柴油發電機組帶恒功率脈沖負載運行特性研究*

邢 鑫，王金全，徐 曄，嚴 鋆，亢夢婕

(陸軍工程大學 國防工程學院，江蘇 南京 210007)

0 引言

隨著負荷的多樣性發展，為滿足高功率傳輸信號或能量變換的需求，電力電子開關設備的應用越來越廣泛，典型用電設備如高頻通信負荷、相控陣雷達以及各種先進移動裝備等。這類用電負荷的工作特點為平均功率小、峰值功率大，隨著工作模式的變化，電流呈現脈沖特性，因此被稱為脈沖負載。不同于大電力系統，柴油發電機組帶脈沖負載系統主要的區別在于柴油發電機組的容量和慣性較小，機電調節控制器響應時間長，負荷擾動尤其是連續沖擊性負荷對系統影響較大，不能及時滿足脈沖負載對瞬時功率的需求，造成微電網抵御負載擾動的能力差，給脈沖負載下微電網運行特性分析與控制帶來困難[1]。

文獻[2]闡述了脈沖負載的工作機理；文獻[3]設計了可用于仿真和試驗分析的脈沖負載；文獻[4]提到用開關和負載組合構成脈沖負載，通過控制開關的通斷模擬脈沖負載的特性；文獻[5]研究了脈沖負載的工作機理，設計了3種可用于試驗分析的脈沖負載結構；文獻[6]提出了可通過變換器結構優化來降低脈沖負載對系統沖擊影響的建議，但未進行脈沖負荷變化時的運行分析；文獻[7]建立了含脈沖負載的綜合電力系統仿真模型，但其分析的主要是功率突變對于系統運行狀態的影響。脈沖負載處于不同工作模式時對柴油發電機組輸出電壓與頻率的影響卻有較大不同，為避免柴油發電機組因脈沖負載的沖擊而發生故障，目前廣泛采用增大柴油發電機組容量的措施[8]，這種“大馬拉小車”的方式造成了機組容量的浪費。

在工程實際中，柴油發電機組常通過整流裝置為直流脈沖負載供電。本文以柴油發電機組—不控整流器—DC/DC—脈沖負載系統為研究對象，根據系統運行特點建立了引入負載功率調節的柴油發電機組模型，分析了脈沖負載工作時系統的運行情況，研究了系統的運行與脈沖負載功率、輸出占空比和周期的關系，并通過實驗驗證了所建模型能夠較為準確地反映系統的運行行為。

圖1 柴油發電機組帶恒功率脈沖負載系統結構原理圖

1 脈沖負載的系統仿真及分析

由于柴油發電機組的運行行為非常復雜，且隨著脈沖負載的周期、占空比、峰值功率反復變化，電磁關系呈非線性，很難通過解析方法進行描述。為此，針對這一系統建立系統仿真模型，進行仿真分析。

1.1 脈沖負載的系統仿真

相控陣電子雷達是一類典型的脈沖負載，負載工作時消耗的功率呈脈沖特性，顯著特點是平均功率小、峰值功率大。雷達脈沖負載工作時，由于負載功率的脈沖變化，柴油發電機組不斷受到加、卸載的作用，導致輸出電壓的畸變嚴重，系統始終處于動態變化的狀態。為了突出研究雷達脈沖負載的脈沖特性，忽略雷達系統中冷卻負載、電子顯示器、伺服電機等常規設備對供電電源的影響[9]。

在雷達脈沖負載實際的工作過程中，需要控制壓降在一定的范圍內。而在目前已有的研究中，通常將雷達供電系統等效為柴油機—整流器—脈沖負載的模式[10]。在此系統中，主要依靠晶閘管整流器來控制直流側電壓。由于晶閘管整流器對系統的無功沖擊大，會產生較大的起動壓降，同時可控硅的響應時間相較于脈沖負載的變換過程較長，因此這種模擬方法存在一定的不足。DC/DC變換器具有加速平穩、快速響應的性能，可以高效率地實現電壓變換和穩定輸出，因此利用DC/DC變換器來穩定脈沖負載端電壓對于保持系統穩定運行具有重要意義。

圖2 P30kW_ T56ms_ D40仿真波形

本文以柴油發電機組—不控整流器—DC/DC變換器—脈沖負載系統為研究對象，其系統結構原理圖如圖1所示。基于此原理圖，利用MATLAB/Simulink軟件建立脈沖負載系統仿真模型[10]。

