摘要：分析船舶新型脈沖負(fù)載特性及其影響，提出一種大功率多模式脈沖負(fù)載抗沖擊供電系統(tǒng)及其能量緩沖單元中電容電感的計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)脈沖負(fù)載的功率平抑、能量分組、諧波治理與事故備用，保證船舶電站安全和負(fù)載高精度供電.利用MATLAB/Simulink建立含大功率雷達(dá)負(fù)載的某新型測量船綜合電力系統(tǒng)仿真模型，驗(yàn)證不同模式下脈沖負(fù)載抗沖擊供電系統(tǒng)的有效性.該結(jié)構(gòu)不僅降低脈沖負(fù)載的沖擊，還有效抑制系統(tǒng)電壓諧波，解決大功率脈沖負(fù)載在獨(dú)立電力系統(tǒng)中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)難題.

　　關(guān)鍵詞：抗沖擊供電系統(tǒng);大功率脈沖負(fù)載;綜合電力系統(tǒng);多脈波整流;電能質(zhì)量

　　隨著艦船技術(shù)的快速發(fā)展，高能武器、電磁發(fā)射裝置和新型雷達(dá)等功率脈沖型負(fù)載在船舶綜合電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛[1-2].脈沖型負(fù)載的功率脈動(dòng)無序且頻繁，沖擊峰值高，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定與電能質(zhì)量造成嚴(yán)重沖擊;另一方面，船舶綜合電力系統(tǒng)“源-網(wǎng)-荷”耦合緊密，電站容量小且轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低，僅依賴于船舶電站無法保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行.大功率脈沖負(fù)載對(duì)功率變換供電系統(tǒng)提出了更高的要求，傳統(tǒng)Buck或者Boost供電單元難以滿足.當(dāng)前高技術(shù)艦船承載的脈沖負(fù)載類型越來越多，如移動(dòng)通訊設(shè)備、高功率武器、雷達(dá)、電磁發(fā)射裝置等，具有寬工作頻率、多工作模式和峰值功率大等特點(diǎn)，且其運(yùn)行具有強(qiáng)隨機(jī)性.以大功率雷達(dá)負(fù)載為例，其工作周期為10-3～10-1s量級(jí)，長脈寬工作模式會(huì)導(dǎo)致供電系統(tǒng)功率波動(dòng)[3-4].

　　船舶論文范例：船舶自主航行關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望

　　新型大功率脈沖負(fù)載接入會(huì)造成如下影響：①電站機(jī)電調(diào)節(jié)控制器響應(yīng)時(shí)間長，綜合電力系統(tǒng)無法滿足脈沖負(fù)載瞬時(shí)功率需求，產(chǎn)生波動(dòng)或失穩(wěn)[5-6];②系統(tǒng)呈現(xiàn)寬頻域和低慣性特征，非工頻擾動(dòng)可能引發(fā)次同步間諧波問題，破壞系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行[7-8];③惡化電網(wǎng)電能質(zhì)量，干擾其他敏感負(fù)載.開展高動(dòng)態(tài)響應(yīng)升壓/降壓型變換器拓?fù)鋬?yōu)化工作，降低脈沖功率負(fù)載引起的電流紋波，避免脈沖負(fù)載對(duì)供電系統(tǒng)中直流母線的影響，是保證脈沖功率負(fù)載高性能穩(wěn)定工作的關(guān)鍵技術(shù)方法[9-10].目前，已有研究針對(duì)脈沖負(fù)載特性及其對(duì)獨(dú)立電力系統(tǒng)影響展開研究.文獻(xiàn)[11-12]研究了雷達(dá)脈沖負(fù)載的占空比、工作周期、峰值功率和濾波電容變化時(shí)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)的影響規(guī)律.文獻(xiàn)[13]通過仿真研究了電網(wǎng)運(yùn)行特性與脈沖負(fù)載工作模式之間的關(guān)系，分析了不同脈沖負(fù)載參數(shù)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行特性的影響規(guī)律和程度.

