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        船舶綜合電力系統(tǒng)大容量脈沖設(shè)備仿真技術(shù)研究

        2016-10-14 00:59:44梁樹甜
        船電技術(shù) 2016年11期
        關(guān)鍵詞:恒流大容量電容器

        梁樹甜, 王 力

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        船舶綜合電力系統(tǒng)大容量脈沖設(shè)備仿真技術(shù)研究

        梁樹甜, 王 力

        (武漢船用電力推進裝置研究所,武漢 430064)

        以船舶綜合電力系統(tǒng)和大容量脈沖設(shè)備為研究對象,在對大容量脈沖設(shè)備充電電路原理分析的基礎(chǔ)上,對大容量脈沖設(shè)備模型內(nèi)容進行了具體的研究分析,并進行了MATLAB仿真,仿真結(jié)果表明,建立的模型有較高的準確性。

        船舶綜合電力系統(tǒng) 大容量脈沖設(shè)備 脈沖功率技術(shù) 仿真

        0 引言

        綜合電力系統(tǒng)(Integrated Power System,IPS)實現(xiàn)全船電力的綜合管理,其不僅可以為電力推進系統(tǒng)、日用負載等提供連續(xù)電能,也能為某些特殊負載提供瞬時高能,是艦船動力系統(tǒng)發(fā)展的趨勢,也是未來使用艦載高能武器的關(guān)鍵技術(shù)[1]。

        在現(xiàn)代艦船上,大容量脈沖設(shè)備,包括高能功率武器(如電磁軌道炮)、飛機彈射/回收系統(tǒng)等的瞬時輸出功率可達百MW級,充電電路的充電功率也達到幾MW或十幾MW。由于脈沖負荷瞬時功率很大,它的使用必將給整個艦船綜合電力系統(tǒng)的性能帶來較大的沖擊,影響供電質(zhì)量,從而對電力推進系統(tǒng)產(chǎn)生影響。因此,在電力推進系統(tǒng)的設(shè)計中,應(yīng)考慮大容量脈沖設(shè)備對電網(wǎng)的電壓沖擊、諧波污染等危害。要對大容量脈沖設(shè)備進行分析研究,首先應(yīng)建立其仿真模型,這是本文的主要研究內(nèi)容。

        1 大容量脈沖設(shè)備的基本原理

        1.1 脈沖功率技術(shù)

        脈沖功率技術(shù)(Pulsed Power Technology,PPT),是以小功率把電能長時間輸入到儲能設(shè)備中,通過對電能的脈沖壓縮、整形、傳輸?shù)忍幚恚跇O短的時間內(nèi)向負載放電,得到各種理想的高幅度、大功率、陡前沿的電脈沖輸出,為各種應(yīng)用負載提供大電流脈沖功率源。

        脈沖功率系統(tǒng)的構(gòu)成與應(yīng)用領(lǐng)域如圖1所示[2],主要包含電網(wǎng)、儲能單元、開關(guān)、脈沖波形控制單元、負載(應(yīng)用對象)五個部分。其中,前四部分組成了脈沖功率電源,后兩部分是負載。

        大容量脈沖設(shè)備一般利用電容器充電電源從電網(wǎng)獲得初始能量[3],因此,研究大容量脈沖設(shè)備對電網(wǎng)的影響,事實上就是研究大容量脈沖設(shè)備的充電電路對電網(wǎng)的影響。因此,本文不關(guān)心圖1開關(guān)之后的具體結(jié)構(gòu)及工作特性,只研究儲能裝置仿真建模。

        1.2 大容量脈沖設(shè)備的儲能裝置

        對電容器充電儲能是以電容器作為儲能器件的脈沖功率系統(tǒng)獲得初始能量、形成脈沖功率的重要工作過程。

        電容器充電方式有恒壓充電、恒流充電、恒功率充電等多種方式,充電電壓公式分別為:

        得各充電方式充電特性示意圖2。若采用恒壓充電,充電回路中有限流電阻,電阻會消耗額外的能量。恒流充電電路中沒有限流電阻,所以效率較高。恒功率充電同樣無需串聯(lián)限流電阻,充電速度較快,但是,充電開始時刻會有電流沖擊,如要減小電流沖擊,就要減小充電功率,這樣會影響充電速度。因此,對于大容量文脈沖負載來說,恒流充電是較好的選擇。

        隨著大功率高頻開關(guān)器件和電力電子技術(shù)的發(fā)展,高頻化成為各種電源的必然發(fā)展趨勢。同時,由于控制技術(shù)的進步,使得電容器充電電源獲得快速發(fā)展。

