含脉冲负载的综合电力系统协同控制策略仿真研究

席敬波，陈 坤，周 兴，文 武

应用研究

含脉冲负载的综合电力系统协同控制策略仿真研究

席敬波1，陈 坤2，周 兴2，文 武2

(1. 陆军装备部杭州地区军事代表室，杭州 310000；2. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

为保证船舶电站运行的可靠性和稳定性，提高降低电网供电品质，本文提出了一种实现大功率脉冲负载与变频推进负载协同控制的控制策略，可以在电站总功率不变的情况下协调脉冲负载和推进负载的功率分配，减轻大功率脉冲负载投入运行时所产生的电网功率冲击。利用matlab/simulink建立含大功率脉冲负载的某型船舶综合电力系统仿真模型，验证了该控制策略对于大功率脉冲负载投入运行时产生冲击的抑制效用。

脉冲负载 协同控制 仿真研究

0 引言

近年来随着我国科学技术的发展，船舶工业也取得了长足发展。在提升船舶安全性的情况下，也朝着先进性、多样化、智能化等等方向全面发展。船舶电力推进系统不断发展，推进系统的负载呈现出大功率、形式多样的特点，对船舶电站的功率需求、稳定性和可靠性等都提出了更高的要求。当前船舶电力负载功率密度快速增长，除电力推进与各类型作业负载外，高技术船舶承载的大功率脉冲负载类型也越来越多，且呈现复杂化、多样化、组合化趋势，如移动通讯设备、探测雷达、高能武器系统、电磁发射装置等等，具有宽工作频率、多工作模式和峰值功率较大等特点，且其投入运行的时机具有强烈的随机性。大功率脉冲负载的非线性与瞬态冲击特性明显，其投入运行容易引起电网功率冲击、电压和频率波动大、全船失电等问题，对船舶综合电力系统运行造成安全稳定难题[1-3]。

本文针对大功率脉冲负载导致的电网冲击性难题，提出了一种进行大功率脉冲负载与变频推进负载协同控制的策略，实现电站功率再分配，削弱脉冲负载投入时所产生的冲击。

1 含脉冲负载的综合电力系统

如图1是典型的含脉冲负载的船舶综合电力系统拓扑，包含柴油发电机组、变频推进系统、大功率脉冲负载、电站日用负荷等等典型配置元件和关键模块。

图1 典型船舶含脉冲负载综合电力系统

2 含脉冲负载综合电力系统仿真模型

根据图1所示的含脉冲负载综合电力系统典型拓扑结构，基于matlab/simulink搭建船舶电力系统仿真模型，主要包括柴油发电机组、变频推进负载、大功率脉冲负载及船舶日用负荷等。

2.1 柴油发电机组模型

柴油发电机组仿真模型主要由两部分构成，即柴油机及调速控制器和同步发电机及自动调压器。

图2 柴油机及调速器结构框图

柴油机及调速器系统结构框图如图2，主要由以下四个部分组成闭环控制系统：

1）执行机构：将油门位置的电压控制信号转换成油泵机架的真实位置，以实现对转速和功率的控制。

2）柴油机：柴油机是柴油发电机组的原动机，将燃油燃烧后的热能转化为机械能。

3）转速反馈单元：其输入是柴油机的实际速度，输出是一个与速度成正比的电压信号，可将其等效为一个比例环节。

4）速度控制器：属于PID控制器。

在实际的工作过程中，柴油机是一个非常复杂的系统，搭建其精确的数学模型是非常困难的。本文以柴油机的工作原理为基础，侧重于关注本课题所研究的重点，忽略其他次要因素的影响，对模型进行简化，仅搭建反映其动力学特征的模型。

柴油机稳定工作时，其输出转矩与负载转矩达到一种动态平衡，即

式中，T——柴油机输出转矩，T——曲轴上的阻力矩，T——摩擦扭矩。

速度控制器将根据柴油机负载的变化来决定其加速度，根据达朗贝尔原理，可以得出柴油机的运动状态方程：

综合考虑各方面的因素（如喷油燃烧过程的时间延迟、燃油固有的热能惯性时间、柴油机固有的转动惯性时间等），可将柴油机的数学模型简化为具有时间延迟的一阶惯性环节：

经过对柴油机及调速器数学模型的研究分析，在matlab/simulink仿真平台建立柴油机及调速器的仿真模型如图3所示。

图3 柴油机及调速器仿真模型

同步发电机选择为凸极机，采用IEEE标准AC1A（IEEE Alternator Supplied Rectifier Excitation System 1#）励磁模型，该模型为交流主励磁机和不可控整流器组成的他励系统。发电机电压等级、容量、频率及同步阻抗均按实际模型参数设置。

建立柴油发电机组仿真模型如图4所示。

2.2 变频推进负载模型

变频推进负载包括推进变频器、推进电机、螺旋桨负载三个主要模块。本文对于变频推进负载的仿真模型，仅仅关注对系统性能有影响的外特性，推进电机对于推进变频器来说，主要体现为阻感性负载特性，如图5。因此，可将推进电机及其螺旋桨负载等效为阻抗和功率因数可调的阻感性负载，阻感性负载作为推进变频器的负荷，通过调节其阻抗和功率因素即可实现变频推进负载外特性的调节。

图4 柴油发电机组仿真模型

图5 三相异步电机等效电路图

推进变频器拓扑结构如图6，整流单元和逆变单元均采用三相全桥式拓扑结构，上下桥臂互补交替导通，整流单元采用高频PWM整流，逆变单元采用闭环矢量控制，SVPWM调制策略。

