陳 濤 丁敏飏

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

0 引 言

現(xiàn)代船舶配置的大功率脈沖負載工作的脈沖功率可達到兆瓦級，其工作時可能導致電網(wǎng)電壓、頻率頻繁波動，對發(fā)電機組和其他用電設備造成不利影響，因此在設計階段需要對發(fā)電機組和大功率脈沖負載進行供電動態(tài)分析，以滿足大功率脈沖負載的供電需求。另外，大功率脈沖負載為大功率非線性負載，對電網(wǎng)的諧波含量影響較大，并且電力推進船舶電力推進設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)本船實際使用工況，對電網(wǎng)諧波含量進行全面分析計算，并提出相應的諧波控制措施。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)各設備均能安全可靠地運行。

1 大功率脈沖負載設備供電方案

1.1 大功率脈沖負載設備使用工況

基于下述電站配置進行使用工況分析：主電站配置AC 690 V 50 Hz 1 250 kW柴油發(fā)電機組4臺。在使用大功率脈沖負載時，主要分為僅使用大功率脈沖負載以及使用大功率脈沖負載+動力控位2種工況。2種工況推進功率約為540 kW，大功率脈沖負載最大功率約為1 MW。實際在使用大功率脈沖負載時，對于發(fā)電機組使用臺數(shù)存在1 250 kW×2、1 250 kW×3、1 250 kW×4等3種情況。

1.2 供電方案分析

大功率脈沖負載為周期性脈沖負載，使用大功率脈沖負載工況時，主電站存在使用2臺、3臺和4臺1 250 kW機 組 并 聯(lián) 的 情 況。1 250 kW機組柴油機滿足瞬態(tài)調(diào)速率的加載方式為3級加載（0→50%→80%→100%），卸載方式為100%卸載。若考慮脈沖負載直接加載至發(fā)電機組上，則加載情況最惡劣的為使用2臺機組并聯(lián)的情況，每臺機組承載500 kW，約占機組功率40%；使用3臺機組并聯(lián)時，每臺機組加載333 kW，約占機組功率的26.6%；使用4臺機組并聯(lián)時，每臺機組加載250 kW，約占機組功率的20%。大功率脈沖負載設備頻繁的工作，相當于發(fā)電機組突加突卸負載，造成機組轉(zhuǎn)速頻繁下降、上升，電網(wǎng)頻率會因此頻繁波動，這對船上用電設備是不利的，如各類泵、風機等，電網(wǎng)頻率變化其轉(zhuǎn)速也將變化，影響其送油、送水和送風量。此外，周期性大功率脈沖負載也對發(fā)電機端電壓產(chǎn)生影響，使電網(wǎng)電壓頻繁波動。

對于采用2臺機組并聯(lián)的情況，若脈沖負載是突加形式，則機組調(diào)速特性較難滿足要求，必須采取一定的控制措施。在目前的船舶應用中，有與大功率脈沖負載工作性質(zhì)相似的系統(tǒng)，采用的是“飛輪+直流發(fā)電機”的形式，為設備供電專用機組，如圖1所示。飛輪的作用是在脈沖不工作時進行儲能，脈沖工作時的能量需求來自飛輪施放的能量及柴油機施放的能量之和，因為飛輪的加入，彌補了柴油機本身加載能力及響應能力的不足。柴油機和飛輪之間的合理匹配是設計的難點，需要進行嚴格的分析論證與計算。從目前實船的使用情況看，各方面性能指標都較好，這也為大功率脈沖負載的供電方案提供一定的參考。

圖1 飛輪+直流發(fā)電機

但對于采用綜合電力推進系統(tǒng)的船舶，若采用專門的柴油發(fā)電機組供大功率脈沖負載使用，則喪失了綜合電力推進系統(tǒng)的優(yōu)勢。因此提出主電站發(fā)電機組直接進行脈沖功率加載的供電方案，需要優(yōu)化大功率脈沖負載設備脈沖負載性質(zhì)，使其對電網(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)各設備均能安全可靠地工作。