在該供電系統中，柴油發電機組輸出三相交流電經不控整流器可等效為直流電源，通過LC濾波器濾波，再經過DC/DC穩壓為脈沖負載供電。在實際運行中，把脈沖負載的工作模式定義為由開關周期TS，峰值功率PL和占空比D組成的表征形式。

1.2 仿真結果分析

柴油發電機組中的柴油機功率設定為50 kW，同步發電機的額定功率為50 kW，功率因數為0.8，機組的輸出頻率f為50 Hz，線電壓U為400 V。同時，設定脈沖負載的峰值功率PL為30 kW，即R為4Ω，開關周期TS為56 ms，占空比D為0.4。仿真結果如圖2所示。

圖2(a)為柴油發電機組輸出電流隨脈沖負載功率波動的變化曲線，可以看出交流電流幅值隨負載變化而出現較大幅度變化。當電系統無功率輸出時，為標準正弦波；當脈沖負載消耗功率時，電流迅速增大，且畸變較為嚴重；當脈沖負載不吸收功率時，電流減小，三相電流的變化也是周期性的。

圖2(b)反映了整個仿真過程中柴油發電機組輸出頻率的變化趨勢：在柴油機啟動時出現了輕微的波動，這是因為柴油發電機組的啟動過程是一個動態調節的過程，投入運行時，柴油發電機組的勵磁調壓系統經過自身調節作用使系統重新進入穩定運行狀態；1 s時，開關S在觸發脈沖作用下控制電阻進行周期性的投切，柴油發電機組的輸出頻率在某一固定值附近小幅波動，這是脈沖負載周期性的功率波動造成的。

圖2(c)為交流側三相電壓的波形，可以看出三相電壓的波形波動較為明顯，對數據進行FFT分析，得到交流電壓諧波含量為22.34%。

圖2(d)分別為直流低壓側電壓和直流波形，其波形在一定值上下周期性波動，且周期與脈沖負載周期一致，脈沖負載按照設定的周期和占空比工作，從圖中可以看出脈沖負載的峰值電流約為80 A，電壓約為350 V，得出其峰值功率約為28 kW。

2 脈沖負載參數對供電系統運行指標影響規律分析

為了更好地分析脈沖負載各參數對于系統的影響、描述系統運行特性，本文引入了系統運行參數指標。交流側指標主要有交流電壓有效值Uac，電源平均輸出功率Pac，電壓相對偏差率RDRu以及頻率波動率δf。直流側指標主要有直流高低壓側平均值UdH、UdL，直流平均功率Pdc，直流高壓側電壓波動率δuH、直流高低壓側電壓波動率δuL。

2.1 改變占空比D的影響分析

設置恒功率脈沖負載高壓側濾波電容C為4 800 μF，低壓側電容為7 800 μF，峰值功率PL為30 kW，開關周期TS為56 ms，改變占空比D的大小，此時系統的各特性指標如表1所示(限于篇幅，表中列出部分數據，下同)，各指標變化趨勢如圖3所示，其中曲線通過MATLAB軟件的CFTOOL得到。

由表1和圖3可以看出，在系統中僅改變占空比D時，電壓相對偏差率RDRu同樣隨D的增大而遞增；交流電壓有效值Uac與負載電壓平均值UdH、UdL均在額定值附近小幅波動，變化并不顯著；整流器的交流側輸入功率Pac、負載功率Pdc均隨D的增大近似線性遞增；頻率波動率δf隨著占空比先增大后減小，最大值出現在D為0.6時；而直流高壓側電壓波動率δuH和直流高低壓側電壓波動率δuL隨著占空比先增大后減小，當占空小于0.4時，波動率隨著占空比的增大而增大，當占空大于0.6時，波動率隨著占空比的增大而減小。

DUac/VRDRu/%δf /%UdH /VUdL /VδuH/%δuL/%pac/kWpdc/kW0.1230.372.151.20542.82346.308.1410.223.062.590.3229.634.722.37536.79346.3812.7318.998.798.120.5231.106.233.41529.35344.0914.0217.9013.8113.090.7231.118.313.45522.99343.2514.5816.8019.1818.340.9230.469.871.54516.76343.0911.0315.3724.4823.291.0230.2710.920.19515.84342.294.7411.4327.1125.73

