艦船推進試驗電源的負(fù)載突變適應(yīng)性設(shè)計

黃 敏，陳元初，王一剛，劉 宇

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艦船推進試驗電源的負(fù)載突變適應(yīng)性設(shè)計

黃 敏1，陳元初1，王一剛2，劉 宇3

（1．株洲電力機車研究所有限公司，湖南 株洲 412001；2.中國三峽新能源有限公司西北分公司，蘭州 730070；3.中鐵第五勘察設(shè)計院東北分院, 哈爾濱 150006）

艦船推進系統(tǒng)因波浪環(huán)境或者其他特殊因素的影響，螺旋槳會有突然全速前進或者突然空轉(zhuǎn)的負(fù)載突變情況；這就要求電源系統(tǒng)務(wù)必確保在運行過程中能對輸出電壓進行快速調(diào)整到系統(tǒng)可承受范圍內(nèi)。本文就是以某推進系統(tǒng)試驗電源為例，通過計算和仿真提出了一種滿足負(fù)載的突變工況的設(shè)計思路，并通過試驗驗證了該設(shè)計的正確性和合理性。

推進電源 負(fù)載突變 響應(yīng)時間

0 引言

隨著現(xiàn)代艦船技術(shù)的發(fā)展，電驅(qū)系統(tǒng)功率越來越大，由于艦船的行駛工況突變，電驅(qū)供電系統(tǒng)的負(fù)載突變適應(yīng)性是體現(xiàn)出其性能的優(yōu)劣的關(guān)鍵性能之一。艦船推進試驗電源就是為考核推進系統(tǒng)配置一種特種電源，針對負(fù)載突變工況的調(diào)整能力是考核系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)。本文以某特種整流電源系統(tǒng)為例，設(shè)計了一個直流大功率快速穩(wěn)壓系統(tǒng)，確保系統(tǒng)的直流電壓在動態(tài)過程中能限制在推進電力系統(tǒng)電壓安全范圍以內(nèi)。

1 推進試驗電源介紹

艦船推進試驗電源系統(tǒng)是一個采用晶閘管元件作為功率器件設(shè)計的24脈波可控整流系統(tǒng)，其主電路如圖1所示。該電源系統(tǒng)由兩套12脈波整流電源系統(tǒng)串聯(lián)而成，兩套12脈波電源串聯(lián)連接24脈波輸出，中點接地后形成±0輸出。試驗電源系統(tǒng)主要是模擬艦船直流供電系統(tǒng)，提供一個電壓恒定為±0的直流母線；輸出電壓的質(zhì)量直接影響推進系統(tǒng)用電設(shè)備（如推進變頻器）的正常工作。在額定運行工況下，如果負(fù)載突然切出，由于電源系統(tǒng)輸出的慣性且系統(tǒng)沒有大功率快速穩(wěn)壓系統(tǒng)，直流電壓會快速升高到系統(tǒng)安全電壓以上；同樣在空載運行工況下，如果負(fù)載突然投入，由于電源系統(tǒng)能量不能突變且系統(tǒng)沒有大功率快速穩(wěn)壓系統(tǒng)，直流電壓會快速升跌落，甚至?xí)? V，這就會嚴(yán)重影響推進系統(tǒng)中其他設(shè)備的正常運行。因此必須要設(shè)計一種大功率快速穩(wěn)壓系統(tǒng)來提高系統(tǒng)的負(fù)載突變適應(yīng)能力。

圖1 電源系統(tǒng)框圖

2負(fù)載突變適應(yīng)性設(shè)計

2.1負(fù)載突變工況介紹及分析

該大功率試驗電源的負(fù)載突變適應(yīng)性考核主要是模擬艦船推進系統(tǒng)突然甩負(fù)荷（如大浪中螺旋槳離水空轉(zhuǎn)）和突然增加負(fù)載（如緊急情況下加速行駛）的情況下，直流供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性,系統(tǒng)總輸出功率為d/d。以本系統(tǒng)為例，具體指標(biāo)如下：

1）突加負(fù)載：直流側(cè)空載工況下突加（0%總功率-50%總功率）時直流輸出電壓變化范圍要求：在額定電壓d（假設(shè)為4000 V）范圍內(nèi)波動-12%-15%，恢復(fù)時間≤2 s；電壓波動要求如圖2所示。