1.3 大功率脈沖負載設備負載特性

由于主電站發(fā)電機組加載特性和調(diào)速性能較為固定，因此要降低大功率脈沖負載對電網(wǎng)的影響，只能對大功率脈沖負載自身的負載特性進行調(diào)整，使之既要滿足設備本身的技術(shù)指標，又要將其對電網(wǎng)的影響降至可接受的范圍內(nèi)。對于大功率脈沖負載負載特性的調(diào)整，提出了兩種方案：

方案1：設備本身增加儲能環(huán)節(jié)。大功率脈沖負載儲能環(huán)節(jié)原理見下頁圖2。脈沖啟動前，飛輪電池儲存能量，與脈沖電源一起處于待機狀態(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狀態(tài)時獲取能量。二者能量合成即為脈沖負載所需能量。由于增加了儲能環(huán)節(jié)，大功率脈沖負載對電網(wǎng)來說由周期性脈沖負載變?yōu)檩^為連續(xù)的負載，且瞬間功率需求不大，對電網(wǎng)的沖擊較小。

圖2 脈沖儲能環(huán)節(jié)原理圖

方案2：不需要增加其他的硬件設備，只對脈沖波形進行優(yōu)化設計，將脈沖的前后沿設計成坡狀，以降低對電網(wǎng)的沖擊，但需兼顧設備的性能指標。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，費用較高，可靠性也有待進一步驗證。因此大功率脈沖負載設備還是考慮采用將負載脈沖設計成帶有前后緩沖沿的方案。

根據(jù)大功率脈沖負載設備的工作特性，脈沖負載有單脈沖、脈沖串兩種類型，負載功率因數(shù)（0.95～0.99），幾乎為呈純阻性有功負載。單脈沖共有3種，滿功率脈沖為1 MW，上升沿與下降沿時間分別如圖3所示。

圖3 單脈沖負載

組合脈沖串由相同功率的首尾短脈沖、中心長脈沖構(gòu)成，上升沿與下降沿時間如圖4所示。

圖4 組合脈沖串負載

2 大功率脈沖負載設備工作時對電網(wǎng)的影響

大功率脈沖負載設備采用直接連接至母船AC 690 V電網(wǎng)的供電方式，根據(jù)大功率脈沖負載波形及功率因數(shù)，對機組并聯(lián)供電運行的情況進行仿真，仿真主要按機組電壓波動及轉(zhuǎn)速波動兩個方面進行，以判斷大功率脈沖負載設備工作時對電網(wǎng)的影響。

2.1 發(fā)電機勵磁方式的選擇

由于大功率脈沖負載功率因數(shù)較高，因此發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)設計需要考慮勵磁系統(tǒng)對高功率因數(shù)負載以及脈沖負載的適應性。

無刷發(fā)電機以其故障少、可靠性高、運行時不產(chǎn)生火花等優(yōu)點，而廣泛地應用在各行各業(yè)中。根據(jù)勵磁機定子所取勵磁電源的不同，無刷發(fā)電機的勵磁方式可分為端電壓勵磁方式、相復勵勵磁方式、諧波勵磁方式和永磁勵磁方式等。

由于諧波勵磁方式需要在電機定子繞組中增加1套單獨的諧波繞組，增加了電機的設計難度；而永磁勵磁方式需增加1個永磁發(fā)電機，增加了整個電機系統(tǒng)的復雜性，同時增加了發(fā)電機的體積和質(zhì)量，因此這兩種勵磁方式較少采用。

目前船用領(lǐng)域發(fā)電機勵磁系統(tǒng)主要有采用相復勵勵磁方式和端電壓勵磁方式。相復勵勵磁系統(tǒng)的復勵合成特性使得該勵磁系統(tǒng)不能帶容性負載；端電壓勵磁方式時，無論發(fā)電機帶感性負載還是容性負載，只要AVR工作范圍允許內(nèi)，勵磁電流均能有序變化，能夠滿足任何負載狀態(tài)下的勵磁電流需求。

大功率脈沖負載存在功率因數(shù)較高的情況，發(fā)電機多機并聯(lián)時，單機短暫存在由于無功分配不均導致運行在容性電流下的情況的可能性，考慮到相復勵勵磁方式不能帶容性負載，為了增加發(fā)電機的運行安全性，發(fā)電機的勵磁方式更適合采用端電壓勵磁方式。

