直流配電網(wǎng)及其在艦船區(qū)域配電的應(yīng)用

王森，劉勇

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直流配電網(wǎng)及其在艦船區(qū)域配電的應(yīng)用

王森，劉勇

（海軍駐上海江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司軍事代表室，上海 201913）

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，直流配電網(wǎng)與交流配電網(wǎng)相比在很多領(lǐng)域取得了技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，具有巨大的發(fā)展前景。簡(jiǎn)要介紹了直流配電網(wǎng)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展情況，分析了直流配電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，重點(diǎn)結(jié)合直流配電網(wǎng)在艦船區(qū)域配電上的應(yīng)用，對(duì)直流區(qū)域配電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制方式和常見(jiàn)的接地保護(hù)進(jìn)行了闡述，最后對(duì)直流配電系統(tǒng)在艦船上的應(yīng)用情況進(jìn)行了展望。

電力系統(tǒng) 直流配電 區(qū)域配電 控制 保護(hù)

0 引言

在輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生初期，直流是最主要的配電方式，愛(ài)迪生在紐約建立了世界上首個(gè)直流配電系統(tǒng)[1]，因?yàn)楫?dāng)時(shí)直流輸配電電壓等級(jí)偏低、容量較小等原因，使得直流配電的主體地位被交流配電網(wǎng)絡(luò)所取代[2,3]。

20世紀(jì)末，隨著功率半導(dǎo)體及多項(xiàng)電力電子技術(shù)的發(fā)展，在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)等多項(xiàng)指標(biāo)中，直流供電技術(shù)的優(yōu)勢(shì)漸漸凸顯，多國(guó)相繼開(kāi)展直流配電方面研究。軍艦、航空以及混合電動(dòng)汽車(chē)等特殊應(yīng)用領(lǐng)域的直流區(qū)域配電技術(shù)也取得重大發(fā)展[4]。直流配電得以廣泛推廣，主要有以下兩個(gè)方面的原因：第一，分布式電源的發(fā)展。隨著能源危機(jī)出現(xiàn)，分布式能源系統(tǒng)依賴(lài)其負(fù)荷調(diào)節(jié)性強(qiáng)、供電性能穩(wěn)定、電力傳輸損耗小以及可再生能源應(yīng)用等特性受到世界的廣泛關(guān)注[5]。常見(jiàn)的分布式電源中，一般均產(chǎn)生直流電，或可以通過(guò)整流環(huán)節(jié)后變?yōu)橹绷麟?。分布式電源的接入可?jié)省直流配電網(wǎng)中多個(gè)換流環(huán)節(jié)，降低成本、減少損耗；第二，變頻技術(shù)快速發(fā)展和直流供電負(fù)載需求不斷增加。在電力電子變頻技術(shù)應(yīng)用中，交流配電一般要經(jīng)過(guò)AC-DC-AC環(huán)節(jié)，在直流配電系統(tǒng)中僅需DC-AC轉(zhuǎn)換，減少變換器損耗。在日常生活中，如LED燈、手機(jī)、液晶顯示器、個(gè)人電腦以及現(xiàn)階段推廣的電動(dòng)力汽車(chē)等多種電氣設(shè)備均直接采用直流供電，對(duì)于供電質(zhì)量有較高要求的敏感負(fù)荷也推動(dòng)了直流配電的發(fā)展。

1 國(guó)內(nèi)外直流配電系統(tǒng)

在2007年，美國(guó)費(fèi)吉尼亞理工大學(xué)CPES中心提出“Sustainable Building Initiative（SBI）”，2010年將其發(fā)展為Sustainable Building and Nanogrids（SBN），負(fù)責(zé)為住宅供給優(yōu)質(zhì)電力[6]。在SBN研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前高壓直流輸電的最新技術(shù)，CPES還提出不同電力分層連接的方法，設(shè)想了交直流電混合配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。2004年，日本東京工業(yè)大學(xué)提出基于直流微電網(wǎng)的配電系統(tǒng)，完成10 kW直流配電系統(tǒng)樣機(jī)?；谏鲜鲅芯浚筅娲髮W(xué)提出雙極結(jié)構(gòu)直流微電網(wǎng)系統(tǒng)，由降壓變壓器從6.6 kV配電網(wǎng)直接獲得230 V交流電，然后整流為170 V直流電，通過(guò)DC-DC變換器，包括蓄電池和超級(jí)電容在內(nèi)的多個(gè)儲(chǔ)能設(shè)備均可連接到直流母線(xiàn)。通過(guò)母線(xiàn)連接后，各個(gè)直流用電設(shè)備均可通過(guò)電力電子變化器得到電力供應(yīng)。布加勒斯特理工大學(xué)在2007年提出帶有交替供電電源的直流配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)不僅可將光能、電能等綠色能源轉(zhuǎn)為電能，還可將某些生物能進(jìn)行供電。

