高能激光武器負載對艦船電力系統(tǒng)的沖擊分析與補償

孔振東,王 軍,劉漢宇,譚 笑,張賢椿

(1. 南京理工大學自動化學院,南京 210094;2. 中國船舶集團有限公司第七○八研究所,上海 200011)

激光武器由激光器以及跟蹤、瞄準、發(fā)射裝置等部分組成,其核心是激光器。激光器按工作物質(zhì)分為固體激光器、化學激光器、光纖激光器等。光纖激光器因具有電光轉(zhuǎn)換效率高、可靠性強等優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用到軍事等領(lǐng)域。因此,本文以高能光纖激光武器為研究對象,當其加載到艦船綜合電力系統(tǒng)時,會出現(xiàn)電壓跌落的現(xiàn)象，而這一現(xiàn)象的原因可以從如下兩個層面分析。一是從系統(tǒng)層面,艦船電網(wǎng)不像陸地無窮大系統(tǒng),可以視為微網(wǎng),發(fā)電機作為電源,其固有的調(diào)節(jié)時間導致不能及時響應(yīng)大功率負載變化,故無法保持與負載平衡。二是從負載層面即高能激光武器的特性來看,它可以發(fā)射攜帶巨大能量的高亮度強激光束,結(jié)合電光轉(zhuǎn)換效率可知,它所需輸入的電功率更大,且?guī)砹穗娏鞯脑龃?。以上兩個原因最終造成了電壓跌落。

電壓跌落的定義是電壓低于標幺值的10%,電壓跌落會給設(shè)備帶來危害,會影響激光器的供電穩(wěn)定性,進一步會損毀光纖激光器。同時,激光武器屬于新概念武器,直接影響到作戰(zhàn)的效能。因此,對艦船電能質(zhì)量的檢測和控制顯得尤其重要。目前，針對電壓跌落的治理問題,應(yīng)用較多的是不間斷電源、儲能系統(tǒng)和動態(tài)電壓恢復(fù)器。文獻[2]提出了發(fā)電機和蓄電池組并聯(lián)供電策略,有效地提高了系統(tǒng)的利用率,但存在蓄電池壽命短、維護困難的問題。文獻[3-4]設(shè)計飛輪儲能系統(tǒng),提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性與運行效率,但成本昂貴。文獻[5]基于儲能裝置荷電狀態(tài)(SOC)的多 HESS 協(xié)同控制方法,較好地應(yīng)對了艦船高能負載投切工況。文獻[6]提出了利用交流發(fā)電機的創(chuàng)新控制系統(tǒng),通過受控的交直流接口接入變流器,以實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定電壓控制。目前，動態(tài)電壓恢復(fù)器投入艦船的工程應(yīng)用較少,文獻[7]僅做了理論性敘述,并未進行實際應(yīng)用試驗。動態(tài)電壓恢復(fù)器串聯(lián)在系統(tǒng)和負載之間,構(gòu)成一個耦合的整體,因此，負載特性也會對其性能產(chǎn)生影響。動態(tài)電壓恢復(fù)器結(jié)構(gòu)簡單,費用低于其他裝置,易于控制,且響應(yīng)良好,本文對其開展了研究工作。

本文采用“系統(tǒng)構(gòu)成和原理—數(shù)學模型—仿真模型—仿真試驗與分析”的研究策略,進行了用于艦船綜合電力系統(tǒng)電壓控制的動態(tài)電壓恢復(fù)器研究,可以實現(xiàn)高能激光武器加載到艦船電力系統(tǒng)時的電壓補償。

1 艦船綜合電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

艦船電力系統(tǒng)可進一步劃分為以中壓交流電氣量為技術(shù)特征的一代系統(tǒng)和以中壓直流電氣量為技術(shù)特征的二代系統(tǒng)。

我國目前采用一代半艦船綜合電力系統(tǒng),即通過二代綜合電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),為一代綜合電力系統(tǒng)設(shè)備供電。其可劃分為3個網(wǎng)絡(luò)層次:中壓直流輸電網(wǎng)(4 kV)、直流區(qū)域變配電網(wǎng)(1 kV)和日用負載配電網(wǎng)(380 V)。綜合電力系統(tǒng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 艦船綜合電力系統(tǒng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

2 艦船綜合電力系統(tǒng)分析和建模

本文采用模塊化的策略,對各個分系統(tǒng)分別分析和建模。

2.1 發(fā)電機分系統(tǒng)

艦船發(fā)電機分系統(tǒng)常用的是柴油發(fā)電機,柴油機作為原動機通過壓縮升溫的方式將柴油的化學能轉(zhuǎn)化為機械能,驅(qū)動同步發(fā)電機轉(zhuǎn)動,由電磁感應(yīng)原理,最終輸出電能。具體建模過程在文獻[9-11]中已經(jīng)給出,便不再贅述。

