基于大功率脉冲负载供电需求的综合电力系统仿真研究

陈 涛 丁敏飏

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

0 引 言

现代船舶配置的大功率脉冲负载工作的脉冲功率可达到兆瓦级，其工作时可能导致电网电压、频率频繁波动，对发电机组和其他用电设备造成不利影响，因此在设计阶段需要对发电机组和大功率脉冲负载进行供电动态分析，以满足大功率脉冲负载的供电需求。另外，大功率脉冲负载为大功率非线性负载，对电网的谐波含量影响较大，并且电力推进船舶电力推进设备本身也是重要的谐波源，艏部侧推装置若也使用的是变频调速形式，有必要根据本船实际使用工况，对电网谐波含量进行全面分析计算，并提出相应的谐波控制措施。经过上述理论分析和仿真研究，最终保证电网电压、频率波动和谐波含量均控制在规范规定的范围内，系统内各设备均能安全可靠地运行。

1 大功率脉冲负载设备供电方案

1.1 大功率脉冲负载设备使用工况

基于下述电站配置进行使用工况分析：主电站配置AC 690 V 50 Hz 1 250 kW柴油发电机组4台。在使用大功率脉冲负载时，主要分为仅使用大功率脉冲负载以及使用大功率脉冲负载+动力控位2种工况。2种工况推进功率约为540 kW，大功率脉冲负载最大功率约为1 MW。实际在使用大功率脉冲负载时，对于发电机组使用台数存在1 250 kW×2、1 250 kW×3、1 250 kW×4等3种情况。

1.2 供电方案分析

大功率脉冲负载为周期性脉冲负载，使用大功率脉冲负载工况时，主电站存在使用2台、3台和4台1 250 kW机 组 并 联 的 情 况。1 250 kW机组柴油机满足瞬态调速率的加载方式为3级加载（0→50%→80%→100%），卸载方式为100%卸载。若考虑脉冲负载直接加载至发电机组上，则加载情况最恶劣的为使用2台机组并联的情况，每台机组承载500 kW，约占机组功率40%；使用3台机组并联时，每台机组加载333 kW，约占机组功率的26.6%；使用4台机组并联时，每台机组加载250 kW，约占机组功率的20%。大功率脉冲负载设备频繁的工作，相当于发电机组突加突卸负载，造成机组转速频繁下降、上升，电网频率会因此频繁波动，这对船上用电设备是不利的，如各类泵、风机等，电网频率变化其转速也将变化，影响其送油、送水和送风量。此外，周期性大功率脉冲负载也对发电机端电压产生影响，使电网电压频繁波动。

对于采用2台机组并联的情况，若脉冲负载是突加形式，则机组调速特性较难满足要求，必须采取一定的控制措施。在目前的船舶应用中，有与大功率脉冲负载工作性质相似的系统，采用的是“飞轮+直流发电机”的形式，为设备供电专用机组，如图1所示。飞轮的作用是在脉冲不工作时进行储能，脉冲工作时的能量需求来自飞轮施放的能量及柴油机施放的能量之和，因为飞轮的加入，弥补了柴油机本身加载能力及响应能力的不足。柴油机和飞轮之间的合理匹配是设计的难点，需要进行严格的分析论证与计算。从目前实船的使用情况看，各方面性能指标都较好，这也为大功率脉冲负载的供电方案提供一定的参考。

图1 飞轮+直流发电机

但对于采用综合电力推进系统的船舶，若采用专门的柴油发电机组供大功率脉冲负载使用，则丧失了综合电力推进系统的优势。因此提出主电站发电机组直接进行脉冲功率加载的供电方案，需要优化大功率脉冲负载设备脉冲负载性质，使其对电网的影响降至最低，保证电网品质满足规范要求，系统内各设备均能安全可靠地工作。

1.3 大功率脉冲负载设备负载特性

由于主电站发电机组加载特性和调速性能较为固定，因此要降低大功率脉冲负载对电网的影响，只能对大功率脉冲负载自身的负载特性进行调整，使之既要满足设备本身的技术指标，又要将其对电网的影响降至可接受的范围内。对于大功率脉冲负载负载特性的调整，提出了两种方案：

