文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
DOI: 10.19358/j.issn.2096-5133.2018.08.015
中文引用格式:邢鑫,,王金全,,徐曄,等.柴油發(fā)電機(jī)組帶恒功率脈沖負(fù)載運(yùn)行特性研究[J].信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)安全,,2018,37(8):62-69.
0 引言
隨著負(fù)荷的多樣性發(fā)展,為滿足高功率傳輸信號(hào)或能量變換的需求,,電力電子開關(guān)設(shè)備的應(yīng)用越來越廣泛,,典型用電設(shè)備如高頻通信負(fù)荷、相控陣?yán)走_(dá)以及各種先進(jìn)移動(dòng)裝備等,。這類用電負(fù)荷的工作特點(diǎn)為平均功率小,、峰值功率大,隨著工作模式的變化,,電流呈現(xiàn)脈沖特性,,因此被稱為脈沖負(fù)載。不同于大電力系統(tǒng),,柴油發(fā)電機(jī)組帶脈沖負(fù)載系統(tǒng)主要的區(qū)別在于柴油發(fā)電機(jī)組的容量和慣性較小,,機(jī)電調(diào)節(jié)控制器響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng),,負(fù)荷擾動(dòng)尤其是連續(xù)沖擊性負(fù)荷對(duì)系統(tǒng)影響較大,不能及時(shí)滿足脈沖負(fù)載對(duì)瞬時(shí)功率的需求,,造成微電網(wǎng)抵御負(fù)載擾動(dòng)的能力差,,給脈沖負(fù)載下微電網(wǎng)運(yùn)行特性分析與控制帶來困難[1]。
文獻(xiàn)[2]闡述了脈沖負(fù)載的工作機(jī)理,;文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了可用于仿真和試驗(yàn)分析的脈沖負(fù)載,;文獻(xiàn)[4]提到用開關(guān)和負(fù)載組合構(gòu)成脈沖負(fù)載,通過控制開關(guān)的通斷模擬脈沖負(fù)載的特性,;文獻(xiàn)[5]研究了脈沖負(fù)載的工作機(jī)理,,設(shè)計(jì)了3種可用于試驗(yàn)分析的脈沖負(fù)載結(jié)構(gòu);文獻(xiàn)[6]提出了可通過變換器結(jié)構(gòu)優(yōu)化來降低脈沖負(fù)載對(duì)系統(tǒng)沖擊影響的建議,,但未進(jìn)行脈沖負(fù)荷變化時(shí)的運(yùn)行分析,;文獻(xiàn)[7]建立了含脈沖負(fù)載的綜合電力系統(tǒng)仿真模型,但其分析的主要是功率突變對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的影響,。脈沖負(fù)載處于不同工作模式時(shí)對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組輸出電壓與頻率的影響卻有較大不同,,為避免柴油發(fā)電機(jī)組因脈沖負(fù)載的沖擊而發(fā)生故障,目前廣泛采用增大柴油發(fā)電機(jī)組容量的措施[8],,這種“大馬拉小車”的方式造成了機(jī)組容量的浪費(fèi),。
在工程實(shí)際中,柴油發(fā)電機(jī)組常通過整流裝置為直流脈沖負(fù)載供電,。本文以柴油發(fā)電機(jī)組—不控整流器—DC/DC—脈沖負(fù)載系統(tǒng)為研究對(duì)象,,根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)建立了引入負(fù)載功率調(diào)節(jié)的柴油發(fā)電機(jī)組模型,分析了脈沖負(fù)載工作時(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行情況,,研究了系統(tǒng)的運(yùn)行與脈沖負(fù)載功率,、輸出占空比和周期的關(guān)系,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所建模型能夠較為準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)的運(yùn)行行為,。
1 脈沖負(fù)載的系統(tǒng)仿真及分析
由于柴油發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行行為非常復(fù)雜,,且隨著脈沖負(fù)載的周期、占空比,、峰值功率反復(fù)變化,,電磁關(guān)系呈非線性,很難通過解析方法進(jìn)行描述,。為此,,針對(duì)這一系統(tǒng)建立系統(tǒng)仿真模型,進(jìn)行仿真分析,。
