船舶大功率脉冲负载抗冲击供电系统

　　摘要：分析船舶新型脉冲负载特性及其影响，提出一种大功率多模式脉冲负载抗冲击供电系统及其能量缓冲单元中电容电感的计算方法，实现脉冲负载的功率平抑、能量分组、谐波治理与事故备用，保证船舶电站安全和负载高精度供电.利用MATLAB/Simulink建立含大功率雷达负载的某新型测量船综合电力系统仿真模型，验证不同模式下脉冲负载抗冲击供电系统的有效性.该结构不仅降低脉冲负载的冲击，还有效抑制系统电压谐波，解决大功率脉冲负载在独立电力系统中应用的关键技术难题.

　　关键词：抗冲击供电系统;大功率脉冲负载;综合电力系统;多脉波整流;电能质量

　　随着舰船技术的快速发展，高能武器、电磁发射装置和新型雷达等功率脉冲型负载在船舶综合电力系统中的应用越来越广泛[1-2].脉冲型负载的功率脉动无序且频繁，冲击峰值高，对系统的稳定与电能质量造成严重冲击;另一方面，船舶综合电力系统“源-网-荷”耦合紧密，电站容量小且转动惯量低，仅依赖于船舶电站无法保障系统的安全稳定运行.大功率脉冲负载对功率变换供电系统提出了更高的要求，传统Buck或者Boost供电单元难以满足.当前高技术舰船承载的脉冲负载类型越来越多，如移动通讯设备、高功率武器、雷达、电磁发射装置等，具有宽工作频率、多工作模式和峰值功率大等特点，且其运行具有强随机性.以大功率雷达负载为例，其工作周期为10-3～10-1s量级，长脉宽工作模式会导致供电系统功率波动[3-4].

　　船舶论文范例：船舶自主航行关键技术研究现状与展望

　　新型大功率脉冲负载接入会造成如下影响：①电站机电调节控制器响应时间长，综合电力系统无法满足脉冲负载瞬时功率需求，产生波动或失稳[5-6];②系统呈现宽频域和低惯性特征，非工频扰动可能引发次同步间谐波问题，破坏系统稳定运行[7-8];③恶化电网电能质量，干扰其他敏感负载.开展高动态响应升压/降压型变换器拓扑优化工作，降低脉冲功率负载引起的电流纹波，避免脉冲负载对供电系统中直流母线的影响，是保证脉冲功率负载高性能稳定工作的关键技术方法[9-10].目前，已有研究针对脉冲负载特性及其对独立电力系统影响展开研究.文献[11-12]研究了雷达脉冲负载的占空比、工作周期、峰值功率和滤波电容变化时对系统动态指标的影响规律.文献[13]通过仿真研究了电网运行特性与脉冲负载工作模式之间的关系，分析了不同脉冲负载参数对电网运行特性的影响规律和程度.

　　文献[14]建立了含脉冲负载的独立电力系统模型，推导了源载耦合关系，通过理论结合试验，找出交直流侧之间影响的脉动频率规律，对不同脉冲频率、不同脉冲负载功率展开试验，给出了脉冲负载功率分配表.上述文献分析了脉冲负载及电路参数对系统的影响，对工程设计及后续脉冲负载在独立电力系统中的应用做了重要铺垫，但由于其所研究的脉冲负载功率较小且工作模式单一，所以采用的均是传统负载供电结构.该结构由三相变压器、不可控整流桥、电感电容(LC)滤波器组成，因缺乏负载电流快速跟踪响应环节、直流母线电压电流脉动抑制环节、交流侧谐波治理环节等功能，已无法满足大功率多模式脉冲负载动态响应需求和降低负载对船舶电力系统影响的要求.

