高能激光武器负载对舰船电力系统的冲击分析与补偿

孔振东,王 军,刘汉宇,谭 笑,张贤椿

(1. 南京理工大学自动化学院,南京 210094;2. 中国船舶集团有限公司第七○八研究所,上海 200011)

激光武器由激光器以及跟踪、瞄准、发射装置等部分组成,其核心是激光器。激光器按工作物质分为固体激光器、化学激光器、光纤激光器等。光纤激光器因具有电光转换效率高、可靠性强等优点,被广泛应用到军事等领域。因此,本文以高能光纤激光武器为研究对象,当其加载到舰船综合电力系统时,会出现电压跌落的现象，而这一现象的原因可以从如下两个层面分析。一是从系统层面,舰船电网不像陆地无穷大系统,可以视为微网,发电机作为电源,其固有的调节时间导致不能及时响应大功率负载变化,故无法保持与负载平衡。二是从负载层面即高能激光武器的特性来看,它可以发射携带巨大能量的高亮度强激光束,结合电光转换效率可知,它所需输入的电功率更大,且带来了电流的增大。以上两个原因最终造成了电压跌落。

电压跌落的定义是电压低于标幺值的10%,电压跌落会给设备带来危害,会影响激光器的供电稳定性,进一步会损毁光纤激光器。同时,激光武器属于新概念武器,直接影响到作战的效能。因此,对舰船电能质量的检测和控制显得尤其重要。目前，针对电压跌落的治理问题,应用较多的是不间断电源、储能系统和动态电压恢复器。文献[2]提出了发电机和蓄电池组并联供电策略,有效地提高了系统的利用率,但存在蓄电池寿命短、维护困难的问题。文献[3-4]设计飞轮储能系统,提高了系统稳定性与运行效率,但成本昂贵。文献[5]基于储能装置荷电状态(SOC)的多 HESS 协同控制方法,较好地应对了舰船高能负载投切工况。文献[6]提出了利用交流发电机的创新控制系统,通过受控的交直流接口接入变流器,以实现系统稳定电压控制。目前，动态电压恢复器投入舰船的工程应用较少,文献[7]仅做了理论性叙述,并未进行实际应用试验。动态电压恢复器串联在系统和负载之间,构成一个耦合的整体,因此，负载特性也会对其性能产生影响。动态电压恢复器结构简单,费用低于其他装置,易于控制,且响应良好,本文对其开展了研究工作。

本文采用“系统构成和原理—数学模型—仿真模型—仿真试验与分析”的研究策略,进行了用于舰船综合电力系统电压控制的动态电压恢复器研究,可以实现高能激光武器加载到舰船电力系统时的电压补偿。

1 舰船综合电力系统结构图

舰船电力系统可进一步划分为以中压交流电气量为技术特征的一代系统和以中压直流电气量为技术特征的二代系统。

我国目前采用一代半舰船综合电力系统,即通过二代综合电力系统的网络结构,为一代综合电力系统设备供电。其可划分为3个网络层次:中压直流输电网(4 kV)、直流区域变配电网(1 kV)和日用负载配电网(380 V)。综合电力系统电网结构图如图1所示。

图1 舰船综合电力系统电网结构图

2 舰船综合电力系统分析和建模

本文采用模块化的策略,对各个分系统分别分析和建模。

2.1 发电机分系统

舰船发电机分系统常用的是柴油发电机,柴油机作为原动机通过压缩升温的方式将柴油的化学能转化为机械能,驱动同步发电机转动,由电磁感应原理,最终输出电能。具体建模过程在文献[9-11]中已经给出,便不再赘述。

2.2 配电分系统

配电系统由母线和变流装置等组成。发电机输出的电制和电压是固定的,为了满足不同设备的用电需求,变流装置应运而生。变流装置能实现电制、电压的变换,可进一步分为整流、逆变和斩波。整流电路采用六个二极管构成的三相不可控式六脉波整流电路,结构简单;逆变电路采用的是空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)。这里使用的斩波电路是降压斩波电路,也叫Buck电路。

2.3 光纤激光器特性分析

目前,业内单模光纤激光器的输出功率最高可达3 kW,但大功率对光纤的损害大,会降低激光器的使用寿命,因此,1 kW的单模光纤激光器是业内主流。通过激光合束技术可以整合多个单模激光器的输出，得到更高功率的输出。大功率激光器就是通过合束进行多模块的组合，得到更高的功率。某光纤激光器输出特性为:波长976 nm、输出功率100 W,其功率电流电压特性(Power intensity voltage,PIV)曲线如图2所示。

图2 某光纤激光器PIV曲线

伏安特性曲线可以近似描述为≈+, 其电输入功率为≈(+)。其中：为初态电压值;为半导体激光器的等效电阻。单个100 W的激光器可视为恒阻抗负载,而合束得到的大功率激光器可看作多个恒阻抗负载并联和串联的合成。由电路知识可知,合成后负载特性还是呈现恒阻抗特性，故可将激光器视为恒阻抗负载,并使用交流有功负载代替,在元件设置中选Load type为constant Z。本文使用了简化分析策略,不考虑激光武器内部结构(即跟踪、瞄准、发射装置),只考虑端口的负载特性，即光纤激光器特性。