1.1 脈沖負(fù)載的系統(tǒng)仿真
相控陣電子雷達(dá)是一類典型的脈沖負(fù)載,,負(fù)載工作時(shí)消耗的功率呈脈沖特性,顯著特點(diǎn)是平均功率小,、峰值功率大,。雷達(dá)脈沖負(fù)載工作時(shí),,由于負(fù)載功率的脈沖變化,柴油發(fā)電機(jī)組不斷受到加,、卸載的作用,,導(dǎo)致輸出電壓的畸變嚴(yán)重,系統(tǒng)始終處于動(dòng)態(tài)變化的狀態(tài),。為了突出研究雷達(dá)脈沖負(fù)載的脈沖特性,,忽略雷達(dá)系統(tǒng)中冷卻負(fù)載、電子顯示器,、伺服電機(jī)等常規(guī)設(shè)備對(duì)供電電源的影響[9],。
在雷達(dá)脈沖負(fù)載實(shí)際的工作過程中,需要控制壓降在一定的范圍內(nèi),。而在目前已有的研究中,通常將雷達(dá)供電系統(tǒng)等效為柴油機(jī)—整流器—脈沖負(fù)載的模式[10],。在此系統(tǒng)中,,主要依靠晶閘管整流器來控制直流側(cè)電壓。由于晶閘管整流器對(duì)系統(tǒng)的無功沖擊大,,會(huì)產(chǎn)生較大的起動(dòng)壓降,,同時(shí)可控硅的響應(yīng)時(shí)間相較于脈沖負(fù)載的變換過程較長(zhǎng),因此這種模擬方法存在一定的不足,。DC/DC變換器具有加速平穩(wěn),、快速響應(yīng)的性能,可以高效率地實(shí)現(xiàn)電壓變換和穩(wěn)定輸出,,因此利用DC/DC變換器來穩(wěn)定脈沖負(fù)載端電壓對(duì)于保持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義,。
本文以柴油發(fā)電機(jī)組—不控整流器—DC/DC變換器—脈沖負(fù)載系統(tǒng)為研究對(duì)象,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示,?;诖嗽韴D,利用MATLAB/Simulink軟件建立脈沖負(fù)載系統(tǒng)仿真模型[10],。
在該供電系統(tǒng)中,,柴油發(fā)電機(jī)組輸出三相交流電經(jīng)不控整流器可等效為直流電源,通過LC濾波器濾波,,再經(jīng)過DC/DC穩(wěn)壓為脈沖負(fù)載供電,。在實(shí)際運(yùn)行中,把脈沖負(fù)載的工作模式定義為由開關(guān)周期TS,,峰值功率PL和占空比D組成的表征形式,。
1.2 仿真結(jié)果分析
柴油發(fā)電機(jī)組中的柴油機(jī)功率設(shè)定為50 kW,同步發(fā)電機(jī)的額定功率為50 kW,,功率因數(shù)為0.8,,機(jī)組的輸出頻率f為50 Hz,,線電壓U為400 V。同時(shí),,設(shè)定脈沖負(fù)載的峰值功率PL為30 kW,,即R為4Ω,開關(guān)周期TS為56 ms,,占空比D為0.4,。仿真結(jié)果如圖2所示。
圖2(a)為柴油發(fā)電機(jī)組輸出電流隨脈沖負(fù)載功率波動(dòng)的變化曲線,,可以看出交流電流幅值隨負(fù)載變化而出現(xiàn)較大幅度變化,。當(dāng)電系統(tǒng)無功率輸出時(shí),為標(biāo)準(zhǔn)正弦波,;當(dāng)脈沖負(fù)載消耗功率時(shí),,電流迅速增大,且畸變較為嚴(yán)重,;當(dāng)脈沖負(fù)載不吸收功率時(shí),,電流減小,三相電流的變化也是周期性的,。
圖2(b)反映了整個(gè)仿真過程中柴油發(fā)電機(jī)組輸出頻率的變化趨勢(shì):在柴油機(jī)啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)了輕微的波動(dòng),,這是因?yàn)椴裼桶l(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的過程,投入運(yùn)行時(shí),,柴油發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁調(diào)壓系統(tǒng)經(jīng)過自身調(diào)節(jié)作用使系統(tǒng)重新進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài),;1 s時(shí),開關(guān)S在觸發(fā)脈沖作用下控制電阻進(jìn)行周期性的投切,,柴油發(fā)電機(jī)組的輸出頻率在某一固定值附近小幅波動(dòng),,這是脈沖負(fù)載周期性的功率波動(dòng)造成的。
