含高能脈沖負(fù)載的綜合電力系統(tǒng)運(yùn)行性能分析

高雪平，付立軍，馬 凡，紀(jì) 鋒

(海軍工程大學(xué)，艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430033)

含高能脈沖負(fù)載的綜合電力系統(tǒng)運(yùn)行性能分析

高雪平，付立軍，馬 凡，紀(jì) 鋒

(海軍工程大學(xué)，艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430033)

隨著艦船綜合電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，未來(lái)將實(shí)現(xiàn)高能脈沖武器負(fù)載的裝艦，需要研究其對(duì)系統(tǒng)性能的影響。為此，分析典型高能脈沖負(fù)載電磁軌道炮的動(dòng)態(tài)特性，在matlab/simulink 中建立相應(yīng)的仿真模型，驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性；構(gòu)建綜合電力系統(tǒng)的簡(jiǎn)化仿真模型，并將電磁軌道炮模型嵌入該系統(tǒng)中，進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行仿真，結(jié)果顯示電磁軌道炮直接掛網(wǎng)運(yùn)行方式會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成沖擊，影響系統(tǒng)的電能品質(zhì)。

綜合電力系統(tǒng)；高能負(fù)載；建模；運(yùn)行性能

0 引 言

艦船綜合電力系統(tǒng)（IPS）是將發(fā)電、日常用電、推進(jìn)供電、高能武器發(fā)射供電等綜合為一體的艦船電力系統(tǒng)。它將傳統(tǒng)艦船相互獨(dú)立的動(dòng)力和電力兩大系統(tǒng)合而為一，實(shí)現(xiàn)了全艦?zāi)芰康木C合利用，代表著未來(lái)艦船發(fā)展的方向[1]。

目前艦船綜合電力系統(tǒng)的建模研究主要集中在發(fā)電、儲(chǔ)能、推進(jìn)供電、日常用電這幾方面。隨著諸如電磁軌道炮、激光炮等高能武器的發(fā)展的日趨成熟，其上艦的趨勢(shì)也愈發(fā)明顯。這些裝艦的脈沖負(fù)載由于非周期性、瞬時(shí)大功率等特性使得綜合電力系統(tǒng)變得更加復(fù)雜。因而有必要對(duì)含高能脈沖負(fù)載的綜合電力系統(tǒng)的進(jìn)行建模仿真來(lái)量化評(píng)估其對(duì)系統(tǒng)性能影響，為未來(lái)的工程應(yīng)用提供的理論支撐。文獻(xiàn)[2]中進(jìn)行了應(yīng)用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)加強(qiáng)綜合電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電能品質(zhì)的研究。文獻(xiàn)[3]考慮了各種因素影響下，建立了一種電磁軌道炮模型，整個(gè)模型比較復(fù)雜, 并進(jìn)行了發(fā)射實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行效率的量化評(píng)估, 展望了其應(yīng)用前景。目前，美國(guó)正在進(jìn)行海試的最新的驅(qū)逐艦 DDG-1000采用的是全電力推進(jìn)系統(tǒng)，并且預(yù)計(jì)于 2017 年進(jìn)行電磁軌道炮的艦載測(cè)試。為了對(duì)含高能脈沖武器負(fù)載的綜合電力系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真研究，本文分析電磁軌道炮的動(dòng)態(tài)特性，在matlab/simulink 中建立簡(jiǎn)化的電磁軌道炮的模型，并進(jìn)行仿真。將建立的電磁軌道炮模型嵌入至簡(jiǎn)化的綜合電力系統(tǒng)仿真模型中運(yùn)行仿真，研究高能脈沖武器負(fù)載的運(yùn)行對(duì)綜合電力系統(tǒng)電能品質(zhì)的影響。

