船舶综合电力系统大容量脉冲设备仿真技术研究
2016-10-14梁树甜
梁树甜, 王 力
船舶综合电力系统大容量脉冲设备仿真技术研究
梁树甜, 王 力
(武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064)
以船舶综合电力系统和大容量脉冲设备为研究对象，在对大容量脉冲设备充电电路原理分析的基础上，对大容量脉冲设备模型内容进行了具体的研究分析，并进行了MATLAB仿真，仿真结果表明，建立的模型有较高的准确性。
船舶综合电力系统 大容量脉冲设备 脉冲功率技术 仿真
0 引言
综合电力系统(Integrated Power System，IPS)实现全船电力的综合管理，其不仅可以为电力推进系统、日用负载等提供连续电能，也能为某些特殊负载提供瞬时高能，是舰船动力系统发展的趋势，也是未来使用舰载高能武器的关键技术[1]。
在现代舰船上，大容量脉冲设备，包括高能功率武器(如电磁轨道炮)、飞机弹射/回收系统等的瞬时输出功率可达百MW级，充电电路的充电功率也达到几MW或十几MW。由于脉冲负荷瞬时功率很大，它的使用必将给整个舰船综合电力系统的性能带来较大的冲击，影响供电质量，从而对电力推进系统产生影响。因此，在电力推进系统的设计中，应考虑大容量脉冲设备对电网的电压冲击、谐波污染等危害。要对大容量脉冲设备进行分析研究，首先应建立其仿真模型，这是本文的主要研究内容。
1 大容量脉冲设备的基本原理
1.1 脉冲功率技术
脉冲功率技术(Pulsed Power Technology，PPT)，是以小功率把电能长时间输入到储能设备中，通过对电能的脉冲压缩、整形、传输等处理，在极短的时间内向负载放电，得到各种理想的高幅度、大功率、陡前沿的电脉冲输出，为各种应用负载提供大电流脉冲功率源。
脉冲功率系统的构成与应用领域如图1所示[2]，主要包含电网、储能单元、开关、脉冲波形控制单元、负载(应用对象)五个部分。其中，前四部分组成了脉冲功率电源，后两部分是负载。
大容量脉冲设备一般利用电容器充电电源从电网获得初始能量[3],因此，研究大容量脉冲设备对电网的影响，事实上就是研究大容量脉冲设备的充电电路对电网的影响。因此，本文不关心图1开关之后的具体结构及工作特性，只研究储能装置仿真建模。
1.2 大容量脉冲设备的储能装置
对电容器充电储能是以电容器作为储能器件的脉冲功率系统获得初始能量、形成脉冲功率的重要工作过程。
电容器充电方式有恒压充电、恒流充电、恒功率充电等多种方式，充电电压公式分别为：
得各充电方式充电特性示意图2。若采用恒压充电，充电回路中有限流电阻，电阻会消耗额外的能量。恒流充电电路中没有限流电阻，所以效率较高。恒功率充电同样无需串联限流电阻，充电速度较快，但是，充电开始时刻会有电流冲击，如要减小电流冲击，就要减小充电功率，这样会影响充电速度。因此，对于大容量文脉冲负载来说，恒流充电是较好的选择。
随着大功率高频开关器件和电力电子技术的发展，高频化成为各种电源的必然发展趋势。同时，由于控制技术的进步，使得电容器充电电源获得快速发展。
随着电力电子、高频开关器件和控制技术的发展，产生了图3所示的高频PFM控制方式电容器充电电路。因为此种具有电路损耗功率小、电磁干扰小、抗负载短路能力强等优点，因而成为了高压电容器充电电源的首选电路拓扑[4]。
2 储能装置原理分析及仿真参数选择
图3中，电源经各模块转换的示意图如下，下面进行具体分析。
1)电网
本文的电网选择为380V、50Hz三相交流电。
2)三相整流
根据文献[1]的结论：充电电路采用不可控整流器的形式比采用可控整流器的形式对电网的冲击小，因此，本文采用三相桥式不可控整流形式。
3)滤波
L,C构成低通滤波电路，滤除整流电路输出的6次以上谐波，根据电路理论，低通滤波电路谐振角频率,品质因数。
4)逆变电路
逆变电路采用单相全桥逆变电路。
5)恒流电路
储能装置之所以能实现恒流充电，是由恒流电路的特性决定的。
将储能负载折合到变压器原边用电阻R表示，逆变电路等效为方波电源，得到等效电路如图5所示。
幅频特性图如下，由图看出，而当开关频率在一定范围内时（频率较小或较大），电流随负载基本不变(不同的Q对应的曲线重叠)，因而具有恒流特性。
实际设计中，开关频率一般取谐振频率的1／2左右。本文中取,，则开关频率约为80 Hz。
6)升压变压器
升压变压器主要起到隔离、升压的作用。
变压器的主要参数是变压器的变比，下面分析计算变压器的变比。取储能电容的峰值功率为1000 kW，充电时间为4分钟，电容器充电后电压根据文献[3]取为20 kV。
7)单相整流及储能电容
单相整流采用单相桥式不可控整流。
3 大容量脉冲设备的仿真
根据以上分析，采用MATLAB/Simulink建立大容量脉冲设备仿真模型，如下：
仿真时间为60 s，仿真结果如图8所示。
由图看出，电容电压基本按线性上升，即恒流充电，电源电流随着电容电压的上升也逐步加大，与理论分析相符。
作为对比，建立文献[3]中用电流源代替负载的简化模型，如图9，电源电流仿真结果如图10，与图8进行对比，可见仿真结果有差异(60秒时，电流分别为350A和310A)，这主要是因为简化模型考虑的是负载的理想状态，没有考虑中间电源转换如整流、逆变等导致的。
4 结束语
本文对大容量脉冲设备恒流充电电路进行了详细的分析，建立了仿真模型，并进行了仿真，仿真结果与理论分析相符，并且，通过对比，证明了仿真模型的准确性。此研究可为大容量脉冲设备在船舶综合电力系统上的应用提供参考。
参考文献：
[1] 甄洪斌，张晓锋等. 脉冲负荷对舰船综合电力系统的冲击作用研究[J]. 中国电机工程学报，2006，26(12):85-88.
[2] 谭亲跃. 大容量脉冲功率系统对电能质量的影响研究[D]. 武汉：华中科技大学，2011.
[3] 王新枝，夏立等. 脉冲负载管理研究现状[J]. 中国航海，2014，37(1):39-42.
[4] 王川. 负荷冲击型大扰动下船舶综合电网暂态电压稳定性研究[D]. 大连：大连海事大学，2012.
Simulation Technology of High-capacity Pulse Equipment of Marine Integrated Power System
Liang Shutian, Wang Li
（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）
TM761
A
1003-4862（2016）11-0077-04
2016-08-15
梁树甜(1984-), 男，硕士。研究方向：船舶电力推进系统设计。
