艦船綜合電力系統(tǒng)直流區(qū)域配電實驗研究

張懷亮，呂敬高，王瑞田，范學(xué)鑫

(1．海軍裝備采購中心，北京 100071；2．海軍駐湖南地區(qū)軍事代表室，湘潭 411100；3．海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點實驗室，武漢 430033)

1 引言

經(jīng)過二十多年的探索和實踐，世界各國海軍已經(jīng)達成共識：未來艦船電力系統(tǒng)的發(fā)展方向是綜合電力系統(tǒng)（Integrated Power System，IPS）[1]。直流區(qū)域配電作為艦船綜合電力系統(tǒng)中的重要組成部分之一，利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，以電力電子變換設(shè)備為核心，向艦上各種不同電制、不同頻率的日用負(fù)載供電。直流區(qū)域配電利用電力電子設(shè)備的快速響應(yīng)實現(xiàn)能量調(diào)控，具有高度集成化、層次化、分布式等特點?？傮w來看，直流區(qū)域配電系統(tǒng)供電路徑多、運行方式靈活。為了充分發(fā)揮其優(yōu)勢，開展相關(guān)實驗研究對于推進直流區(qū)域配電的工程化應(yīng)用非常必要。

美國海軍將直流區(qū)域配電系統(tǒng)稱為IFTP（Integrated Fight Through Power），應(yīng)用IFTP系統(tǒng)的DDG-1000首艦將于2013年下水服役[2]。據(jù)[3,4]報道，美海軍于2003年完成了IFTP系統(tǒng)各電力電子設(shè)備的出廠實驗，并在費城實驗站建立了兩個配電分區(qū)的IFTP驗證平臺，每個配電分區(qū)包括一臺2000 kW整流器（輸入：4160 VAC ，輸出：1000 VDC），兩臺750 kW DC/DC變流器（輸入：1000 VDC，輸出：800 VDC），以及一臺500 kW逆變器（輸入：800 VDC，輸出：三相450 V 60 Hz AC）。文獻[5]采用硬件在回路技術(shù)（Hardware in the Loop，HIL），在加拿大Opal-RT公司生產(chǎn)的RT-LAB實時仿真平臺上搭建了艦船綜合電力系統(tǒng)仿真模型，并進行能量管理相關(guān)研究。而國內(nèi)艦船直流區(qū)域配電系統(tǒng)相關(guān)起步較晚，尚處于概念推廣、方案論證階段[6]。

由國外研發(fā)IFTP系統(tǒng)的過程可以看出，為了全面評估系統(tǒng)性能、掌握系統(tǒng)運行特點，建立全尺寸的工程樣機是IFTP工程化應(yīng)用的必經(jīng)之路。本文介紹了艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點實驗室建立的直流區(qū)域配電實驗平臺基本情況及已開展的實驗項目，并給出了部分實驗結(jié)果。

2 直流區(qū)域配電網(wǎng)絡(luò)實驗平臺概述

第二代綜合電力系統(tǒng)直流區(qū)域配電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。圖中，直流區(qū)域配電網(wǎng)絡(luò)包括左右舷700 V直流母線、4 MW DC/DC變流器及四個配電分區(qū)。左舷、右舷各配置2臺4 MW DC/DC變流器（輸入：4 kVDC，輸出：700 VDC）；每個配電分區(qū)包括兩臺1 MW DC/AC逆變器（輸入：700 VDC，輸出：三相400 V 50 Hz AC）。

圖1 典型第二代綜合電力系統(tǒng)直流區(qū)域配電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

在圖1所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，結(jié)合實際條件，適當(dāng)減小電力電子變流裝置容量，建立如圖2所示的直流區(qū)域配電網(wǎng)絡(luò)實驗平臺。此實驗平臺左舷、右舷各配置1臺2 MW級DC/DC變流器（輸入：4 kV DC，輸出：700 VDC）；將日用負(fù)載劃分為兩個配電分區(qū)，每個配電分區(qū)包括1臺450 kW DC/AC逆變器（輸入：710 VDC，輸出：三相400 V 50 Hz AC）和1臺50 kW DC/DC斬波器（輸入：710 VDC，輸出：230 VDC）。上層能量管理系統(tǒng)通過CAN網(wǎng)絡(luò)管理各臺電力電子設(shè)備的運行狀況。

圖2 直流區(qū)域配電網(wǎng)絡(luò)實驗平臺拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

