柴油发电机组带恒功率脉冲负载运行特性研究*

邢 鑫，王金全，徐 晔，严 鋆，亢梦婕

(陆军工程大学 国防工程学院，江苏 南京 210007)

0 引言

随着负荷的多样性发展，为满足高功率传输信号或能量变换的需求，电力电子开关设备的应用越来越广泛，典型用电设备如高频通信负荷、相控阵雷达以及各种先进移动装备等。这类用电负荷的工作特点为平均功率小、峰值功率大，随着工作模式的变化，电流呈现脉冲特性，因此被称为脉冲负载。不同于大电力系统，柴油发电机组带脉冲负载系统主要的区别在于柴油发电机组的容量和惯性较小，机电调节控制器响应时间长，负荷扰动尤其是连续冲击性负荷对系统影响较大，不能及时满足脉冲负载对瞬时功率的需求，造成微电网抵御负载扰动的能力差，给脉冲负载下微电网运行特性分析与控制带来困难[1]。

文献[2]阐述了脉冲负载的工作机理；文献[3]设计了可用于仿真和试验分析的脉冲负载；文献[4]提到用开关和负载组合构成脉冲负载，通过控制开关的通断模拟脉冲负载的特性；文献[5]研究了脉冲负载的工作机理，设计了3种可用于试验分析的脉冲负载结构；文献[6]提出了可通过变换器结构优化来降低脉冲负载对系统冲击影响的建议，但未进行脉冲负荷变化时的运行分析；文献[7]建立了含脉冲负载的综合电力系统仿真模型，但其分析的主要是功率突变对于系统运行状态的影响。脉冲负载处于不同工作模式时对柴油发电机组输出电压与频率的影响却有较大不同，为避免柴油发电机组因脉冲负载的冲击而发生故障，目前广泛采用增大柴油发电机组容量的措施[8]，这种“大马拉小车”的方式造成了机组容量的浪费。

在工程实际中，柴油发电机组常通过整流装置为直流脉冲负载供电。本文以柴油发电机组—不控整流器—DC/DC—脉冲负载系统为研究对象，根据系统运行特点建立了引入负载功率调节的柴油发电机组模型，分析了脉冲负载工作时系统的运行情况，研究了系统的运行与脉冲负载功率、输出占空比和周期的关系，并通过实验验证了所建模型能够较为准确地反映系统的运行行为。

图1 柴油发电机组带恒功率脉冲负载系统结构原理图

1 脉冲负载的系统仿真及分析

由于柴油发电机组的运行行为非常复杂，且随着脉冲负载的周期、占空比、峰值功率反复变化，电磁关系呈非线性，很难通过解析方法进行描述。为此，针对这一系统建立系统仿真模型，进行仿真分析。

1.1 脉冲负载的系统仿真

相控阵电子雷达是一类典型的脉冲负载，负载工作时消耗的功率呈脉冲特性，显著特点是平均功率小、峰值功率大。雷达脉冲负载工作时，由于负载功率的脉冲变化，柴油发电机组不断受到加、卸载的作用，导致输出电压的畸变严重，系统始终处于动态变化的状态。为了突出研究雷达脉冲负载的脉冲特性，忽略雷达系统中冷却负载、电子显示器、伺服电机等常规设备对供电电源的影响[9]。

在雷达脉冲负载实际的工作过程中，需要控制压降在一定的范围内。而在目前已有的研究中，通常将雷达供电系统等效为柴油机—整流器—脉冲负载的模式[10]。在此系统中，主要依靠晶闸管整流器来控制直流侧电压。由于晶闸管整流器对系统的无功冲击大，会产生较大的起动压降，同时可控硅的响应时间相较于脉冲负载的变换过程较长，因此这种模拟方法存在一定的不足。DC/DC变换器具有加速平稳、快速响应的性能，可以高效率地实现电压变换和稳定输出，因此利用DC/DC变换器来稳定脉冲负载端电压对于保持系统稳定运行具有重要意义。