為了驗證端電壓勵磁方式下的發(fā)電機帶脈沖負載的工作性能，采用了建模仿真進行驗證。

2.2 端電壓勵磁方式下發(fā)電機帶脈沖負載仿真

2.2.1 柴油發(fā)電機組模型

柴油發(fā)電機組由柴油原動機、調(diào)速器、發(fā)電機和調(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)電機組控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

柴油機調(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)電機組分析對象采用Woodward電子調(diào)速，其原理框圖見圖6。

圖6 柴油機調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學模型

同步發(fā)電機采用Simulink自帶的3階同步發(fā)電機模型，并采用IEEE AC-Type1型勵磁系統(tǒng)模型中的相關(guān)部分作為本環(huán)節(jié)的數(shù)學模型，見圖7。

圖7 發(fā)電機勵磁系統(tǒng)數(shù)學模型

基于前述的柴發(fā)機組數(shù)學模型已經(jīng)建立了發(fā)電機組的柴油機組整機、調(diào)速器、勵磁調(diào)節(jié)器灰盒模型。本文電站使用的1 250 kW機組與某型船的機組同型號，利用某型船的摸底試驗實測數(shù)據(jù)調(diào)整仿真模型的調(diào)速器、勵磁調(diào)節(jié)器參數(shù)，進行模型標定工作。

2.2.2 脈沖負載模型

根據(jù)脈沖負荷的輸入情況，利用電力電子元件進行仿真建模，使電氣外特性與輸入一致，如圖8所示。

圖8 脈沖負載數(shù)字仿真模型

2.2.3 系統(tǒng)運行工況分析

根據(jù)對使用脈沖負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1 250 kW機組帶1 MW脈沖負載，此時單臺機最大負荷變化率為49.6%～89.6%。

2.2.4 運行工況仿真

2.2.4.1 單脈沖試驗1 MW

算例為2臺1 250 kW機組，在49.6%負載情況下加1 MW單脈沖負載至89.6%額定功率的情況。單脈沖1 MW負載上升沿為2 s，脈沖串中1 MW負載上升沿為1 s，因此進行兩組試驗。

仿真結(jié)果見下頁圖9。第3幅子圖為負載電流，顯示在推進負載、日用負載基礎上加入了脈沖負載后的情形。由于脈沖負載為純有功（功率因數(shù)趨近于1），對機端電壓影響較?。ǖ?幅圖），主要影響轉(zhuǎn)速（第1幅圖）。在脈沖負載上升完畢后，由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器存在一定的遲滯，因此實際轉(zhuǎn)速會比穩(wěn)態(tài)特性有一欠調(diào)。該欠調(diào)幅度直接影響機組的瞬態(tài)調(diào)速率的計算值；同理，在脈沖負載下降完畢后，實際轉(zhuǎn)速相對于穩(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)標準。

圖9 雙機組帶1 MW脈沖負載，上升沿2 s

其次，考慮一個更加嚴酷的工況，即上升沿為1 s。該工況雖然在單脈沖時不會出現(xiàn)，但會出現(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的標準。

圖10 雙機組帶1 MW脈沖負載，上升沿1 s

其他各種單脈沖負載的具體過程不再贅述，仿真結(jié)果表明，施加單脈沖負載時，系統(tǒng)能夠滿足CCS 2018規(guī)定的瞬態(tài)電壓、頻率指標的規(guī)定。

2.2.4.2 500 kW組合脈沖試驗

算例中取作1組短脈沖-1組長脈沖-1組短脈沖構(gòu)成脈沖串，長脈沖時間縮短為4 s。仿真結(jié)果見下頁圖11。

圖11 雙機組帶500 kW 脈沖串仿真結(jié)果

通過仿真結(jié)果可得，500 kW脈沖串投入時造成2.2%的轉(zhuǎn)速變化和1.1%的電壓波動，系統(tǒng)電壓、頻率能滿足CCS標準的要求。

2.2.4.3 1 MW組合脈沖試驗

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間相近。根據(jù)仿真結(jié)果見圖12，1 MW脈沖串投入時造成3.7%的轉(zhuǎn)速變化及2.4%的電壓波動，系統(tǒng)電壓、頻率能滿足CCS標準。

