艦船推進(jìn)試驗(yàn)電源的負(fù)載突變適應(yīng)性設(shè)計(jì)

黃 敏，陳元初，王一剛，劉 宇

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艦船推進(jìn)試驗(yàn)電源的負(fù)載突變適應(yīng)性設(shè)計(jì)

黃 敏1，陳元初1，王一剛2，劉 宇3

（1．株洲電力機(jī)車(chē)研究所有限公司，湖南 株洲 412001；2.中國(guó)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(shè)計(jì)院東北分院, 哈爾濱 150006）

艦船推進(jìn)系統(tǒng)因波浪環(huán)境或者其他特殊因素的影響，螺旋槳會(huì)有突然全速前進(jìn)或者突然空轉(zhuǎn)的負(fù)載突變情況；這就要求電源系統(tǒng)務(wù)必確保在運(yùn)行過(guò)程中能對(duì)輸出電壓進(jìn)行快速調(diào)整到系統(tǒng)可承受范圍內(nèi)。本文就是以某推進(jìn)系統(tǒng)試驗(yàn)電源為例，通過(guò)計(jì)算和仿真提出了一種滿(mǎn)足負(fù)載的突變工況的設(shè)計(jì)思路，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的正確性和合理性。

推進(jìn)電源 負(fù)載突變 響應(yīng)時(shí)間

0 引言

隨著現(xiàn)代艦船技術(shù)的發(fā)展，電驅(qū)系統(tǒng)功率越來(lái)越大，由于艦船的行駛工況突變，電驅(qū)供電系統(tǒng)的負(fù)載突變適應(yīng)性是體現(xiàn)出其性能的優(yōu)劣的關(guān)鍵性能之一。艦船推進(jìn)試驗(yàn)電源就是為考核推進(jìn)系統(tǒng)配置一種特種電源，針對(duì)負(fù)載突變工況的調(diào)整能力是考核系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)。本文以某特種整流電源系統(tǒng)為例，設(shè)計(jì)了一個(gè)直流大功率快速穩(wěn)壓系統(tǒng)，確保系統(tǒng)的直流電壓在動(dòng)態(tài)過(guò)程中能限制在推進(jìn)電力系統(tǒng)電壓安全范圍以?xún)?nèi)。

1 推進(jìn)試驗(yàn)電源介紹

艦船推進(jìn)試驗(yàn)電源系統(tǒng)是一個(gè)采用晶閘管元件作為功率器件設(shè)計(jì)的24脈波可控整流系統(tǒng)，其主電路如圖1所示。該電源系統(tǒng)由兩套12脈波整流電源系統(tǒng)串聯(lián)而成，兩套12脈波電源串聯(lián)連接24脈波輸出，中點(diǎn)接地后形成±0輸出。試驗(yàn)電源系統(tǒng)主要是模擬艦船直流供電系統(tǒng)，提供一個(gè)電壓恒定為±0的直流母線；輸出電壓的質(zhì)量直接影響推進(jìn)系統(tǒng)用電設(shè)備（如推進(jìn)變頻器）的正常工作。在額定運(yùn)行工況下，如果負(fù)載突然切出，由于電源系統(tǒng)輸出的慣性且系統(tǒng)沒(méi)有大功率快速穩(wěn)壓系統(tǒng)，直流電壓會(huì)快速升高到系統(tǒng)安全電壓以上；同樣在空載運(yùn)行工況下，如果負(fù)載突然投入，由于電源系統(tǒng)能量不能突變且系統(tǒng)沒(méi)有大功率快速穩(wěn)壓系統(tǒng)，直流電壓會(huì)快速升跌落，甚至?xí)? V，這就會(huì)嚴(yán)重影響推進(jìn)系統(tǒng)中其他設(shè)備的正常運(yùn)行。因此必須要設(shè)計(jì)一種大功率快速穩(wěn)壓系統(tǒng)來(lái)提高系統(tǒng)的負(fù)載突變適應(yīng)能力。

圖1 電源系統(tǒng)框圖

2負(fù)載突變適應(yīng)性設(shè)計(jì)