　　文獻(xiàn)[14]建立了含脈沖負(fù)載的獨(dú)立電力系統(tǒng)模型，推導(dǎo)了源載耦合關(guān)系，通過理論結(jié)合試驗(yàn)，找出交直流側(cè)之間影響的脈動(dòng)頻率規(guī)律，對(duì)不同脈沖頻率、不同脈沖負(fù)載功率展開試驗(yàn)，給出了脈沖負(fù)載功率分配表.上述文獻(xiàn)分析了脈沖負(fù)載及電路參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響，對(duì)工程設(shè)計(jì)及后續(xù)脈沖負(fù)載在獨(dú)立電力系統(tǒng)中的應(yīng)用做了重要鋪墊，但由于其所研究的脈沖負(fù)載功率較小且工作模式單一，所以采用的均是傳統(tǒng)負(fù)載供電結(jié)構(gòu).該結(jié)構(gòu)由三相變壓器、不可控整流橋、電感電容(LC)濾波器組成，因缺乏負(fù)載電流快速跟蹤響應(yīng)環(huán)節(jié)、直流母線電壓電流脈動(dòng)抑制環(huán)節(jié)、交流側(cè)諧波治理環(huán)節(jié)等功能，已無法滿足大功率多模式脈沖負(fù)載動(dòng)態(tài)響應(yīng)需求和降低負(fù)載對(duì)船舶電力系統(tǒng)影響的要求.

　　文獻(xiàn)[15]對(duì)含脈沖負(fù)載的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行研究，分析了飛輪儲(chǔ)能單元的能量緩沖作用，起到了穩(wěn)定直流母線和降低脈沖功率對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)及電站沖擊的作用，但該儲(chǔ)能方式并不適用于雷達(dá)等此類高頻脈沖負(fù)載.文獻(xiàn)[16]設(shè)計(jì)了一種混合儲(chǔ)能方案，能夠有效地使蓄電池減少放電小循環(huán)次數(shù)，消除負(fù)載脈動(dòng)對(duì)供電電源的不利影響，但對(duì)于兆瓦級(jí)負(fù)載并不適用.

　　目前，有學(xué)者提出了三相不可控整流器級(jí)聯(lián)Buck電路的新型雷達(dá)供電單元.文獻(xiàn)[17]建立新型脈沖負(fù)載等效拓?fù)浼跋鄳?yīng)的潮流計(jì)算模型，可作為含脈沖負(fù)載獨(dú)立微電網(wǎng)運(yùn)行特性及穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ).文獻(xiàn)[18]推導(dǎo)了新型脈沖負(fù)載供電結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，通過仿真分析和實(shí)物驗(yàn)證脈沖負(fù)載參數(shù)對(duì)獨(dú)立電力系統(tǒng)的影響規(guī)律.但是上述文獻(xiàn)未針對(duì)新型脈沖負(fù)載特點(diǎn)及其影響，從系統(tǒng)與負(fù)載的匹配性、系統(tǒng)運(yùn)行使用的安全性以及穩(wěn)定性等多角度對(duì)供電結(jié)構(gòu)、參數(shù)進(jìn)行研究和設(shè)計(jì).

　　本文分析了功率脈沖負(fù)載特性及其對(duì)電網(wǎng)的影響，優(yōu)化傳統(tǒng)脈沖負(fù)載供電結(jié)構(gòu)，提出一種大功率多模式脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，采用功率平抑、能量分組、諧波治理、事故備用等技術(shù)，即“多脈波變壓器+不可控整流+兩級(jí)互聯(lián)直流/直流(DC/DC)變換器”的供電結(jié)構(gòu)，并對(duì)能量緩沖環(huán)節(jié)中關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì).仿真分析不同工作模式下負(fù)載對(duì)系統(tǒng)的影響，通過傳統(tǒng)和新型脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)性能的對(duì)比，說明該結(jié)構(gòu)能顯著改善交流側(cè)電壓電流的畸變率，降低交流側(cè)功率和直流側(cè)母線電壓的波動(dòng)，驗(yàn)證了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)的正確性和有效性，對(duì)脈沖負(fù)載在獨(dú)立電力系統(tǒng)中的應(yīng)用、設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化等方面具有重要意義和參考價(jià)值.

　　1脈沖負(fù)載特性及其影響

　　1.1脈沖負(fù)載特性

　　新型脈沖負(fù)載占空比隨機(jī)變化且呈連續(xù)脈沖功率沖擊的強(qiáng)非線性特征，其功率特性既有沖擊性，又有隨機(jī)性和波動(dòng)性，具有工作頻率寬、工作模式多和峰值功率大的特點(diǎn)[19].其中：Io為脈沖電流幅值;t為時(shí)間;pu.為電力系統(tǒng)的標(biāo)么值，無單位或者認(rèn)為為“1”.　　負(fù)載呈現(xiàn)脈沖形式，特別是負(fù)載在滿載與空載模式之間工作時(shí)，可簡化成方波來表示.