實驗平臺的核心設(shè)備是三型電力電子變流裝置，將在下面章節(jié)分別介紹。

2.1 DC/DC變流器

2 MW級DC/DC變流器運用了模塊化的設(shè)計思想。單臺2 MW級DC/DC變流器由三個結(jié)構(gòu)、功能完全相同的變流子模塊并聯(lián)組成，模塊之間互為冗余，可以靈活配置以構(gòu)成不同功率等級的變流器，如圖3所示。變流子模塊主回路原理圖如圖4所示，主要由三電平逆變電路、中頻隔離變壓器、不控整流器及輸出LC濾波器等組成。

圖3 2 MW DC/DC變流器的模塊化結(jié)構(gòu)

2 MW級DC/DC變流器主要技術(shù)指標(biāo)：

額定輸入電壓：DC4000 V

額定輸出電壓：710 VDC

瞬態(tài)電壓變化范圍：588-788V

瞬態(tài)電壓恢復(fù)時間：≤ 0.5 s

電壓脈動：≤ 4%

短路限流：2倍額定電流0.5 s

2.2 DC/AC逆變器

系統(tǒng)主要由輸入自動選擇模塊、直流熔斷器、直流主接觸器Q1、直流EMI濾波器F1、三相DC/AC逆變電路、輸出LCL濾波器、交流主斷路器Q2等組成，同時輔以直流預(yù)充電回路、母線放電回路及相應(yīng)電壓電流傳感器。

450 kW DC/AC逆變器有如下特點：(1) 2路獨立的直流輸入，分別從左舷或右舷取電；(2)向負(fù)載提供滿足電力品質(zhì)要求的交流電；(3)具有交、直流短路保護能力和較完備的自身狀態(tài)異常保護能力；(4) 2臺逆變器可以可靠并聯(lián)。

450 kW DC/AC逆變器主要技術(shù)指標(biāo)：

額定容量：450 kW

額定輸入電壓：DC710 V

額定輸出電壓：AC400 V

額定頻率：50 Hz

圖4 變流子模塊主回路原理圖

2.3 DC/DC斬波器

采用模塊化的設(shè)計思想。單臺50 kW DC/DC斬波器由兩個結(jié)構(gòu)、功能完全相同的斬波單元并聯(lián)組成，模塊之間互為冗余，可以靈活配置以構(gòu)成不同功率等級的變流器。斬波單元采用全橋移相軟開關(guān)技術(shù)，主回路原理圖如圖5所示，主要由全橋逆變電路、隔直電容、高頻隔離變壓器、不控整流器及輸出LC濾波器等組成。

DC/DC斬波器主要技術(shù)指標(biāo)：

額定輸入電壓：DC710 V

額定輸出電壓：230 VDC

瞬態(tài)電壓變化范圍：190-255 V

3 直流區(qū)域配電網(wǎng)絡(luò)實驗研究

由圖2可知，直流區(qū)域配電網(wǎng)絡(luò)實驗平臺的主要設(shè)備包括2 MW DC/DC變流器、450 kW DC/AC逆變器、50 kW DC/DC斬波器、710 V直流母線聯(lián)絡(luò)屏、交流負(fù)載屏、直流負(fù)載屏、交直流跨接屏及其附屬設(shè)備組成。兩臺2 MW變流器分別為左舷或右舷710 V母線供電，逆變器為低壓交流負(fù)載供電，斬波器為低壓直流負(fù)載供電。另有4kV直流整流電源、水電組負(fù)載、可調(diào)電抗器、電流測量柜等陪試設(shè)備。

測量設(shè)備包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、功率分析儀、電壓電流傳感器、兆歐表、溫濕度計等儀器設(shè)備，實驗過程中需保證儀器儀表等均有校驗合格證并在計量有效期內(nèi)。

輔助設(shè)備主要包括輔助供電、供水等設(shè)備。

圖5 斬波單元主回路原理圖

3.1 實驗項目

根據(jù)制定的實驗大綱，現(xiàn)階段進行了穩(wěn)態(tài)特性、動態(tài)特性、兩舷供電轉(zhuǎn)換、負(fù)載管理、短路保護、空氣噪聲、電測兼容等實驗內(nèi)容。

