CN104821764B - 一种依据系统动态特性的脉冲负载的功率等效方法 - Google Patents
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Abstract
一种依据系统动态特性的脉冲负载的功率等效方法。一种针对脉冲负载的功率等效方法，确定衡量柴油发电机组‑整流器‑脉冲负载，根据柴油机与同步发电机的功率比的区别选用不同类型的柴油发电机组，按照连续脉冲非线性负载等效模拟方法，通过调整整流器‑脉冲负载端的IGBT的触发脉冲或改变负载的等效阻值模拟DRP系统的多种运行模式；根据DRP系统中各相关因素对动态特性的影响规律，神经网络模型的输入端为机组类型、滤波电容、峰值功率、开关周期、占空比，输出端为电压波动、频率波动、电压总谐波畸变率。
Description
技术领域：
本发明涉及一种针对脉冲负载的功率等效方法，主要应用于以柴油发电机组作为电源的孤立电力系统中，直流脉冲负载为主要用电负荷，系统中包含整流器及无源滤波器件。
技术背景：
柴油发电机组是利用柴油机带动同步发电机运转产生电能的中小容量电源，由柴油机、同步发电机、调压调速装置及其它附属器件组成，具有体积小，起动快速，经济可靠，维护方便等优点，广泛用作通信基站、海上钻井平台、移动装备的主电源或备用电源，尤其在公共电网无法覆盖到的边防海岛等偏远地区发挥着重要的作用。
随着信息技术的发展，为满足高功率传输信号或能量变换的需要，大量电力电子开关器件应用于数字设备的开关电源，如通信基站，雷达发射车以及各种先进移动装备等。由于开关器件的存在，这类用电设备在正常工作时消耗的功率并不均匀，呈脉冲特性，表现在平均功率较低，但峰值功率较大，因此被称作脉冲负载。与传统线性负载不同，脉冲负载不仅在起动和停机时对电源有冲击作用，而且其正常运行时的功率突变也对电源形成反复地加载与卸载作用，引起输电线路中电流大幅频繁变化，影响电力系统中电源的输出特性，因此，含脉冲负载的独立电力系统的动态运行行为与普遍发供电系统有很大不同。
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，可将该系统抽象为柴油发电机组-整流器-脉冲负载(Diesel generator set-Rectifier-Pulsedload,DRP)系统。由于脉冲负载的功率周期性地大幅度变化，柴油发电机组的输出电流随着负载功率变化出现周期性大幅波动，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影响气隙磁势，造成输出电压畸变，负载电流的频繁突变还会破坏柴油发电机组的转矩平衡，造成转速波动。当脉冲负载作用强烈时，还可能造成机组停运引起供电中断，影响设备的正常工作，甚至损坏发电机组或用电设备。
在DRP系统中，脉冲负载处于不同工作模式时消耗的功率差别较小，但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，由于缺乏对系统动态特性的深入分析，难以针对DRP系统的运行模式选配功率适当的柴油发电机组，一方面可能造成机组过度配置，浪费资源，另一方面可能因机组功率不足，难以保证脉冲负载在任意工况下均正常运行。实践表明，脉冲负载对柴油发电机组供电系统的影响不仅与负载功率有关，而且同系统结构参数以及脉冲负载的工作模式有关。
因此，分析脉冲负载不同工作模式下DRP系统的动态特性，以各相关因素对系统动态特性的影响规律为依据，研究直流脉冲负载的功率等效方法，实现脉冲负载与柴油发电机组的匹配选型，具有重要的理论意义与工程应用价值。
发明内容：
本发明的目的是，提出一种针对脉冲负载的功率等效方法，包括衡量DRP系统动态特性的指标及功率等效基准的确定方法。根据柴油机与同步发电机的功率比的区别选用不同类型的柴油发电机组；采用IGBT作为直流开关控制电阻负载的通断来模拟脉冲负载，根据连续脉冲非线性负载等效模拟方法，通过调整IGBT的触发脉冲或改变负载的等效阻值模拟DRP系统的多种运行模式。根据DRP系统中各相关因素对动态特性的影响规律，利用一系列试验数据建立反映系统运行模式与系统动态特性之间指标映射关系的神经网络模型，结合脉冲负载作用下系统稳定运行的边界条件及功率等效基准，提出量化脉冲负载对柴油发电机组供电系统影响的功率等效方法。
