趙凡琪 孫國亮

（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011；2.中國衛(wèi)星海上測控部 江陰214431）

引 言

交流電力系統(tǒng)的仿真研究是解決系統(tǒng)配置復(fù)雜問題的有效手段。國內(nèi)外科研與工程項(xiàng)目在初始設(shè)計(jì)時(shí)，都要經(jīng)過仿真研究進(jìn)行評估驗(yàn)證，確保理論計(jì)算的可行性。

本文通過建立中壓交流電力系統(tǒng)中關(guān)鍵子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，搭建了中壓交流電力系統(tǒng)仿真平臺，對含有脈沖負(fù)載的多種極端工況進(jìn)行仿真模擬，對系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性、電能質(zhì)量等進(jìn)行分析驗(yàn)證，找出脈沖負(fù)載參數(shù)與電力系統(tǒng)動態(tài)特性之間的相互作用規(guī)律，以及系統(tǒng)中承受并緩沖脈沖負(fù)載沖擊環(huán)節(jié)參數(shù)對系統(tǒng)的影響，為脈沖負(fù)載安全可靠地融入船舶獨(dú)立電力系統(tǒng)提供理論基礎(chǔ)。

1 含有脈沖負(fù)載的船舶電力系統(tǒng)仿真建模

1.1 船舶電站仿真建模

為表示不同發(fā)電機(jī)組數(shù)量與研究內(nèi)容的關(guān)系，本項(xiàng)目采用5套相同的柴油發(fā)電機(jī)組組成船舶電站進(jìn)行仿真。柴油發(fā)電機(jī)組數(shù)學(xué)模型［1］中包含柴油原動機(jī)及調(diào)速器模型、勵磁調(diào)壓模型和同步發(fā)電機(jī)模型，模型應(yīng)精確描述柴油發(fā)電機(jī)組靜態(tài)和動態(tài)過程，并滿足相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)對于柴油發(fā)電機(jī)組的要求。柴油發(fā)電機(jī)組模型見圖1。

圖1 柴油發(fā)電機(jī)組模型

船舶電網(wǎng)作為一個(gè)孤立電網(wǎng)，對于柴油發(fā)電機(jī)組來說，負(fù)荷的增減將導(dǎo)致柴油機(jī)轉(zhuǎn)速變化進(jìn)而影響電網(wǎng)頻率，因此為保證電網(wǎng)電壓和頻率的穩(wěn)定，調(diào)速系統(tǒng)在動態(tài)特性和靜態(tài)特性方面都必須嚴(yán)格達(dá)標(biāo)。在Matlab/Simulink平臺建立電子式調(diào)速器模型，采用模塊化建模方式，對調(diào)速器的四個(gè)部分（即控制器、執(zhí)行器驅(qū)動機(jī)構(gòu)、執(zhí)行器和轉(zhuǎn)速傳感器）進(jìn)行分析并抽象出傳遞函數(shù)模型，滿足柴油機(jī)級調(diào)速系統(tǒng)的外特性。

同步發(fā)電機(jī)模型可采用Matlab/SimPowerSystems庫中的模型、船用電力系統(tǒng)運(yùn)行的工況和指標(biāo)要求，針對勵磁調(diào)壓裝置做出合理簡化，再對其電參量的檢測與濾波單元、勵磁控制單元及勵磁系統(tǒng)主回路模型進(jìn)行模塊化建模，得到滿足電壓波動率、穩(wěn)態(tài)調(diào)壓率和瞬態(tài)調(diào)壓率等指標(biāo)的可控相復(fù)勵勵磁系統(tǒng)模型。

1.2 脈沖負(fù)載仿真建模

脈沖負(fù)載［2］是本文研究的關(guān)鍵負(fù)荷，具有沖擊性和非線性的特點(diǎn)，使系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)各參量具有持續(xù)的動態(tài)波動，惡劣工況下可能威脅到電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。從整個(gè)電力系統(tǒng)的角度研究脈沖負(fù)載對系統(tǒng)的影響時(shí)，不需要完全掌握脈沖負(fù)載的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、功能以及能量的使用情況，只需要根據(jù)運(yùn)行過程中該負(fù)載與電力系統(tǒng)接口處的電力特征參數(shù)進(jìn)行等效，以達(dá)到合理簡化仿真的目的。

