脉冲负载作用下发电机端电压波动问题研究

刘 博,黄克峰,徐 晔

(陆军工程大学 国防工程学院，江苏 南京 210007)

0 引言

随着信息技术的发展，以现代电子雷达为典型代表的电力电子化用电设备不断涌现，在负荷特性上表现出平均功率低、峰值功率高，呈现出连续脉冲功率冲击的强非线性特征，称为脉冲功率负载。与大电力系统不同，柴油发电机组带脉冲负载系统由于柴油发电机组的容量和惯性较小，机电调节控制器响应时间长，因此系统抗负荷扰动的能力差，脉冲负载的连续冲击对电源侧产生反复加减载作用，将引起供电电压的频繁波动，严重影响整个系统的电能质量以及供电稳定性[1]。

大量学者针对脉冲负载频繁冲击供电系统所产生的影响进行了理论与试验分析。文献[2]通过研究脉冲负载对发电机输出电能质量的影响，提出了基于电流变化的改进发电机励磁调压的方法；文献[3]阐述了脉冲功率负载的工作机理，分析了大容量脉冲功率负载对系统电能质量的影响，设计了改善电能质量的滤波装置；为削弱脉冲负载对柴油发电机组供电系统的影响，文献[4]提出了采用电动辅助机构增强柴油发电机组抗脉冲功率负载扰动的方法，降低了机组的转速调整率；文献[5]和文献[6]分别设计采用蓄电池加超级电容或单独采用蓄电池的储能补偿方案，提出可利用储能补偿装置对负载功率变化的有效跟踪来平抑负载波动对柴油发电机组的影响；针对脉冲负载作用下系统电能质量下降的问题，文献[7]提出了谐波补偿方法，并采用仿真和试验对所得结论进行了验证；文献[8]针对脉冲负载功率突变对船舶电力系统的扰动，研究了不同的变换器对供电系统产生的影响，并提出通过优化变换器结构来减小负载冲击的方法。

前人从不同角度探究了脉冲负载对系统的影响情况，并从不同方面提出平抑负载对系统扰动的方法，但大多从系统外特性层面进行分析，而实际系统中脉冲负载的连续冲击对发电机产生反复的加卸载作用，这也是造成供电侧电压波动的根本原因。因此，本文兼顾负载对发电机内部磁场的影响，分析脉冲负载导致发电机输出端电压波动的根本原因，搭建发电机带脉冲负载系统的有限元场路耦合模型探究负载对电压波动率的影响规律，并开展相关试验对仿真结论进行验证，最后通过对电机磁路饱和状态的调整，探究平抑电压波动的有效措施。

1 仿真模型介绍

为充分考虑带脉冲负载时电机内部磁场的变化情况，采用有限元法建立电机仿真模型，其与数学等效模型相比优势在于能够体现出电机磁路饱和的影响，也为下文通过改变磁路饱和状态对电机抗负载波动能力的探究提供了可能性。因此基于Maxwell有限元仿真软件，利用清华泰豪三波电机有限公司提供的实际电机参数建立了发电机主机及励磁机模型如图1和图2所示。

图1 发电机主机模型

图2 发电机励磁机模型

利用Simplorer软件与Maxwell电机模型进行联合仿真，完成了励磁调节系统、整流器级联Buck电路和脉冲负载的搭建。

图3 励磁调节系统结构

励磁调节系统的拓扑图如图3所示，其中包含励磁电源回路和励磁控制回路。励磁电源回路中S1为发电机谐波绕组，S2为励磁机励磁绕组，C和VD5为励磁绕组提供滤波和续流的作用。谐波励磁方式采用在定子槽中附加谐波绕组，通过感应气隙中的三次谐波产生交流电，经整流后为励磁机励磁绕组供电。励磁控制回路采集发电机输出端电压U0作为信号，与参考电压U0_ref进行对比得到电压差值，再经过PID环节，得到控制信号与三角波比较得到的PWM调制波，而此调制波控制励磁电源电路中IGBT的开通占空比，从而控制励磁机励磁电流的大小。U0为电机输出端电压的幅值，可利用以下公式获得：

(1)