圖2 突加負(fù)載工況下的輸出電壓波動要求

0-t1時刻，系統(tǒng)空載輸出DC4000V，在t1時刻通過負(fù)載直流斷路器投入50%負(fù)載；

t1-t2時刻，突然投入負(fù)載，變壓器和整流器無法快速響應(yīng)負(fù)載電壓和電流的突變，導(dǎo)致負(fù)載電壓瞬間跌落（t1-t2時刻），該時間可等效為大功率快速穩(wěn)壓系統(tǒng)中電容放電時間；

圖2中的“最小值”，即-12%額定電壓的波動要求，與大功率快速穩(wěn)壓系統(tǒng)電容配置直接相關(guān)，最理想的狀況是在突加負(fù)載階段（t1-t2）負(fù)載消耗的能量由電容提供，即：

其中：r為負(fù)載電壓；為直流電容；1為直流電壓最小值；0為直流電壓初始值，4000 V。

從上式可以看到，在突加負(fù)載時，電容值越大，直流電壓U1跌落越??；所以在直流側(cè)加裝直流電容可限制直流電壓峰值，達到最小值波動≤12%的要求，電容值盡可能大但是結(jié)合到工程應(yīng)用中要綜合考慮體積、成本和大電容的制造工藝等因素來設(shè)計。

t2-t3時刻，為加載造成的電壓跌落時間，同時也可理解為電容通過負(fù)載電阻自然放電時間，該時間長度與電容的大小以及控制系統(tǒng)的固有響應(yīng)時間有關(guān)。

t3-t4時刻，為控制系統(tǒng)閉環(huán)控制響應(yīng)時間，通過優(yōu)化控制策略來實現(xiàn)。

總體來說要求t1-t4時間≤2 s。

參數(shù)計算:

在大功率快速穩(wěn)壓系統(tǒng)中采用“延緩電壓跌落，快速啟動閉環(huán)控制”的思路，突加負(fù)載過程可以看做是電容通過加入的負(fù)載電阻放電的過程，只要在控制系統(tǒng)固有響應(yīng)時間內(nèi)使電壓跌落≤12%，即可通過控制系統(tǒng)來調(diào)整晶閘管控制角提供負(fù)載需要的能量，確保直流電壓不再跌落。計算公式如下：

1=0

其中1為電壓可低落的最低值，4000*（1-12%）V；0為電容電壓初始值，DC 4000 V；為突加的負(fù)載電阻=4000 V/600 A；為控制系統(tǒng)固有響應(yīng)時間,考慮到一定的裕量按10 ms計算。

可以計算出電容值為約11 mF，因為系統(tǒng)固有響應(yīng)時間有足夠余量，所以大功率快速穩(wěn)壓系統(tǒng)中電容選擇12 mF。

2）突甩負(fù)載：直流側(cè)額定工況下突甩負(fù)載（100%總功率-0%總功率）時直流輸出電壓變化范圍要求：在額定電壓d（假設(shè)為4000 V）范圍內(nèi)波動-12%-15%，恢復(fù)時間≤2 s；電壓波動要求如圖3所示。

0～t1時刻，系統(tǒng)額定輸出工況，在t1時刻突甩負(fù)載；

t1～t2時刻，由于變壓器儲能的輸出到直流側(cè)，導(dǎo)致負(fù)載電壓瞬間升高（t1-t2時刻），該時間可等效為大功率快速穩(wěn)壓系統(tǒng)中電容充電時間；

圖3 突甩負(fù)載工況下的輸出電壓波動要求

圖3中的“峰值”，即﹢15%額定電壓的波動要求，與變壓器的儲能和大功率快速穩(wěn)壓系統(tǒng)的電容配置直接相關(guān)。在突甩負(fù)載的瞬間，變壓器儲能1/2(2)轉(zhuǎn)化為電容的儲能，根據(jù)能量守恒，忽略線路損耗和變壓器內(nèi)阻損耗有以下關(guān)系：

