脈沖負載作用下發電機端電壓波動問題研究

劉 博,黃克峰,徐 曄

(陸軍工程大學 國防工程學院，江蘇 南京 210007)

0 引言

隨著信息技術的發展，以現代電子雷達為典型代表的電力電子化用電設備不斷涌現，在負荷特性上表現出平均功率低、峰值功率高，呈現出連續脈沖功率沖擊的強非線性特征，稱為脈沖功率負載。與大電力系統不同，柴油發電機組帶脈沖負載系統由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，因此系統抗負荷擾動的能力差，脈沖負載的連續沖擊對電源側產生反復加減載作用，將引起供電電壓的頻繁波動，嚴重影響整個系統的電能質量以及供電穩定性[1]。

大量學者針對脈沖負載頻繁沖擊供電系統所產生的影響進行了理論與試驗分析。文獻[2]通過研究脈沖負載對發電機輸出電能質量的影響，提出了基于電流變化的改進發電機勵磁調壓的方法；文獻[3]闡述了脈沖功率負載的工作機理，分析了大容量脈沖功率負載對系統電能質量的影響，設計了改善電能質量的濾波裝置；為削弱脈沖負載對柴油發電機組供電系統的影響，文獻[4]提出了采用電動輔助機構增強柴油發電機組抗脈沖功率負載擾動的方法，降低了機組的轉速調整率；文獻[5]和文獻[6]分別設計采用蓄電池加超級電容或單獨采用蓄電池的儲能補償方案，提出可利用儲能補償裝置對負載功率變化的有效跟蹤來平抑負載波動對柴油發電機組的影響；針對脈沖負載作用下系統電能質量下降的問題，文獻[7]提出了諧波補償方法，并采用仿真和試驗對所得結論進行了驗證；文獻[8]針對脈沖負載功率突變對船舶電力系統的擾動，研究了不同的變換器對供電系統產生的影響，并提出通過優化變換器結構來減小負載沖擊的方法。

前人從不同角度探究了脈沖負載對系統的影響情況，并從不同方面提出平抑負載對系統擾動的方法，但大多從系統外特性層面進行分析，而實際系統中脈沖負載的連續沖擊對發電機產生反復的加卸載作用，這也是造成供電側電壓波動的根本原因。因此，本文兼顧負載對發電機內部磁場的影響，分析脈沖負載導致發電機輸出端電壓波動的根本原因，搭建發電機帶脈沖負載系統的有限元場路耦合模型探究負載對電壓波動率的影響規律，并開展相關試驗對仿真結論進行驗證，最后通過對電機磁路飽和狀態的調整，探究平抑電壓波動的有效措施。

1 仿真模型介紹

為充分考慮帶脈沖負載時電機內部磁場的變化情況，采用有限元法建立電機仿真模型，其與數學等效模型相比優勢在于能夠體現出電機磁路飽和的影響，也為下文通過改變磁路飽和狀態對電機抗負載波動能力的探究提供了可能性。因此基于Maxwell有限元仿真軟件，利用清華泰豪三波電機有限公司提供的實際電機參數建立了發電機主機及勵磁機模型如圖1和圖2所示。

圖1 發電機主機模型

圖2 發電機勵磁機模型

利用Simplorer軟件與Maxwell電機模型進行聯合仿真，完成了勵磁調節系統、整流器級聯Buck電路和脈沖負載的搭建。

圖3 勵磁調節系統結構

勵磁調節系統的拓撲圖如圖3所示，其中包含勵磁電源回路和勵磁控制回路。勵磁電源回路中S1為發電機諧波繞組，S2為勵磁機勵磁繞組，C和VD5為勵磁繞組提供濾波和續流的作用。諧波勵磁方式采用在定子槽中附加諧波繞組，通過感應氣隙中的三次諧波產生交流電，經整流后為勵磁機勵磁繞組供電。勵磁控制回路采集發電機輸出端電壓U0作為信號，與參考電壓U0_ref進行對比得到電壓差值，再經過PID環節，得到控制信號與三角波比較得到的PWM調制波，而此調制波控制勵磁電源電路中IGBT的開通占空比，從而控制勵磁機勵磁電流的大小。U0為電機輸出端電壓的幅值，可利用以下公式獲得：

(1)

其中ua、ub、uc為三相電壓信號。

整流器級聯Buck電路和脈沖負載的拓撲圖分別如圖4和圖5所示。

圖4 整流器級聯Buck電路結構

圖5 脈沖負載結構

設定脈沖負載的峰值功率PL為30 kW，開關周期TS為50 ms，占空比D為0.5，系統仿真結果波形圖如圖6所示。

2 脈沖負載對端電壓影響分析

2.1 電壓波動原理分析

脈沖負載的頻繁加卸載作用，使直流側負載電流成周期性通斷狀態，這使得發電機的電樞電流也以同規律周期變化，致使發電機在近空載和負載兩種狀態下頻繁切換，這也造成發電機輸出端電壓周期性波動，其根本原因主要為以下兩點：