2.2 改變峰值功率PL的影響分析

設置恒功率脈沖負載高壓側濾波電容C為4 800 μF，低壓側電容為7 800 μF，占空比D為40，開關周期TS為56 ms，改變峰值功率PL的大小。表2為系統的各特性指標，圖4為各指標變化趨勢。

當固定其余參數不變，增大脈沖負載峰值功率PL時，相當于增大脈沖負載的平均功率Pav。因此，負載功率Pdc以及電壓相對偏差率RDRu與占空比改變時的趨勢基本一致，都隨著PL的增大而增大。但從圖4中可以明顯看出RDRu的變化比較平緩，從3%變化到6%左右；而與隨著占空比增加變化不同，δf和直流高壓側電壓波動率δuH和低壓側電壓波動率δuL隨峰值功率的增加而單調遞增，且變化較為明顯，這是因為隨著PL增大時，負載的實際功率增大，系統中脈沖負載的作用越強烈，所引起的電壓波動也隨之增大，因而電壓波動也較為明顯。

2.3 改變開關周期TS的影響分析

設置恒功率脈沖負載高壓側濾波電容C為4 800 μF，低壓側電容為7 800 μF，峰值功率PL為30 kW，占空比D為50，改變開關周期TS的大小。表3為系統的各特性指標，圖5為各指標變化趨勢。

圖4 峰值功率PL改變時系統動態特性

P/kWUac/VRDRu/%δf/%UdH/VUdL/VδuH/%δuL/%Pac/kWPdc/kW5230.233.520.75543.10352.364.957.612.281.8210230.484.171.54541.97342.056.917.883.993.4720230.225.162.36539.66338.329.8412.687.737.1430230.435.703.18538.33340.4515.1120.7711.3110.6840230.815.874.15538.91339.9524.3224.1814.7714.0750230.965.894.97534.62338.0825.4726.9118.6517.39

表3 開關周期TS改變時系統的動態特性(P30_D50)

圖5 開關周期TS改變時系統動態特性

從表3和圖5中可以看出，開關周期TS的大小對電壓相對偏差率RDRu、頻率波動率δf以及直流高、低壓側電壓波動率δuH、δuL都有很大的影響。由于占空比保持不變，在相同時間內，開關周期變大，相當于周期個數減少，負載消耗的平均功率基本保持不變；柴油發電機組輸出的平均有功功率維持為14kW左右；相電壓的有效值約為230 V，且波動幅度不大；RDRu隨著TS的變大而減小，且在周期為20 ms時RDRu最大為13.65%；δf隨著TS的增加而增大；δuH和δuL同樣隨著TS的增加而增大。

3 柴油發電機組帶脈沖負載運行試驗分析

3.1 柴油發電機組帶脈沖負載試驗分析

柴油發電機組的輸出電壓為單相220 V/三相400 V；DC/DC設置的高、低壓側電容參數為4 800 μF、7 800 μF，低壓側輸出電壓設定為350 V；以脈沖負載的導通占空比0.4、工作周期56 ms、峰值功率30 kW為例，采集試驗運行中的電壓、電流信號，如圖6所示。

圖6所示為柴油發電機組帶脈沖負載的試驗波形，其中圖6(a)為交流側三相電壓的波形，從圖中可以看出，三相電壓的波形波動較為明顯。圖6(b)為交流側三相電流的波形，三相電流表現為周期性的脈動。圖6(c)、(d)分別為直流高壓側電壓和低壓側電壓波形，其波形在一定值上下周期性波動，且周期與脈沖負載周期一致。圖6(e)為交流側的功率，即柴油發電機組的輸出功率，從圖中可以看出柴油發電機組的輸出功率也是周期性的波動。圖6(f)為負載功率。

圖6 柴油發電機組帶脈沖負載試驗波形

圖7 仿真波形與試驗波形對比

3.2 仿真與試驗對比

為了驗證本文所建立仿真模型的精確度，進一步分析和驗證脈沖負載與各評價指標的關系，將實驗結果與仿真結果進行比較。

3.2.1仿真與實驗波形的對比

圖7為仿真結果與試驗波形對比圖，從圖中可以看出，直流母線電壓的仿真波形與試驗波形都隨著負載的周期性沖擊在額定值附近波動，負載電流呈現脈沖性，且與脈沖負載的工作模式密切相關，三相交流電流的仿真波形與試驗波形基本一致。仿真結果與試驗結果趨勢和大小相近，說明本文所建立的仿真模型能夠模擬柴油發電機組帶脈沖負載的運行特性。