基于Matlab/Simulink平臺搭建脈沖負(fù)載仿真模型，并在脈沖負(fù)載與三相交流電源之間加入變壓器、整流裝置和濾波裝置以降低脈沖負(fù)載對系統(tǒng)的沖擊。根據(jù)實(shí)際情況與相關(guān)研究中脈沖負(fù)載的經(jīng)典模型，搭建如下頁圖2所示的脈沖負(fù)載模型。

選用可控電流源［3］模擬脈沖負(fù)載，可以通過編程模擬出方波脈沖、三角波脈沖等各種不同的脈沖工作模式，滿足各類仿真需求。此類脈沖負(fù)載帶來的波動功率不僅會對系統(tǒng)穩(wěn)定性造成影響，而且LC濾波器模塊中的平波電容模塊也在啟動瞬間產(chǎn)生較大沖擊功率。通過進(jìn)一步的仿真，需要找出脈沖波動功率對系統(tǒng)的影響規(guī)律，并分析濾波器件對改善系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的作用，深入研究脈沖負(fù)載接入系統(tǒng)后的運(yùn)行特性，掌握確保脈沖負(fù)載安全穩(wěn)定運(yùn)行的技術(shù)條件。

圖2 脈沖負(fù)載模型

1.3 電力推進(jìn)負(fù)載仿真建模

考慮到項(xiàng)目的通用性，仿真的船舶電力系統(tǒng)采用電力推進(jìn)系統(tǒng)，因此需要將推進(jìn)負(fù)載作為一項(xiàng)重要負(fù)載進(jìn)行建模，其容量與脈沖負(fù)載容量相當(dāng)。電力推進(jìn)系統(tǒng)由變頻調(diào)速系統(tǒng)和推進(jìn)電機(jī)組成，本文旨在研究包含大容量脈沖負(fù)載和大容量電力推進(jìn)負(fù)載的電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此關(guān)注電力推進(jìn)系統(tǒng)的功率、諧波等特性，而忽略變頻器和電機(jī)的物理結(jié)構(gòu)和控制參數(shù)。所建立的電力推進(jìn)負(fù)載如圖 3所示，包含24脈波整流器和電阻負(fù)載兩部分。

圖3 電力推進(jìn)負(fù)載模型

24脈波整流器由兩臺12脈波整流變壓器和與之匹配的整流器組成，本模型中兩臺變壓器分別移相+7.5°和-7.5°，形成等效24脈波整流［4］。這種整流電路結(jié)構(gòu)的直流電壓脈動小，且交流側(cè)輸入電流僅含有24k±1（k=1，2，3，…，n）次諧波，有效減少電力推進(jìn)系統(tǒng)對電網(wǎng)的諧波污染。電力推進(jìn)負(fù)載經(jīng)整流器供直流電，因此可采用純電阻作為負(fù)載模型，阻值可由公式R=U2/P計(jì)算得出。為模擬電力推進(jìn)系統(tǒng)分級加載的效果，將負(fù)載電阻分解為多個(gè)并聯(lián)電阻分別控制。

通過理想開關(guān)控制推進(jìn)負(fù)載的加載和減載，可以模擬不同的船舶運(yùn)行工況，以便靈活地觀察脈沖負(fù)載在不同工況下對電網(wǎng)的影響，進(jìn)而分析脈沖負(fù)載與推進(jìn)負(fù)載的協(xié)同控制。

1.4 常規(guī)負(fù)載

船舶電力系統(tǒng)的常規(guī)負(fù)載主要可分為甲板機(jī)械、機(jī)艙輔機(jī)、消防泵等電動機(jī)負(fù)載和照明設(shè)備等日用負(fù)載兩大類。在搭建船舶電力系統(tǒng)模型時(shí)，考慮本仿真所針對的脈沖負(fù)載相比其他日用負(fù)載來說占比電網(wǎng)容量較大，普通電動機(jī)負(fù)載對電網(wǎng)的影響可以忽略，因此采用兩臺模型庫中的標(biāo)準(zhǔn)化感應(yīng)電動機(jī)模型來代表電動機(jī)負(fù)載，其中一臺的容量選擇系統(tǒng)中最大電動機(jī)負(fù)載的容量，另一臺容量不大于第一臺；日用負(fù)載采用RL線性負(fù)載模型，設(shè)置兩組線性負(fù)載，容量與功率因數(shù)根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際情況擬定。

