含脈沖負載的綜合電力系統(tǒng)協(xié)同控制策略仿真研究

席敬波，陳 坤，周 興，文 武

應用研究

含脈沖負載的綜合電力系統(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. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

為保證船舶電站運行的可靠性和穩(wěn)定性，提高降低電網(wǎng)供電品質(zhì)，本文提出了一種實現(xiàn)大功率脈沖負載與變頻推進負載協(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)脈沖負載和推進負載的功率分配，減輕大功率脈沖負載投入運行時所產(chǎn)生的電網(wǎng)功率沖擊。利用matlab/simulink建立含大功率脈沖負載的某型船舶綜合電力系統(tǒng)仿真模型，驗證了該控制策略對于大功率脈沖負載投入運行時產(chǎn)生沖擊的抑制效用。

脈沖負載 協(xié)同控制 仿真研究

0 引言

近年來隨著我國科學技術(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，也朝著先進性、多樣化、智能化等等方向全面發(fā)展。船舶電力推進系統(tǒng)不斷發(fā)展，推進系統(tǒng)的負載呈現(xiàn)出大功率、形式多樣的特點，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。當前船舶電力負載功率密度快速增長，除電力推進與各類型作業(yè)負載外，高技術(shù)船舶承載的大功率脈沖負載類型也越來越多，且呈現(xiàn)復雜化、多樣化、組合化趨勢，如移動通訊設備、探測雷達、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，且其投入運行的時機具有強烈的隨機性。大功率脈沖負載的非線性與瞬態(tài)沖擊特性明顯，其投入運行容易引起電網(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)運行造成安全穩(wěn)定難題[1-3]。

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

1 含脈沖負載的綜合電力系統(tǒng)

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

圖1 典型船舶含脈沖負載綜合電力系統(tǒng)

2 含脈沖負載綜合電力系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)圖1所示的含脈沖負載綜合電力系統(tǒng)典型拓撲結(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)電機組、變頻推進負載、大功率脈沖負載及船舶日用負荷等。

2.1 柴油發(fā)電機組模型

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

圖2 柴油機及調(diào)速器結(jié)構(gòu)框圖

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

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

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

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

4）速度控制器：屬于PID控制器。

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

柴油機穩(wěn)定工作時，其輸出轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩達到一種動態(tài)平衡，即

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

速度控制器將根據(jù)柴油機負載的變化來決定其加速度，根據(jù)達朗貝爾原理，可以得出柴油機的運動狀態(tài)方程：

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

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

圖3 柴油機及調(diào)速器仿真模型

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

建立柴油發(fā)電機組仿真模型如圖4所示。

2.2 變頻推進負載模型

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

圖4 柴油發(fā)電機組仿真模型

圖5 三相異步電機等效電路圖

推進變頻器拓撲結(jié)構(gòu)如圖6，整流單元和逆變單元均采用三相全橋式拓撲結(jié)構(gòu)，上下橋臂互補交替導通，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 推進變頻器拓撲結(jié)構(gòu)

2.3 大功率脈沖負載模型

脈沖負載由脈沖平抑電源和脈沖負荷構(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荷供電，并同時保證在脈沖負荷各工況平均功率波動時保持直流電壓輸出穩(wěn)定，且自身作為交流電網(wǎng)的穩(wěn)定負載。

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

脈沖負荷傳遞函數(shù)可表示如下：

式中，P——脈沖負荷最大功率，——脈沖周期，——方波占空比。

脈沖負荷可在simulink中通過s-function建立一個脈沖發(fā)生器的函數(shù)，方波脈沖負荷最大功率、占空比、脈沖周期配置為可設置參數(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)建立脈沖負荷仿真模型，如圖7。

圖7 脈沖負荷仿真模型

2.4 日用負荷模型

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

2.5 綜合電力系統(tǒng)建模

綜合電力系統(tǒng)包括柴油發(fā)電機組（4個）、變頻推進負載（2個）、脈沖負載（2個）和日用負荷（1個）。于是，含脈沖負載的綜合電力系統(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載啟動過程對船舶電網(wǎng)造成的較大沖擊，將動態(tài)負載控制與重載問詢、功率限制等傳統(tǒng)控制方式[4-5]相結(jié)合提出了變頻推進負載和脈沖負載協(xié)同控制的控制策略。

控制策略的實現(xiàn)技術(shù)路徑如下：

a. 測定并設置脈沖負載特定工況的負載特性曲線；

b. 脈沖負載啟動時進行重載請求；

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

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

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

4 仿真研究

主要以含脈沖負載的綜合電力系統(tǒng)為基礎，在以脈沖負載為主體的大擾動下進行系統(tǒng)協(xié)同控制策略仿真驗證。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)

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

表2 仿真工況說明

4.1 經(jīng)濟航行工況

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

仿真波形如下：

圖9 經(jīng)濟航行工況仿真波形

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

4.2 全速航行工況

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

圖10 速航行工況仿真波形

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

4 結(jié)論

脈沖負載非線性與瞬態(tài)沖擊特性明顯，其投入運行容易引起電網(wǎng)功率沖擊、電壓和頻率波動大，甚至會造成發(fā)電機組過載，進一步引起全船失電。

本文將脈沖負載和變頻推進負載進行協(xié)同控制，并結(jié)合重載請求和動態(tài)功率限制功能，對大功率脈沖負載投入運行時引起的船舶電網(wǎng)沖擊和瞬時功率需求進行抑制和削峰填谷，并進行了基于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載投入運行時所引起的電網(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