圖2(c)為交流側(cè)三相電壓的波形,,可以看出三相電壓的波形波動(dòng)較為明顯,,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT分析,得到交流電壓諧波含量為22.34%,。
圖2(d)分別為直流低壓側(cè)電壓和直流波形,,其波形在一定值上下周期性波動(dòng),且周期與脈沖負(fù)載周期一致,,脈沖負(fù)載按照設(shè)定的周期和占空比工作,,從圖中可以看出脈沖負(fù)載的峰值電流約為80 A,電壓約為350 V,,得出其峰值功率約為28 kW,。
2 脈沖負(fù)載參數(shù)對(duì)供電系統(tǒng)運(yùn)行指標(biāo)影響規(guī)律分析
為了更好地分析脈沖負(fù)載各參數(shù)對(duì)于系統(tǒng)的影響、描述系統(tǒng)運(yùn)行特性,,本文引入了系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)指標(biāo),。交流側(cè)指標(biāo)主要有交流電壓有效值Uac,,電源平均輸出功率Pac,電壓相對(duì)偏差率RDRu以及頻率波動(dòng)率δf,。直流側(cè)指標(biāo)主要有直流高低壓側(cè)平均值UdH,、UdL,直流平均功率Pdc,,直流高壓側(cè)電壓波動(dòng)率δuH,、直流高低壓側(cè)電壓波動(dòng)率δuL。
2.1 改變占空比D的影響分析
設(shè)置恒功率脈沖負(fù)載高壓側(cè)濾波電容C為4 800 μF,,低壓側(cè)電容為7 800 μF,,峰值功率PL為30 kW,開關(guān)周期TS為56 ms,,改變占空比D的大小,,此時(shí)系統(tǒng)的各特性指標(biāo)如表1所示(限于篇幅,表中列出部分?jǐn)?shù)據(jù),,下同),,各指標(biāo)變化趨勢(shì)如圖3所示,其中曲線通過MATLAB軟件的CFTOOL得到,。
由表1和圖3可以看出,在系統(tǒng)中僅改變占空比D時(shí),,電壓相對(duì)偏差率RDRu同樣隨D的增大而遞增,;交流電壓有效值Uac與負(fù)載電壓平均值UdH、UdL均在額定值附近小幅波動(dòng),,變化并不顯著,;整流器的交流側(cè)輸入功率Pac、負(fù)載功率Pdc均隨D的增大近似線性遞增,;頻率波動(dòng)率δf隨著占空比先增大后減小,,最大值出現(xiàn)在D為0.6時(shí);而直流高壓側(cè)電壓波動(dòng)率δuH和直流高低壓側(cè)電壓波動(dòng)率δuL隨著占空比先增大后減小,,當(dāng)占空小于0.4時(shí),,波動(dòng)率隨著占空比的增大而增大,當(dāng)占空大于0.6時(shí),,波動(dòng)率隨著占空比的增大而減小,。
2.2 改變峰值功率PL的影響分析
設(shè)置恒功率脈沖負(fù)載高壓側(cè)濾波電容C為4 800 μF,低壓側(cè)電容為7 800 μF,,占空比D為40,,開關(guān)周期TS為56 ms,改變峰值功率PL的大小,。表2為系統(tǒng)的各特性指標(biāo),,圖4為各指標(biāo)變化趨勢(shì),。
當(dāng)固定其余參數(shù)不變,增大脈沖負(fù)載峰值功率PL時(shí),,相當(dāng)于增大脈沖負(fù)載的平均功率Pav,。因此,負(fù)載功率Pdc以及電壓相對(duì)偏差率RDRu與占空比改變時(shí)的趨勢(shì)基本一致,,都隨著PL的增大而增大,。但從圖4中可以明顯看出RDRu的變化比較平緩,從3%變化到6%左右,;而與隨著占空比增加變化不同,,δf和直流高壓側(cè)電壓波動(dòng)率δuH和低壓側(cè)電壓波動(dòng)率δuL隨峰值功率的增加而單調(diào)遞增,且變化較為明顯,,這是因?yàn)殡S著PL增大時(shí),,負(fù)載的實(shí)際功率增大,系統(tǒng)中脈沖負(fù)載的作用越強(qiáng)烈,,所引起的電壓波動(dòng)也隨之增大,,因而電壓波動(dòng)也較為明顯。
2.3 改變開關(guān)周期TS的影響分析
設(shè)置恒功率脈沖負(fù)載高壓側(cè)濾波電容C為4 800 μF,,低壓側(cè)電容為7 800 μF,,峰值功率PL為30 kW,占空比D為50,,改變開關(guān)周期TS的大小,。表3為系統(tǒng)的各特性指標(biāo),圖5為各指標(biāo)變化趨勢(shì),。