1.5 船舶電力系統(tǒng)仿真模型

參照某船舶電力系統(tǒng)的實(shí)際情況，建立由多個(gè)柴油發(fā)電機(jī)組模型組成的船舶電站，再接入以上脈沖負(fù)載模型、推進(jìn)負(fù)載模型和常規(guī)負(fù)載模型，搭建起船舶綜合電力系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺，如圖4所示。

圖4 船舶綜合電力系統(tǒng)模型

2 脈沖負(fù)載對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響分析

2.1 脈沖負(fù)載運(yùn)行特性

為分析脈沖負(fù)載對電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的影響，在Matlab/Simulink平臺上對上一節(jié)中建立的含脈沖負(fù)載的船舶電力系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真測試，觀察脈沖負(fù)載接入后電力系統(tǒng)各個(gè)運(yùn)行參數(shù)的變化，分析脈沖負(fù)載影響系統(tǒng)動態(tài)特性的作用規(guī)律。

脈沖負(fù)載在工作過程中功率變化較大且變化頻繁，對于電網(wǎng)來說相當(dāng)于負(fù)載反復(fù)突增與突卸，將對電力系統(tǒng)各參數(shù)造成周期性影響，因此對于電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)負(fù)載。脈沖負(fù)載啟動后，脈沖功率與濾波器模塊產(chǎn)生的電容充電功率都對系統(tǒng)帶來沖擊；脈沖負(fù)載運(yùn)行一段時(shí)間后，系統(tǒng)經(jīng)調(diào)整達(dá)到動態(tài)平衡，直流電壓、交流母線電壓、系統(tǒng)頻率等參數(shù)將以一定的頻率和幅度進(jìn)行周期性振蕩［5］。觀察這些參數(shù)振蕩的程度，為進(jìn)一步定量分析脈沖負(fù)載和系統(tǒng)穩(wěn)定性之間的關(guān)系提供方向。

在1.5節(jié)中搭建的船舶綜合電力系統(tǒng)平臺上進(jìn)行仿真，本次仿真采用離散的仿真方式［6］，采樣時(shí)間為2×10-5s。仿真中電站所有機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行，電站容量為5×5.8 MW；電力推進(jìn)負(fù)載和常規(guī)負(fù)載不在網(wǎng)；脈沖負(fù)載在網(wǎng)，工作模式為方波，周期為30 ms，占空比為0.5，額定平均功率為9 MW。仿真時(shí)長10 s，在1 s時(shí)脈沖負(fù)載啟動，脈沖及柴發(fā)機(jī)組各參量波形如圖5所示。

圖5 脈沖負(fù)載運(yùn)行特性

由圖5（a）可知：脈沖負(fù)載直流側(cè)，電壓和功率都隨電流呈周期性波動；根據(jù)圖5（b）可知：交流側(cè)功率也隨脈沖電流出現(xiàn)波動，而交流側(cè)電壓和電流波形出現(xiàn)周期性畸變。

2.2 脈沖負(fù)載參數(shù)對電網(wǎng)狀態(tài)的影響規(guī)律

脈沖負(fù)載的工作模式不同，即脈沖峰值功率、脈沖周期、脈沖占空比等參數(shù)不同時(shí)，脈沖負(fù)載對電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的影響也大不相同。為深入研究脈沖負(fù)載參數(shù)與電力系統(tǒng)動態(tài)特性之間的相互作用規(guī)律，采用控制變量的方法［7］，改變脈沖負(fù)載的一個(gè)參數(shù)，而其余脈沖參數(shù)、電網(wǎng)參數(shù)和前端沖擊平抑裝置參數(shù)固定不變，觀測電力系統(tǒng)各運(yùn)行指標(biāo)。通過控制變量法得到脈沖負(fù)載單一變量變化時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定區(qū)間，尋求艦船電力系統(tǒng)承受脈沖負(fù)載能力的評估方法，進(jìn)一步針對特定脈沖負(fù)載選配出既經(jīng)濟(jì)又可靠的船舶電站方案，填補(bǔ)為脈沖負(fù)載匹配合適發(fā)電容量的技術(shù)空白。