1 綜合電力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文研究的簡(jiǎn)化綜合電力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示，該系統(tǒng)采用的是中壓直流電網(wǎng)供電。發(fā)電機(jī) G1和G2是帶整流系統(tǒng)的發(fā)電模塊，為全船的日常用電和推進(jìn)負(fù)載及脈沖負(fù)載供電；推進(jìn)模塊是由變頻器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)m1和m2組成，為艦船提供動(dòng)力；日常用電模塊主要是阻感負(fù)載；脈沖負(fù)載模塊是指諸如激光武器、電磁軌道炮等高能脈沖武器負(fù)載；儲(chǔ)能模塊包括飛輪儲(chǔ)能、超級(jí)電容等儲(chǔ)能模塊。

圖1 簡(jiǎn)化綜合電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Simplified diagramof integrated power system

2 典型設(shè)備數(shù)學(xué)模型

2.1 十二相同步發(fā)電機(jī)模型

十二相整流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)因具有直流電壓脈動(dòng)小、不受換向限制、可靠性高、維護(hù)方便等突出優(yōu)點(diǎn)，而在艦船電力推進(jìn)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[4]。在本文所示的簡(jiǎn)化綜合電力系統(tǒng)仿真模型中，以其作為發(fā)電模塊，并建立相應(yīng)的仿真模型。在 dq0 坐標(biāo)系下，采用理想電機(jī)模型，轉(zhuǎn)子交軸上有交軸阻尼繞組（kq）和交軸穩(wěn)定繞組（fq）；直軸上有 2 套繞組，分別是直軸阻尼繞組（kd）和勵(lì)磁繞組（fd）。忽略轉(zhuǎn)速變化以及空間諧波磁場(chǎng)，定、轉(zhuǎn)子均采用電動(dòng)機(jī)慣例，可得十二相同步發(fā)電機(jī)的電壓方程、磁鏈方程如下[4-5]：

式中：f 為勵(lì)磁繞組；k 為阻尼繞組；d 為直軸；q 為交軸；為定子第 1～4 套三相繞組；m為互感；p 為微分算子。

2.2 電磁軌道炮數(shù)學(xué)模型

2.2.1 電磁軌道炮的原理

電磁軌道炮是一種典型的高能脈沖負(fù)載，它通過(guò)儲(chǔ)能電容短時(shí)間內(nèi)從電網(wǎng)平滑的吸收能量并存儲(chǔ)，然后在ms 級(jí)的時(shí)間內(nèi)向軌道放電，使彈丸在很短的時(shí)間內(nèi)加速到很高的速度，打破了傳統(tǒng)火炮的出膛速度的限制[6-7]。其原理結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 電磁軌道炮原理圖Fig. 2 Schematic diagramof electromagnetic railgun

電磁軌道炮主要是由發(fā)射電源、導(dǎo)軌、電樞、彈丸等組成，在本質(zhì)上是一種直線電機(jī)。其中，充電電源向發(fā)射電源提供發(fā)射所需要的能量；發(fā)射電源多由脈沖發(fā)電機(jī)、超級(jí)電容器等儲(chǔ)能裝置組成，用于在短時(shí)間內(nèi)向系統(tǒng)提供發(fā)射所需的能量。儲(chǔ)能電源通過(guò)開關(guān)及波形調(diào)整電感產(chǎn)生合適的脈沖電流為電磁軌道炮的發(fā)射供電。導(dǎo)軌導(dǎo)電并控制電樞和彈丸的運(yùn)動(dòng)方向。位于 2 條導(dǎo)軌之間的電樞通過(guò)洛倫茲力給彈丸加速至彈丸出膛。

2.2.2 電磁軌道炮的等效電路圖

由前述的軌道炮的原理圖可以得到如圖3所示的等效電路圖。在建模過(guò)程中做出 2 點(diǎn)假設(shè)：一是忽略電樞運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的空氣阻力和軌道摩擦力；二是認(rèn)為軌道接入電路的電感和電阻大小的變化同電樞位移 x的關(guān)系是線性的。在圖3 中，Uc為電容器組電壓，R0包括儲(chǔ)能電容器組的內(nèi)阻和線路電阻；L0為調(diào)波電感；Rx為電樞位移為 x 時(shí)軌道接入電路的電阻，Lx相應(yīng)的電感，二者均隨 x 而變化。

