席敬波，陳 坤，周 興，文 武

應(yīng)用研究

含脈沖負(fù)載的綜合電力系統(tǒng)協(xié)同控制策略仿真研究

席敬波1，陳 坤2，周 興2，文 武2

(1. 陸軍裝備部杭州地區(qū)軍事代表室，杭州 310000；2. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

為保證船舶電站運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，提高降低電網(wǎng)供電品質(zhì)，本文提出了一種實(shí)現(xiàn)大功率脈沖負(fù)載與變頻推進(jìn)負(fù)載協(xié)同控制的控制策略，可以在電站總功率不變的情況下協(xié)調(diào)脈沖負(fù)載和推進(jìn)負(fù)載的功率分配，減輕大功率脈沖負(fù)載投入運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的電網(wǎng)功率沖擊。利用matlab/simulink建立含大功率脈沖負(fù)載的某型船舶綜合電力系統(tǒng)仿真模型，驗(yàn)證了該控制策略對于大功率脈沖負(fù)載投入運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生沖擊的抑制效用。

脈沖負(fù)載 協(xié)同控制 仿真研究

0 引言

近年來隨著我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，船舶工業(yè)也取得了長足發(fā)展。在提升船舶安全性的情況下，也朝著先進(jìn)性、多樣化、智能化等等方向全面發(fā)展。船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)不斷發(fā)展，推進(jìn)系統(tǒng)的負(fù)載呈現(xiàn)出大功率、形式多樣的特點(diǎn)，對船舶電站的功率需求、穩(wěn)定性和可靠性等都提出了更高的要求。當(dāng)前船舶電力負(fù)載功率密度快速增長，除電力推進(jìn)與各類型作業(yè)負(fù)載外，高技術(shù)船舶承載的大功率脈沖負(fù)載類型也越來越多，且呈現(xiàn)復(fù)雜化、多樣化、組合化趨勢，如移動通訊設(shè)備、探測雷達(dá)、高能武器系統(tǒng)、電磁發(fā)射裝置等等，具有寬工作頻率、多工作模式和峰值功率較大等特點(diǎn)，且其投入運(yùn)行的時(shí)機(jī)具有強(qiáng)烈的隨機(jī)性。大功率脈沖負(fù)載的非線性與瞬態(tài)沖擊特性明顯，其投入運(yùn)行容易引起電網(wǎng)功率沖擊、電壓和頻率波動大、全船失電等問題，對船舶綜合電力系統(tǒng)運(yùn)行造成安全穩(wěn)定難題[1-3]。

本文針對大功率脈沖負(fù)載導(dǎo)致的電網(wǎng)沖擊性難題，提出了一種進(jìn)行大功率脈沖負(fù)載與變頻推進(jìn)負(fù)載協(xié)同控制的策略，實(shí)現(xiàn)電站功率再分配，削弱脈沖負(fù)載投入時(shí)所產(chǎn)生的沖擊。

1 含脈沖負(fù)載的綜合電力系統(tǒng)

如圖1是典型的含脈沖負(fù)載的船舶綜合電力系統(tǒng)拓?fù)?，包含柴油發(fā)電機(jī)組、變頻推進(jìn)系統(tǒng)、大功率脈沖負(fù)載、電站日用負(fù)荷等等典型配置元件和關(guān)鍵模塊。

圖1 典型船舶含脈沖負(fù)載綜合電力系統(tǒng)

2 含脈沖負(fù)載綜合電力系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)圖1所示的含脈沖負(fù)載綜合電力系統(tǒng)典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，基于matlab/simulink搭建船舶電力系統(tǒng)仿真模型，主要包括柴油發(fā)電機(jī)組、變頻推進(jìn)負(fù)載、大功率脈沖負(fù)載及船舶日用負(fù)荷等。

2.1 柴油發(fā)電機(jī)組模型

柴油發(fā)電機(jī)組仿真模型主要由兩部分構(gòu)成，即柴油機(jī)及調(diào)速控制器和同步發(fā)電機(jī)及自動調(diào)壓器。

圖2 柴油機(jī)及調(diào)速器結(jié)構(gòu)框圖

柴油機(jī)及調(diào)速器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2，主要由以下四個(gè)部分組成閉環(huán)控制系統(tǒng)：