2.2 配電分系統(tǒng)

配電系統(tǒng)由母線和變流裝置等組成。發(fā)電機輸出的電制和電壓是固定的,為了滿足不同設(shè)備的用電需求,變流裝置應(yīng)運而生。變流裝置能實現(xiàn)電制、電壓的變換,可進一步分為整流、逆變和斬波。整流電路采用六個二極管構(gòu)成的三相不可控式六脈波整流電路,結(jié)構(gòu)簡單;逆變電路采用的是空間矢量脈寬調(diào)制(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)。這里使用的斬波電路是降壓斬波電路,也叫Buck電路。

2.3 光纖激光器特性分析

目前,業(yè)內(nèi)單模光纖激光器的輸出功率最高可達3 kW,但大功率對光纖的損害大,會降低激光器的使用壽命,因此,1 kW的單模光纖激光器是業(yè)內(nèi)主流。通過激光合束技術(shù)可以整合多個單模激光器的輸出，得到更高功率的輸出。大功率激光器就是通過合束進行多模塊的組合，得到更高的功率。某光纖激光器輸出特性為:波長976 nm、輸出功率100 W,其功率電流電壓特性(Power intensity voltage,PIV)曲線如圖2所示。

圖2 某光纖激光器PIV曲線

伏安特性曲線可以近似描述為≈+, 其電輸入功率為≈(+)。其中：為初態(tài)電壓值;為半導體激光器的等效電阻。單個100 W的激光器可視為恒阻抗負載,而合束得到的大功率激光器可看作多個恒阻抗負載并聯(lián)和串聯(lián)的合成。由電路知識可知,合成后負載特性還是呈現(xiàn)恒阻抗特性，故可將激光器視為恒阻抗負載,并使用交流有功負載代替,在元件設(shè)置中選Load type為constant Z。本文使用了簡化分析策略,不考慮激光武器內(nèi)部結(jié)構(gòu)(即跟蹤、瞄準、發(fā)射裝置),只考慮端口的負載特性，即光纖激光器特性。

2.4 艦船負載

艦船負載可分為四大類:照明、電力拖動機械設(shè)備、通信設(shè)備、自動化設(shè)備?？紤]負載的復(fù)雜程度,通常將負載按靜態(tài)負載和動態(tài)負載進行劃分,呈現(xiàn)阻抗性質(zhì)的負載視為靜態(tài)負載,異步電動機等視為動態(tài)負載。在仿真模型中,分別用三相并聯(lián)RL負載和異步電動機模塊來表征。

由發(fā)電分系統(tǒng)發(fā)電,經(jīng)配電分系統(tǒng)進行電能傳輸和變換,給艦船負載與激光武器供電,拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖4為發(fā)電分系統(tǒng)模型,圖5為艦船負載模型,圖6為配電分系統(tǒng)模型。

圖3 艦船綜合電力系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

圖4 發(fā)電分系統(tǒng)模型

3 動態(tài)電壓恢復(fù)器

動態(tài)電壓恢復(fù)器串聯(lián)在系統(tǒng)和負載之間。正常情況下,動態(tài)電壓恢復(fù)器(Dynamic Voltage Restorer，DVR)處于備用狀態(tài),損耗極低。當出現(xiàn)電壓跌落或斷電等故障時,由檢測單元檢測,經(jīng)控制單元控制逆變器產(chǎn)生補償電壓,再通過耦合,饋入系統(tǒng)中,使負載電壓保持穩(wěn)定。因此,可以將動態(tài)電壓恢復(fù)器視為一個受控電壓源,調(diào)節(jié)過程能在幾毫秒內(nèi)完成,實時性極高。DVR基本結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖5 艦船負載模型

3.1 直流儲能單元

直流儲能單元作為動態(tài)電壓恢復(fù)器的能量來源,既可以采用儲能元件如蓄電池、超級電容器、飛輪儲能等,也可以采用不控整流或可控整流從系統(tǒng)中獲得能量。本文中采用直流電壓源等效超級電容器。

3.2 控制單元設(shè)計

本設(shè)計的改進在于構(gòu)造虛擬三相電壓的過程。由電路知識可知,三相交流電中相超前相120°,滯后相120°。以三相電壓中的相作為一般相進行研究,通過延遲60°來構(gòu)造三相虛擬電壓。構(gòu)造過程如下:將延遲60°并取反則得到,再根據(jù)三相電壓合為0得到。而傳統(tǒng)的方法是延遲120°,相比之下,延遲60°方法實時性更好,更能適應(yīng)敏感負荷的需求。將構(gòu)造好的三相虛擬電壓經(jīng)標幺化后,由PARK變換得到、軸分量,將兩分量與給定值作差后再經(jīng)PID控制,生成SPWM信號。