為更清晰地分析脈沖負(fù)載不同工作模式的運(yùn)行特性，采用單臺柴油發(fā)電機(jī)組帶脈沖的模型進(jìn)行仿真［8］。方波作為一種基礎(chǔ)的信號波形，常被用來作為脈沖負(fù)載的工作波形。因此我們針對方波型脈沖負(fù)載開展仿真分析，利用控制變量法找出脈沖負(fù)載各個(gè)工作參數(shù)對于電力系統(tǒng)不同參數(shù)的影響規(guī)律，其運(yùn)行參數(shù)（脈沖峰值電流、脈沖周期和脈沖占空比）對電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的影響如下。

2.2.1 改變峰值電流I

由圖6可以看出，當(dāng)脈沖負(fù)載幅值I不斷增大時(shí)：圖6（a）脈沖負(fù)載平均功率P隨I線性增長；圖6（b）直流電壓穩(wěn)態(tài)波動Udw隨I線性增長，且增長的幅度較快，當(dāng)I＞ 450 A時(shí)，Udw%＞5%；圖6（c）發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓暫態(tài)跌落Uz%不斷增大，變化不顯著；圖6（d）發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓穩(wěn)態(tài)波動Uw%隨I線性增長；圖6（e）系統(tǒng)頻率暫態(tài)跌落fz%不斷增大，變化較為顯著； 圖6（f）系統(tǒng)頻率穩(wěn)態(tài)波動fw%幾乎無變化。

圖6 脈沖負(fù)載峰值電流改變時(shí)系統(tǒng)指標(biāo)變化

由以上分析可得，當(dāng)脈沖負(fù)載幅值I改變時(shí)，各指標(biāo)基本呈線性增長，其中直流電壓穩(wěn)態(tài)波動Udw%變化最顯著。

2.2.2 改變占空比D

由圖7可知，當(dāng)脈沖負(fù)載占空比［9］D不斷增大時(shí)：圖7（a）脈沖負(fù)載平均功率P隨D線性增長；圖7（b）直流電壓穩(wěn)態(tài)波動Udw先增長再下降且變化顯著，在D= 0.5時(shí)，Udw最大；圖7（c）發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓暫態(tài)跌落Uz%不斷增大，變化較為顯著；圖7（d）發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓穩(wěn)態(tài)波動Uw%與直流電壓穩(wěn)態(tài)波動情況類似；圖7（e）系統(tǒng)頻率暫態(tài)跌落fz%不斷增大，變化非常顯著；圖7（f）系統(tǒng)頻率穩(wěn)態(tài)波動fw%不斷增長，變化不顯著。

由以上分析可得，當(dāng)占空比D改變時(shí)，直流電壓穩(wěn)態(tài)波動Udw%和交流電壓穩(wěn)態(tài)波動Uw%先增后降，在D= 0.5時(shí)達(dá)到最大，變化較為顯著。

圖7 脈沖負(fù)載占空比D改變時(shí)系統(tǒng)指標(biāo)變化

2.2.3 改變周期T

由下頁圖8可知，當(dāng)脈沖負(fù)載周期T不斷增大時(shí)：圖8（a）脈沖負(fù)載平均功率P增長隨T近似線性增長，但當(dāng)周期T較大時(shí)脈沖平均功率變化不規(guī)則；圖8（b）直流電壓穩(wěn)態(tài)波動Udw增長速度先快后慢，整體上變化非常顯著；圖8（c）發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓暫態(tài)跌落Uz%跳躍式增大，變化較為顯著；圖8（d）發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓穩(wěn)態(tài)波動Uw%隨周期線性增大，變化非常顯著且超標(biāo)嚴(yán)重；圖8（e）系統(tǒng)頻率暫態(tài)跌落fz%不斷減小，變化不顯著；圖8 （f）系統(tǒng)頻率穩(wěn)態(tài)波動fw%不斷增長，變化不顯著。