從表3和圖5中可以看出,,開關(guān)周期TS的大小對(duì)電壓相對(duì)偏差率RDRu、頻率波動(dòng)率δf以及直流高,、低壓側(cè)電壓波動(dòng)率δuH,、δuL都有很大的影響。由于占空比保持不變,,在相同時(shí)間內(nèi),,開關(guān)周期變大,相當(dāng)于周期個(gè)數(shù)減少,,負(fù)載消耗的平均功率基本保持不變,;柴油發(fā)電機(jī)組輸出的平均有功功率維持為14kW左右;相電壓的有效值約為230 V,,且波動(dòng)幅度不大,;RDRu隨著TS的變大而減小,且在周期為20 ms時(shí)RDRu最大為13.65%;δf隨著TS的增加而增大,;δuH和δuL同樣隨著TS的增加而增大,。
3 柴油發(fā)電機(jī)組帶脈沖負(fù)載運(yùn)行試驗(yàn)分析
為驗(yàn)證上述仿真結(jié)果,與鎮(zhèn)安電力設(shè)備公司合作,,構(gòu)建了試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái),。試驗(yàn)中選擇額定功率50 kW的柴油發(fā)動(dòng)機(jī),型號(hào)為康明斯4BTA3.9-G11,;同步發(fā)電機(jī)凸極無刷勵(lì)磁,,型號(hào)為EG225-50N,功率因數(shù)為0.8,,額定輸出電壓為三相400 V,。
3.1 柴油發(fā)電機(jī)組帶脈沖負(fù)載試驗(yàn)分析
柴油發(fā)電機(jī)組的輸出電壓為單相220 V/三相400 V;DC/DC設(shè)置的高,、低壓側(cè)電容參數(shù)為4 800 μF,、7 800 μF,低壓側(cè)輸出電壓設(shè)定為350 V,;以脈沖負(fù)載的導(dǎo)通占空比0.4,、工作周期56 ms、峰值功率30 kW為例,,采集試驗(yàn)運(yùn)行中的電壓,、電流信號(hào),如圖6所示,。
圖6所示為柴油發(fā)電機(jī)組帶脈沖負(fù)載的試驗(yàn)波形,,其中圖6(a)為交流側(cè)三相電壓的波形,從圖中可以看出,,三相電壓的波形波動(dòng)較為明顯。圖6(b)為交流側(cè)三相電流的波形,,三相電流表現(xiàn)為周期性的脈動(dòng),。圖6(c)、(d)分別為直流高壓側(cè)電壓和低壓側(cè)電壓波形,,其波形在一定值上下周期性波動(dòng),,且周期與脈沖負(fù)載周期一致。圖6(e)為交流側(cè)的功率,,即柴油發(fā)電機(jī)組的輸出功率,,從圖中可以看出柴油發(fā)電機(jī)組的輸出功率也是周期性的波動(dòng)。圖6(f)為負(fù)載功率,。
3.2 仿真與試驗(yàn)對(duì)比
為了驗(yàn)證本文所建立仿真模型的精確度,,進(jìn)一步分析和驗(yàn)證脈沖負(fù)載與各評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)系,將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行比較。
3.2.1 仿真與實(shí)驗(yàn)波形的對(duì)比
圖7為仿真結(jié)果與試驗(yàn)波形對(duì)比圖,,從圖中可以看出,,直流母線電壓的仿真波形與試驗(yàn)波形都隨著負(fù)載的周期性沖擊在額定值附近波動(dòng),負(fù)載電流呈現(xiàn)脈沖性,,且與脈沖負(fù)載的工作模式密切相關(guān),,三相交流電流的仿真波形與試驗(yàn)波形基本一致。仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)和大小相近,,說明本文所建立的仿真模型能夠模擬柴油發(fā)電機(jī)組帶脈沖負(fù)載的運(yùn)行特性,。
3.2.2 仿真與實(shí)驗(yàn)參數(shù)變化的對(duì)比
(1)電壓相對(duì)偏差率RDRu仿真和試驗(yàn)對(duì)比
電壓相對(duì)偏差率綜合反映了脈沖負(fù)載對(duì)交流電壓波形的影響程度。由圖8可知,,電壓相對(duì)偏差率RDRu隨脈沖負(fù)載占空比和負(fù)載峰值功率的增大而變大,,相比而言,占空比的變化對(duì)交流電壓波形畸變程度影響更大,;脈沖負(fù)載開關(guān)周期的增大將引起電壓畸變程度降低,,這是因?yàn)槊}沖負(fù)載工作周期增大后,相同時(shí)間段內(nèi),,脈沖個(gè)數(shù)減少,,引起交流電壓畸變的區(qū)間縮小,電壓相對(duì)偏差率有所降低,,仿真結(jié)果與試驗(yàn)得到的結(jié)果完全一致,。
(2)直流高壓側(cè)電壓波動(dòng)率δuH仿真和試驗(yàn)對(duì)比