圖3 軌道炮等效電路圖Fig. 3 Equivalent circuit of railgun

設(shè)流過(guò)電樞的電流為 I（t），則在電樞運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，軌道接入電路長(zhǎng)度的變化引起軌道電感變化，進(jìn)而引起的電壓變化可以表示為：

將式（3）代入式（2）得：

在圖3 中，根據(jù)基爾霍夫電壓定律并結(jié)合式（4）可以得到電磁軌道炮等效電路的微分方程，如式（5）：

2.2.3 電磁軌道炮動(dòng)力學(xué)分析

在圖2 中, 整個(gè)電樞系統(tǒng)在 t 時(shí)刻聚集的能量可以由式（6）表示，其中 x（t） 表示電樞的位移。

根據(jù)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換，電樞此時(shí)受到的洛倫茲力為：

根據(jù)牛頓第二定律可得:

結(jié)合式（7）～ 式（9）可以得到電磁軌道炮的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程:

2.2.4 電磁軌道炮總體數(shù)學(xué)模型

電容器放電的數(shù)學(xué)模型可以由式（12）表示：

式（5）、式（10）～ 式（12）即為簡(jiǎn)化的電磁軌道炮系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。

2.3 其他設(shè)備模型

由于本文主要是考慮脈沖負(fù)載對(duì)綜合電力系統(tǒng)的影響，并且高階的推進(jìn)電機(jī)模塊和逆變模塊模型復(fù)雜階次高，嚴(yán)重影響仿真的效率，因此，把建模重點(diǎn)放于發(fā)電整流模塊和脈沖負(fù)載模塊，對(duì)于推進(jìn)和日常用電模塊，用等值阻感負(fù)載模擬替代。

人類的通病是戀生懼死、樂(lè)生惡死甚或憂生懼死，只有通人達(dá)士才能參透生死變化之理。西漢文帝反對(duì)常人所持的“嘉生惡死”態(tài)度，對(duì)這種生死觀明確表示“吾甚不取”[1](P262)，東漢酈炎說(shuō)“圣人達(dá)于死生，賢者力而慕之”[3](P761)，都對(duì)世俗對(duì)待生死的行為、態(tài)度與觀念加以糾正和反撥。最有代表性的，當(dāng)屬東漢趙咨《遺書敕子胤》中的闡述：

3 含高能負(fù)載的綜合電力系統(tǒng)仿真分析

根據(jù)第 2 節(jié)所述的簡(jiǎn)化的綜合電力系統(tǒng)各模塊的數(shù)學(xué)模型，在matlab/simulink 中建立相應(yīng)的仿真模型。并將簡(jiǎn)化的電磁軌道炮模型嵌入簡(jiǎn)化的綜合電力系統(tǒng)中進(jìn)行全系統(tǒng)的仿真分析。其中 2 臺(tái)帶整流系統(tǒng)十二相同步發(fā)電機(jī)組成供電系統(tǒng)，容量整定為 10mW；系統(tǒng)的直流母線電壓整定為 4 000 V；推進(jìn)電機(jī)由 4mW級(jí)阻感負(fù)載等效模擬；電磁軌道炮系統(tǒng)配置的容量整定為為 4mJ 級(jí)。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行性能仿真分析。

3.1 電磁軌道炮模型仿真與驗(yàn)證

按式（5）、式（10）～ 式（12）所示電磁軌道炮數(shù)學(xué)模型在matlab/simulink 中搭建對(duì)應(yīng)的仿真模型并進(jìn)行仿真分析。其中所建立的模型初始化參數(shù)參照文獻(xiàn)[8]，如表1 所示。