由以上分析可得，當(dāng)脈沖負(fù)載周期Tp改變時(shí)，基本上各指標(biāo)隨之增長；其中直流電壓穩(wěn)態(tài)波動Udw和發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓穩(wěn)態(tài)波動Uw%變化顯著。

從本節(jié)的仿真結(jié)果可看出，整體上，增加脈沖負(fù)載的功率將降低電網(wǎng)穩(wěn)定性指標(biāo)；此外，增大周期對系統(tǒng)交流和直流電壓穩(wěn)定不利，占空比則在0.5時(shí)對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響最大?？梢?，脈沖負(fù)載對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響不僅取決于脈沖負(fù)載的功率，同時(shí)也依賴于脈沖負(fù)載的其他因素，因此為脈沖負(fù)載選配電網(wǎng)容量時(shí)，必須綜合考慮脈沖負(fù)載工作模式中的各個(gè)參數(shù)。

圖8 脈沖負(fù)載周期Tp改變時(shí)系統(tǒng)指標(biāo)變化

3 改善脈沖負(fù)載沖擊程度的措施

電容具有平抑電壓波動的能力，因此在上一節(jié)仿真測試的基礎(chǔ)上，對比直流側(cè)濾波電容值不同時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定性指標(biāo)的變化情況。設(shè)定不同的直流濾波電容值，重復(fù)上節(jié)中的仿真測試，直流電壓穩(wěn)態(tài)波動Udw%這一指標(biāo)變化情況見圖9。

圖9每張圖中，每種曲線代表特定電容值下直流電壓穩(wěn)態(tài)波動隨脈沖負(fù)載I/D/T參數(shù)的變化情況。由圖可知，對于相同的脈沖負(fù)載，濾波電容值越大、直流電壓穩(wěn)態(tài)波動則越小，這一規(guī)律對于任意工作模式的脈沖負(fù)載都適用?？梢姡龃鬄V波電容值能有效改善直流側(cè)電壓。然而，濾波電容值越大，再增大電容值時(shí)，直流電壓波動下降的幅度變小，即電容改善直流電壓波動的能力有極限，適當(dāng)增大濾波電容值即可。

圖9 電容不同時(shí)直流電壓穩(wěn)態(tài)波動情況

從圖10 至下頁圖13可以看出，增大濾波電容值可以改善交流母線電壓暫態(tài)跌落以及交流母線電壓穩(wěn)態(tài)波動和頻率穩(wěn)態(tài)波動等情況，卻對頻率暫態(tài)跌落情況有一定不利影響；此外，與直流電壓穩(wěn)態(tài)波動的情況類似，增大電容對這幾個(gè)指標(biāo)的改善效果存在限制，故不宜一味增大濾波電容值。

圖10 電容不同時(shí)交流母線電壓暫態(tài)跌落情況

圖11 電容不同時(shí)交流母線電壓穩(wěn)態(tài)波動情況

圖12 電容不同時(shí)頻率暫態(tài)跌落情況

圖13 電容不同時(shí)交頻率穩(wěn)態(tài)波動情況

在選擇濾波電容時(shí)，可通過頻率暫態(tài)跌落指標(biāo)得出電容最大值，再通過其余指標(biāo)得出電容最小值，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)性等其他因素，綜合地選配特定脈沖負(fù)載前端的濾波電容值。

4 結(jié) 語

仿真的應(yīng)用對于開展含有大容量脈沖負(fù)載電力系統(tǒng)穩(wěn)定性研究具有很大幫助，仿真結(jié)果表明：當(dāng)脈沖負(fù)載容量占比電網(wǎng)容量足夠大并且脈沖負(fù)載占空比接近0.5時(shí)，對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響最大，需要結(jié)合此時(shí)電力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)一步開展分析研究。后續(xù)改善電網(wǎng)穩(wěn)定性的研究，建議在電力推進(jìn)負(fù)載與脈沖負(fù)載協(xié)同工作的環(huán)境下開展。