3.2 穩(wěn)態(tài)實驗

穩(wěn)態(tài)實驗的目的是檢查直流區(qū)域配電網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)態(tài)運行特性。在額定4 kV輸入電壓下兩臺2 MW變流器分別為左、右舷710 V母線供電，兩臺450 kW逆變器、兩臺50 kW斬波器工作在空載、50%負(fù)載和100%負(fù)載工況下，利用數(shù)字信號采集處理系統(tǒng)采集2 MW變流器直流輸入電壓、直流輸入電流、直流輸出電壓、直流輸出電流，450 kW逆變器交流輸出電壓、交流輸出電流，50 kW斬波器直流輸出電壓、直流輸出電流。根據(jù)采集數(shù)據(jù)分析得到電壓、電流數(shù)據(jù)在各工況下的有效值；計算系統(tǒng)空載損耗；計算額定負(fù)載時的全系統(tǒng)效率。對額定工況下的波形進行分析，計算電壓紋波及主要諧波含量。

直流區(qū)域配電網(wǎng)絡(luò)額定負(fù)載下710 V直流母線、400 V交流母線電壓波形如圖6所示。實驗結(jié)果說明了直流區(qū)域配電網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)態(tài)特性滿足要求。

3.3 動態(tài)實驗

穩(wěn)態(tài)實驗的目的是檢查直流區(qū)域配電網(wǎng)絡(luò)的在突加突卸負(fù)載時的動態(tài)運行特性。直流區(qū)域配電網(wǎng)絡(luò)各變流裝置在額定輸入條件下運行，按下列工況突變400 V 50 Hz交流網(wǎng)絡(luò)負(fù)載：

1） 空載到50%負(fù)載；

2） 50%負(fù)載到100%負(fù)載；

3） 100%負(fù)載到50%負(fù)載；

利用數(shù)字信號采集處理系統(tǒng)采集左右舷710 V直流母線電壓、400 V 50 Hz交流網(wǎng)絡(luò)電壓。根據(jù)負(fù)載突變所引起電壓偏差確定輸出電壓的瞬態(tài)變化，負(fù)載突變至交流電壓進入±3%穩(wěn)態(tài)誤差帶所需的時間即為恢復(fù)時間。直流區(qū)域配電分系統(tǒng)動態(tài)實驗波形如圖7所示。實驗結(jié)果說明了直流區(qū)域配電網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)特性滿足要求。

圖6 直流區(qū)域配電網(wǎng)絡(luò)額定負(fù)載下穩(wěn)態(tài)電壓波形

圖7 直流區(qū)域配電分系統(tǒng)空載突加至50%負(fù)載實驗波形

3.4 DC/DC變流器單模塊短路實驗

DC/DC變流器單模塊短路實驗的目的是檢查2MW變流器各變流子模塊的短路限流特性。變流子模塊加50%額定負(fù)載穩(wěn)定運行一段時間后，將負(fù)載突然短路，設(shè)置直流斷路器短延時0.35 s，使得短路維持0.35 s后切除。利用數(shù)字信號采集處理系統(tǒng)采集得到直流輸出電壓、直流輸出電流波形如圖8所示。2 MW DC/DC變流器負(fù)載側(cè)發(fā)生短路故障時，各子模塊短路限流及恢復(fù)供電功能分別獨立控制，與并聯(lián)子模塊數(shù)無關(guān)。實驗結(jié)果說明了2 MW DC/DC變流器短路限流功能滿足要求。

4 結(jié)束語

本文首先介紹了直流區(qū)域配電實驗平臺的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌缓蠓謩e描述了網(wǎng)絡(luò)中2 MW DC/DC變流器、450 kW DC/AC逆變器、50 kW DC/DC斬波器三型變流裝置的原理圖及主要性能指標(biāo)，列出了已開展的實驗項目，并給出了部分實驗結(jié)果。由實驗結(jié)果可得到如下結(jié)論：

圖8 單臺變流子模塊50%負(fù)載時輸出短路切除后電壓恢復(fù)電壓電流波形

直流區(qū)域配電網(wǎng)絡(luò)運行穩(wěn)定，710 V直流母線、400 V/50 Hz交流網(wǎng)絡(luò)、230 V直流網(wǎng)絡(luò)動靜態(tài)性能良好，具備短路限流功能，短路在0.5 s內(nèi)切除后能夠快速恢復(fù)供電。低壓配電板開關(guān)操控、電量和狀態(tài)指示等功能正常。直流區(qū)域配電網(wǎng)絡(luò)實驗平臺滿足各項設(shè)計指標(biāo)，為直流區(qū)域配電網(wǎng)絡(luò)的工程化應(yīng)用提供了重要的技術(shù)支撐。

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