船舶綜合電力系統大容量脈沖設備仿真技術研究

梁樹甜, 王 力

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船舶綜合電力系統大容量脈沖設備仿真技術研究

梁樹甜, 王 力

(武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064)

以船舶綜合電力系統和大容量脈沖設備為研究對象，在對大容量脈沖設備充電電路原理分析的基礎上，對大容量脈沖設備模型內容進行了具體的研究分析，并進行了MATLAB仿真，仿真結果表明，建立的模型有較高的準確性。

船舶綜合電力系統 大容量脈沖設備 脈沖功率技術 仿真

0 引言

綜合電力系統(Integrated Power System，IPS)實現全船電力的綜合管理，其不僅可以為電力推進系統、日用負載等提供連續電能，也能為某些特殊負載提供瞬時高能，是艦船動力系統發展的趨勢，也是未來使用艦載高能武器的關鍵技術[1]。

在現代艦船上，大容量脈沖設備，包括高能功率武器(如電磁軌道炮)、飛機彈射/回收系統等的瞬時輸出功率可達百MW級，充電電路的充電功率也達到幾MW或十幾MW。由于脈沖負荷瞬時功率很大，它的使用必將給整個艦船綜合電力系統的性能帶來較大的沖擊，影響供電質量，從而對電力推進系統產生影響。因此，在電力推進系統的設計中，應考慮大容量脈沖設備對電網的電壓沖擊、諧波污染等危害。要對大容量脈沖設備進行分析研究，首先應建立其仿真模型，這是本文的主要研究內容。

1 大容量脈沖設備的基本原理

1.1 脈沖功率技術

脈沖功率技術(Pulsed Power Technology，PPT)，是以小功率把電能長時間輸入到儲能設備中，通過對電能的脈沖壓縮、整形、傳輸等處理，在極短的時間內向負載放電，得到各種理想的高幅度、大功率、陡前沿的電脈沖輸出，為各種應用負載提供大電流脈沖功率源。

脈沖功率系統的構成與應用領域如圖1所示[2]，主要包含電網、儲能單元、開關、脈沖波形控制單元、負載(應用對象)五個部分。其中，前四部分組成了脈沖功率電源，后兩部分是負載。

大容量脈沖設備一般利用電容器充電電源從電網獲得初始能量[3],因此，研究大容量脈沖設備對電網的影響，事實上就是研究大容量脈沖設備的充電電路對電網的影響。因此，本文不關心圖1開關之后的具體結構及工作特性，只研究儲能裝置仿真建模。

1.2 大容量脈沖設備的儲能裝置

對電容器充電儲能是以電容器作為儲能器件的脈沖功率系統獲得初始能量、形成脈沖功率的重要工作過程。

電容器充電方式有恒壓充電、恒流充電、恒功率充電等多種方式，充電電壓公式分別為：

得各充電方式充電特性示意圖2。若采用恒壓充電，充電回路中有限流電阻，電阻會消耗額外的能量。恒流充電電路中沒有限流電阻，所以效率較高。恒功率充電同樣無需串聯限流電阻，充電速度較快，但是，充電開始時刻會有電流沖擊，如要減小電流沖擊，就要減小充電功率，這樣會影響充電速度。因此，對于大容量文脈沖負載來說，恒流充電是較好的選擇。

隨著大功率高頻開關器件和電力電子技術的發展，高頻化成為各種電源的必然發展趨勢。同時，由于控制技術的進步，使得電容器充電電源獲得快速發展。

隨著電力電子、高頻開關器件和控制技術的發展，產生了圖3所示的高頻PFM控制方式電容器充電電路。因為此種具有電路損耗功率小、電磁干擾小、抗負載短路能力強等優點，因而成為了高壓電容器充電電源的首選電路拓撲[4]。

2 儲能裝置原理分析及仿真參數選擇

圖3中，電源經各模塊轉換的示意圖如下，下面進行具體分析。

1)電網

本文的電網選擇為380V、50Hz三相交流電。

2)三相整流

根據文獻[1]的結論：充電電路采用不可控整流器的形式比采用可控整流器的形式對電網的沖擊小，因此，本文采用三相橋式不可控整流形式。

3)濾波

L,C構成低通濾波電路，濾除整流電路輸出的6次以上諧波，根據電路理論，低通濾波電路諧振角頻率,品質因數。

4)逆變電路

逆變電路采用單相全橋逆變電路。

5)恒流電路

儲能裝置之所以能實現恒流充電，是由恒流電路的特性決定的。

將儲能負載折合到變壓器原邊用電阻R表示，逆變電路等效為方波電源，得到等效電路如圖5所示。

幅頻特性圖如下，由圖看出，而當開關頻率在一定范圍內時（頻率較小或較大），電流隨負載基本不變(不同的Q對應的曲線重疊)，因而具有恒流特性。

實際設計中，開關頻率一般取諧振頻率的1／2左右。本文中取,，則開關頻率約為80 Hz。

6)升壓變壓器

升壓變壓器主要起到隔離、升壓的作用。

變壓器的主要參數是變壓器的變比，下面分析計算變壓器的變比。取儲能電容的峰值功率為1000 kW，充電時間為4分鐘，電容器充電后電壓根據文獻[3]取為20 kV。

7)單相整流及儲能電容

單相整流采用單相橋式不可控整流。

3 大容量脈沖設備的仿真

根據以上分析，采用MATLAB/Simulink建立大容量脈沖設備仿真模型，如下：

仿真時間為60 s，仿真結果如圖8所示。

由圖看出，電容電壓基本按線性上升，即恒流充電，電源電流隨著電容電壓的上升也逐步加大，與理論分析相符。

作為對比，建立文獻[3]中用電流源代替負載的簡化模型，如圖9，電源電流仿真結果如圖10，與圖8進行對比，可見仿真結果有差異(60秒時，電流分別為350A和310A)，這主要是因為簡化模型考慮的是負載的理想狀態，沒有考慮中間電源轉換如整流、逆變等導致的。

4 結束語

本文對大容量脈沖設備恒流充電電路進行了詳細的分析，建立了仿真模型，并進行了仿真，仿真結果與理論分析相符，并且，通過對比，證明了仿真模型的準確性。此研究可為大容量脈沖設備在船舶綜合電力系統上的應用提供參考。

參考文獻：

[1] 甄洪斌，張曉鋒等. 脈沖負荷對艦船綜合電力系統的沖擊作用研究[J]. 中國電機工程學報，2006，26(12):85-88.

[2] 譚親躍. 大容量脈沖功率系統對電能質量的影響研究[D]. 武漢：華中科技大學，2011.

[3] 王新枝，夏立等. 脈沖負載管理研究現狀[J]. 中國航海，2014，37(1):39-42.

[4] 王川. 負荷沖擊型大擾動下船舶綜合電網暫態電壓穩定性研究[D]. 大連：大連海事大學，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

梁樹甜(1984-), 男，碩士。研究方向：船舶電力推進系統設計。