　　文献[15]对含脉冲负载的船舶电力推进系统进行研究，分析了飞轮储能单元的能量缓冲作用，起到了稳定直流母线和降低脉冲功率对推进系统及电站冲击的作用，但该储能方式并不适用于雷达等此类高频脉冲负载.文献[16]设计了一种混合储能方案，能够有效地使蓄电池减少放电小循环次数，消除负载脉动对供电电源的不利影响，但对于兆瓦级负载并不适用.

　　目前，有学者提出了三相不可控整流器级联Buck电路的新型雷达供电单元.文献[17]建立新型脉冲负载等效拓扑及相应的潮流计算模型，可作为含脉冲负载独立微电网运行特性及稳定性分析的基础.文献[18]推导了新型脉冲负载供电结构的数学模型，通过仿真分析和实物验证脉冲负载参数对独立电力系统的影响规律.但是上述文献未针对新型脉冲负载特点及其影响，从系统与负载的匹配性、系统运行使用的安全性以及稳定性等多角度对供电结构、参数进行研究和设计.

　　本文分析了功率脉冲负载特性及其对电网的影响，优化传统脉冲负载供电结构，提出一种大功率多模式脉冲负载供电系统的设计方法，采用功率平抑、能量分组、谐波治理、事故备用等技术，即“多脉波变压器+不可控整流+两级互联直流/直流(DC/DC)变换器”的供电结构，并对能量缓冲环节中关键参数进行设计.仿真分析不同工作模式下负载对系统的影响，通过传统和新型脉冲负载供电系统性能的对比，说明该结构能显著改善交流侧电压电流的畸变率，降低交流侧功率和直流侧母线电压的波动，验证了系统结构及参数设计的正确性和有效性，对脉冲负载在独立电力系统中的应用、设计和参数优化等方面具有重要意义和参考价值.

　　1脉冲负载特性及其影响

　　1.1脉冲负载特性

　　新型脉冲负载占空比随机变化且呈连续脉冲功率冲击的强非线性特征，其功率特性既有冲击性，又有随机性和波动性，具有工作频率宽、工作模式多和峰值功率大的特点[19].其中：Io为脉冲电流幅值;t为时间;pu.为电力系统的标么值，无单位或者认为为“1”.　　负载呈现脉冲形式，特别是负载在满载与空载模式之间工作时，可简化成方波来表示.

　　1.2脉冲负载供电系统模型脉冲负载供电系统模型如图2所示，DC/DC变换器部分可以是单级或双极，也可以不含直流变换器.其中：ICo、ILo分别为输出电容Co和滤波电感Lo的支路电流;Uin为输入电压;RLo和RCo为电容和电感的内阻;Uo为输出电压.由Kirchhoff电流定律可得，Iavg+Ipul=ICo+ILo，脉冲负载引起的电流中脉动部分Ipul会由输出电容Co和滤波电感Lo两条支路分摊，若要使供电系统输入电流的脉动尽可能减小，则需控制流过电感的电流ILo跟随脉冲负载引起电流中的平均电流Iavg(不考虑开关频率纹波)，而脉动电流部分则尽量由输出电容支路来提供，通过合理设计输出电容大小来控制输出电压Uo的波动要求.

　　通过分析脉冲负载引起电流的组成，可以获得如下结论：①若供电系统中未采用DC/DC变换器，则均存在较大的输入电流脉动和输出电压波动;②若供电系统中采用单级DC/DC变换器，则输出稳压和输入稳流无法同时实现，要么允许脉冲负载功率以脉动电流的形式出现在供电系统输入端，要么输出电压存在一定的波动范围;③若供电系统采用两级变换器级联结构，前级变换器允许输出电压存在一定的波动来实现输入电流跟随脉冲负载引起电流的平均电流部分(即稳定输入电流)，中间电容为脉冲负载提供脉动功率，后级变换器在输入电压波动时控制输出电压的稳定.这样前后两级变换器分别实现不同的功能，脉动功率由中间电容来承担，从而能够同时保证脉冲负载的高精度供电和平抑脉冲负载对供电系统输入侧的冲击.