图2 P30kW_ T56ms_ D40仿真波形

本文以柴油发电机组—不控整流器—DC/DC变换器—脉冲负载系统为研究对象，其系统结构原理图如图1所示。基于此原理图，利用MATLAB/Simulink软件建立脉冲负载系统仿真模型[10]。

在该供电系统中，柴油发电机组输出三相交流电经不控整流器可等效为直流电源，通过LC滤波器滤波，再经过DC/DC稳压为脉冲负载供电。在实际运行中，把脉冲负载的工作模式定义为由开关周期TS，峰值功率PL和占空比D组成的表征形式。

1.2 仿真结果分析

柴油发电机组中的柴油机功率设定为50 kW，同步发电机的额定功率为50 kW，功率因数为0.8，机组的输出频率f为50 Hz，线电压U为400 V。同时，设定脉冲负载的峰值功率PL为30 kW，即R为4Ω，开关周期TS为56 ms，占空比D为0.4。仿真结果如图2所示。

图2(a)为柴油发电机组输出电流随脉冲负载功率波动的变化曲线，可以看出交流电流幅值随负载变化而出现较大幅度变化。当电系统无功率输出时，为标准正弦波；当脉冲负载消耗功率时，电流迅速增大，且畸变较为严重；当脉冲负载不吸收功率时，电流减小，三相电流的变化也是周期性的。

图2(b)反映了整个仿真过程中柴油发电机组输出频率的变化趋势：在柴油机启动时出现了轻微的波动，这是因为柴油发电机组的启动过程是一个动态调节的过程，投入运行时，柴油发电机组的励磁调压系统经过自身调节作用使系统重新进入稳定运行状态；1 s时，开关S在触发脉冲作用下控制电阻进行周期性的投切，柴油发电机组的输出频率在某一固定值附近小幅波动，这是脉冲负载周期性的功率波动造成的。

图2(c)为交流侧三相电压的波形，可以看出三相电压的波形波动较为明显，对数据进行FFT分析，得到交流电压谐波含量为22.34%。

图2(d)分别为直流低压侧电压和直流波形，其波形在一定值上下周期性波动，且周期与脉冲负载周期一致，脉冲负载按照设定的周期和占空比工作，从图中可以看出脉冲负载的峰值电流约为80 A，电压约为350 V，得出其峰值功率约为28 kW。

2 脉冲负载参数对供电系统运行指标影响规律分析

为了更好地分析脉冲负载各参数对于系统的影响、描述系统运行特性，本文引入了系统运行参数指标。交流侧指标主要有交流电压有效值Uac，电源平均输出功率Pac，电压相对偏差率RDRu以及频率波动率δf。直流侧指标主要有直流高低压侧平均值UdH、UdL，直流平均功率Pdc，直流高压侧电压波动率δuH、直流高低压侧电压波动率δuL。

2.1 改变占空比D的影响分析

设置恒功率脉冲负载高压侧滤波电容C为4 800 μF，低压侧电容为7 800 μF，峰值功率PL为30 kW，开关周期TS为56 ms，改变占空比D的大小，此时系统的各特性指标如表1所示(限于篇幅，表中列出部分数据，下同)，各指标变化趋势如图3所示，其中曲线通过MATLAB软件的CFTOOL得到。

由表1和图3可以看出，在系统中仅改变占空比D时，电压相对偏差率RDRu同样随D的增大而递增；交流电压有效值Uac与负载电压平均值UdH、UdL均在额定值附近小幅波动，变化并不显著；整流器的交流侧输入功率Pac、负载功率Pdc均随D的增大近似线性递增；频率波动率δf随着占空比先增大后减小，最大值出现在D为0.6时；而直流高压侧电压波动率δuH和直流高低压侧电压波动率δuL随着占空比先增大后减小，当占空小于0.4时，波动率随着占空比的增大而增大，当占空大于0.6时，波动率随着占空比的增大而减小。