1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)：將油門位置的電壓控制信號轉(zhuǎn)換成油泵機(jī)架的真實(shí)位置，以實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)速和功率的控制。

2）柴油機(jī)：柴油機(jī)是柴油發(fā)電機(jī)組的原動機(jī)，將燃油燃燒后的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

3）轉(zhuǎn)速反饋單元：其輸入是柴油機(jī)的實(shí)際速度，輸出是一個(gè)與速度成正比的電壓信號，可將其等效為一個(gè)比例環(huán)節(jié)。

4）速度控制器：屬于PID控制器。

在實(shí)際的工作過程中，柴油機(jī)是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，搭建其精確的數(shù)學(xué)模型是非常困難的。本文以柴油機(jī)的工作原理為基礎(chǔ)，側(cè)重于關(guān)注本課題所研究的重點(diǎn)，忽略其他次要因素的影響，對模型進(jìn)行簡化，僅搭建反映其動力學(xué)特征的模型。

柴油機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩達(dá)到一種動態(tài)平衡，即

式中，T——柴油機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，T——曲軸上的阻力矩，T——摩擦扭矩。

速度控制器將根據(jù)柴油機(jī)負(fù)載的變化來決定其加速度，根據(jù)達(dá)朗貝爾原理，可以得出柴油機(jī)的運(yùn)動狀態(tài)方程：

綜合考慮各方面的因素（如噴油燃燒過程的時(shí)間延遲、燃油固有的熱能慣性時(shí)間、柴油機(jī)固有的轉(zhuǎn)動慣性時(shí)間等），可將柴油機(jī)的數(shù)學(xué)模型簡化為具有時(shí)間延遲的一階慣性環(huán)節(jié)：

經(jīng)過對柴油機(jī)及調(diào)速器數(shù)學(xué)模型的研究分析，在matlab/simulink仿真平臺建立柴油機(jī)及調(diào)速器的仿真模型如圖3所示。

圖3 柴油機(jī)及調(diào)速器仿真模型

同步發(fā)電機(jī)選擇為凸極機(jī)，采用IEEE標(biāo)準(zhǔn)AC1A（IEEE Alternator Supplied Rectifier Excitation System 1#）勵磁模型，該模型為交流主勵磁機(jī)和不可控整流器組成的他勵系統(tǒng)。發(fā)電機(jī)電壓等級、容量、頻率及同步阻抗均按實(shí)際模型參數(shù)設(shè)置。

建立柴油發(fā)電機(jī)組仿真模型如圖4所示。

2.2 變頻推進(jìn)負(fù)載模型

變頻推進(jìn)負(fù)載包括推進(jìn)變頻器、推進(jìn)電機(jī)、螺旋槳負(fù)載三個(gè)主要模塊。本文對于變頻推進(jìn)負(fù)載的仿真模型，僅僅關(guān)注對系統(tǒng)性能有影響的外特性，推進(jìn)電機(jī)對于推進(jìn)變頻器來說，主要體現(xiàn)為阻感性負(fù)載特性，如圖5。因此，可將推進(jìn)電機(jī)及其螺旋槳負(fù)載等效為阻抗和功率因數(shù)可調(diào)的阻感性負(fù)載，阻感性負(fù)載作為推進(jìn)變頻器的負(fù)荷，通過調(diào)節(jié)其阻抗和功率因素即可實(shí)現(xiàn)變頻推進(jìn)負(fù)載外特性的調(diào)節(jié)。

圖4 柴油發(fā)電機(jī)組仿真模型

圖5 三相異步電機(jī)等效電路圖

推進(jìn)變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6，整流單元和逆變單元均采用三相全橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，上下橋臂互補(bǔ)交替導(dǎo)通，整流單元采用高頻PWM整流，逆變單元采用閉環(huán)矢量控制，SVPWM調(diào)制策略。