其中ua、ub、uc为三相电压信号。

整流器级联Buck电路和脉冲负载的拓扑图分别如图4和图5所示。

图4 整流器级联Buck电路结构

图5 脉冲负载结构

设定脉冲负载的峰值功率PL为30 kW，开关周期TS为50 ms，占空比D为0.5，系统仿真结果波形图如图6所示。

2 脉冲负载对端电压影响分析

2.1 电压波动原理分析

脉冲负载的频繁加卸载作用，使直流侧负载电流成周期性通断状态，这使得发电机的电枢电流也以同规律周期变化，致使发电机在近空载和负载两种状态下频繁切换，这也造成发电机输出端电压周期性波动，其根本原因主要为以下两点：

图6 P30_T56_D50系统仿真波形

(1) 电机等效阻抗消耗部分电动势

E=U+IR+jIRσ

(2)

电机的端电压等于电枢绕组感应电动势减去电枢电阻压降IR和漏抗压降jIRσ，当负载导通时刻，电枢电流I变大，电机等效阻抗将消耗掉部分感应电动势，使输出端电压有一定幅度的下降[9]。

(2) 电机电枢反应体现去磁特性

当转子极划过某一相电枢绕组的整个过程中，电枢反应对气隙磁场的影响情况并不相同，当转子极进入电枢绕组的过程中，根据楞次定律，电枢电流产生的附加磁场对原磁场起到去磁作用，使得该相绕组磁链比空载时有所减小；而当转子极经过电枢绕组的对称中心线离开绕组的过程中，电枢电流产生磁场对原磁场起到增磁作用，使绕组磁链略大于空载磁链，而由于电机一般工作在近饱和区域，由于磁路饱和的存在使得增磁作用不及去磁效应明显，因此电枢效应总体体现去磁作用，使得端电压相比空载有所减小。

2.2 脉冲负载对电压波动率的影响

脉冲负载的工作情况可以用脉冲周期Ts、开关通断占空比D和峰值功率PL的组合表示，每个变量的线性组合对应脉冲负载的一种工作状态，为简便表示每一种工作状态，对工作状态：峰值功率30 kW，开关周期Ts=56 ms，占空比D=0.50，省略标记为：P30_T56_D50,或向量形式(30，56，0.5)。

发电机输出端电压的波动情况可以用电压波动率指标进行表征，电压波动率表达式如下：

(3)

其中Umax为采样数据各周期的有效值中的最大值，Umin为采样数据各周期的有效值中的最小值，Uav为采样数据各周期有效值的平均值。

利用有限元模型带脉冲负载进行仿真分析，在仿真中设置滤波电容为4 mF，通过调整脉冲负载不同模态运行分析各因素对交流侧电压波动率的影响。

(1)占空比D的影响

控制负载功率为20 kW，脉冲负载周期为56 ms，当负载开关占空比D变化时系统的相关指标如图7所示。

图7 占空比改变时电压波动率

由图7可知，电压波动率随占空比增大呈先增后减趋势，这是因为在占空比接近0.5时，加载和卸载两种状态的时间都足够长，使加载产生的压降效果和卸载电压回升效果能充分体现，从而波动程度加剧。

(2)开关周期Ts的影响

控制负载功率为30 kW，占空比为0.5，脉冲负载周期Ts变化时系统的相关指标如图8所示。

图8 脉冲周期改变时电压波动率

由图8可知，在脉冲周期较小时电压波动率随周期增大而增大，因为随周期增大，加卸载时间相应增长，由此产生的电压波动效果越发明显，而当周期达到一定值时，在一个周期内加卸载作用可以完全体现，因此当周期继续增大时，波动率基本不变。

(3)峰值功率PL的影响

控制负载占空比为0.5，脉冲负载周期为56 ms，当负载峰值功率PL变化时系统的相关指标如图9所示。

图9 峰值功率改变时电压波动率

由图9可知，当峰值功率增加时，电枢电流加大，电枢绕组分压作用更加明显，且电枢反应的去磁效果也更强，使电机输出端电压的下降幅度更大，因此电压的波动率也将一定程度的增大。

2.3 仿真结果与试验对比分析

为了验证仿真规律的准确性，利用所在团队研制的直流脉冲负载模拟装置，进行了柴油发电机组带脉冲负载的试验研究，试验装置如图10和11所示。

图10 柴油发电机组试验装置图

图11 直流侧负载验装置图

将系统试验结果处理数据与仿真结果进行对比，不同占空比、脉冲周期和峰值功率的电压波动率对比图分别如图12～14所示。

图12 改变占空比对比图

图13 改变脉冲周期对比图

图14 改变峰值功率对比图

由于条件限制，试验所用发电机与仿真电机的型号和功率并不相同，使得两者波动率存在一定的偏差，但其变化趋势基本一致，验证了仿真所得规律的正确性，同时也证明了利用有限元场路耦合模型分析脉冲负载系统的可行性，为下文分析磁饱和对电压波动的影响奠定了基础。