　　2大功率多模式抗冲击脉冲负载供电系统优化

　　脉冲负载种类很多，根据其功率等级、周期时间尺度和工作特点会采用不同的供电结构[21].传统脉冲负载供电系统由柴油发电机组、三相变压器、不可控整流桥、LC滤波器以及脉冲型负荷组成.新型脉冲负载供电方案将采用功率平抑、能量分组、谐波治理、事故备用等技术所构建的电力网络保证大容量船舶电站安全供电和负载精准得电要求.

　　2.1功率平抑

　　具有“宽工作频率、多工作模式和高功率”特性的新型雷达阵面会严重影响电网平稳运行，所以需要采取功率波动抑制手段.由于雷达功率波动随着探测目标的轨迹呈现不确定性，所以须按照负载最严苛状态对系统的影响进行设置.如果单独设置一套大容量平抑设备可能会造成与总体适装性上的矛盾，同时也增加了单一故障对全船使命任务造成影响的风险.因此在设计中采用从交流侧到负载侧，加入多级稳压电路的方式对脉冲负载进行隔离.脉冲负载的传统供电系统由柴油发电机组、三相变压器、不可控整流桥、LC滤波器以及脉冲型负荷组成，在整流电路与脉冲负载之间加入Buck电路和Boost电路的级联模块，作为功率平抑装置，减少脉冲负载对交流侧系统的功率冲击.

　　其中：PP为脉冲负载功率峰值;S为脉冲开关;L为电感;C为电容.3脉冲负载能量缓冲单元参数设计3.1Buck电路结构与参数的设计由于输出直流电压的波动大小与输出滤波电感和输出滤波电容的大小有直接关系，所以在分析功率等级、开关频率和控制方式对输出阻抗的影响之前，有必要先给出输出滤波器的设计.

　　5结论

　　本文对含大功率脉冲负载的船舶综合电力系统进行了研究，包括脉冲负载特性和大功率多模式脉冲负载供电系统优化两方面，通过理论研究和仿真分析可以得到如下结论.

　　(1)脉冲负载电流中所含谐波分量的大小只与脉冲占空比有关，谐波基频与脉冲频率有关.(2)脉冲负载引起的电流包含脉动电流和平均电流两部分，其供电系统中直流环节可采用双级变换器级联结构，降低脉冲负载冲击并保证高精度供电.(3)在含脉冲负载的船舶电力系统中，不可控整流结构较可控整流结构更合适，通过多脉波变压器改善电网电能质量.

　　所以，大功率多模式脉冲负载供电系统可采用“多脉波变压器+不可控整流+两级互联DC/DC直流变换器”的结构，优化电站、储能与负载之间的协调能力，提升了船舶电力系统载荷能力与供电品质：①通过多级能量缓冲，平抑脉冲负载冲击并减少储能元件单体的体积;②通过有效控制特殊负载的谐波污染，降低其运行时对其他敏感性负载的影响;③通过模块化、多冗余设计，提高特殊负载的供电生命力.本文对供电系统中能量缓冲单元参数进行了设计和计算，但该环节的控制策略和参数优化方面还需要进一步研究，而且随着脉冲负载供电系统变复杂，其建模与稳定分析也变得困难.下一步工作是基于本文供电结构，建立大信号分析模型，推导出系统大扰动下的稳定性判据，并分析物理参数和控制参数对稳定域的影响.

　　参考文献：

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　　[3]刘正春，朱长青，王勇，等.脉冲负载下电力系统暂稳态功率特性[J].电网技术，2017，41(9)：3018-3024.　　　LIUZhengchun，ZHUChangqing，WANGYong，etal.Transientandsteady-statepowercharacteristicsofpowersystemwithpulsedload[J].PowerSystemTechnology，2017，41(9)：3018-3024.

　　作者：庞宇1，2，黄文焘1，吴骏2，邰能灵1，孙国亮3