本发明的技术方案是：一种针对脉冲负载的功率等效方法，确定衡量柴油发电机组-整流器-脉冲负载即DRP系统动态特性的指标及功率等效基准，根据柴油机与同步发电机的功率比的区别选用不同类型的柴油发电机组，按照连续脉冲非线性负载等效模拟方法，通过调整整流器-脉冲负载端的IGBT的触发脉冲或改变负载的等效阻值模拟DRP系统的多种运行模式；根据DRP系统中各相关因素对动态特性的影响规律，利用系列试验数据建立反映系统运行模式与系统动态特性之间指标映射关系的神经网络模型，神经网络模型的输入端为机组类型、滤波电容、峰值功率、开关周期、占空比，输出端为电压波动、频率波动、电压总谐波畸变率；再结合DRP系统脉冲负载作用下系统稳定运行的边界条件及功率等效基准，提出量化脉冲负载对柴油发电机组供电系统影响的功率等效方法：若系统中的电压波动、频率波动与电压总谐波畸变率等动态特性指标均满足稳定运行条件，可根据脉冲负载的功率等效基准确定其相对于柴油机的等效功率，该等效功率可作为脉冲负载选配柴油发电机组的依据。
如某脉冲负载的额定功率为15kW，其工作过程中的峰值功率介于60kW和20kW之间，占空比变化范围为0.25～0.75，开关周期范围为20～80ms，系统中等效滤波电容值为4000μF，在系统运行过程中，最大电压波动为42.68％，最大频率波动为4.92％，最大电压总谐波畸变率为11.08％，与电压波动和频率波动相对应的等效功率分别为51.19kW和25.21kW，故该脉冲负载的最终等效功率为51.19kW。为留有一定的裕度，针对采用36kW柴油机的发电机组，所选配的同步发电机额定功率应不小于55kW。
柴油机及其调速器型号保持固定，同步发电机均为同一系列产品，且AVR为同一型号，发电机组的类型为常规机组(柴油机与发电机额定功率之比为1.2:1)，小带大机组(柴油机与发电机额定功率之比值小于1.2)，大带小机组(柴油机与发电机额定功率之比值大于1.2)。
柴油发电机组中的调速、调压方式固定不变，整流器采用可控硅整流，滤波电感与电容值可调节。
如小带大机组(柴油机与发电机额定功率之比为0.72:1)，大带小机组(柴油机与发电机额定功率之比为1.8:1)。
柴油发电机组中的调速、调压方式固定不变，整流器采用可控硅整流，滤波电感与电容值可调节。
柴油发电机组-整流器-脉冲负载系统中不含有源电力滤波器(Active PowerFilter,APF)，功率因数补偿器(Power Factor Compensation,PFC)等谐波抑制装置。
提出的脉冲负载等效功率是相对于柴油机的等效功率，该等效功率可作为脉冲负载选配柴油发电机组的依据。
根据DRP系统的结构及运行原理，构建仿真模型与试验装置分别如图1和图2所示。在图1所示的仿真模型中，模块“Synchronous Machine”为同步电机，“Speed_Gov”为含柴油机一阶传递函数模型的调速器，“AVR”为发电机的励磁调压器，“Controlled Rectifier”为可控整流器，“L”和“C”分别为系统中等效滤波电感和电容，“Ideal Switch”为理想直流开关，“Pulse Generator”为控制直流开关通断的触发脉冲发生器，可调节脉冲负载开关周期与占空比，“R”为电阻负载，通过改变阻值可调节负载峰值功率，“iL”和“Vd”分别为电流和电压检测模块，1、2为检测端。
图2中同步发电机在柴油机带动下输出三相交流电，调速器通过控制转轴转速n维持机组输出频率f稳定，自动电压调节器(Automatic Voltage Regulator,AVR)根据机组实际输出电压与电流变化调节励磁电压ufd，通过改变发电机的气隙磁势调节机组的空载电势，维持机组输出电压u稳定；可控整流器采用晶闸管整流，调压控制器采用PID控制算法，设置输出电压500V，LC滤波元件的电感与电容值均可调节，其中电感值固定为0.125mH，电容值调节范围为4000μF～16000μF；按照连续脉冲非线性负载等效模拟方法设计脉冲负载模拟装置，其中脉冲负载的峰值功率PL变化范围为10kW～100kW，开关周期Ts变化范围为10ms～100ms，占空比D变化范围为0.01～0.99；采用同步相量检测仪(Phasor MeasurementUnit，PMU)对电路参量进行录波。在DRP系统运行过程中，脉冲负载的工作模式(PL,Ts,D)并不固定，根据系统的结构参数及脉冲负载工作模式将DRP系统运行模式表示为(flag,C,PL,Ts,D)，其中flag为同步发电机与柴油机的功率比，其值越大表示机组的带载能力越强，C为系统中等效电容值，PL、Ts和D分别为脉冲负载的峰值功率、开关周期和占空比。