方案1：设备本身增加储能环节。大功率脉冲负载储能环节原理见下页图2。脉冲启动前，飞轮电池储存能量，与脉冲电源一起处于待机状态。脉冲电源直接从电网获取能量，飞轮电池从脉冲电源待机状态时获取能量。二者能量合成即为脉冲负载所需能量。由于增加了储能环节，大功率脉冲负载对电网来说由周期性脉冲负载变为较为连续的负载，且瞬间功率需求不大，对电网的冲击较小。

图2 脉冲储能环节原理图

方案2：不需要增加其他的硬件设备，只对脉冲波形进行优化设计，将脉冲的前后沿设计成坡状，以降低对电网的冲击，但需兼顾设备的性能指标。经初步估算，采用飞轮电池方案，需要增加额外的空间需求，费用较高，可靠性也有待进一步验证。因此大功率脉冲负载设备还是考虑采用将负载脉冲设计成带有前后缓冲沿的方案。

根据大功率脉冲负载设备的工作特性，脉冲负载有单脉冲、脉冲串两种类型，负载功率因数（0.95～0.99），几乎为呈纯阻性有功负载。单脉冲共有3种，满功率脉冲为1 MW，上升沿与下降沿时间分别如图3所示。

图3 单脉冲负载

组合脉冲串由相同功率的首尾短脉冲、中心长脉冲构成，上升沿与下降沿时间如图4所示。

图4 组合脉冲串负载

2 大功率脉冲负载设备工作时对电网的影响

大功率脉冲负载设备采用直接连接至母船AC 690 V电网的供电方式，根据大功率脉冲负载波形及功率因数，对机组并联供电运行的情况进行仿真，仿真主要按机组电压波动及转速波动两个方面进行，以判断大功率脉冲负载设备工作时对电网的影响。

2.1 发电机励磁方式的选择

由于大功率脉冲负载功率因数较高，因此发电机的励磁系统设计需要考虑励磁系统对高功率因数负载以及脉冲负载的适应性。

无刷发电机以其故障少、可靠性高、运行时不产生火花等优点，而广泛地应用在各行各业中。根据励磁机定子所取励磁电源的不同，无刷发电机的励磁方式可分为端电压励磁方式、相复励励磁方式、谐波励磁方式和永磁励磁方式等。

由于谐波励磁方式需要在电机定子绕组中增加1套单独的谐波绕组，增加了电机的设计难度；而永磁励磁方式需增加1个永磁发电机，增加了整个电机系统的复杂性，同时增加了发电机的体积和质量，因此这两种励磁方式较少采用。

目前船用领域发电机励磁系统主要有采用相复励励磁方式和端电压励磁方式。相复励励磁系统的复励合成特性使得该励磁系统不能带容性负载；端电压励磁方式时，无论发电机带感性负载还是容性负载，只要AVR工作范围允许内，励磁电流均能有序变化，能够满足任何负载状态下的励磁电流需求。

大功率脉冲负载存在功率因数较高的情况，发电机多机并联时，单机短暂存在由于无功分配不均导致运行在容性电流下的情况的可能性，考虑到相复励励磁方式不能带容性负载，为了增加发电机的运行安全性，发电机的励磁方式更适合采用端电压励磁方式。

