柴油发电机组带恒功率脉冲负载运行特性研究柴油发电机组带恒功率脉冲负载运行特性研究*
为了研究柴油发电机组带脉冲负载系统的动态行为,针对脉冲负载平均功率低和峰值功率高的特征,以一种新
型脉冲负载模型为基础,分析脉冲负载各种运行模式下系统的动态特性。在MATLAB软件中搭建柴油机带脉冲
负载的系统仿真模型,研究脉冲负载参数(峰值功率PL、输出占空比D、和开关周期TS)变化时系统的运行情况。
为了表征系统运行特性,量化其电能质量,引入系统运行时的相关参数评价指标,得出参数变化时对系统指标
的影响规律。搭建柴油发电机组带脉冲负载的试验平台,通过实验验证了所建模型能够较真实地反映系统的运
行行为。
0 引言引言
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。
1 脉冲负载的系统仿真及分析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。
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 仿真结果分析仿真结果分析
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