2.4 舰船负载

舰船负载可分为四大类:照明、电力拖动机械设备、通信设备、自动化设备。考虑负载的复杂程度,通常将负载按静态负载和动态负载进行划分,呈现阻抗性质的负载视为静态负载,异步电动机等视为动态负载。在仿真模型中,分别用三相并联RL负载和异步电动机模块来表征。

由发电分系统发电,经配电分系统进行电能传输和变换,给舰船负载与激光武器供电,拓扑结构如图3所示。图4为发电分系统模型,图5为舰船负载模型,图6为配电分系统模型。

图3 舰船综合电力系统拓扑结构

图4 发电分系统模型

3 动态电压恢复器

动态电压恢复器串联在系统和负载之间。正常情况下,动态电压恢复器(Dynamic Voltage Restorer，DVR)处于备用状态,损耗极低。当出现电压跌落或断电等故障时,由检测单元检测,经控制单元控制逆变器产生补偿电压,再通过耦合,馈入系统中,使负载电压保持稳定。因此,可以将动态电压恢复器视为一个受控电压源,调节过程能在几毫秒内完成,实时性极高。DVR基本结构如图7所示。

图5 舰船负载模型

3.1 直流储能单元

直流储能单元作为动态电压恢复器的能量来源,既可以采用储能元件如蓄电池、超级电容器、飞轮储能等,也可以采用不控整流或可控整流从系统中获得能量。本文中采用直流电压源等效超级电容器。

3.2 控制单元设计

本设计的改进在于构造虚拟三相电压的过程。由电路知识可知,三相交流电中相超前相120°,滞后相120°。以三相电压中的相作为一般相进行研究,通过延迟60°来构造三相虚拟电压。构造过程如下:将延迟60°并取反则得到,再根据三相电压合为0得到。而传统的方法是延迟120°,相比之下,延迟60°方法实时性更好,更能适应敏感负荷的需求。将构造好的三相虚拟电压经标幺化后,由PARK变换得到、轴分量,将两分量与给定值作差后再经PID控制,生成SPWM信号。

图6 配电分系统模型

图7 DVR基本结构图

3.3 逆变单元设计

逆变环节作为动态电压恢复器的关键环节,通过它将直流电压逆变为交流电压进行电压恢复。逆变器主要的结构有两种:三相全桥结构和三单相桥结构。前者三相电压存在耦合,控制复杂;后者三相电压不存在耦合,可实现对每相电压的单独控制,相对简单。本文搭建的是单相动态电压恢复器,故选用单相桥式结构。开关器件选用全控型器件金属一氧化物半导体效应晶体管MOSFET,驱动信号由前述的控制单元生成。

3.4 耦合单元设计

逆变单元生成的电压需要通过耦合才能馈入系统中,常用的方式有两种:串联变压器和电容耦合。串联变压器起升压作用,进而降低直流电压源的电压,但变压器作为非线性元件,产生的谐波也会对系统造成影响。因此,采用易于设计的电容耦合。

结合本章的设计,搭建如图8所示的DVR仿真模型。

图8 DVR仿真模型

4 仿真验证

结合前文的论述,将动态电压恢复器投入搭建好的舰船电力系统中,并与高能激光武器负载串联,进行加载高能激光武器的电压补偿试验,验证设计的合理性与有效性。 仿真的拓扑结构如图9所示。

图9 动态电压恢复器投入舰船电力系统的拓扑结构

查阅钢质海船入级规范可得表1所示的电气装置的规范要求电压和频率波动表,即电气设备应能在正常电压、频率波动情况下可靠工作,或在表1规定的电压、频率偏离额定值的波动情况下可靠工作。

表1 电气装置的规范要求电压和频率波动表

仿真参数设置如下:柴油发电机组的容量为60 kW,在不加入补偿装置的情况下,以满足表1的要求为前提,最大能加载10 kW负荷。

1)系统于0.6 s突加30 kW的负载,考虑对系统电压的影响。

当系统突然加大负载时,由于发电机存在调节时间,无法及时与负载保持平衡,进而会造成电压大幅跌落,由图10可知,电压跌落约70%。

图10 未投入动态电压恢复器的电压波形1

当投入动态电压恢复器后,观察图11电压波形变化,经过0.15 s的调节,将电压补偿至282 V,实时性好,满足表1的要求。

2) 系统于0.6 s投入60 kW的负载,考虑对系统电压的影响。

从图12中可以看出,突加负载越大,电压跌落越明显。

观察图13波形变化可知,经过0.17 s的调节,将电压补偿至280 V,满足表1的要求。

图11 投入动态电压恢复器后的电压波形1

图12 未投入动态电压恢复器的电压波形2

图13 投入动态电压恢复器的电压波形2

将两组仿真数据进行整合可得到表2。

表2 DVR补偿前后仿真结果

突加负载容量越大,电压跌落越明显,动态电压恢复器调节时间则相应变长,恢复效果也更明显。从加载50%到满载,都能良好地完成电压补偿功能,实现高能激光武器的投入和使用。

5 结束语

本文对舰船综合电力系统进行分析建模,阐述动态电压恢复器的原理,对构造三相虚拟电压的过程做了改进。在Simulink软件中搭建舰船综合电力系统模型和DVR模型。DVR投入舰船电力系统中,和激光武器串联,对加载高能激光武器进行仿真。实验结果验证了动态电压恢复器的有效补偿,维持加载高能激光武器后，舰船电力系统电压稳定,电能质量改善,该方法为后续展开实现高能武器上舰的研究打下了基础。