǎng)環(huán)境較為惡劣，存在電壓畸變，如諧波、頻率突變、相位突變以及三相不平衡等電能質(zhì)量問(wèn)題.在PWM整流器控制中，為實(shí)現(xiàn)其網(wǎng)側(cè)有功、無(wú)功功率控制，同步坐標(biāo)系下電流內(nèi)環(huán)控制一般需要鎖相環(huán)節(jié)對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行鎖相，動(dòng)態(tài)獲取電網(wǎng)電壓相位信息，實(shí)現(xiàn)直軸d和交軸q的定位，提供計(jì)算基準(zhǔn).目前的電壓過(guò)零鎖相電路依賴于電壓信號(hào)零點(diǎn)時(shí)刻的檢測(cè)，當(dāng)系統(tǒng)存在電壓畸變時(shí)，電壓信號(hào)零點(diǎn)與基波零點(diǎn)不一致，鎖相環(huán)無(wú)畸變電壓的抑制能力，因而在畸變電壓條件下會(huì)得到錯(cuò)誤的相位信息，無(wú)法快速、準(zhǔn)確地鎖定電壓相位，進(jìn)而對(duì)于需要系統(tǒng)電壓同步的PWM整流器產(chǎn)生影響，使其輸出電流產(chǎn)生異常，更進(jìn)一步惡化電網(wǎng)的電能質(zhì)量.現(xiàn)在已經(jīng)有很多學(xué)者對(duì)應(yīng)用于不理想電網(wǎng)環(huán)境下的改進(jìn)型鎖相環(huán)技術(shù)進(jìn)行研究，但目前還缺乏專門針對(duì)含脈沖負(fù)載獨(dú)立電網(wǎng)的鎖相技術(shù).文獻(xiàn)[23]對(duì)脈沖負(fù)荷的沖擊作用進(jìn)行了研究.仿真結(jié)果表明，脈沖負(fù)載供電采用不可控整流形式比可控整流形式對(duì)艦船電力系統(tǒng)造成的沖擊小得多.因此在飛機(jī)、艦船等獨(dú)立電力系統(tǒng)中，為提高系統(tǒng)的可靠性和安全性，大多采用不可控整流形式.

2.3.2高頻諧波問(wèn)題 可控整流采用PWM技術(shù)，在開(kāi)關(guān)頻率附近產(chǎn)生高次特征諧波，給電網(wǎng)帶來(lái)高次諧波污染.為消除諧波污染，會(huì)在電網(wǎng)和整流器之間加入濾波裝置，基于電感電容電感(LCL)型的濾波器應(yīng)用最為廣泛，兼顧低頻段增益和高頻段的衰減.但采用LCL輸出濾波的PWM整流器為3階系統(tǒng)，存在固有的諧振頻率點(diǎn)，如果獨(dú)立電力系統(tǒng)中由于脈沖負(fù)載而存在的某次諧波與PWM整流器的固有諧振頻率相近或者相等時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生諧波諧振現(xiàn)象，使本身較小的諧波成分嚴(yán)重放大，并且隨著并聯(lián)的PWM整流器個(gè)數(shù)增加，諧振峰的頻率向低頻段移動(dòng)，電能質(zhì)量嚴(yán)重下降.多個(gè)PWM整流器并聯(lián)運(yùn)行的仿真結(jié)果如圖5所示.其中：Φ為相位；M為幅值增益；f為電網(wǎng)頻率；U為電壓；I為電流；N為變流器并聯(lián)個(gè)數(shù)；PCC為公共連接點(diǎn).

圖5 多個(gè)PWM整流器并聯(lián)運(yùn)行的仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of several PWM rectifiers running in parallel

在指令電流中加入250、550、950 Hz的諧波成分，對(duì)多個(gè)整流器并聯(lián)運(yùn)行進(jìn)行仿真，可以得到LCL型PWM整流器諧波放大現(xiàn)象的950 Hz成分?jǐn)?shù)據(jù)，如表4所示.從表4中可以看到，950 Hz成分隨著并聯(lián)PWM整流器個(gè)數(shù)的增加，出現(xiàn)了嚴(yán)重的放大情況.