2.4 不同磁饱和状态对结果的影响

在2.1小节已经阐明，影响电机带载电压降的原因主要有电枢绕组分压和磁路饱和两个因素，而电枢绕组的等效阻抗与绕组匝数相关，在电机设计过程中考虑到输出功率等级要求，很难对电枢绕组匝数进行较大修改，而磁路饱与励磁电流强度和电机定转子材料相关，实际工程中不同的电机磁路饱和情况也会有一定差异，因此研究不同磁路饱和情况对电机带脉冲负载的影响，并探究能否通过对磁饱和的调整达到平抑电压波动的作用是本文分析的重点。

通过改变励磁调节系统的给定基准电压使空载输出端电压的稳定值相应的变化，因为电机设计时额定工作点一般在近饱和区，对电机电压进行小范围的调整就会使其饱和度产生较大的变化，以此达到改变励磁强度从而改变电机内部磁路饱和状态的目的。发电机励磁状态调整如表1所示。

表1 发电机励磁状态调整表

从上述分析中得知，开关通断占空比D、开关周期Ts和峰值功率PL对电压的波动均有一定程度的影响，不同脉冲周期和占空比影响的是脉冲负载的作用时间，与电枢反应的强弱无关，而峰值功率表示所带负荷的大小，峰值功率越高，负载越大，电枢电流也越强，电枢反应对磁场作用越明显。因此本小节通过改变励磁调节系统让电机处于不同磁饱和状态的前提下，固定负载开关周期和脉冲占空比不变，仅改变负载峰值功率，探究不同磁饱和状态下，电机带不同功率负载的电压波动情况。因励磁调节后端电压值也相应改变，电压波动率指标只能反映在相应端电压条件下电压的相对波动幅度，因此另加入电压波动差指标反映电压最大值和最小值的差幅，其表达式如式(4)所示，其中Umax和Umin含义与电压波动率相同。

ΔU=Umax-Umin

(4)

不同励磁电流下电机端电压的电压波动率和电压波动差如图15和图16所示。

图15 电压波动率对比图

图16 电压波动差对比图

如图15可知，当电机磁路饱和增强时，电压波动率随之减小，但由于在改变励磁的过程中，电机端电压有效值也会相应变化，导致电压波动率公式的分母存在一定差异，使得对比不同励磁电压波动率指标并不能直观地反映实际电压的波动差幅。而通过图16的电压波动差指标可见，随磁路饱和增强，实际电压波动的差值也是随之减小的，这是由于磁路饱和起到抵消电枢反应去磁的作用，较大的磁饱和度使得电机更难退出饱和，从而带相同负载时，气隙磁密降低的幅度也减小，使电机的外特性变硬，当带脉冲负载时，负载开关通断导致的电枢电流变化对电机磁场的影响也随之削弱，端电压波动自然变小。

因此，针对带脉冲负载的柴油发电机组，可以考虑在电机设计过程中，通过励磁绕组匝数、电机定转子铁心材料和电枢绕组匝数的相关调整，适当提高发电机内部磁路饱和程度，以达到平抑因脉冲负载波动引起的电压波动问题。同时提高磁路饱和程度会使电机磁阻增加，电枢绕组电感值随之减小，后接整流器环节的换向重叠角也会相应减小，这也一定程度上削减了带脉冲负载系统的电压畸变情况。但是过大的磁路饱和状态也会造成电机铁损加大、发热明显等现象，因此需要把握好磁路饱和的程度，在能够有效降低电压波动率的同时也不对电机工作造成明显损害。

3 结论

本文首先介绍了发电机带脉冲负载系统的有限元场路耦合模型。其次分析了造成发电机输出端电压波动的两点原因，即电机电枢绕组分压和电枢反应的去磁特性，并探究了脉冲负载占空比、脉冲周期和峰值功率变化对电压波动率的影响规律。开展了柴油发电机组带脉冲负载系统试验，将实验与仿真结果进行对比，所得电压波动率的变化趋势基本吻合，验证了仿真规律的正确性。最后通过电机磁路饱和状态的调整，得到适当加强磁饱和可以有效平抑因脉冲负载引起的发电机输出端电压波动的结论，并提出针对带脉冲负载，在电机设计过程中可以通过适当增大磁路饱和状态，提高发电机输出电能质量的建议。