圖6 P30_T56_D50系統仿真波形

(1) 電機等效阻抗消耗部分電動勢

E=U+IR+jIRσ

(2)

電機的端電壓等于電樞繞組感應電動勢減去電樞電阻壓降IR和漏抗壓降jIRσ，當負載導通時刻，電樞電流I變大，電機等效阻抗將消耗掉部分感應電動勢，使輸出端電壓有一定幅度的下降[9]。

(2) 電機電樞反應體現去磁特性

當轉子極劃過某一相電樞繞組的整個過程中，電樞反應對氣隙磁場的影響情況并不相同，當轉子極進入電樞繞組的過程中，根據楞次定律，電樞電流產生的附加磁場對原磁場起到去磁作用，使得該相繞組磁鏈比空載時有所減小；而當轉子極經過電樞繞組的對稱中心線離開繞組的過程中，電樞電流產生磁場對原磁場起到增磁作用，使繞組磁鏈略大于空載磁鏈，而由于電機一般工作在近飽和區域，由于磁路飽和的存在使得增磁作用不及去磁效應明顯，因此電樞效應總體體現去磁作用，使得端電壓相比空載有所減小。

2.2 脈沖負載對電壓波動率的影響

脈沖負載的工作情況可以用脈沖周期Ts、開關通斷占空比D和峰值功率PL的組合表示，每個變量的線性組合對應脈沖負載的一種工作狀態，為簡便表示每一種工作狀態，對工作狀態：峰值功率30 kW，開關周期Ts=56 ms，占空比D=0.50，省略標記為：P30_T56_D50,或向量形式(30，56，0.5)。

發電機輸出端電壓的波動情況可以用電壓波動率指標進行表征，電壓波動率表達式如下：

(3)

其中Umax為采樣數據各周期的有效值中的最大值，Umin為采樣數據各周期的有效值中的最小值，Uav為采樣數據各周期有效值的平均值。

利用有限元模型帶脈沖負載進行仿真分析，在仿真中設置濾波電容為4 mF，通過調整脈沖負載不同模態運行分析各因素對交流側電壓波動率的影響。

(1)占空比D的影響

控制負載功率為20 kW，脈沖負載周期為56 ms，當負載開關占空比D變化時系統的相關指標如圖7所示。

圖7 占空比改變時電壓波動率

由圖7可知，電壓波動率隨占空比增大呈先增后減趨勢，這是因為在占空比接近0.5時，加載和卸載兩種狀態的時間都足夠長，使加載產生的壓降效果和卸載電壓回升效果能充分體現，從而波動程度加劇。

(2)開關周期Ts的影響

控制負載功率為30 kW，占空比為0.5，脈沖負載周期Ts變化時系統的相關指標如圖8所示。

圖8 脈沖周期改變時電壓波動率

由圖8可知，在脈沖周期較小時電壓波動率隨周期增大而增大，因為隨周期增大，加卸載時間相應增長，由此產生的電壓波動效果越發明顯，而當周期達到一定值時，在一個周期內加卸載作用可以完全體現，因此當周期繼續增大時，波動率基本不變。

(3)峰值功率PL的影響

控制負載占空比為0.5，脈沖負載周期為56 ms，當負載峰值功率PL變化時系統的相關指標如圖9所示。

圖9 峰值功率改變時電壓波動率

由圖9可知，當峰值功率增加時，電樞電流加大，電樞繞組分壓作用更加明顯，且電樞反應的去磁效果也更強，使電機輸出端電壓的下降幅度更大，因此電壓的波動率也將一定程度的增大。

2.3 仿真結果與試驗對比分析

為了驗證仿真規律的準確性，利用所在團隊研制的直流脈沖負載模擬裝置，進行了柴油發電機組帶脈沖負載的試驗研究，試驗裝置如圖10和11所示。

圖10 柴油發電機組試驗裝置圖

圖11 直流側負載驗裝置圖

將系統試驗結果處理數據與仿真結果進行對比，不同占空比、脈沖周期和峰值功率的電壓波動率對比圖分別如圖12～14所示。

圖12 改變占空比對比圖

圖13 改變脈沖周期對比圖

圖14 改變峰值功率對比圖

由于條件限制，試驗所用發電機與仿真電機的型號和功率并不相同，使得兩者波動率存在一定的偏差，但其變化趨勢基本一致，驗證了仿真所得規律的正確性，同時也證明了利用有限元場路耦合模型分析脈沖負載系統的可行性，為下文分析磁飽和對電壓波動的影響奠定了基礎。