　　1.2脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)模型脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)模型如圖2所示，DC/DC變換器部分可以是單級(jí)或雙極，也可以不含直流變換器.其中：ICo、ILo分別為輸出電容Co和濾波電感Lo的支路電流;Uin為輸入電壓;RLo和RCo為電容和電感的內(nèi)阻;Uo為輸出電壓.由Kirchhoff電流定律可得，Iavg+Ipul=ICo+ILo，脈沖負(fù)載引起的電流中脈動(dòng)部分Ipul會(huì)由輸出電容Co和濾波電感Lo兩條支路分?jǐn)偅�若要使供電系統(tǒng)輸入電流的脈動(dòng)盡可能減小，則需控制流過電感的電流ILo跟隨脈沖負(fù)載引起電流中的平均電流Iavg(不考慮開關(guān)頻率紋波)，而脈動(dòng)電流部分則盡量由輸出電容支路來提供，通過合理設(shè)計(jì)輸出電容大小來控制輸出電壓Uo的波動(dòng)要求.

　　通過分析脈沖負(fù)載引起電流的組成，可以獲得如下結(jié)論：①若供電系統(tǒng)中未采用DC/DC變換器，則均存在較大的輸入電流脈動(dòng)和輸出電壓波動(dòng);②若供電系統(tǒng)中采用單級(jí)DC/DC變換器，則輸出穩(wěn)壓和輸入穩(wěn)流無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)，要么允許脈沖負(fù)載功率以脈動(dòng)電流的形式出現(xiàn)在供電系統(tǒng)輸入端，要么輸出電壓存在一定的波動(dòng)范圍;③若供電系統(tǒng)采用兩級(jí)變換器級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，前級(jí)變換器允許輸出電壓存在一定的波動(dòng)來實(shí)現(xiàn)輸入電流跟隨脈沖負(fù)載引起電流的平均電流部分(即穩(wěn)定輸入電流)，中間電容為脈沖負(fù)載提供脈動(dòng)功率，后級(jí)變換器在輸入電壓波動(dòng)時(shí)控制輸出電壓的穩(wěn)定.這樣前后兩級(jí)變換器分別實(shí)現(xiàn)不同的功能，脈動(dòng)功率由中間電容來承擔(dān)，從而能夠同時(shí)保證脈沖負(fù)載的高精度供電和平抑脈沖負(fù)載對(duì)供電系統(tǒng)輸入側(cè)的沖擊.

　　2大功率多模式抗沖擊脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)優(yōu)化

　　脈沖負(fù)載種類很多，根據(jù)其功率等級(jí)、周期時(shí)間尺度和工作特點(diǎn)會(huì)采用不同的供電結(jié)構(gòu)[21].傳統(tǒng)脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)由柴油發(fā)電機(jī)組、三相變壓器、不可控整流橋、LC濾波器以及脈沖型負(fù)荷組成.新型脈沖負(fù)載供電方案將采用功率平抑、能量分組、諧波治理、事故備用等技術(shù)所構(gòu)建的電力網(wǎng)絡(luò)保證大容量船舶電站安全供電和負(fù)載精準(zhǔn)得電要求.

　　2.1功率平抑

　　具有“寬工作頻率、多工作模式和高功率”特性的新型雷達(dá)陣面會(huì)嚴(yán)重影響電網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行，所以需要采取功率波動(dòng)抑制手段.由于雷達(dá)功率波動(dòng)隨著探測目標(biāo)的軌跡呈現(xiàn)不確定性，所以須按照負(fù)載最嚴(yán)苛狀態(tài)對(duì)系統(tǒng)的影響進(jìn)行設(shè)置.如果單獨(dú)設(shè)置一套大容量平抑設(shè)備可能會(huì)造成與總體適裝性上的矛盾，同時(shí)也增加了單一故障對(duì)全船使命任務(wù)造成影響的風(fēng)險(xiǎn).因此在設(shè)計(jì)中采用從交流側(cè)到負(fù)載側(cè)，加入多級(jí)穩(wěn)壓電路的方式對(duì)脈沖負(fù)載進(jìn)行隔離.脈沖負(fù)載的傳統(tǒng)供電系統(tǒng)由柴油發(fā)電機(jī)組、三相變壓器、不可控整流橋、LC濾波器以及脈沖型負(fù)荷組成，在整流電路與脈沖負(fù)載之間加入Buck電路和Boost電路的級(jí)聯(lián)模塊，作為功率平抑裝置，減少脈沖負(fù)載對(duì)交流側(cè)系統(tǒng)的功率沖擊.