对系统动态特性的处理是：为研究DRP系统不同运行模式下的动态特性，采用以下动态特性指标，交流侧电压总谐波畸变率(Total Harmonic Distortion of Voltage,THDv)，交流侧频率波动δf和直流侧负载电压波动δu。其中，交流电压总谐波畸变率
在式(1)中，Ui(i＝2,3,…,n)为各次谐波电压有效值，U1为基波电压有效值。
交流侧频率波动
直流侧负载电压波动
在式(2)和(3)中，N为采样时间内的开关周期数，取Δt为采样时间，t0为采样起始时刻，n为采样点数，fs为PMU的采样频率，Ts为开关周期，则为采样时间Δt内交流电压输出频率的平均值，为采样时间Δt内直流电压的平均值，fkmax、fkmin与Ukmax、Ukmin分别为第k个开关周期内频率与电压的最大值与最小值；δf、δu分别反映DRP系统在正常运行过程中频率与电压的波动程度。
对系统运行模式的处理是：在仿真模型与试验装置中分别改变影响系统运行模式的单一因素，分别分析机组类型、滤波电容、脉冲负载的峰值功率、开关周期和占空比单独改变时对动态特性的影响规律。以系统运行模式(0.833，4，30，56，0.4)作为参考，在仿真模型与试验装置中，各自将脉冲负载的占空比从0.1变化到0.99，其它因素保持固定，可得到DRP系统动态特性随占空比D的变化规律，如附图3所示；将脉冲负载的开关周期从10ms变化到80ms，其它因素保持固定，可得到DRP系统动态特性随开关周期Ts的变化规律，如附图4所示；将脉冲负载的峰值功率从10kW逐渐增大到100kW，其它因素保持固定，可得到DRP系统动态特性随峰值功率PL的变化规律，如附图5所示；分别设置滤波电容为4mF、8mF和12mF，可得到DRP系统动态特性随滤波电容C的变化规律，如附图6所示；分别设置发电机额定功率为30kW、50kW和20kW，组成常规机组、小带大机组和大带小机组，可得到DRP系统动态特性随机组类型flag的变化规律，如附图7所示。
对系统稳定运行边界条件的处理：在DRP系统正常运行过程中，由于脉冲负载功率的周期性突变，系统的电压和频率持续波动，若系统各动态特性指标不随采样时间的长短发生明显变化，即认为系统处于一种近似稳定状态，此时系统的动态特性相对固定，通过设定电压波动δu、频率波动δf与总谐波畸变率THDv等指标的阈值即可限定各边界条件，见式(4)。
为满足一定的电能质量要求，应针对实际运行情况对式(4)中hi(i＝1,2,3)进行调整。
对系统运行模式与动态特性关系的处理是：在系统稳定运行条件下，不会发生混沌、分岔等非线性行为，根据DRP系统不同运行模式下动态特性的变化规律，可建立式(5)所示的映射关系f
f:{flag,C,PL,Ts,D}→{THDv,δf,δu} (5)
由式(5)可知，每种特定的系统运行模式对应一组动态特性，根据BP神经网络建立系统运行模式和动态指标的映射关系，根据输入输出量的特点，设置神经网络隐含层节点数为10个，作用函数选择Sigmoid函数，采用变梯度网络算法进行建立非线性模型，如附图8所示。利用试验数据对该神经网络模型进行训练，当校验误差满足要求时，即确定了式(5)所示映射关系，从而可根据该模型预测多种系统运行模式下的动态特性。
对脉冲负载功率等效基准的处理：对于标称功率为30kW的柴油发电机组，滤波电容为4000μF时，忽略由于设计工艺、工作环境变化等因素对柴油发电机组带载能力的影响，并考虑机组的短时过载能力。按照DRP系统稳定运行的边界条件，在试验装置中将脉冲负载的峰值功率设置为30kW，逐步增大脉冲负载的占空比和开关周期使系统的电压波动(或频率波动)达到边界条件，直至电压波动与频率波动分别最接近边界条件，并记录此时的占空比和开关周期，并将此时的电压波动与频率波动值最为30kW脉冲负载的等效基准；然后仅改变脉冲负载的峰值功率为5kW、10kW、15kW、20kW和25kW，得到如表1所示的与各功率等效基准相对应的总谐波畸变率、电压波动与频率波动值。