3.2.2仿真與實驗參數變化的對比

(1)電壓相對偏差率RDRu仿真和試驗對比

電壓相對偏差率綜合反映了脈沖負載對交流電壓波形的影響程度。由圖8可知，電壓相對偏差率RDRu隨脈沖負載占空比和負載峰值功率的增大而變大，相比而言，占空比的變化對交流電壓波形畸變程度影響更大；脈沖負載開關周期的增大將引起電壓畸變程度降低，這是因為脈沖負載工作周期增大后，相同時間段內，脈沖個數減少，引起交流電壓畸變的區間縮小，電壓相對偏差率有所降低，仿真結果與試驗得到的結果完全一致。

(2)直流高壓側電壓波動率δuH仿真和試驗對比

2) 在小港口城市平均投資回報率低下時，小港口城市會積極投資港口，從而誘發港口投資競爭。要想避免這種現象，只能提高小港口城市的平均投資回報率，使小港口城市有更多的投資領域，通過發展其他產業發展城市經濟。

脈沖負載的變化直接影響直流側電壓波動率的變化，當脈沖負載工作時，負載電流變大，導致直流母線電壓降低，在脈沖間歇時，幾乎不消耗功率，直流母線電壓漸漸變大，向額定電壓靠近，頻繁的沖擊引起直流母線電壓的不斷波動。系統仿真結果與試驗結果的對比如圖9所示。

圖8 電壓相對偏差率RDRu隨運行模式的變化曲線

圖9 直流高壓波動率δuH隨運行模式的變化曲線

如圖9所示，仿真得到的直流高壓側電壓波動率δuH隨著開關周期TS和峰值功率PL增大而增大，隨著占空比D增大呈現先增大后減小的趨勢，與試驗所得結果一致。在占空比較小的時候，負載平均功率比較小，此時直流側電流也比較小，直流電壓下降不大，電壓波動率較小，但在占空比較大時，情況則相反，電壓波動率隨占空比增大而變小，而當脈沖負載的占空比接近于1時，脈沖負載的特性與恒定負載特性一致，此時直流電壓波動率也很小，而在脈沖負載為0.4到0.7之間時，直流母線電壓的波動率最大。

(3)頻率波動率δf仿真和試驗對比

實驗結果如圖10所示。

圖10 頻率波動率δf隨運行模式的變化曲線

由圖10可以看出，交流頻率波動率受脈沖負載的工作模式影響較大。仿真得到的頻率波動率δf隨著開關周期TS和峰值功率PL增大而增大，隨占空比D的增大呈非線性變化，表現為先增大后減小的趨勢，與試驗所得結果一致，影響機理和直流電壓波動率類似。

(4)負載實際功率Pdc仿真和試驗對比

從圖11可以看出，負載實際消耗功率Pdc隨著占空比D和峰值功率PL的增大而增大，隨著開關周期TS的增大而基本保持不變，與試驗所得結果一致。與理論分析也一致，當占空比增大時，峰值功率不變，兩者的乘積也隨之增大；當占空比不變時，峰值功率增加，兩者的乘積也會增大。從實際得到結果來看，實際功率隨著占空比和峰值功率變化是有一定的差別的，主要體現在，當占空比越接近于1時，曲線的斜率越大，可以理解為此時脈沖負載近似于阻性負載，系統功率傳輸效率增大。

圖11 負載實際功率Pdc隨運行模式的變化曲線

4 結束語

本文針對恒功率脈沖負載的特點，以柴油發電機組—不控整流器—DC/DC—脈沖負載系統為研究對象，基于MATLAB/Simulink軟件建立了系統的仿真模型，分析了柴油發電機組作用下脈沖負載的輸出特性，研究了脈沖負載對柴油發電機組供電系統的影響，驗證了對柴油發電機組的影響不僅與負載峰值功率PL有關，而且與脈沖負載的輸出占空比D、開關周期TS有很大關系，并通過實驗驗證了所建模型能夠較為準確地反映系統的運行行為，為后續進一步的分析研究奠定了基礎。