2.4 不同磁飽和狀態對結果的影響

在2.1小節已經闡明，影響電機帶載電壓降的原因主要有電樞繞組分壓和磁路飽和兩個因素，而電樞繞組的等效阻抗與繞組匝數相關，在電機設計過程中考慮到輸出功率等級要求，很難對電樞繞組匝數進行較大修改，而磁路飽與勵磁電流強度和電機定轉子材料相關，實際工程中不同的電機磁路飽和情況也會有一定差異，因此研究不同磁路飽和情況對電機帶脈沖負載的影響，并探究能否通過對磁飽和的調整達到平抑電壓波動的作用是本文分析的重點。

通過改變勵磁調節系統的給定基準電壓使空載輸出端電壓的穩定值相應的變化，因為電機設計時額定工作點一般在近飽和區，對電機電壓進行小范圍的調整就會使其飽和度產生較大的變化，以此達到改變勵磁強度從而改變電機內部磁路飽和狀態的目的。發電機勵磁狀態調整如表1所示。

表1 發電機勵磁狀態調整表

從上述分析中得知，開關通斷占空比D、開關周期Ts和峰值功率PL對電壓的波動均有一定程度的影響，不同脈沖周期和占空比影響的是脈沖負載的作用時間，與電樞反應的強弱無關，而峰值功率表示所帶負荷的大小，峰值功率越高，負載越大，電樞電流也越強，電樞反應對磁場作用越明顯。因此本小節通過改變勵磁調節系統讓電機處于不同磁飽和狀態的前提下，固定負載開關周期和脈沖占空比不變，僅改變負載峰值功率，探究不同磁飽和狀態下，電機帶不同功率負載的電壓波動情況。因勵磁調節后端電壓值也相應改變，電壓波動率指標只能反映在相應端電壓條件下電壓的相對波動幅度，因此另加入電壓波動差指標反映電壓最大值和最小值的差幅，其表達式如式(4)所示，其中Umax和Umin含義與電壓波動率相同。

ΔU=Umax-Umin

(4)

不同勵磁電流下電機端電壓的電壓波動率和電壓波動差如圖15和圖16所示。

圖15 電壓波動率對比圖

圖16 電壓波動差對比圖

如圖15可知，當電機磁路飽和增強時，電壓波動率隨之減小，但由于在改變勵磁的過程中，電機端電壓有效值也會相應變化，導致電壓波動率公式的分母存在一定差異，使得對比不同勵磁電壓波動率指標并不能直觀地反映實際電壓的波動差幅。而通過圖16的電壓波動差指標可見，隨磁路飽和增強，實際電壓波動的差值也是隨之減小的，這是由于磁路飽和起到抵消電樞反應去磁的作用，較大的磁飽和度使得電機更難退出飽和，從而帶相同負載時，氣隙磁密降低的幅度也減小，使電機的外特性變硬，當帶脈沖負載時，負載開關通斷導致的電樞電流變化對電機磁場的影響也隨之削弱，端電壓波動自然變小。

因此，針對帶脈沖負載的柴油發電機組，可以考慮在電機設計過程中，通過勵磁繞組匝數、電機定轉子鐵心材料和電樞繞組匝數的相關調整，適當提高發電機內部磁路飽和程度，以達到平抑因脈沖負載波動引起的電壓波動問題。同時提高磁路飽和程度會使電機磁阻增加，電樞繞組電感值隨之減小，后接整流器環節的換向重疊角也會相應減小，這也一定程度上削減了帶脈沖負載系統的電壓畸變情況。但是過大的磁路飽和狀態也會造成電機鐵損加大、發熱明顯等現象，因此需要把握好磁路飽和的程度，在能夠有效降低電壓波動率的同時也不對電機工作造成明顯損害。

3 結論

本文首先介紹了發電機帶脈沖負載系統的有限元場路耦合模型。其次分析了造成發電機輸出端電壓波動的兩點原因，即電機電樞繞組分壓和電樞反應的去磁特性，并探究了脈沖負載占空比、脈沖周期和峰值功率變化對電壓波動率的影響規律。開展了柴油發電機組帶脈沖負載系統試驗，將實驗與仿真結果進行對比，所得電壓波動率的變化趨勢基本吻合，驗證了仿真規律的正確性。最后通過電機磁路飽和狀態的調整，得到適當加強磁飽和可以有效平抑因脈沖負載引起的發電機輸出端電壓波動的結論，并提出針對帶脈沖負載，在電機設計過程中可以通過適當增大磁路飽和狀態，提高發電機輸出電能質量的建議。