为了验证端电压励磁方式下的发电机带脉冲负载的工作性能，采用了建模仿真进行验证。

2.2 端电压励磁方式下发电机带脉冲负载仿真

2.2.1 柴油发电机组模型

柴油发电机组由柴油原动机、调速器、发电机和调压装置构成，控制系统结构框图见图5。

图5 发电机组控制系统结构框图

柴油机调速系统主要由转速反馈输入、控制调节、执行机构输出和外围控制开关等环节组成。文中使用的柴油发电机组分析对象采用Woodward电子调速，其原理框图见图6。

图6 柴油机调速系统数学模型

同步发电机采用Simulink自带的3阶同步发电机模型，并采用IEEE AC-Type1型励磁系统模型中的相关部分作为本环节的数学模型，见图7。

图7 发电机励磁系统数学模型

基于前述的柴发机组数学模型已经建立了发电机组的柴油机组整机、调速器、励磁调节器灰盒模型。本文电站使用的1 250 kW机组与某型船的机组同型号，利用某型船的摸底试验实测数据调整仿真模型的调速器、励磁调节器参数，进行模型标定工作。

2.2.2 脉冲负载模型

根据脉冲负荷的输入情况，利用电力电子元件进行仿真建模，使电气外特性与输入一致，如图8所示。

图8 脉冲负载数字仿真模型

2.2.3 系统运行工况分析

根据对使用脉冲负载的工况分析和脉冲功率情况，各工况汇总见表1。

表1 工况汇总表

最恶劣工况为2台1 250 kW机组带1 MW脉冲负载，此时单台机最大负荷变化率为49.6%～89.6%。

2.2.4 运行工况仿真

2.2.4.1 单脉冲试验1 MW

算例为2台1 250 kW机组，在49.6%负载情况下加1 MW单脉冲负载至89.6%额定功率的情况。单脉冲1 MW负载上升沿为2 s，脉冲串中1 MW负载上升沿为1 s，因此进行两组试验。

仿真结果见下页图9。第3幅子图为负载电流，显示在推进负载、日用负载基础上加入了脉冲负载后的情形。由于脉冲负载为纯有功（功率因数趋近于1），对机端电压影响较小（第2幅图），主要影响转速（第1幅图）。在脉冲负载上升完毕后，由于转速调节器存在一定的迟滞，因此实际转速会比稳态特性有一欠调。该欠调幅度直接影响机组的瞬态调速率的计算值；同理，在脉冲负载下降完毕后，实际转速相对于稳态特性有一超调。由仿真结果可知，该工况下机组的最大瞬态调速率为2.1%，最大瞬态调压率为1.5%，符合CCS的相关标准。

图9 双机组带1 MW脉冲负载，上升沿2 s

其次，考虑一个更加严酷的工况，即上升沿为1 s。该工况虽然在单脉冲时不会出现，但会出现在组合脉冲串中，因此需要特别予以考虑。

仿真结果见下页图10，在该过程中机组的最大瞬态调速率为2.7%，最大瞬态调压率为2.2%，符合CCS 2018的标准。

图10 双机组带1 MW脉冲负载，上升沿1 s

其他各种单脉冲负载的具体过程不再赘述，仿真结果表明，施加单脉冲负载时，系统能够满足CCS 2018规定的瞬态电压、频率指标的规定。

2.2.4.2 500 kW组合脉冲试验

算例中取作1组短脉冲-1组长脉冲-1组短脉冲构成脉冲串，长脉冲时间缩短为4 s。仿真结果见下页图11。

图11 双机组带500 kW 脉冲串仿真结果

通过仿真结果可得，500 kW脉冲串投入时造成2.2%的转速变化和1.1%的电压波动，系统电压、频率能满足CCS标准的要求。

2.2.4.3 1 MW组合脉冲试验

1 MW组合脉冲的情况较500 kW组合脉冲特殊之处在于中央长脉冲的上升沿、下降沿为1 s，较为陡峭，且与前后短脉冲间隔时间相近。根据仿真结果见图12，1 MW脉冲串投入时造成3.7%的转速变化及2.4%的电压波动，系统电压、频率能满足CCS标准。