脈沖負(fù)載的變化直接影響直流側(cè)電壓波動(dòng)率的變化,當(dāng)脈沖負(fù)載工作時(shí),,負(fù)載電流變大,,導(dǎo)致直流母線電壓降低,在脈沖間歇時(shí),,幾乎不消耗功率,,直流母線電壓漸漸變大,向額定電壓靠近,,頻繁的沖擊引起直流母線電壓的不斷波動(dòng),。系統(tǒng)仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如圖9所示。
如圖9所示,,仿真得到的直流高壓側(cè)電壓波動(dòng)率δuH隨著開關(guān)周期TS和峰值功率PL增大而增大,,隨著占空比D增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),與試驗(yàn)所得結(jié)果一致,。在占空比較小的時(shí)候,,負(fù)載平均功率比較小,此時(shí)直流側(cè)電流也比較小,,直流電壓下降不大,,電壓波動(dòng)率較小,,但在占空比較大時(shí),情況則相反,,電壓波動(dòng)率隨占空比增大而變小,,而當(dāng)脈沖負(fù)載的占空比接近于1時(shí),脈沖負(fù)載的特性與恒定負(fù)載特性一致,,此時(shí)直流電壓波動(dòng)率也很小,,而在脈沖負(fù)載為0.4到0.7之間時(shí),直流母線電壓的波動(dòng)率最大,。
(3)頻率波動(dòng)率δf仿真和試驗(yàn)對(duì)比
實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示,。
由圖10可以看出,交流頻率波動(dòng)率受脈沖負(fù)載的工作模式影響較大,。仿真得到的頻率波動(dòng)率δf隨著開關(guān)周期TS和峰值功率PL增大而增大,,隨占空比D的增大呈非線性變化,表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢(shì),,與試驗(yàn)所得結(jié)果一致,,影響機(jī)理和直流電壓波動(dòng)率類似。
(4)負(fù)載實(shí)際功率Pdc仿真和試驗(yàn)對(duì)比
從圖11可以看出,,負(fù)載實(shí)際消耗功率Pdc隨著占空比D和峰值功率PL的增大而增大,,隨著開關(guān)周期TS的增大而基本保持不變,與試驗(yàn)所得結(jié)果一致,。與理論分析也一致,,當(dāng)占空比增大時(shí),峰值功率不變,,兩者的乘積也隨之增大,;當(dāng)占空比不變時(shí),峰值功率增加,,兩者的乘積也會(huì)增大,。從實(shí)際得到結(jié)果來看,實(shí)際功率隨著占空比和峰值功率變化是有一定的差別的,,主要體現(xiàn)在,,當(dāng)占空比越接近于1時(shí),曲線的斜率越大,,可以理解為此時(shí)脈沖負(fù)載近似于阻性負(fù)載,系統(tǒng)功率傳輸效率增大,。
4 結(jié)束語
本文針對(duì)恒功率脈沖負(fù)載的特點(diǎn),,以柴油發(fā)電機(jī)組—不控整流器—DC/DC—脈沖負(fù)載系統(tǒng)為研究對(duì)象,基于MATLAB/Simulink軟件建立了系統(tǒng)的仿真模型,,分析了柴油發(fā)電機(jī)組作用下脈沖負(fù)載的輸出特性,,研究了脈沖負(fù)載對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組供電系統(tǒng)的影響,驗(yàn)證了對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的影響不僅與負(fù)載峰值功率PL有關(guān),而且與脈沖負(fù)載的輸出占空比D,、開關(guān)周期TS有很大關(guān)系,,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所建模型能夠較為準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)的運(yùn)行行為,為后續(xù)進(jìn)一步的分析研究奠定了基礎(chǔ),。
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(收稿日期:2018-03-10)
作者簡(jiǎn)介:
邢鑫(1994-),通信作者,男,,碩士。主要研究方向:新能源與智能電網(wǎng),。Email:[email protected]
王金全(1963-),男,,教授。主要研究方向:新能源與智能電網(wǎng),。
徐曄(1964-),,女,副教授,。主要研究方向:新能源與智能電網(wǎng),。
*基金項(xiàng)目:江蘇省自然科學(xué)基金(BK20170573)