表1 脉冲负载不同峰值功率时对系统的最大影响情况(C＝4000μF)
在表1中，将该试验条件下的各脉冲负载峰值功率作为功率等效基准，各对应的最大特性指标为相应的边界条件，可以看出电压波动δu与频率波动δf单调变化，因此可作为负载对系统动态影响程度的等效依据。利用SPSS拟合出δu、δf随功率等效基准变化的函数关系g1(δf)和g2(δu)，如附图9所示。由图9可以看出，当系统运行过程中的电压波动或频率波动确定时，即可根据图中的函数关系确定该运行模式下脉冲负载的等效功率peq，计算公式为
peq＝g(δf,δu,THDv) (6)
其中，
在式(6)中，等效功率peq应为根据频率波动及电压波动计算出的等效值的最大值，即以对系统产生的最大影响为准，同时不应小于负载实际功率，且不超过系统边界条件中的THDv最大值。等效功率的计算流程如附图10所示。
本发明的有益效果是：使用本发明所述的脉冲负载功率等效方法，可将量化脉冲负载对柴油发电机组供电系统的影响，可为针对特定工作模式的脉冲负载选配柴油发电机组提供理论依据，对于确保系统稳定运行以及控制成本具有较大意义。
附图说明：
图1基于Matlab/Simulink软件的DRP系统仿真模型；
图2DRP系统试验装置等效结构图；
图3系统动态特性随占空比D的变化曲线；其中(a)频率波动；(b)电压波动；(c)总谐波畸变率；
图4系统动态特性随开关周期Ts的变化曲线；其中(a)频率波动；(b)电压波动；(c)总谐波畸变率；
图5系统动态特性随峰值功率PL的变化曲线；其中(a)频率波动；(b)电压波动；(c)电压总谐波畸变率；
图6系统动态特性随滤波电容C的变化曲线；其中(a)频率波动；(b)电压波动；(c)总谐波畸变率；
图7系统动态特性随机组类型flag的变化曲线；其中(a)频率波动；(b)电压波动；(c)电压总谐波畸变率；
图8反映系统运行模式与动态特性映射关系的神经网络结构图；反映系统运行模式与动态特性映射关系的神经网络结构机组类型、滤波电容、峰值功率、开关周期、占空比，输出为电压波动、频率波动、电压总谐波畸变率。
图9根据直流侧电压波动及交流频率波动的基准功率曲线；其中(a)以交流频率波动δf为等效依据；(b)以直流侧电压波动δu为等效依据；
图10柴油发电机组带脉冲负载系统功率匹配方法的流程图。
具体实施方式：
1、确定系统运行模式与动态特性的映射关系
以含36kW柴油机的发电机组为例，通过适当更换机组中的发电机额定功率、滤波电容，调整脉冲负载的峰值功率、开关周期和占空比实现多种系统运行模式，如表2所示。
表2 确定系统运行模式与动态特性映射关系的试验方案
由表2可知，在不改变柴油机情况下，应进行至少360组试验。测试过程中，首先利用PMU记录系统运行过程中的各电压与电流实时值，再根据式(1)至(3)计算出各动态特性指标，即得到DRP系统运行模式与动态特性的映射关系。
2、确定稳定运行边界条件
根据DRP系统中柴油发电机组的运行状况及用电负载对电能质量的要求，设定式(4)中各阈值，若实际运行过程中任一动态特性指标超出该值即认为系统不稳定，不进行等效。
3、确定脉冲负载的功率等效基准
在DRP系统运行过程中，逐渐增大脉冲负载模拟装置的峰值功率，观察柴油机与发电机的运行行为，考虑到系统安全运行裕度，当脉冲负载峰值功率增大到柴油机额定功率60％以上时，若柴油发电机组开始出现间断浓烟及高噪声、大振动等不正常现象时，以该脉冲负载的峰值功率作为极限基准功率，同时降低峰值功率，并改变该脉冲负载的开关周期及占空比，同时根据PMU记录的电压及电流数据计算出多组动态特性指标的最大值，以相应的峰值功率作为功率等效基准值。
4、进行功率等效
将表示系统运行模式抽象表示为向量形式(flag,C,PL,Ts,D)，作为式(5)中映射的输入变量，代入到训练好的神经网络模型中可得到对应的各动态特性指标，根据式(6)可得到相应的等效功率。
Claims (3)
