0 引　言

随着电源技术的发展，越来越多以电力电子器件为电能转换装置的脉冲负载投入使用，在国防、医学和科学等领域的应用越来越广泛。脉冲负载是一种具有非线性和冲击性的新型负载，通过对能量的处理和转换得到各类理想的陡边沿、高幅度、高频率的电脉冲，其典型特点是负载功率变化频繁且幅度大^[1-3]。

脉冲负载对船舶这类独立电力系统带来的影响相比陆上电网更大，其对电源的冲击相当于对柴油发电机组反复进行突增与突卸负荷，引起电网中电流大幅度频繁变化^[4-5]。过高的定子电流将加剧发电机的电枢反应，使交流电流谐波增大并造成输出电压畸变，负载电流的频繁突变会破坏机组的转矩平衡，进而造成转速波动^[6]。由于系统惯性小，机电调节控制器响应时间长，电网抵御负荷扰动的能力差，可能无法及时满足脉冲性负荷瞬时功率的需求，甚至造成设备或发电机组的损坏。

脉冲负载的工作周期通常为毫秒级，其不同的工作模式对柴油发电机组输出电压与频率的影响不一样，给交流电网带来的畸变呈现周期性。脉冲负载的工作模式不同，其运行特性、对电力系统的影响及其解决方法也存在很大差异。本文针对含脉冲负载的独立电力系统，深入分析脉冲负载的运行特性和系统的动态特性，研究脉冲负载参数对系统电压、频率等电气参量的影响规律，以及脉冲负载前端的滤波电容对系统特性的影响。所得的影响规律可应用于这类系统的电源配置和参数选择，具有重要的应用价值。

1 系统结构与建模

船舶电网作为一个独立电力系统，柴油发电机组是其主要供电电源，因此可以将含脉冲负载的独立电力系统抽象为柴油发电机组-整流器-脉冲负载的典型结构，如图1所示。柴油发电机组作为系统交流电源，经整流器和LC滤波装置为脉冲负载供直流电。

1.1 柴油发电机组模型

柴油机是船舶发电机组的动力来源，柴油机将化学能转化为机械能带动发电机工作，通过电磁感应原理发电机将机械能转化为电能向负载供电，输出电流随着所带负载大小和性质的变化而变化。对于柴油发电机组来说，负荷的增减将导致柴油机转速变化进而影响电网频率，因此为了保证电网电压和频率的稳定，调速系统在动态特性和静态特性方面都必须具有较高性能。

柴油发电机组数学模型中包含同步发电机模型、柴油原动机及调速器模型和励磁调压模型，相关模型。其中，调速器的作用是在负荷变化的情况下维持柴油机转速稳定，调速环节采集柴油机转速并经控制系统向柴油机输出油门指令，原理框图如图2所示^[7-8]。

励磁调压环节的作用是为同步发电机提供稳定的励磁电流，相应地维持输出电压稳定，励磁调压环节引入同步发电机的定子电压、电流和功率因数瞬时值，原理框图如图3所示^[3,9-10]。本文选用的相复励装置动态性能好，保证了发电机的自激起压及强励性能。

1.2 脉冲负载模型

由于脉冲负载具有冲击性和非线性的特点，使得系统运行时各参量具有持续的动态波动，恶劣工况下可能威胁到电力系统的安全稳定运行。从整个电力系统的角度研究脉冲负载对系统的影响时，不需要完全掌握脉冲负载的内部结构、功能以及能量的使用情况，只需要根据运行过程中该负载与电力系统接口处的电力特征参数进行等效，以达到合理简化仿真的目的。脉冲负载直流侧供电电压相对稳定，而电流呈周期性连续脉冲状，如图4所示。其中峰值功率Ps、占空比D和周期Ts是脉冲负载的主要运行参数。

根据脉冲负载的运行特点在Matlab/ Simulink平台搭建仿真模型，如图5所示。

三相交流电源经不控整流器变换为直流电，平波电抗L和滤波电容C组成的LC滤波器起到支撑直流电压和缓冲脉冲负载对电网冲击的作用，选用可控电流源作为脉冲负载，可模拟出不同工作模式下的脉冲波形，通过设置可改变脉冲信号的峰值功率Ps、占空比D和周期Ts。运行期间其消耗的平均功率为DPs。平均功率与脉冲信号的峰值功率Ps、占空比D成正比而与周期Ts无关。

2 系统运行特性仿真分析

脉冲负载工作在设定的固定模式时，系统经调整达到动态平衡，直流电压、交流母线电压、系统频率等参数将以一定的频率和幅度随着脉冲负载进行周期性波动。本文根据柴油发电机组和脉冲负载的实际参数，基于Matlab/Simulink平台搭建独立电力系统的模型，通过仿真测试分析脉冲负载对电力系统电压与频率的影响以及脉冲负载工作模式的变化对系统参数的影响规律。

2.1 脉冲负载对电力系统参数波动的影响

设定柴油发电机组额定功率为5.8 MW，额定输出电压为6600 V，额定输出频率为50 Hz；发电机输出经6600 V/525 V变压器为不控整流器供电，直流输出电压为710 V，平波电抗L设定为0.1 mH，滤波电容C设定为2 F；设定脉冲负载峰值功率Ps=10 MW，占空比D=0.5，周期Ts=50 ms，其平均功率为5 MW。仿真结果如图6和图7所示。

图6反映出随着脉冲负载电流的周期性冲击，整流器的输出电压和脉冲负载直流侧吸收的功率也随之呈周期性波动。当脉冲负载电流处于高电平时，直流电压因脉冲负载消耗的功率迅速下降；当脉冲负载电流为0时，滤波电容充电使电压逐渐回升。