表4 PWM整流器的950 Hz諧波Tab.4 950 Hz components of PWM rectifier

由圖5(b)可知，在250 Hz 頻率上，變流器并聯(lián)個(gè)數(shù)的增加對(duì)輸出電流的影響不大，沒(méi)有出現(xiàn)諧振現(xiàn)象；在550 Hz頻率上，隨著變流器并聯(lián)個(gè)數(shù)的增加，輸出電流、電容電壓和公共連接點(diǎn)，即系統(tǒng)交流母線與整流器連接點(diǎn)，電壓開(kāi)始出現(xiàn)放大現(xiàn)象；在950 Hz 頻率上，隨著變流器并聯(lián)個(gè)數(shù)的增加，輸出電流出現(xiàn)了明顯的放大，8臺(tái)變流器并聯(lián)時(shí)，電容電壓和PCC電壓都出現(xiàn)了諧振現(xiàn)象，而在實(shí)際工程中，大功率脈沖負(fù)載的供電往往會(huì)采用多組形式，降低單臺(tái)設(shè)備的功率和體積.

2.3.3功率損耗 由于半導(dǎo)體材料的特性，其本身在開(kāi)關(guān)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生功率損耗，一方面降低系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率，另一方面會(huì)使設(shè)備產(chǎn)生熱量，需要考慮散熱問(wèn)題.全控性元器件，如絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的功率損耗主要來(lái)源:飽和開(kāi)通狀態(tài)下通態(tài)電阻產(chǎn)生的通態(tài)損耗和開(kāi)關(guān)過(guò)程中電流電壓不同步引起的開(kāi)關(guān)損耗.二極管的功率損耗則包括導(dǎo)通損耗和反向恢復(fù)損耗，由于其反向漏電流很小，故反向損耗很低[24-25].傳統(tǒng)Si二極管存在反向恢復(fù)電流，而新型碳化硅肖特基勢(shì)壘二極管(SBD)沒(méi)有反向恢復(fù)損耗.相比于可控PWM整流來(lái)說(shuō)，不可控整流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中只有二極管一種功率器件，因此在相同工況下，PWM整流器的損耗大于不可控整流器，且開(kāi)關(guān)管工作溫度也偏高.若再計(jì)及控制器，采樣電路等的損耗，二者差距將更加明顯.大功率脈沖負(fù)載的供電系統(tǒng)的輸出功率大，功率密度高，設(shè)備存放空間相對(duì)較小，故電源的熱量產(chǎn)生及散熱問(wèn)題也是供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要考慮的因素之一.

濾波器能夠治理諧波，無(wú)源濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定，但只能補(bǔ)償固定頻率的諧波，且易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波放大，有源濾波器可動(dòng)態(tài)濾除各次諧波，但可靠性相對(duì)較低，在高頻、大功率的場(chǎng)合不適用.文獻(xiàn)[26]將大容量無(wú)源濾波器和較小容量的有源濾波器組合，應(yīng)用于多工作模式下的船舶電力系統(tǒng)，但若用于含大功率脈沖負(fù)載的系統(tǒng)，不僅增加成本和空間，還需要特殊設(shè)計(jì)[27]，并不適用.

因此，新型脈沖負(fù)載供電結(jié)構(gòu)中直流環(huán)節(jié)采用“兩級(jí)DC/DC互聯(lián)直流變換器”提供負(fù)載脈動(dòng)功率部分，緩解負(fù)載沖擊和保證供電精度；整流環(huán)節(jié)采用“多脈波變壓器+不可控整流”治理電能質(zhì)量污染問(wèn)題；最后發(fā)電機(jī)組提供負(fù)載平均功率部分，充分其固有機(jī)械慣量，減少直流環(huán)節(jié)電容儲(chǔ)能容量，節(jié)省船上的空間，提高供電系統(tǒng)的功率密度和能量密度[17]，即“多脈波變壓器+不可控整流+兩級(jí)DC/DC互聯(lián)直流變換器”的結(jié)構(gòu)，如圖6所示.其中：AC為交流；粉色區(qū)域中，VT1和D1為Buck電路的開(kāi)關(guān)管及控制信號(hào)，L1和C1為Buck電路的濾波電感和輸出電容；黃色區(qū)域中，VT2和D2為Boost電路的開(kāi)關(guān)管及控制信號(hào)，L2和C2為Boost電路的濾波電感和輸出電容.考慮到綜合電力系統(tǒng)含有大量電力電子開(kāi)關(guān)，和“寬工作頻率、多工作模式”的脈沖負(fù)載對(duì)系統(tǒng)的影響，將會(huì)出現(xiàn)大量諧波，多脈波數(shù)選用24脈.