图12 双机组带1 MW脉冲串仿真结果

其他各种脉冲串负载的具体过程不再赘述。仿真结果表明，施加脉冲串负载时，系统也能满足规范的相关要求。

2.2.4.4 仿真结论

投入1 MW单脉冲负载时，最恶劣情况下（双机在网），瞬态调速率＜2.1%，稳定时间＜1 s；瞬态调压率＜1.5%，稳定时间＜1.5 s。

投入1 MW脉冲串时，最恶劣情况下（双机在网），转速变化率＜55 r/min，瞬态调速率＜3.7%，稳定时间＜3 s，瞬态调压率＜2.4%，稳定时间＜2 s。

仿真计算表明，按照当前1 250 kW柴油发电机组配置，瞬态调压调速性能和稳定时间均可以满足CCS2018的要求。

3 多工况下电网谐波含量分析计算及谐波控制方式

3.1 谐波的产生与危害

在供电系统中，产生谐波的根本原因是由于给具有非线性阻抗特性的电气设备（又称非线性负荷）供电的结果。这些非线性负荷在工作时向电源反馈高次谐波，导致供电系统的电压、电流波形畸变，供电质量变坏。

谐波的危害表现为引起电气设备（电机、变压器和电容器等）附加损耗和发热；使同步发电机的额定输出功率降低，转矩降低，变压器温度升高，效率降低，绝缘加速老化，缩短使用寿命，甚至损坏；降低继电保护、控制和检测装置的工作精度和可靠性等。谐波注入电网后会使无功功率增大，功率因数降低，甚至可能引发并联和串联谐振，损坏电气设备和干扰通信线路的正常工作。

3.2 电网谐波抑制方法

解决谐波问题的主要思路：

（1）就地补偿，如采用多脉动整流或具有有源滤波器性能的可控整流器及逆变器，从源头上抑制或消除电力系统谐波；

（2）集中补偿，设计无源电力滤波器或有源滤波来抑制或消除非线性负载产生的谐波污染。

3.3 电网谐波计算与谐波控制方式选择

由于装备有大功率脉冲负载设备的船舶采用电力推进系统，电网谐波源较多，需要根据实际使用工况，对电网谐波含量进行全面的分析和计算，为系统谐波控制设计提供依据。

主要谐波源计算参数如下：

（1）电力推进设备（2套）：拟定推进电机额定输出功率1 800 kW；单轴电力推进设备采用12脉动整流，双轴构成虚拟24脉动整流；单轴电力推进设备电网输入端谐波电流占基波电流比例≤20%。

（2）大功率脉冲负载设备（1套）：最大功率需求为1 MW；电网输入端功率因数≥0.93；采用有源滤波型前端，电网输入端谐波电流占基波电流比例≤10%。

（3）艏部变频侧推装置（2套）：拟定额定功率600 kW，采用有源滤波型前端。

本船采用综合电力推进系统，主电站设4台1 250 kW发电机组，通过AC 690 V主配电板为电力推进设备、大功率脉冲负载设备、艏部变频侧推装置和日用变压器提供电源。390 V日用配电板由690 V/390 V日用变压器提供电源。根据不同使用工况，分别计算690 V主配电板、390 V日用配电板的总谐波电压畸变率THD，计算结果见下页表2。

表2 谐波计算工况表

由上述计算结果可知，电网谐波含量最高的为工况4，此时仅开2台发电机组，谐波源为电力推进设备和大功率脉冲负载设备，AC 690 V配电板处的总谐波电压畸变率THD为4.79%，接近于CCS规范要求的5%。总体在设计上可不增加额外的滤波设备，另外在690 V配电板上设置备用开关，可便于后续根据实际情况加装滤波设备。

4 结 语

根据船舶配置的电站的实际情况，将脉冲的前后沿设计成坡状，以降低对电网的冲击。另外确定端电压励磁的方式，以适应高功率因数负载和脉冲负载的特性需求。运用仿真软件，建立发电机组模型进行仿真计算，仿真结果表明：目前所选用的发电机组，在带大功率脉冲负载时，所产生的电网电压、频率的波动，均在CCS 2018所要求的电网稳态指标范围内，大功率脉冲负载设备的供电方案合理可行。对该船各工况下电网谐波含量进行全面分析和计算，各工况下各配电板处的总谐波电压畸变率

THD

均小于5%，满足CCS的相关要求。