艦船推進試驗電源的負載突變適應性設計

黃 敏，陳元初，王一剛，劉 宇

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艦船推進試驗電源的負載突變適應性設計

黃 敏1，陳元初1，王一剛2，劉 宇3

（1．株洲電力機車研究所有限公司，湖南 株洲 412001；2.中國三峽新能源有限公司西北分公司，蘭州 730070；3.中鐵第五勘察設計院東北分院, 哈爾濱 150006）

艦船推進系統因波浪環境或者其他特殊因素的影響，螺旋槳會有突然全速前進或者突然空轉的負載突變情況；這就要求電源系統務必確保在運行過程中能對輸出電壓進行快速調整到系統可承受范圍內。本文就是以某推進系統試驗電源為例，通過計算和仿真提出了一種滿足負載的突變工況的設計思路，并通過試驗驗證了該設計的正確性和合理性。

推進電源 負載突變 響應時間

0 引言

隨著現代艦船技術的發展，電驅系統功率越來越大，由于艦船的行駛工況突變，電驅供電系統的負載突變適應性是體現出其性能的優劣的關鍵性能之一。艦船推進試驗電源就是為考核推進系統配置一種特種電源，針對負載突變工況的調整能力是考核系統的關鍵指標。本文以某特種整流電源系統為例，設計了一個直流大功率快速穩壓系統，確保系統的直流電壓在動態過程中能限制在推進電力系統電壓安全范圍以內。

1 推進試驗電源介紹

艦船推進試驗電源系統是一個采用晶閘管元件作為功率器件設計的24脈波可控整流系統，其主電路如圖1所示。該電源系統由兩套12脈波整流電源系統串聯而成，兩套12脈波電源串聯連接24脈波輸出，中點接地后形成±0輸出。試驗電源系統主要是模擬艦船直流供電系統，提供一個電壓恒定為±0的直流母線；輸出電壓的質量直接影響推進系統用電設備（如推進變頻器）的正常工作。在額定運行工況下，如果負載突然切出，由于電源系統輸出的慣性且系統沒有大功率快速穩壓系統，直流電壓會快速升高到系統安全電壓以上；同樣在空載運行工況下，如果負載突然投入，由于電源系統能量不能突變且系統沒有大功率快速穩壓系統，直流電壓會快速升跌落，甚至會到0 V，這就會嚴重影響推進系統中其他設備的正常運行。因此必須要設計一種大功率快速穩壓系統來提高系統的負載突變適應能力。

圖1 電源系統框圖

2負載突變適應性設計

2.1負載突變工況介紹及分析

該大功率試驗電源的負載突變適應性考核主要是模擬艦船推進系統突然甩負荷（如大浪中螺旋槳離水空轉）和突然增加負載（如緊急情況下加速行駛）的情況下，直流供電系統的穩定性,系統總輸出功率為d/d。以本系統為例，具體指標如下：

1）突加負載：直流側空載工況下突加（0%總功率-50%總功率）時直流輸出電壓變化范圍要求：在額定電壓d（假設為4000 V）范圍內波動-12%-15%，恢復時間≤2 s；電壓波動要求如圖2所示。

圖2 突加負載工況下的輸出電壓波動要求

0-t1時刻，系統空載輸出DC4000V，在t1時刻通過負載直流斷路器投入50%負載；

t1-t2時刻，突然投入負載，變壓器和整流器無法快速響應負載電壓和電流的突變，導致負載電壓瞬間跌落（t1-t2時刻），該時間可等效為大功率快速穩壓系統中電容放電時間；

圖2中的“最小值”，即-12%額定電壓的波動要求，與大功率快速穩壓系統電容配置直接相關，最理想的狀況是在突加負載階段（t1-t2）負載消耗的能量由電容提供，即：

其中：r為負載電壓；為直流電容；1為直流電壓最小值；0為直流電壓初始值，4000 V。

從上式可以看到，在突加負載時，電容值越大，直流電壓U1跌落越小；所以在直流側加裝直流電容可限制直流電壓峰值，達到最小值波動≤12%的要求，電容值盡可能大但是結合到工程應用中要綜合考慮體積、成本和大電容的制造工藝等因素來設計。

t2-t3時刻，為加載造成的電壓跌落時間，同時也可理解為電容通過負載電阻自然放電時間，該時間長度與電容的大小以及控制系統的固有響應時間有關。

t3-t4時刻，為控制系統閉環控制響應時間，通過優化控制策略來實現。

總體來說要求t1-t4時間≤2 s。

參數計算:

在大功率快速穩壓系統中采用“延緩電壓跌落，快速啟動閉環控制”的思路，突加負載過程可以看做是電容通過加入的負載電阻放電的過程，只要在控制系統固有響應時間內使電壓跌落≤12%，即可通過控制系統來調整晶閘管控制角提供負載需要的能量，確保直流電壓不再跌落。計算公式如下：