图7(a)和图7(b)为柴油发电机组输出的单相交流电压和电流波形，可以看出交流电流和电压受到脉冲负载的冲击而出现周期性畸变，其中交流电流的幅值也随着脉冲负载电流的变化而变化。图7(d)中交流频率同样随脉冲负载在某一固定值附近周期性小幅波动。图7(c)中交流电压有效值波形在6600 V附近小幅波动，与直流侧电流对比可知，脉冲负载吸收功率时发电机组输出电压下降，脉冲负载电流为0时，发电机组输出电压在调压装置作用下回升。除了与脉冲负载同频的波动，由于整流器采用6脉波不控整流形式，交流电压还叠加了300 Hz的小幅高频振荡。

2.2 脉冲负载参数对电气参量波动程度的影响

脉冲负载的工作模式不同，即峰值功率Ps、占空比D和周期Ts不同时，脉冲负载对电网运行状态的影响也大不相同。为深入研究脉冲负载参数与电力系统动态特性之间的相互作用规律，采用控制变量的方法，改变脉冲负载的一个参数，而其余脉冲参数、电网参数和前端冲击平抑装置参数固定不变，观测各电气参量波动的程度。

脉冲负载进入稳定工作状态且电力系统达到动态平衡后，各电气参量随着脉冲负载变化呈稳定的周期性波动。为量化各电气参量的波动程度，定义波动率δ_X如下式：

$ {\delta _X} = \frac{1}{N}\sum\limits_{k = 1}^N {\frac{{{X_{{\text{k}}\max }} - {X_{{\text{k}}\min }}}}{{{X_N}}}} \times 100\% 。$

(1)

式中：X表示电气参量，包括直流电压U_d，交流电压有效值U_a和交流频率f；N为采样时间内脉冲负载运行的周期数，k表示第k个周期；下标N，max，min分别表示额定值、最大值和最小值。

2.2.1 峰值功率变化

设定脉冲负载占空比D=0.5，周期Ts=50 ms，峰值功率Ps则从1 MW依次调节至10 MW，10组测试的仿真结果如图8所示。

图8(a)显示脉冲负载吸收的平均功率随着峰值功率近似线性增大。由图8(b)和图8(d)可以看出，直流侧电压和交流侧电压均随着峰值功率近似线性增大，且变化较为显著，即当脉冲负载平均功率与峰值功率均增大时，柴油发电机组的调压效果受到影响，对系统的稳定运行极为不利。图8(c)显示交流系统频率受脉冲负载峰值功率变化的影响较小，这是因为柴油机调速系统的响应时间大于脉冲负载的变化周期。

2.2.2 占空比变化

设定脉冲负载峰值功率Ps=5 MW，周期Ts=50 ms，占空比D则从0.1依次调节至0.9。9组测试的仿真结果如图9所示。

占空比变化时，图9 (a)中脉冲负载吸收的平均功率线性增大。由图9 (b)和图9(d)可以看出，直流侧电压和交流侧电压均随着占空比变化较为显著，但并非呈线性关系，而是随着占空比的增大电压波动先增长再下降，在占空比D=0.5时电压波动最大，因为当D与0.5相差越大时，脉冲负载电流为0或处于高电平的时间越长，相当于负载状态越稳定。图9(c)显示交流系统频率受脉冲负载占空比变化的影响较小，与电压波动类似频率波动程度与占空比呈非线性关系。

2.2.3 周期变化

设定脉冲负载峰值功率Ps=10 MW、占空比D=0.5，周期Ts则从10 ms依次调节至100 ms。10组测试的仿真结果如图10所示。

在周期改变时，图10 (a)中脉冲负载吸收的平均功率基本不变。由图10 (b)和图10(d)可以看出，直流侧电压和交流侧电压均随着周期似线性增大且变化非常显著，因为周期增大时脉冲负载作用时间增大，相应的对励磁调压系统的影响变大。图10(c)中显示交流系统频率受脉冲负载的影响较大，因为周期越大则越接近柴油机调速系统的相应时间，调速系统作用时间变长。

2.3 电容对电气参量波动程度的影响

对于柴油发电机组和脉冲负载来说，交流侧和直流侧的电压波动应尽量减小。电容具有平抑电压波动的能力，因此在脉冲负载工作模式不变的情况下改变整流器后的滤波电容C，观测电容参数对各电气参量波动的程度。

设定脉冲负载峰值功率Ps=10 MW，占空比D=0.5，周期Ts=50 ms，即平均功率为5 MW，滤波电容C则从0.5 F依次调节至5 F。10组测试的仿真结果如图11所示。

图11显示电容变化对电气参量波动率的影响极为显著。当滤波电容过小（C≤1.5 F）时，直流电压、交流电压和系统频率均大幅波动，此时脉冲负载吸收的平均功率低于额定功率，即脉冲负载无法正常工作。当滤波电容值增大时，电容的储能作用可以对直流电压起到更好的支撑效果，相应地交流系统电气参量波动也变小。然而滤波电容值越大，再增大电容的效果变小，电容改善电气参量波动的能力有极限，即电容值并非越大越好，电容过大还会带来直流侧响应时间变长、工程上体积与价格增长等问题。

3 结　语

本文以柴油发电机组-整流器-脉冲负载的独立电力系统为研究对象，开展了脉冲负载对独立电力系统运行特性影响的分析和研究，得到以下结论：

1）脉冲负载的周期性突变引起电力系统电压、电流和频率等电气参量的波动，并造成交流电压和电流波形的周期性畸变；

2）脉冲负载的参数对系统电气参量波动程度的影响有一定规律，直流电压和交流电压的波动程度与脉冲负载峰值功率、占空比和周期均有较大关系，而频率仅与周期关系较大；

3）滤波电容值和电气参量的波动程度密切相关，电容越大电气参量的波动程度越小，然而综合考虑其他因素选择合理的电容值即可。