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 改变峰值功率PL的影响分析

设置恒功率脉冲负载高压侧滤波电容C为4 800 μF，低压侧电容为7 800 μF，占空比D为40，开关周期TS为56 ms，改变峰值功率PL的大小。表2为系统的各特性指标，图4为各指标变化趋势。

当固定其余参数不变，增大脉冲负载峰值功率PL时，相当于增大脉冲负载的平均功率Pav。因此，负载功率Pdc以及电压相对偏差率RDRu与占空比改变时的趋势基本一致，都随着PL的增大而增大。但从图4中可以明显看出RDRu的变化比较平缓，从3%变化到6%左右；而与随着占空比增加变化不同，δf和直流高压侧电压波动率δuH和低压侧电压波动率δuL随峰值功率的增加而单调递增，且变化较为明显，这是因为随着PL增大时，负载的实际功率增大，系统中脉冲负载的作用越强烈，所引起的电压波动也随之增大，因而电压波动也较为明显。

2.3 改变开关周期TS的影响分析

设置恒功率脉冲负载高压侧滤波电容C为4 800 μF，低压侧电容为7 800 μF，峰值功率PL为30 kW，占空比D为50，改变开关周期TS的大小。表3为系统的各特性指标，图5为各指标变化趋势。

图4 峰值功率PL改变时系统动态特性

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 开关周期TS改变时系统的动态特性(P30_D50)

图5 开关周期TS改变时系统动态特性

从表3和图5中可以看出，开关周期TS的大小对电压相对偏差率RDRu、频率波动率δf以及直流高、低压侧电压波动率δuH、δuL都有很大的影响。由于占空比保持不变，在相同时间内，开关周期变大，相当于周期个数减少，负载消耗的平均功率基本保持不变；柴油发电机组输出的平均有功功率维持为14kW左右；相电压的有效值约为230 V，且波动幅度不大；RDRu随着TS的变大而减小，且在周期为20 ms时RDRu最大为13.65%；δf随着TS的增加而增大；δuH和δuL同样随着TS的增加而增大。

3 柴油发电机组带脉冲负载运行试验分析

3.1 柴油发电机组带脉冲负载试验分析

柴油发电机组的输出电压为单相220 V/三相400 V；DC/DC设置的高、低压侧电容参数为4 800 μF、7 800 μF，低压侧输出电压设定为350 V；以脉冲负载的导通占空比0.4、工作周期56 ms、峰值功率30 kW为例，采集试验运行中的电压、电流信号，如图6所示。

图6所示为柴油发电机组带脉冲负载的试验波形，其中图6(a)为交流侧三相电压的波形，从图中可以看出，三相电压的波形波动较为明显。图6(b)为交流侧三相电流的波形，三相电流表现为周期性的脉动。图6(c)、(d)分别为直流高压侧电压和低压侧电压波形，其波形在一定值上下周期性波动，且周期与脉冲负载周期一致。图6(e)为交流侧的功率，即柴油发电机组的输出功率，从图中可以看出柴油发电机组的输出功率也是周期性的波动。图6(f)为负载功率。

图6 柴油发电机组带脉冲负载试验波形

图7 仿真波形与试验波形对比

3.2 仿真与试验对比

为了验证本文所建立仿真模型的精确度，进一步分析和验证脉冲负载与各评价指标的关系，将实验结果与仿真结果进行比较。

3.2.1仿真与实验波形的对比

图7为仿真结果与试验波形对比图，从图中可以看出，直流母线电压的仿真波形与试验波形都随着负载的周期性冲击在额定值附近波动，负载电流呈现脉冲性，且与脉冲负载的工作模式密切相关，三相交流电流的仿真波形与试验波形基本一致。仿真结果与试验结果趋势和大小相近，说明本文所建立的仿真模型能够模拟柴油发电机组带脉冲负载的运行特性。