圖6 船舶大功率脈沖負(fù)載抗沖擊供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.6 Surge-suppression power supply system for ship high-power pulse loads

3 脈沖負(fù)載能量緩沖單元參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 Buck電路結(jié)構(gòu)與參數(shù)的設(shè)計(jì)

由于輸出直流電壓的波動(dòng)大小與輸出濾波電感和輸出濾波電容的大小有直接關(guān)系，所以在分析功率等級(jí)、開(kāi)關(guān)頻率和控制方式對(duì)輸出阻抗的影響之前，有必要先給出輸出濾波器的設(shè)計(jì).Buck電路結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6粉色區(qū)域.當(dāng)限定了輸出濾波電感電流的脈動(dòng)大小δ時(shí)，濾波電感可由下式求得：

(3)

式中：Po為額定輸出功率；fs為電感電流的脈動(dòng)頻率.當(dāng)濾波電感大小確定后，電感電流的脈動(dòng)大小為

(4)

假定電感電流的脈動(dòng)量完全由輸出濾波電容來(lái)承擔(dān)，則輸出電壓的紋波為

(5)

將式(4)代入式(5)，得到：

(6)

式中：RC為電容的等效串聯(lián)電阻.

當(dāng)要求輸出電壓的紋波量不大于輸出電壓波動(dòng)大小γ時(shí)，忽略RC，則根據(jù)式(6)可以推導(dǎo)出輸出濾波電容的計(jì)算公式為

(7)

3.2 Boost電路結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計(jì)

Boost電路結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6黃色區(qū)域.影響輸出電容器的選擇因素有開(kāi)關(guān)頻率的紋波電流、二次諧波的紋波電流、直流輸出電壓、輸出紋波電壓和維持時(shí)間.輸出電容值由如下公式表示：

(8)

式中：ΔU為紋波電壓峰峰值；η為變換器效率；f=50 Hz，為電網(wǎng)頻率.對(duì)Boost電路的電感設(shè)計(jì)，當(dāng)為電流連續(xù)模式時(shí)，其具體公式為

(9)

而電感電流的脈動(dòng)大小為

(10)

可得電感的計(jì)算公式為

(11)

4 算例仿真分析

柴油電機(jī)組輸出端 6 600 V三相交流電經(jīng)過(guò)24脈波不可控整流，然后經(jīng)過(guò)兩級(jí)互聯(lián)直流變換，前級(jí)Buck電路母線電壓為DC510 V，后級(jí)Boost電路輸出DC710 V，供給脈沖負(fù)載，在MATLAB/Simulink中搭建相應(yīng)模型，如圖7所示.其中：G為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)；M為推進(jìn)電機(jī).其中級(jí)聯(lián)DC/DC電路參數(shù)計(jì)算見(jiàn)4.1節(jié).

圖7 新型脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Simulation structure of the new pulse loads power supply system

4.1 Buck電路和Boost電路參數(shù)取值

根據(jù)實(shí)船項(xiàng)目的要求，Buck電路輸出電壓波動(dòng)率為±5%，則γ取為10%.本文選擇濾波電感電流的脈動(dòng)大小為負(fù)載電流的20%.當(dāng)系統(tǒng)要求帶脈沖負(fù)載時(shí)，Po=300 kW，Uo=510 V，開(kāi)關(guān)頻率為 6.4 kHz.根據(jù)式(3)和(7)，可以得到：

根據(jù)實(shí)際器件選取及裕量考慮，最終取值為C1=100 μF，L1=200 μH.

Boost 電路輸出電壓波動(dòng)為 ±10 V，當(dāng)系統(tǒng)要求帶負(fù)載2時(shí)，其輸出功率為Po=300 kW，Uo=710 V，開(kāi)關(guān)頻率為6.4 kHz，變換器效率η=0.9.同樣，根據(jù)前面電容電感計(jì)算式(8)和(9)，得到：

根據(jù)實(shí)際器件選取及裕量考慮，最終取值C2=70 mF，L2=150 μH.