圖6 配電分系統(tǒng)模型

圖7 DVR基本結(jié)構(gòu)圖

3.3 逆變單元設(shè)計

逆變環(huán)節(jié)作為動態(tài)電壓恢復(fù)器的關(guān)鍵環(huán)節(jié),通過它將直流電壓逆變?yōu)榻涣麟妷哼M行電壓恢復(fù)。逆變器主要的結(jié)構(gòu)有兩種:三相全橋結(jié)構(gòu)和三單相橋結(jié)構(gòu)。前者三相電壓存在耦合,控制復(fù)雜;后者三相電壓不存在耦合,可實現(xiàn)對每相電壓的單獨控制,相對簡單。本文搭建的是單相動態(tài)電壓恢復(fù)器,故選用單相橋式結(jié)構(gòu)。開關(guān)器件選用全控型器件金屬一氧化物半導體效應(yīng)晶體管MOSFET,驅(qū)動信號由前述的控制單元生成。

3.4 耦合單元設(shè)計

逆變單元生成的電壓需要通過耦合才能饋入系統(tǒng)中,常用的方式有兩種:串聯(lián)變壓器和電容耦合。串聯(lián)變壓器起升壓作用,進而降低直流電壓源的電壓,但變壓器作為非線性元件,產(chǎn)生的諧波也會對系統(tǒng)造成影響。因此,采用易于設(shè)計的電容耦合。

結(jié)合本章的設(shè)計,搭建如圖8所示的DVR仿真模型。

圖8 DVR仿真模型

4 仿真驗證

結(jié)合前文的論述,將動態(tài)電壓恢復(fù)器投入搭建好的艦船電力系統(tǒng)中,并與高能激光武器負載串聯(lián),進行加載高能激光武器的電壓補償試驗,驗證設(shè)計的合理性與有效性。 仿真的拓撲結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 動態(tài)電壓恢復(fù)器投入艦船電力系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)

查閱鋼質(zhì)海船入級規(guī)范可得表1所示的電氣裝置的規(guī)范要求電壓和頻率波動表,即電氣設(shè)備應(yīng)能在正常電壓、頻率波動情況下可靠工作,或在表1規(guī)定的電壓、頻率偏離額定值的波動情況下可靠工作。

表1 電氣裝置的規(guī)范要求電壓和頻率波動表

仿真參數(shù)設(shè)置如下:柴油發(fā)電機組的容量為60 kW,在不加入補償裝置的情況下,以滿足表1的要求為前提,最大能加載10 kW負荷。

1)系統(tǒng)于0.6 s突加30 kW的負載,考慮對系統(tǒng)電壓的影響。

當系統(tǒng)突然加大負載時,由于發(fā)電機存在調(diào)節(jié)時間,無法及時與負載保持平衡,進而會造成電壓大幅跌落,由圖10可知,電壓跌落約70%。

圖10 未投入動態(tài)電壓恢復(fù)器的電壓波形1

當投入動態(tài)電壓恢復(fù)器后,觀察圖11電壓波形變化,經(jīng)過0.15 s的調(diào)節(jié),將電壓補償至282 V,實時性好,滿足表1的要求。

2) 系統(tǒng)于0.6 s投入60 kW的負載,考慮對系統(tǒng)電壓的影響。

從圖12中可以看出,突加負載越大,電壓跌落越明顯。

觀察圖13波形變化可知,經(jīng)過0.17 s的調(diào)節(jié),將電壓補償至280 V,滿足表1的要求。

圖11 投入動態(tài)電壓恢復(fù)器后的電壓波形1

圖12 未投入動態(tài)電壓恢復(fù)器的電壓波形2

圖13 投入動態(tài)電壓恢復(fù)器的電壓波形2

將兩組仿真數(shù)據(jù)進行整合可得到表2。

表2 DVR補償前后仿真結(jié)果

突加負載容量越大,電壓跌落越明顯,動態(tài)電壓恢復(fù)器調(diào)節(jié)時間則相應(yīng)變長,恢復(fù)效果也更明顯。從加載50%到滿載,都能良好地完成電壓補償功能,實現(xiàn)高能激光武器的投入和使用。

5 結(jié)束語

本文對艦船綜合電力系統(tǒng)進行分析建模,闡述動態(tài)電壓恢復(fù)器的原理,對構(gòu)造三相虛擬電壓的過程做了改進。在Simulink軟件中搭建艦船綜合電力系統(tǒng)模型和DVR模型。DVR投入艦船電力系統(tǒng)中,和激光武器串聯(lián),對加載高能激光武器進行仿真。實驗結(jié)果驗證了動態(tài)電壓恢復(fù)器的有效補償,維持加載高能激光武器后，艦船電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定,電能質(zhì)量改善,該方法為后續(xù)展開實現(xiàn)高能武器上艦的研究打下了基礎(chǔ)。