3.2.2仿真与实验参数变化的对比

(1)电压相对偏差率RDRu仿真和试验对比

电压相对偏差率综合反映了脉冲负载对交流电压波形的影响程度。由图8可知，电压相对偏差率RDRu随脉冲负载占空比和负载峰值功率的增大而变大，相比而言，占空比的变化对交流电压波形畸变程度影响更大；脉冲负载开关周期的增大将引起电压畸变程度降低，这是因为脉冲负载工作周期增大后，相同时间段内，脉冲个数减少，引起交流电压畸变的区间缩小，电压相对偏差率有所降低，仿真结果与试验得到的结果完全一致。

(2)直流高压侧电压波动率δuH仿真和试验对比

2) 在小港口城市平均投资回报率低下时，小港口城市会积极投资港口，从而诱发港口投资竞争。要想避免这种现象，只能提高小港口城市的平均投资回报率，使小港口城市有更多的投资领域，通过发展其他产业发展城市经济。

脉冲负载的变化直接影响直流侧电压波动率的变化，当脉冲负载工作时，负载电流变大，导致直流母线电压降低，在脉冲间歇时，几乎不消耗功率，直流母线电压渐渐变大，向额定电压靠近，频繁的冲击引起直流母线电压的不断波动。系统仿真结果与试验结果的对比如图9所示。

图8 电压相对偏差率RDRu随运行模式的变化曲线

图9 直流高压波动率δuH随运行模式的变化曲线

如图9所示，仿真得到的直流高压侧电压波动率δuH随着开关周期TS和峰值功率PL增大而增大，随着占空比D增大呈现先增大后减小的趋势，与试验所得结果一致。在占空比较小的时候，负载平均功率比较小，此时直流侧电流也比较小，直流电压下降不大，电压波动率较小，但在占空比较大时，情况则相反，电压波动率随占空比增大而变小，而当脉冲负载的占空比接近于1时，脉冲负载的特性与恒定负载特性一致，此时直流电压波动率也很小，而在脉冲负载为0.4到0.7之间时，直流母线电压的波动率最大。

(3)频率波动率δf仿真和试验对比

实验结果如图10所示。

图10 频率波动率δf随运行模式的变化曲线

由图10可以看出，交流频率波动率受脉冲负载的工作模式影响较大。仿真得到的频率波动率δf随着开关周期TS和峰值功率PL增大而增大，随占空比D的增大呈非线性变化，表现为先增大后减小的趋势，与试验所得结果一致，影响机理和直流电压波动率类似。

(4)负载实际功率Pdc仿真和试验对比

从图11可以看出，负载实际消耗功率Pdc随着占空比D和峰值功率PL的增大而增大，随着开关周期TS的增大而基本保持不变，与试验所得结果一致。与理论分析也一致，当占空比增大时，峰值功率不变，两者的乘积也随之增大；当占空比不变时，峰值功率增加，两者的乘积也会增大。从实际得到结果来看，实际功率随着占空比和峰值功率变化是有一定的差别的，主要体现在，当占空比越接近于1时，曲线的斜率越大，可以理解为此时脉冲负载近似于阻性负载，系统功率传输效率增大。

图11 负载实际功率Pdc随运行模式的变化曲线

4 结束语

本文针对恒功率脉冲负载的特点，以柴油发电机组—不控整流器—DC/DC—脉冲负载系统为研究对象，基于MATLAB/Simulink软件建立了系统的仿真模型，分析了柴油发电机组作用下脉冲负载的输出特性，研究了脉冲负载对柴油发电机组供电系统的影响，验证了对柴油发电机组的影响不仅与负载峰值功率PL有关，而且与脉冲负载的输出占空比D、开关周期TS有很大关系，并通过实验验证了所建模型能够较为准确地反映系统的运行行为，为后续进一步的分析研究奠定了基础。