2.1負(fù)載突變工況介紹及分析

該大功率試驗(yàn)電源的負(fù)載突變適應(yīng)性考核主要是模擬艦船推進(jìn)系統(tǒng)突然甩負(fù)荷（如大浪中螺旋槳離水空轉(zhuǎn)）和突然增加負(fù)載（如緊急情況下加速行駛）的情況下，直流供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性,系統(tǒng)總輸出功率為d/d。以本系統(tǒng)為例，具體指標(biāo)如下：

1）突加負(fù)載：直流側(cè)空載工況下突加（0%總功率-50%總功率）時(shí)直流輸出電壓變化范圍要求：在額定電壓d（假設(shè)為4000 V）范圍內(nèi)波動(dòng)-12%-15%，恢復(fù)時(shí)間≤2 s；電壓波動(dòng)要求如圖2所示。

圖2 突加負(fù)載工況下的輸出電壓波動(dòng)要求

0-t1時(shí)刻，系統(tǒng)空載輸出DC4000V，在t1時(shí)刻通過(guò)負(fù)載直流斷路器投入50%負(fù)載；

t1-t2時(shí)刻，突然投入負(fù)載，變壓器和整流器無(wú)法快速響應(yīng)負(fù)載電壓和電流的突變，導(dǎo)致負(fù)載電壓瞬間跌落（t1-t2時(shí)刻），該時(shí)間可等效為大功率快速穩(wěn)壓系統(tǒng)中電容放電時(shí)間；

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

其中：r為負(fù)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(fù)載時(shí)，電容值越大，直流電壓U1跌落越小；所以在直流側(cè)加裝直流電容可限制直流電壓峰值，達(dá)到最小值波動(dòng)≤12%的要求，電容值盡可能大但是結(jié)合到工程應(yīng)用中要綜合考慮體積、成本和大電容的制造工藝等因素來(lái)設(shè)計(jì)。

t2-t3時(shí)刻，為加載造成的電壓跌落時(shí)間，同時(shí)也可理解為電容通過(guò)負(fù)載電阻自然放電時(shí)間，該時(shí)間長(zhǎng)度與電容的大小以及控制系統(tǒng)的固有響應(yīng)時(shí)間有關(guān)。

t3-t4時(shí)刻，為控制系統(tǒng)閉環(huán)控制響應(yīng)時(shí)間，通過(guò)優(yōu)化控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)。

總體來(lái)說(shuō)要求t1-t4時(shí)間≤2 s。

參數(shù)計(jì)算:

在大功率快速穩(wěn)壓系統(tǒng)中采用“延緩電壓跌落，快速啟動(dòng)閉環(huán)控制”的思路，突加負(fù)載過(guò)程可以看做是電容通過(guò)加入的負(fù)載電阻放電的過(guò)程，只要在控制系統(tǒng)固有響應(yīng)時(shí)間內(nèi)使電壓跌落≤12%，即可通過(guò)控制系統(tǒng)來(lái)調(diào)整晶閘管控制角提供負(fù)載需要的能量，確保直流電壓不再跌落。計(jì)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(fù)載電阻=4000 V/600 A；為控制系統(tǒng)固有響應(yīng)時(shí)間,考慮到一定的裕量按10 ms計(jì)算。

可以計(jì)算出電容值為約11 mF，因?yàn)橄到y(tǒng)固有響應(yīng)時(shí)間有足夠余量，所以大功率快速穩(wěn)壓系統(tǒng)中電容選擇12 mF。

2）突甩負(fù)載：直流側(cè)額定工況下突甩負(fù)載（100%總功率-0%總功率）時(shí)直流輸出電壓變化范圍要求：在額定電壓d（假設(shè)為4000 V）范圍內(nèi)波動(dòng)-12%-15%，恢復(fù)時(shí)間≤2 s；電壓波動(dòng)要求如圖3所示。

0～t1時(shí)刻，系統(tǒng)額定輸出工況，在t1時(shí)刻突甩負(fù)載；

t1～t2時(shí)刻，由于變壓器儲(chǔ)能的輸出到直流側(cè)，導(dǎo)致負(fù)載電壓瞬間升高（t1-t2時(shí)刻），該時(shí)間可等效為大功率快速穩(wěn)壓系統(tǒng)中電容充電時(shí)間；