图6 推进变频器拓扑结构

2.3 大功率脉冲负载模型

脉冲负载由脉冲平抑电源和脉冲负荷构成，脉冲平抑电源将船舶电网提供的三相交流电压转换为直流电压提供给脉冲负荷供电，并同时保证在脉冲负荷各工况平均功率波动时保持直流电压输出稳定，且自身作为交流电网的稳定负载。

脉冲负载模型可看作由高频PWM整流单元、大容量电容器和脉冲负荷组成。整流单元采用三相全桥式拓扑结构，上下桥臂互补交替导通，高频PWM整流方式，SVPWM调制策略。

脉冲负荷传递函数可表示如下：

式中，P——脉冲负荷最大功率，——脉冲周期，——方波占空比。

脉冲负荷可在simulink中通过s-function建立一个脉冲发生器的函数，方波脉冲负荷最大功率、占空比、脉冲周期配置为可设置参数。采用受该脉冲发生器函数控制的受控电压源模块与电阻串联建立脉冲负荷仿真模型，如图7。

图7 脉冲负荷仿真模型

2.4 日用负荷模型

船舶日用负荷主要体现为阻感性特性，其仿真模型可采用阻感性负载进行模拟。

2.5 综合电力系统建模

综合电力系统包括柴油发电机组（4个）、变频推进负载（2个）、脉冲负载（2个）和日用负荷（1个）。于是，含脉冲负载的综合电力系统仿真模型如图8所示。

图8 综合电力系统仿真模型

3 协同控制策略

为了抑制大功率脉冲负载启动过程对船舶电网造成的较大冲击，将动态负载控制与重载问询、功率限制等传统控制方式[4-5]相结合提出了变频推进负载和脉冲负载协同控制的控制策略。

控制策略的实现技术路径如下：

a. 测定并设置脉冲负载特定工况的负载特性曲线；

b. 脉冲负载启动时进行重载请求；

c. 根据脉冲负载特定工况的负载特性曲线，采用查表法对变频推进负载提前进行调节，以使满足脉冲负载运行需求；

d. 脉冲负载运行过程中，根据脉冲负载特定工况的负载特性曲线，采用查表法对变频推进负载进行协同控制。

通过对脉冲负载和变频推进负载进行协调和功率再分配控制，达到削弱脉冲负载投入运行对船舶电网造成的冲击和稳定性影响。

4 仿真研究

主要以含脉冲负载的综合电力系统为基础，在以脉冲负载为主体的大扰动下进行系统协同控制策略仿真验证。综合电力系统的参数见表1。

表1 综合电力系统参数

脉冲负载工作时，根据负载特性曲线进行查表以预测其运行趋势，从而协调变频推进负载运行方式。仿真研究不同工况下变频推进负载与脉冲负载的相互作用和协同控制，工况情况如表2。

表2 仿真工况说明

4.1 经济航行工况

该工况下，2台柴油发电机组和船舶日用负荷正常投入运行，2台变频推进负载在7 s时投入运行，20 s时2#脉冲负载进行重载请求并投入运行，综合能量管理系统根据协同控制策略对变频推进负载进行控制调节。

仿真波形如下：

图9 经济航行工况仿真波形

由图9，脉冲负载投入运行前，2台柴油发电机组总功率5 MW，2台变频推进负载功率各2 MW，船舶日用负荷1 MW，船舶电站稳定运行。20 s时脉冲负载重载请求并投入运行，2台变频推进负载功率预测性降低。由于船舶电站可用功率尚有富余，于是，变频推进负载功率根据车钟控制指令逐渐增加，恢复至脉冲负载投入运行前，电站保持稳定运行。

4.2 全速航行工况

该工况下，4台柴油发电机组和船舶日用负荷正常投入运行，2台变频推进负载在7 s时投入运行，20 s时1#脉冲负载进行重载请求并投入运行，30 s时2#脉冲负载进行重载请求并投入运行，综合能量管理系统根据协同控制策略对变频推进负载进行控制调节。仿真波形如图10。

图10 速航行工况仿真波形

由图10，脉冲负载投入运行前，4台柴油发电机组总功率13 W，2台变频推进负载功率各5 W，船舶日用负荷1 W，船舶电站稳定运行。20 s时1#脉冲负载重载请求并投入运行，2台变频推进负载功率预测性降低，30 s时2#脉冲负载重载请求并投入运行，2台变频推进负载功率再次预测性降低。由于船舶电站可用功率并没有富余，变频推进负载功率保持不变，电站稳定运行。

4 结论

脉冲负载非线性与瞬态冲击特性明显，其投入运行容易引起电网功率冲击、电压和频率波动大，甚至会造成发电机组过载，进一步引起全船失电。

本文将脉冲负载和变频推进负载进行协同控制，并结合重载请求和动态功率限制功能，对大功率脉冲负载投入运行时引起的船舶电网冲击和瞬时功率需求进行抑制和削峰填谷，并进行了基于matlab/simulink平台的仿真研究。仿真结果表明，采用该控制策略可有效地平抑脉冲负载投入运行时所引起的电网冲击，减少对船舶电力系统的稳定性和可靠性影响。

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[2] 孙志豪, 文焘, 吴俊等. 含脉冲负载的船舶综合电力系统建模与仿真[J]. 船电技术增刊, 2020年舰船电力技术专集: 56-62.

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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-），专业技术上校工程师，研究方向：船舶建造质量监督。E-mail：5917921@qq.com