　　其中：PP為脈沖負(fù)載功率峰值;S為脈沖開關(guān);L為電感;C為電容.3脈沖負(fù)載能量緩沖單元參數(shù)設(shè)計(jì)3.1Buck電路結(jié)構(gòu)與參數(shù)的設(shè)計(jì)由于輸出直流電壓的波動(dòng)大小與輸出濾波電感和輸出濾波電容的大小有直接關(guān)系，所以在分析功率等級(jí)、開關(guān)頻率和控制方式對(duì)輸出阻抗的影響之前，有必要先給出輸出濾波器的設(shè)計(jì).

　　5結(jié)論

　　本文對(duì)含大功率脈沖負(fù)載的船舶綜合電力系統(tǒng)進(jìn)行了研究，包括脈沖負(fù)載特性和大功率多模式脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)優(yōu)化兩方面，通過理論研究和仿真分析可以得到如下結(jié)論.

　　(1)脈沖負(fù)載電流中所含諧波分量的大小只與脈沖占空比有關(guān)，諧波基頻與脈沖頻率有關(guān).(2)脈沖負(fù)載引起的電流包含脈動(dòng)電流和平均電流兩部分，其供電系統(tǒng)中直流環(huán)節(jié)可采用雙級(jí)變換器級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，降低脈沖負(fù)載沖擊并保證高精度供電.(3)在含脈沖負(fù)載的船舶電力系統(tǒng)中，不可控整流結(jié)構(gòu)較可控整流結(jié)構(gòu)更合適，通過多脈波變壓器改善電網(wǎng)電能質(zhì)量.

　　所以，大功率多模式脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)可采用“多脈波變壓器+不可控整流+兩級(jí)互聯(lián)DC/DC直流變換器”的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化電站、儲(chǔ)能與負(fù)載之間的協(xié)調(diào)能力，提升了船舶電力系統(tǒng)載荷能力與供電品質(zhì)：①通過多級(jí)能量緩沖，平抑脈沖負(fù)載沖擊并減少儲(chǔ)能元件單體的體積;②通過有效控制特殊負(fù)載的諧波污染，降低其運(yùn)行時(shí)對(duì)其他敏感性負(fù)載的影響;③通過模塊化、多冗余設(shè)計(jì)，提高特殊負(fù)載的供電生命力.本文對(duì)供電系統(tǒng)中能量緩沖單元參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和計(jì)算，但該環(huán)節(jié)的控制策略和參數(shù)優(yōu)化方面還需要進(jìn)一步研究，而且隨著脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)變復(fù)雜，其建模與穩(wěn)定分析也變得困難.下一步工作是基于本文供電結(jié)構(gòu)，建立大信號(hào)分析模型，推導(dǎo)出系統(tǒng)大擾動(dòng)下的穩(wěn)定性判據(jù)，并分析物理參數(shù)和控制參數(shù)對(duì)穩(wěn)定域的影響.

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]王新枝，夏立，張超，等.脈沖負(fù)載管理研究現(xiàn)狀[J].中國航海，2014，37(1)：39-42.　　　WANGXinzhi，XIALi，ZHANGChao，etal.Are-viewofpulsedloadmanagement[J].NavigationofChina，2014，37(1)：39-42.

　　[2]呂闖，解璞.脈沖性負(fù)載研究現(xiàn)狀與展望[J].飛航導(dǎo)彈，2017(9)：70-73.　　　LVChuang，XIEPu.Researchstatusandprospectofpulseload[J].AerodynamicMissileJournal，2017(9)：70-73.

　　[3]劉正春，朱長青，王勇，等.脈沖負(fù)載下電力系統(tǒng)暫穩(wěn)態(tài)功率特性[J].電網(wǎng)技術(shù)，2017，41(9)：3018-3024.　　　LIUZhengchun，ZHUChangqing，WANGYong，etal.Transientandsteady-statepowercharacteristicsofpowersystemwithpulsedload[J].PowerSystemTechnology，2017，41(9)：3018-3024.

　　作者：龐宇1，2，黃文燾1，吳駿2，邰能靈1，孫國亮3