含脉冲负载的综合电力系统运行特性分析

陈宇航，王　刚

（1.海军驻葫芦岛四三一厂军事代表室，辽宁省葫芦岛市 125004 ；2.海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室，武汉 430033）



含脉冲负载的综合电力系统运行特性分析

陈宇航1，王刚2

（1.海军驻葫芦岛四三一厂军事代表室，辽宁省葫芦岛市 125004 ；2.海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室，武汉 430033）

摘要：综合电力系统可为舰载电磁炮等脉冲负载提供高功率密度储能电源。脉冲负载的周期性充放电过程将影响综合电力系统内其他发电、变电、输电和用电设备，给系统稳定性带来一定风险。建立了含脉冲负载的综合电力系统仿真模型，在基准参数条件下设置脉冲负载充电功率和其他负载功率突变，仿真计算系统变量的动态响应，结果表明，含脉冲负载的综合电力系统的稳定运行状态是周期稳态-周期轨，且系统充放电阶段分别对应于不同的平衡点；脉冲负载还将引起综合电力系统传输线路功率振荡。

关键词：综合电力系统脉冲负载仿真模型运行特性

0　引言

舰船综合电力系统将传统舰船中相互独立的动力系统和电力系统整合为单一的电力系统，以电能的形式统一为推进负载、脉冲负载、和日用设备等供电，实现了全舰能源的综合利用。综合电力系统有利于简化舰船动力系统结构、推进脉冲负载的上舰应用、提高系统效率、降低噪声能级、减少舰船全寿命周期费用，符合舰船电气化、信息化和智能化的发展趋势，代表着舰船动力系统未来的发展方向［1-3］，被誉为舰船动力从人力、风力到蒸汽动力再到核动力之后的第三次革命。

脉冲负载是指雷达、激光武器、电磁炮、电磁发射装置等需要在短时间释放很高功率的负载［4］。脉冲负载的能量密度和功率密度都极其巨大，普通电力系统难以耐受这样的冲击，需要给该类型负载配备储能装置。脉冲负载存在充电和放电两个周期性交替的阶段。脉冲负载充电阶段，系统为储能装置充电，达到相应要求后脉冲负载进入放电阶段，这时储能装置与系统隔离，按脉冲负载的需求对其提供能量，完成脉冲负载的发射动作。随后，脉冲负载重新进入充电阶段，进行另一个周期的储能、发射工作。

脉冲负载周期性的充电和放电过程使得综合电力系统不再具有一个稳态的平衡点，而是表现为一系列运行点的周期性交替过程，状态变量的变化不可避免的对发电机和其他负载产生影响，给系统带来较大的冲击。如何建立包含脉冲负载的综合电力系统的模型，分析脉冲负载对综合电力系统安全稳定运行的影响，是综合电力系统面临的新的挑战。文献［5］针对脉冲负荷的变流器配置形式，研究了其对舰船综合电力系统的冲击作用，得出充电电路拓扑和电力推进负荷均可影响综合电力系统稳定性，但未进行负荷功率变化时的暂态分析；文献［6］利用状态平均法对综合电力系统中恒功率负载以及恒功率负载与恒电压负载并联运行时的系统稳定性进行了分析，得到了稳定判据，没有考虑含脉冲负载的综合电力系统运行特性；文献［7］设计了一种使用于舰船综合电力系统的飞轮储能装置，仿真和试验对比分析表明，该装置可自动切换工作模式，抑制电网电压波动，提高供电品质，但其没有深入分析脉冲负载影响电力系统稳定的相关机理。

本文首先建立了含脉冲负载的综合电力系统仿真模型，利用仿真给出了脉冲负载对综合电力系统运行的影响，分析了含脉冲负载综合电力系统所面临的问题。

1　含脉冲负载的综合电力系统仿真模型

为了突出研究问题的主要特征，对于包含脉冲负载的综合电力系统进行简化，保留系统功率传输的主要部件。系统由两台同步发电机组、交流母线、推进负载、日用负载和脉冲负载构成，如图1所示。

图1　含脉冲负载的综合电力系统示意图

图1中G1和G2为同步发电机组，分别接入B1和B2交流母线，交流母线通过母线L互联。交流母线B1接有推进负载和日用负载P1，交流母线B2接有脉冲负载P2。

综合电力系统的动态方程为

式中E1和E2分别为发电机G1和G2的q轴电势，δ1、ω1和δ2、ω2分别为发电机G1和G2的功角和角速度，ω0为额定角速度，TJ1、PT1、D1和TJ2、PT2、D2分别为发电机G1和G2的惯性时间常数、机械功率和阻尼系数［8］，PL1和PL2分别为推进负载、日用负载P1和脉冲负载P2的有功功率，x为互联母线L的电抗，从母线B1到母线B2传输的功率为PB12，除了时间t、TJ1、TJ2、δ1、δ2和ω0外其余的变量都是标幺值。