圖12 雙機組帶1 MW脈沖串仿真結(jié)果

其他各種脈沖串負載的具體過程不再贅述。仿真結(jié)果表明，施加脈沖串負載時，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單脈沖負載時，最惡劣情況下（雙機在網(wǎng)），瞬態(tài)調(diào)速率＜2.1%，穩(wěn)定時間＜1 s；瞬態(tài)調(diào)壓率＜1.5%，穩(wěn)定時間＜1.5 s。

投入1 MW脈沖串時，最惡劣情況下（雙機在網(wǎng)），轉(zhuǎn)速變化率＜55 r/min，瞬態(tài)調(diào)速率＜3.7%，穩(wěn)定時間＜3 s，瞬態(tài)調(diào)壓率＜2.4%，穩(wěn)定時間＜2 s。

仿真計算表明，按照當前1 250 kW柴油發(fā)電機組配置，瞬態(tài)調(diào)壓調(diào)速性能和穩(wěn)定時間均可以滿足CCS2018的要求。

3 多工況下電網(wǎng)諧波含量分析計算及諧波控制方式

3.1 諧波的產(chǎn)生與危害

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備（又稱非線性負荷）供電的結(jié)果。這些非線性負荷在工作時向電源反饋高次諧波，導致供電系統(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)為引起電氣設備（電機、變壓器和電容器等）附加損耗和發(fā)熱；使同步發(fā)電機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、控制和檢測裝置的工作精度和可靠性等。諧波注入電網(wǎng)后會使無功功率增大，功率因數(shù)降低，甚至可能引發(fā)并聯(lián)和串聯(lián)諧振，損壞電氣設備和干擾通信線路的正常工作。

3.2 電網(wǎng)諧波抑制方法

解決諧波問題的主要思路：

（1）就地補償，如采用多脈動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）集中補償，設計無源電力濾波器或有源濾波來抑制或消除非線性負載產(chǎn)生的諧波污染。

3.3 電網(wǎng)諧波計算與諧波控制方式選擇

由于裝備有大功率脈沖負載設備的船舶采用電力推進系統(tǒng)，電網(wǎng)諧波源較多，需要根據(jù)實際使用工況，對電網(wǎng)諧波含量進行全面的分析和計算，為系統(tǒng)諧波控制設計提供依據(jù)。

主要諧波源計算參數(shù)如下：

（1）電力推進設備（2套）：擬定推進電機額定輸出功率1 800 kW；單軸電力推進設備采用12脈動整流，雙軸構(gòu)成虛擬24脈動整流；單軸電力推進設備電網(wǎng)輸入端諧波電流占基波電流比例≤20%。

（2）大功率脈沖負載設備（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系統(tǒng)，主電站設4臺1 250 kW發(fā)電機組，通過AC 690 V主配電板為電力推進設備、大功率脈沖負載設備、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，計算結(jié)果見下頁表2。

表2 諧波計算工況表

由上述計算結(jié)果可知，電網(wǎng)諧波含量最高的為工況4，此時僅開2臺發(fā)電機組，諧波源為電力推進設備和大功率脈沖負載設備，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在設計上可不增加額外的濾波設備，另外在690 V配電板上設置備用開關(guān)，可便于后續(xù)根據(jù)實際情況加裝濾波設備。

4 結(jié) 語

根據(jù)船舶配置的電站的實際情況，將脈沖的前后沿設計成坡狀，以降低對電網(wǎng)的沖擊。另外確定端電壓勵磁的方式，以適應高功率因數(shù)負載和脈沖負載的特性需求。運用仿真軟件，建立發(fā)電機組模型進行仿真計算，仿真結(jié)果表明：目前所選用的發(fā)電機組，在帶大功率脈沖負載時，所產(chǎn)生的電網(wǎng)電壓、頻率的波動，均在CCS 2018所要求的電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)指標范圍內(nèi)，大功率脈沖負載設備的供電方案合理可行。對該船各工況下電網(wǎng)諧波含量進行全面分析和計算，各工況下各配電板處的總諧波電壓畸變率

THD

均小于5%，滿足CCS的相關(guān)要求。