1.一种针对脉冲负载的功率等效方法，其特征是确定衡量柴油发电机组-整流器-脉冲负载即DRP系统动态特性的指标及功率等效基准，根据柴油机与同步发电机的功率比的区别选用不同类型的柴油发电机组，按照连续脉冲非线性负载等效模拟方法，通过调整整流器-脉冲负载端的IGBT的触发脉冲或改变负载的等效阻值模拟DRP系统的多种运行模式；根据DRP系统中各相关因素对动态特性的影响规律，利用系列试验数据建立反映系统运行模式与系统动态特性之间指标映射关系的神经网络模型，神经网络模型的输入端为机组类型、滤波电容、峰值功率、开关周期、占空比，输出端为电压波动、频率波动、电压总谐波畸变率；再结合DRP系统脉冲负载作用下系统稳定运行的边界条件及功率等效基准，提出量化脉冲负载对柴油发电机组供电系统影响的功率等效方法：若系统中的电压波动、频率波动与电压总谐波畸变率动态特性指标均满足稳定运行条件，根据脉冲负载的功率等效基准确定其相对于柴油机的等效功率，该等效功率能作为脉冲负载选配柴油发电机组的依据；
同步发电机均为同一系列产品，且AVR为同一型号，AVR为发电机的励磁调压器，柴油机与发电机额定功率之比有如下三种情况：发电机组的类型为常规机组，柴油机与发电机额定功率之比为1.2:1，柴油机与发电机额定功率之比值小于1.2即小带大机组，柴油机与发电机额定功率之比值大于1.2即大带小机组；
柴油发电机组中的调速、调压方式固定不变，整流器采用可控硅整流，滤波电感与电容值能调节；
DRP系统中不含有源电力滤波器，功率因数补偿器(Power Factor Compensation) 谐波抑制装置；
提出的脉冲负载等效功率是相对于柴油机的等效功率，该等效功率能作为脉冲负载选配柴油发电机组的依据；
对系统动态特性的处理是：为研究DRP系统不同运行模式下的动态特性，采用以下动态特性指标，交流侧电压总谐波畸变率THDv，交流侧频率波动δf和直流侧负载电压波动δu；其中，交流电压总谐波畸变率
在式(1)中，Ui(i＝2,3,…,n)为各次谐波电压有效值，U1为基波电压有效值；
交流侧频率波动
直流侧负载电压波动
在式(2)和(3)中，N为采样时间内的开关周期数，取Δt为采样时间，t0为采样起始时刻，n为采样点数，fs为PMU的采样频率，Ts为开关周期，则N＝n/(fs·Ts)，为采样时间Δt内交流电压输出频率的平均值，为采样时间Δt内直流电压的平均值，fkmax、fkmin与Ukmax、Ukmin分别为第k个开关周期内频率与电压的最大值与最小值；δf、δu分别反映DRP系统在正常运行过程中频率与电压的波动程度。
2.根据权利要求1所述的脉冲负载功率等效方法，其特征是：对系统运行模式的处理是：在仿真模型与试验装置中分别改变影响系统运行模式的单一因素，分别分析机组类型、滤波电容、脉冲负载的峰值功率、开关周期和占空比单独改变时对动态特性的影响规律。
3.根据权利要求1所述的脉冲负载功率等效方法，其特征是：对系统稳定运行边界条件的处理：在DRP系统正常运行过程中，由于脉冲负载功率的周期性突变，系统的电压和频率持续波动，若系统各动态特性指标不随采样时间的长短发生明显变化，即认为系统处于一种近似稳定状态，此时系统的动态特性相对固定，通过设定电压波动δu、频率波动δf与总谐波畸变率THDv指标的阈值即能限定各边界条件，见式(4)；
为满足电能质量要求，应针对实际运行情况对式(4)中hi(i＝1,2,3)进行调整；
对系统运行模式与动态特性关系的处理是：在系统稳定运行条件下，不会发生混沌、分岔非线性行为，根据DRP系统不同运行模式下动态特性的变化规律，建立式(5)所示的映射关系f
f:{flag,C,PL,Ts,D}→{THDv,δf,δu} (5)
由式(5)知，每种特定的系统运行模式对应一组动态特性，根据BP神经网络建立系统运行模式和动态指标的映射关系，根据输入输出量的特点，设置神经网络隐含层节点数为10个，作用函数选择Sigmoid函数，采用变梯度网络算法进行建立非线性模型；利用试验数据对该神经网络模型进行训练，当校验误差满足要求时，即确定了式(5)所示映射关系，从而根据该模型预测多种系统运行模式下的动态特性；
其中flag为同步发电机与柴油机的功率比，其值越大表示机组的带载能力越强，C为系统中等效电容值，PL、Ts和D分别为脉冲负载的峰值功率、开关周期和占空比。
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