圖3 突甩負(fù)載工況下的輸出電壓波動(dòng)要求

圖3中的“峰值”，即﹢15%額定電壓的波動(dòng)要求，與變壓器的儲(chǔ)能和大功率快速穩(wěn)壓系統(tǒng)的電容配置直接相關(guān)。在突甩負(fù)載的瞬間，變壓器儲(chǔ)能1/2(2)轉(zhuǎn)化為電容的儲(chǔ)能，根據(jù)能量守恒，忽略線路損耗和變壓器內(nèi)阻損耗有以下關(guān)系：

其中：為變壓器負(fù)載工況下勵(lì)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(fù)載時(shí)，電容值越大，直流電壓峰值1就越小；要達(dá)到峰值波動(dòng)≤15%的要求，電容值盡可能大但是結(jié)合到工程應(yīng)用中要綜合考慮體積、成本和大電容的制造工藝等因素來(lái)設(shè)計(jì)。

t2～t3時(shí)刻，該時(shí)刻為電容自然放電時(shí)間，該時(shí)間長(zhǎng)度與大功率快速穩(wěn)壓系統(tǒng)增加的泄放電阻阻值有關(guān)。

t3～t4時(shí)刻，該時(shí)段為控制系統(tǒng)閉環(huán)控制響應(yīng)時(shí)間，通過(guò)優(yōu)化控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)。總體來(lái)說(shuō)要求t1～t4時(shí)間≤2 s。

參數(shù)計(jì)算：

采用能量守恒原則，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值估算和仿真參考設(shè)計(jì)來(lái)選取電容值：

其中為突甩負(fù)載時(shí)，直流側(cè)輸出的瞬時(shí)功率；t2～t1為電壓上升時(shí)間，根據(jù)實(shí)測(cè)取0.002 s。

為了滿(mǎn)足電壓峰值≤4000*115%=4600 V，所以1取4600 V；

可以計(jì)算出電容為約4 mH，大功率快速穩(wěn)壓系統(tǒng)的電容C≥4 mH。

放電電阻就是在控制系統(tǒng)固有時(shí)間內(nèi)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(nèi)將電壓由4600 V降低到4000 V，此時(shí)電阻理論取500 Ω（放電時(shí)間為0.3～0.5 s）。

2.2仿真分析

以上述計(jì)算為基礎(chǔ)，采用MATLAB/SIMULINK軟件對(duì)該艦船推進(jìn)試驗(yàn)電源搭建了仿真模型，如圖4所示；對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行仿真驗(yàn)證,仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。在配置了大功率快速穩(wěn)壓系統(tǒng)之后，突甩負(fù)載工況下直流電壓峰值為4480 V，電壓跌落時(shí)間約為0.6 s；突加負(fù)載工況下直流電壓最小值為3580 V,響應(yīng)時(shí)間均小于2 s，完全滿(mǎn)足負(fù)載突變工況的要求。

圖4 仿真模型

圖5 突甩負(fù)載的電壓和電流仿真波形

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

在工程化應(yīng)用中以上述仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證該試驗(yàn)電源系統(tǒng)的負(fù)載突變適應(yīng)能力，檢查各項(xiàng)指標(biāo)是否符合要求，同時(shí)驗(yàn)證計(jì)算和仿真結(jié)果的正確性。根據(jù)圖6和圖7的實(shí)測(cè)波形可以看到，突甩100%額定負(fù)載工況下直流輸出側(cè)最高電壓為4400 V；突加50%額定負(fù)載時(shí)壓最低為3610 V；試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算仿真基本一致，滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

圖6 突加負(fù)載時(shí)的電壓和電流波形

圖7 突甩負(fù)載的實(shí)測(cè)電壓波形

圖8 突加負(fù)載的實(shí)測(cè)電壓波形

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種適應(yīng)負(fù)載突變的艦船推進(jìn)試驗(yàn)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路—大功率快速穩(wěn)壓系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算仿真得出各部分參數(shù)，在工程化應(yīng)用中驗(yàn)證了系統(tǒng)的合理性和正確性，該適應(yīng)性設(shè)計(jì)思路對(duì)于艦船電力推進(jìn)供電系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的負(fù)載突變適應(yīng)能力設(shè)計(jì)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(shù)。