其中：為變壓器負(fù)載工況下勵磁電感；為直流電容；1為直流電壓峰值;0為直流電壓初始值，4000 V。

從上式可以看到，在突甩負(fù)載時，電容值越大，直流電壓峰值1就越?。灰_到峰值波動≤15%的要求，電容值盡可能大但是結(jié)合到工程應(yīng)用中要綜合考慮體積、成本和大電容的制造工藝等因素來設(shè)計。

t2～t3時刻，該時刻為電容自然放電時間，該時間長度與大功率快速穩(wěn)壓系統(tǒng)增加的泄放電阻阻值有關(guān)。

t3～t4時刻，該時段為控制系統(tǒng)閉環(huán)控制響應(yīng)時間，通過優(yōu)化控制策略來實現(xiàn)?？傮w來說要求t1～t4時間≤2 s。

參數(shù)計算：

采用能量守恒原則，根據(jù)經(jīng)驗值估算和仿真參考設(shè)計來選取電容值：

其中為突甩負(fù)載時，直流側(cè)輸出的瞬時功率；t2～t1為電壓上升時間，根據(jù)實測取0.002 s。

為了滿足電壓峰值≤4000*115%=4600 V，所以1取4600 V；

可以計算出電容為約4 mH，大功率快速穩(wěn)壓系統(tǒng)的電容C≥4 mH。

放電電阻就是在控制系統(tǒng)固有時間內(nèi)消耗電容的能量，將電壓降低到4000 V以下。電容放電公式：

所以放電電阻

按0.5 s內(nèi)將電壓由4600 V降低到4000 V，此時電阻理論取500 Ω（放電時間為0.3～0.5 s）。

2.2仿真分析

以上述計算為基礎(chǔ)，采用MATLAB/SIMULINK軟件對該艦船推進試驗電源搭建了仿真模型，如圖4所示；對計算結(jié)果進行仿真驗證,仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。在配置了大功率快速穩(wěn)壓系統(tǒng)之后，突甩負(fù)載工況下直流電壓峰值為4480 V，電壓跌落時間約為0.6 s；突加負(fù)載工況下直流電壓最小值為3580 V,響應(yīng)時間均小于2 s，完全滿足負(fù)載突變工況的要求。

圖4 仿真模型

圖5 突甩負(fù)載的電壓和電流仿真波形

3 試驗驗證

在工程化應(yīng)用中以上述仿真計算結(jié)果進行項目設(shè)計，通過現(xiàn)場試驗驗證該試驗電源系統(tǒng)的負(fù)載突變適應(yīng)能力，檢查各項指標(biāo)是否符合要求，同時驗證計算和仿真結(jié)果的正確性。根據(jù)圖6和圖7的實測波形可以看到，突甩100%額定負(fù)載工況下直流輸出側(cè)最高電壓為4400 V；突加50%額定負(fù)載時壓最低為3610 V；試驗結(jié)果與計算仿真基本一致，滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

圖6 突加負(fù)載時的電壓和電流波形

圖7 突甩負(fù)載的實測電壓波形

圖8 突加負(fù)載的實測電壓波形

4 結(jié)束語

本文提出一種適應(yīng)負(fù)載突變的艦船推進試驗電源系統(tǒng)設(shè)計思路—大功率快速穩(wěn)壓系統(tǒng)，通過計算仿真得出各部分參數(shù)，在工程化應(yīng)用中驗證了系統(tǒng)的合理性和正確性，該適應(yīng)性設(shè)計思路對于艦船電力推進供電系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的負(fù)載突變適應(yīng)能力設(shè)計有借鑒意義。

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Design of Load Mutation Adaptive for Ship Propulsion Test Power

Huang Min1, Chen Yuanchu1, Wang Yigang2, Liu Yu3

（1. CSR Zhuzhou Electric Locomotive Co., Zhuzhou 412001, Hunan, China; 2. Northwest Branch, China Three Gorges New Energy CO., Lanzhou 730070, China; 3.Northeast Branch, China Railway Fifth Survey and Design Institute, Haerbin 150006, China）

TM402

A

1003-4862（2018）01-0036-04

2017-02-15

黃敏（1984-），男，工程師。研究方向：大功率變流技術(shù)。