4.2 傳統(tǒng)和新型脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)性能對(duì)比

為充分驗(yàn)證上述結(jié)構(gòu)的有效性，對(duì)負(fù)載的5種不同工作模式下的實(shí)際波形(見(jiàn)表1)進(jìn)行模擬，分別接入傳統(tǒng)(由三相變壓器、不可控整流橋和LC濾波器組成)和新型脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)中進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證不同脈沖負(fù)載對(duì)系統(tǒng)的影響，包括交流側(cè)電壓、電流畸變率，發(fā)電機(jī)端電壓Vd、Vq波動(dòng)率，以及直流側(cè)電壓波動(dòng)率，結(jié)果如表5和6所示.

表5 傳統(tǒng)脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)性能Tab.5 Performance of traditional pulse loads power supply system

表6 新型脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)性能Tab.6 Performance of new pulse loads power supply system

從表5和6可以看出，傳統(tǒng)脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)無(wú)論接入哪種類型的脈沖負(fù)荷，交流側(cè)電壓電流畸變率都嚴(yán)重超標(biāo)，電能質(zhì)量問(wèn)題嚴(yán)重，并且對(duì)發(fā)電機(jī)內(nèi)部特性影響較大.當(dāng)接入負(fù)載2時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的影響最大，直流側(cè)波動(dòng)達(dá)到163.7 V.新型脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)下，各類型脈沖負(fù)載對(duì)系統(tǒng)的影響明顯降低，直流側(cè)電壓也在非常小的范圍內(nèi)波動(dòng).工作模式為負(fù)載2時(shí)，傳統(tǒng)和新型脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)仿真波形如圖8和9所示.其中：Uabc為發(fā)電機(jī)輸出交流電壓；Iabc為發(fā)電機(jī)輸出交流電流；UBuck、UBoost分別為Buck電路和Boost電路輸出直流母線電壓.由圖9可知，在加入脈沖負(fù)載以后，新型脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)中Buck電路輸出直流母線電壓穩(wěn)定后的電壓波動(dòng)范圍在490～530 V，Boost電路輸出直流母線電壓穩(wěn)定后的電壓波動(dòng)范圍在705～715 V，電壓波動(dòng)率滿足±5 V的要求.

圖8 負(fù)載2模式下傳統(tǒng)脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)仿真波形Fig.8 Simulation waveforms of the conventional pulsed power supply system at load 2 mode

圖9 負(fù)載2模式下新型脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)仿真波形Fig.9 Simulation waveforms of the new pulsed power supply system at load 2 mode

5 結(jié)論

本文對(duì)含大功率脈沖負(fù)載的船舶綜合電力系統(tǒng)進(jìn)行了研究，包括脈沖負(fù)載特性和大功率多模式脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)優(yōu)化兩方面，通過(guò)理論研究和仿真分析可以得到如下結(jié)論.

(1) 脈沖負(fù)載電流中所含諧波分量的大小只與脈沖占空比有關(guān)，諧波基頻與脈沖頻率有關(guān).

(2) 脈沖負(fù)載引起的電流包含脈動(dòng)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(jí)變換器級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，降低脈沖負(fù)載沖擊并保證高精度供電.

(3) 在含脈沖負(fù)載的船舶電力系統(tǒng)中，不可控整流結(jié)構(gòu)較可控整流結(jié)構(gòu)更合適，通過(guò)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(fù)載供電系統(tǒng)可采用“多脈波變壓器+不可控整流+兩級(jí)互聯(lián)DC/DC直流變換器”的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化電站、儲(chǔ)能與負(fù)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(guò)多級(jí)能量緩沖，平抑脈沖負(fù)載沖擊并減少儲(chǔ)能元件單體的體積；② 通過(guò)有效控制特殊負(fù)載的諧波污染，降低其運(yùn)行時(shí)對(duì)其他敏感性負(fù)載的影響；③ 通過(guò)模塊化、多冗余設(shè)計(jì)，提高特殊負(fù)載的供電生命力.

本文對(duì)供電系統(tǒng)中能量緩沖單元參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和計(jì)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(jìn)一步研究，而且隨著脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)變復(fù)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(jié)構(gòu)，建立大信號(hào)分析模型，推導(dǎo)出系統(tǒng)大擾動(dòng)下的穩(wěn)定性判據(jù)，并分析物理參數(shù)和控制參數(shù)對(duì)穩(wěn)定域的影響.