圖6 推進(jìn)變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.3 大功率脈沖負(fù)載模型

脈沖負(fù)載由脈沖平抑電源和脈沖負(fù)荷構(gòu)成，脈沖平抑電源將船舶電網(wǎng)提供的三相交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓提供給脈沖負(fù)荷供電，并同時(shí)保證在脈沖負(fù)荷各工況平均功率波動時(shí)保持直流電壓輸出穩(wěn)定，且自身作為交流電網(wǎng)的穩(wěn)定負(fù)載。

脈沖負(fù)載模型可看作由高頻PWM整流單元、大容量電容器和脈沖負(fù)荷組成。整流單元采用三相全橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，上下橋臂互補(bǔ)交替導(dǎo)通，高頻PWM整流方式，SVPWM調(diào)制策略。

脈沖負(fù)荷傳遞函數(shù)可表示如下：

式中，P——脈沖負(fù)荷最大功率，——脈沖周期，——方波占空比。

脈沖負(fù)荷可在simulink中通過s-function建立一個(gè)脈沖發(fā)生器的函數(shù)，方波脈沖負(fù)荷最大功率、占空比、脈沖周期配置為可設(shè)置參數(shù)。采用受該脈沖發(fā)生器函數(shù)控制的受控電壓源模塊與電阻串聯(lián)建立脈沖負(fù)荷仿真模型，如圖7。

圖7 脈沖負(fù)荷仿真模型

2.4 日用負(fù)荷模型

船舶日用負(fù)荷主要體現(xiàn)為阻感性特性，其仿真模型可采用阻感性負(fù)載進(jìn)行模擬。

2.5 綜合電力系統(tǒng)建模

綜合電力系統(tǒng)包括柴油發(fā)電機(jī)組（4個(gè)）、變頻推進(jìn)負(fù)載（2個(gè)）、脈沖負(fù)載（2個(gè)）和日用負(fù)荷（1個(gè)）。于是，含脈沖負(fù)載的綜合電力系統(tǒng)仿真模型如圖8所示。

圖8 綜合電力系統(tǒng)仿真模型

3 協(xié)同控制策略

為了抑制大功率脈沖負(fù)載啟動過程對船舶電網(wǎng)造成的較大沖擊，將動態(tài)負(fù)載控制與重載問詢、功率限制等傳統(tǒng)控制方式[4-5]相結(jié)合提出了變頻推進(jìn)負(fù)載和脈沖負(fù)載協(xié)同控制的控制策略。

控制策略的實(shí)現(xiàn)技術(shù)路徑如下：

a. 測定并設(shè)置脈沖負(fù)載特定工況的負(fù)載特性曲線；

b. 脈沖負(fù)載啟動時(shí)進(jìn)行重載請求；

c. 根據(jù)脈沖負(fù)載特定工況的負(fù)載特性曲線，采用查表法對變頻推進(jìn)負(fù)載提前進(jìn)行調(diào)節(jié)，以使?jié)M足脈沖負(fù)載運(yùn)行需求；

d. 脈沖負(fù)載運(yùn)行過程中，根據(jù)脈沖負(fù)載特定工況的負(fù)載特性曲線，采用查表法對變頻推進(jìn)負(fù)載進(jìn)行協(xié)同控制。

通過對脈沖負(fù)載和變頻推進(jìn)負(fù)載進(jìn)行協(xié)調(diào)和功率再分配控制，達(dá)到削弱脈沖負(fù)載投入運(yùn)行對船舶電網(wǎng)造成的沖擊和穩(wěn)定性影響。

4 仿真研究

主要以含脈沖負(fù)載的綜合電力系統(tǒng)為基礎(chǔ)，在以脈沖負(fù)載為主體的大擾動下進(jìn)行系統(tǒng)協(xié)同控制策略仿真驗(yàn)證。綜合電力系統(tǒng)的參數(shù)見表1。

表1 綜合電力系統(tǒng)參數(shù)

脈沖負(fù)載工作時(shí)，根據(jù)負(fù)載特性曲線進(jìn)行查表以預(yù)測其運(yùn)行趨勢，從而協(xié)調(diào)變頻推進(jìn)負(fù)載運(yùn)行方式。仿真研究不同工況下變頻推進(jìn)負(fù)載與脈沖負(fù)載的相互作用和協(xié)同控制，工況情況如表2。