        隨著電力電子、高頻開關(guān)器件和控制技術(shù)的發(fā)展,產(chǎn)生了圖3所示的高頻PFM控制方式電容器充電電路。因為此種具有電路損耗功率小、電磁干擾小、抗負載短路能力強等優(yōu)點,因而成為了高壓電容器充電電源的首選電路拓撲[4]。

        2 儲能裝置原理分析及仿真參數(shù)選擇

        圖3中,電源經(jīng)各模塊轉(zhuǎn)換的示意圖如下,下面進行具體分析。

        1)電網(wǎng)

        本文的電網(wǎng)選擇為380V、50Hz三相交流電。

        2)三相整流

        根據(jù)文獻[1]的結(jié)論:充電電路采用不可控整流器的形式比采用可控整流器的形式對電網(wǎng)的沖擊小,因此,本文采用三相橋式不可控整流形式。

        3)濾波

        L,C構(gòu)成低通濾波電路,濾除整流電路輸出的6次以上諧波,根據(jù)電路理論,低通濾波電路諧振角頻率,品質(zhì)因數(shù)。

        4)逆變電路

        逆變電路采用單相全橋逆變電路。

        5)恒流電路

        儲能裝置之所以能實現(xiàn)恒流充電,是由恒流電路的特性決定的。

        將儲能負載折合到變壓器原邊用電阻R表示,逆變電路等效為方波電源,得到等效電路如圖5所示。

        幅頻特性圖如下,由圖看出,而當(dāng)開關(guān)頻率在一定范圍內(nèi)時(頻率較小或較大),電流隨負載基本不變(不同的Q對應(yīng)的曲線重疊),因而具有恒流特性。

        實際設(shè)計中,開關(guān)頻率一般取諧振頻率的1/2左右。本文中取,,則開關(guān)頻率約為80 Hz。

        6)升壓變壓器

        升壓變壓器主要起到隔離、升壓的作用。

        變壓器的主要參數(shù)是變壓器的變比,下面分析計算變壓器的變比。取儲能電容的峰值功率為1000 kW,充電時間為4分鐘,電容器充電后電壓根據(jù)文獻[3]取為20 kV。

        7)單相整流及儲能電容

        單相整流采用單相橋式不可控整流。

        3 大容量脈沖設(shè)備的仿真

        根據(jù)以上分析,采用MATLAB/Simulink建立大容量脈沖設(shè)備仿真模型,如下:

        仿真時間為60 s,仿真結(jié)果如圖8所示。

        由圖看出,電容電壓基本按線性上升,即恒流充電,電源電流隨著電容電壓的上升也逐步加大,與理論分析相符。

        作為對比,建立文獻[3]中用電流源代替負載的簡化模型,如圖9,電源電流仿真結(jié)果如圖10,與圖8進行對比,可見仿真結(jié)果有差異(60秒時,電流分別為350A和310A),這主要是因為簡化模型考慮的是負載的理想狀態(tài),沒有考慮中間電源轉(zhuǎn)換如整流、逆變等導(dǎo)致的。

        4 結(jié)束語

        本文對大容量脈沖設(shè)備恒流充電電路進行了詳細的分析,建立了仿真模型,并進行了仿真,仿真結(jié)果與理論分析相符,并且,通過對比,證明了仿真模型的準確性。此研究可為大容量脈沖設(shè)備在船舶綜合電力系統(tǒng)上的應(yīng)用提供參考。

        參考文獻:

        [1] 甄洪斌,張曉鋒等. 脈沖負荷對艦船綜合電力系統(tǒng)的沖擊作用研究[J]. 中國電機工程學(xué)報,2006,26(12):85-88.

        [2] 譚親躍. 大容量脈沖功率系統(tǒng)對電能質(zhì)量的影響研究[D]. 武漢:華中科技大學(xué),2011.

        [3] 王新枝,夏立等. 脈沖負載管理研究現(xiàn)狀[J]. 中國航海,2014,37(1):39-42.

        [4] 王川. 負荷沖擊型大擾動下船舶綜合電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性研究[D]. 大連:大連海事大學(xué),2012.

        Simulation Technology of High-capacity Pulse Equipment of Marine Integrated Power System

        Liang Shutian, Wang Li

        (Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

        TM761

        A

        1003-4862(2016)11-0077-04

        2016-08-15

        梁樹甜(1984-), 男,碩士。研究方向:船舶電力推進系統(tǒng)設(shè)計。

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