研究一個(gè)完整的發(fā)射周期內(nèi)軌道炮的運(yùn)行動(dòng)態(tài)，仿真結(jié)果如圖4和圖5 所示。

表1 電磁軌道炮系統(tǒng)主要參數(shù)Tab. 1 Main parameters of electromagnetic railgun

圖4 仿真模型中電樞的電流曲線Fig. 4 Current waveformof the armature in the simulationmodel

圖5 仿真模型中電樞的速度曲線Fig. 5 Velocity waveformof the armature in the simulationmodel

從圖4 可看出，電樞電流峰值為 5.5mA，與文獻(xiàn)[8]中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 5.4mA 相符，誤差在 5% 以內(nèi)，同時(shí)曲線的走勢(shì)與對(duì)比文獻(xiàn)吻合較好；從圖5 可看出，彈丸的出膛速度為 2 686m/s，與文獻(xiàn)[8]中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)2 600m/s 相符，誤差在允許范圍之內(nèi)，曲線走勢(shì)也吻合較好。仿真結(jié)果說(shuō)明，在忽略空氣、軌道等阻力情況下，只考慮軌道炮系統(tǒng)電氣特性的模型能較好的反映軌道炮的動(dòng)態(tài)特性，該模型可以用于進(jìn)一步的研究。

3.2 全系統(tǒng)運(yùn)行性能仿真

在 3.1 節(jié)的基礎(chǔ)上，將軌道炮的模型嵌入至簡(jiǎn)化的綜合電力系統(tǒng)的模型中，進(jìn)行運(yùn)行性能仿真分析。分別在 t=40 s，130 s，210 s 時(shí)閉合開關(guān)，系統(tǒng)對(duì)軌道炮儲(chǔ)能電容進(jìn)行充電，充電結(jié)束后儲(chǔ)能電容器組向電磁軌道炮系統(tǒng)放電，完成一個(gè)完整的發(fā)射周期后斷開開關(guān)，并進(jìn)入下一個(gè)發(fā)射周期。通過(guò)模擬 3 次完整的發(fā)射過(guò)程，來(lái)研究連續(xù)工作的高能脈沖負(fù)載對(duì)系統(tǒng)電能品質(zhì)的影響。

充電的過(guò)程中，在開關(guān)閉合的瞬間，由于儲(chǔ)能電容器組的接入使得母線電壓發(fā)生較大波動(dòng)，并隨著電容器組不斷的充電而恢復(fù)穩(wěn)定。電流從峰值 1 700a恢復(fù)到穩(wěn)定時(shí)的 400 A，如圖6 所示。

圖6 直流母線變化曲線Fig. 6 Current waveformof the DC bus

在每個(gè)充電周期內(nèi)，直流母線電壓受到較大的沖擊，由 4 000V 降到 3 500V，然后于 3 s 后恢復(fù)正常波動(dòng)范圍之內(nèi)，如圖7 所示。十二相同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速同樣有較大波動(dòng)，跌落約 20%，變化曲線如圖8 所示。

圖7 直流母線電壓變化曲線Fig. 7 Voltage waveformof the DC bus

圖8 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線Fig. 8 Rotate speed waveformof the generator

4 結(jié) 語(yǔ)

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Performance analysis of integrated power systemwith pulse load

GAO Xue-ping, FU Li-jun,mA Fan, JI Feng
(National Key Laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power SystemNaval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

With the development of vessel integrated power system, it will be equipped with high power pulse load, thus the study on the influence it dose to the systemis needed. For this purpose, this paper analysis the dynamic properties of the typical high power pulse load of electromagnetic railgun and build the simulationmodel inmatlab/simulink, then verify the accuracy through comparison. Constructing the simplifiedmodel of integrated power systemand embedding the electromagnetic railgunmodel in it, then operate the systemand analyses the result. It shows that the online operationmode of the pulse load hasasevere impact on the systemand affects the power quality of the system.

integrated power system；high power pulse load；modeling；performance

TM7

：A

1672 - 7619(2016)10 - 0116 - 05

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.10.023

2016 - 06 - 22；

2016 - 07 - 26

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目資助(2012CB215103)；國(guó)防973資助項(xiàng)目(613294)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51377167)

高雪平(1991 - )，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)建模仿真。