表2 仿真工況說明

4.1 經(jīng)濟(jì)航行工況

該工況下，2臺柴油發(fā)電機(jī)組和船舶日用負(fù)荷正常投入運(yùn)行，2臺變頻推進(jìn)負(fù)載在7 s時(shí)投入運(yùn)行，20 s時(shí)2#脈沖負(fù)載進(jìn)行重載請求并投入運(yùn)行，綜合能量管理系統(tǒng)根據(jù)協(xié)同控制策略對變頻推進(jìn)負(fù)載進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。

仿真波形如下：

圖9 經(jīng)濟(jì)航行工況仿真波形

由圖9，脈沖負(fù)載投入運(yùn)行前，2臺柴油發(fā)電機(jī)組總功率5 MW，2臺變頻推進(jìn)負(fù)載功率各2 MW，船舶日用負(fù)荷1 MW，船舶電站穩(wěn)定運(yùn)行。20 s時(shí)脈沖負(fù)載重載請求并投入運(yùn)行，2臺變頻推進(jìn)負(fù)載功率預(yù)測性降低。由于船舶電站可用功率尚有富余，于是，變頻推進(jìn)負(fù)載功率根據(jù)車鐘控制指令逐漸增加，恢復(fù)至脈沖負(fù)載投入運(yùn)行前，電站保持穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2 全速航行工況

該工況下，4臺柴油發(fā)電機(jī)組和船舶日用負(fù)荷正常投入運(yùn)行，2臺變頻推進(jìn)負(fù)載在7 s時(shí)投入運(yùn)行，20 s時(shí)1#脈沖負(fù)載進(jìn)行重載請求并投入運(yùn)行，30 s時(shí)2#脈沖負(fù)載進(jìn)行重載請求并投入運(yùn)行，綜合能量管理系統(tǒng)根據(jù)協(xié)同控制策略對變頻推進(jìn)負(fù)載進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。仿真波形如圖10。

圖10 速航行工況仿真波形

由圖10，脈沖負(fù)載投入運(yùn)行前，4臺柴油發(fā)電機(jī)組總功率13 W，2臺變頻推進(jìn)負(fù)載功率各5 W，船舶日用負(fù)荷1 W，船舶電站穩(wěn)定運(yùn)行。20 s時(shí)1#脈沖負(fù)載重載請求并投入運(yùn)行，2臺變頻推進(jìn)負(fù)載功率預(yù)測性降低，30 s時(shí)2#脈沖負(fù)載重載請求并投入運(yùn)行，2臺變頻推進(jìn)負(fù)載功率再次預(yù)測性降低。由于船舶電站可用功率并沒有富余，變頻推進(jìn)負(fù)載功率保持不變，電站穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)論

脈沖負(fù)載非線性與瞬態(tài)沖擊特性明顯，其投入運(yùn)行容易引起電網(wǎng)功率沖擊、電壓和頻率波動大，甚至?xí)斐砂l(fā)電機(jī)組過載，進(jìn)一步引起全船失電。

本文將脈沖負(fù)載和變頻推進(jìn)負(fù)載進(jìn)行協(xié)同控制，并結(jié)合重載請求和動態(tài)功率限制功能，對大功率脈沖負(fù)載投入運(yùn)行時(shí)引起的船舶電網(wǎng)沖擊和瞬時(shí)功率需求進(jìn)行抑制和削峰填谷，并進(jìn)行了基于matlab/simulink平臺的仿真研究。仿真結(jié)果表明，采用該控制策略可有效地平抑脈沖負(fù)載投入運(yùn)行時(shí)所引起的電網(wǎng)沖擊，減少對船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性影響。

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Simulation study on cooperative control strategy of integrated power system with pulse load

Xi Jingbo1, Chen Kun2, Zhou Xing2, Wen Wu2

(1. Military Representative Office of the Army Equipment Department in Hangzhou, Hangzhou 310000, China; 2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

In order to ensure

TM464

A

1003-4862（2022）11-0023-04

2022-08-22

席敬波，男（1981-），專業(yè)技術(shù)上校工程師，研究方向：船舶建造質(zhì)量監(jiān)督。E-mail：5917921@qq.com