1=0

其中1為電壓可低落的最低值，4000*（1-12%）V；0為電容電壓初始值，DC 4000 V；為突加的負載電阻=4000 V/600 A；為控制系統固有響應時間,考慮到一定的裕量按10 ms計算。

可以計算出電容值為約11 mF，因為系統固有響應時間有足夠余量，所以大功率快速穩壓系統中電容選擇12 mF。

2）突甩負載：直流側額定工況下突甩負載（100%總功率-0%總功率）時直流輸出電壓變化范圍要求：在額定電壓d（假設為4000 V）范圍內波動-12%-15%，恢復時間≤2 s；電壓波動要求如圖3所示。

0～t1時刻，系統額定輸出工況，在t1時刻突甩負載；

t1～t2時刻，由于變壓器儲能的輸出到直流側，導致負載電壓瞬間升高（t1-t2時刻），該時間可等效為大功率快速穩壓系統中電容充電時間；

圖3 突甩負載工況下的輸出電壓波動要求

圖3中的“峰值”，即﹢15%額定電壓的波動要求，與變壓器的儲能和大功率快速穩壓系統的電容配置直接相關。在突甩負載的瞬間，變壓器儲能1/2(2)轉化為電容的儲能，根據能量守恒，忽略線路損耗和變壓器內阻損耗有以下關系：

其中：為變壓器負載工況下勵磁電感；為直流電容；1為直流電壓峰值;0為直流電壓初始值，4000 V。

從上式可以看到，在突甩負載時，電容值越大，直流電壓峰值1就越小；要達到峰值波動≤15%的要求，電容值盡可能大但是結合到工程應用中要綜合考慮體積、成本和大電容的制造工藝等因素來設計。

t2～t3時刻，該時刻為電容自然放電時間，該時間長度與大功率快速穩壓系統增加的泄放電阻阻值有關。

t3～t4時刻，該時段為控制系統閉環控制響應時間，通過優化控制策略來實現。總體來說要求t1～t4時間≤2 s。

參數計算：

采用能量守恒原則，根據經驗值估算和仿真參考設計來選取電容值：

其中為突甩負載時，直流側輸出的瞬時功率；t2～t1為電壓上升時間，根據實測取0.002 s。

為了滿足電壓峰值≤4000*115%=4600 V，所以1取4600 V；

可以計算出電容為約4 mH，大功率快速穩壓系統的電容C≥4 mH。

放電電阻就是在控制系統固有時間內消耗電容的能量，將電壓降低到4000 V以下。電容放電公式：

所以放電電阻

按0.5 s內將電壓由4600 V降低到4000 V，此時電阻理論取500 Ω（放電時間為0.3～0.5 s）。

2.2仿真分析

以上述計算為基礎，采用MATLAB/SIMULINK軟件對該艦船推進試驗電源搭建了仿真模型，如圖4所示；對計算結果進行仿真驗證,仿真結果如圖5和圖6所示。在配置了大功率快速穩壓系統之后，突甩負載工況下直流電壓峰值為4480 V，電壓跌落時間約為0.6 s；突加負載工況下直流電壓最小值為3580 V,響應時間均小于2 s，完全滿足負載突變工況的要求。

圖4 仿真模型

圖5 突甩負載的電壓和電流仿真波形

3 試驗驗證

在工程化應用中以上述仿真計算結果進行項目設計，通過現場試驗驗證該試驗電源系統的負載突變適應能力，檢查各項指標是否符合要求，同時驗證計算和仿真結果的正確性。根據圖6和圖7的實測波形可以看到，突甩100%額定負載工況下直流輸出側最高電壓為4400 V；突加50%額定負載時壓最低為3610 V；試驗結果與計算仿真基本一致，滿足系統設計要求。

圖6 突加負載時的電壓和電流波形

圖7 突甩負載的實測電壓波形

圖8 突加負載的實測電壓波形

4 結束語

本文提出一種適應負載突變的艦船推進試驗電源系統設計思路—大功率快速穩壓系統，通過計算仿真得出各部分參數，在工程化應用中驗證了系統的合理性和正確性，該適應性設計思路對于艦船電力推進供電系統相關設備的負載突變適應能力設計有借鑒意義。

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Design of Load Mutation Adaptive for Ship Propulsion Test Power

Huang Min1, Chen Yuanchu1, Wang Yigang2, Liu Yu3

（1. CSR Zhuzhou Electric Locomotive Co., Zhuzhou 412001, Hunan, China; 2. Northwest Branch, China Three Gorges New Energy CO., Lanzhou 730070, China; 3.Northeast Branch, China Railway Fifth Survey and Design Institute, Haerbin 150006, China）

TM402

A

1003-4862（2018）01-0036-04

2017-02-15

黃敏（1984-），男，工程師。研究方向：大功率變流技術。