电网的额定功率、额定电压、额定频率分别为Sn、Un、fn。发电机组G1调速系统主要由调速器、伺服电机及涡轮机组成，调速器可由PI控制器及一次调频下降率反馈组成［9-10］，如图2所示。PI控制器比例和积分系数分别为k11和k12，s为Laplace算子，Rp1为机组的调差系数。伺服电机可以用一个时间常数为TG1的惯性环节表示。本文的涡轮机用非再热式汽轮机表示，其数学模型可以用一个时间常数为TCH1为的惯性环节表示。调速器给定的负荷参考功率为Pm1。

推进负载、日用负载的有功功率PL1用恒功率模型表示。脉冲负载主要消耗系统有功功率实现其功能，其瞬时功率可能大于系统的额定功率，为此需要为其配备储能系统。脉冲负载处于充电和放电的周期交替工作状态，当其处于充电状态时，储能系统与供电系统相连，从系统吸收功率，为了确保系统的安全稳定运行和具有较高的电能质量，这部分的吸收功率应为恒定值［11-13］。当脉冲负载处于放电状态时，储能系统与供电系统脱离，利用储存的能量给脉冲负载供电［14-16］。脉冲负载的有功功率如图3所示。

图2　发电机组G1调速系统的简化模型

图3　脉冲负载的有功功率波形图

图中脉冲负载充电功率幅值为Pc2，周期为T2，放电时间为Td2。

综合上述，在MATALAB Simulink中建立含脉冲负载的综合电力系统仿真模型如图4所示。

图4　含脉冲负载的综合电力系统仿真模型

2　综合电力系统运行特性仿真分析

综合电力系统的参数见表1，这组数据称为基准数据。

基准参数条件下，脉冲负载的充电功率幅值Pc2在20s时分别由0.3跃升为0.4和0.5，图5和图6分别为系统变量的动态响应。

图5　系统变量的动态响应（Pc2由0.3变为0.4）

表1　综合电力系统参数

图6　系统变量的动态响应（Pc2由0.3变为0.5）

图7　系统变量的动态响应（18s时P1由0.8变为1.0）

基准参数条件下，推进负载和日用负载功率P1分别在18s和19.8s时由0.8跃升为1.0（扰动分别发生在脉冲负载的充电阶段和放电阶段），图7和图8分别为系统变量的动态响应。

图8　系统变量的动态响应（19.8s时P1由0.8变为1.0）

上述的仿真计算表明，含脉冲负载的综合电力系统的稳定运行状态不再是平衡点，而是周期稳态-周期轨。负载扰动时，系统运行状态从一个周期轨过渡到另一个周期轨。由于周期轨稳定性分析比较复杂，可以采用分段特性描述系统的运行状态，系统充放电阶段分别对应于不同的平衡点。一般来说，脉冲负载充电时间要远大于放电时间，在脉冲负载充电阶段，系统运行状态逐渐收敛到平衡点；在其放电阶段，系统运行状态处于从前述平衡点向新平衡点的过渡过程，由于这一阶段十分短暂，可以认为只是一个扰动过程。比较而言，充电阶段系统的阻尼特性十分重要，较充分的系统阻尼可以限制充电阶段系统的振荡。

脉冲负载的存在，使得综合电力系统发电机和传输线路的功率振荡不可避免。由于系统脉冲负载功率的周期性变化，导致发电机的功角、角速度和输出机械功率的周期性振荡，进而导致连接母线传输功率的振荡，其振荡幅值较大。为此，设计含脉冲负载的综合电力系统时，需要考虑发电机的机械应力疲劳问题和传输线路的功率振荡问题。

3　结论

本文利用仿真计算，完成了脉冲负载对综合电力系统运行特性影响的研究，并分析了含脉冲负载的综合电力系统设计时应实际考虑的问题，得到如下结论：

1）当负载扰动时，含脉冲负载的综合电力系统稳定运行状态是两个不同周期轨间的过渡过程，适用于用分段过程描述。

2）较大的系统阻尼可以限制脉冲负载充电过程中的系统振荡。

3）含脉冲负载的综合电力系统设计时须考虑振荡问题。

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Operation Characteristics of Integrated Power System with Pulse Load

Chen Yuhang1，Wang Gang2
（1.Naval Representative Office in No.431 Factory，Huludao 125004，Liaoning，China； 2.National Key Laboratory for Vessel Integrated Power System Technology，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China）

Abstract:The integrated power system can provide high power-density energy-storage power source for pulse load such as electromagnetic cannon.The periodic charging and discharging process of pulse load will influence other electrical equipments of generating，transforming，transporting and consuming in the integrated power system，which bring risks for system stability.The simulation model of integrated power system containing pulse load is built，sudden disturbances of pulse load and other loads under reference parameter is set up and the dynamic responses of system variable is calculated.The results demonstrate that the stable operating status of integrated power system containing pulse load is periodic stability-periodic orbit，the charging and discharging process correspond with different balance point and the pulse load would lead to power oscillation of transmission line in the integrated power system.

Keywords:integrated power system； pulse load； simulation model； operation characteristics

中图分类号：TM74

文献标识码：A

文章编号：1003-4862（2016）06-0001-05

收稿日期：2016-1-29

基金项目：国家重点基础研究发展计划项目（973项目）（2012CB215103）；国家自然科学基金项目（51377167）

作者简介：陈宇航（1991-），男，硕士，助理工程师。主要研究方向：舰艇电力系统。