在艦船的應(yīng)用中，北卡羅來(lái)納大學(xué)以DC艦船配電系統(tǒng)為例討論了直流配電在實(shí)際應(yīng)用中面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。在2011年，他們提出了“The Future Renewable Electric Energy Delivery and Management(FREEDM)”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)中，交流配電與直流配電也是同時(shí)存在，其中直流配電網(wǎng)主要用于集成分布式電源單元、分布式儲(chǔ)能單元及直流負(fù)載。

2 當(dāng)前海軍艦船配電系統(tǒng)

雖然直流配電網(wǎng)絡(luò)發(fā)展已逐漸完善，但多數(shù)應(yīng)用于民用住宅、樓宇等方面，在艦船領(lǐng)域的應(yīng)用并不廣泛。當(dāng)前多數(shù)艦船的主要配電系統(tǒng)采取了區(qū)域配電的方式，但是電力類(lèi)型仍以交流配電為主。

世界各國(guó)海軍艦艇配電網(wǎng)絡(luò)形式存在差異，各類(lèi)型艦艇間也有不同。在常規(guī)艦艇中，配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)置前后兩個(gè)電站，發(fā)電機(jī)組分區(qū)供電，重要設(shè)備多路供電。大型艦船的配電系統(tǒng)主要包括一次配電系統(tǒng)和二次配電系統(tǒng)。它主要由主配電板、負(fù)載中心或區(qū)域配電板、艙室配電板、岸電裝置及輸電電纜組成。在主配電系統(tǒng)電能傳輸過(guò)程中，要求兩路供電的用電設(shè)備應(yīng)以系統(tǒng)或區(qū)域?yàn)樵瓌t，從不同主配電板取得正常電源和備用電源，保障穩(wěn)定電力供應(yīng)。為保證各分配電箱的供電獨(dú)立性，在艦船中配電系統(tǒng)采用一一對(duì)應(yīng)的配電方式進(jìn)行連接，同時(shí)，根據(jù)艦上不同用途的設(shè)備，進(jìn)行分別供電，避免線(xiàn)路干擾及關(guān)聯(lián)事故的發(fā)生。

在艦船上，主配電系統(tǒng)為中要設(shè)備設(shè)置兩舷供電轉(zhuǎn)換裝置，以確保兩路電源的有效轉(zhuǎn)換。為了避免動(dòng)力負(fù)載在轉(zhuǎn)換過(guò)程中可能產(chǎn)生的暫態(tài)過(guò)電流，還設(shè)置延時(shí)轉(zhuǎn)換功能。

3 直流配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及應(yīng)用控制

3.1 直流配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在當(dāng)前海軍艦艇中，中小型艦艇一般采用輻射型網(wǎng)絡(luò)配電，大型艦艇則采取環(huán)形或網(wǎng)型。與艦船上交流區(qū)域配電系統(tǒng)的情況類(lèi)似，直流配電網(wǎng)絡(luò)同樣考慮電力供應(yīng)的穩(wěn)定性和冗余性。艦船中輻射型配電網(wǎng)絡(luò)多與區(qū)域式配電相結(jié)合，采用左右舷兩根母線(xiàn)縱向穿過(guò)艙室，將船體分成多個(gè)配電區(qū)域進(jìn)行配電。在大型艦船中，一般采取一條母線(xiàn)位于吃水線(xiàn)以上，一條位于吃水線(xiàn)以下，以提高電力系統(tǒng)生命力。直流配電網(wǎng)絡(luò)的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有環(huán)狀、放射狀和兩端配電3種，如下圖1-3所示。

艦船直流配電系統(tǒng)中，利用大量電力電子技術(shù)，將以整流器、逆變器等變流裝置為核心元件，利用當(dāng)代先進(jìn)變流技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高效環(huán)保的直流配電。全艦采取區(qū)域供電，將以直流為主要的配電方式進(jìn)行輸送電能。

與傳統(tǒng)交流配電系統(tǒng)中的輻射式配電相比，直流區(qū)域配電系統(tǒng)可以降低配電系統(tǒng)重量、節(jié)省大量成本，同時(shí)提高電力品質(zhì)和艦船生命力，方便后續(xù)對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)和優(yōu)化。

3.2 直流配電網(wǎng)在美國(guó)軍艦上的應(yīng)用

在美國(guó)海軍DDG1000驅(qū)逐艦上，其直流區(qū)域配電系統(tǒng)能夠?yàn)樵O(shè)備提供優(yōu)質(zhì)可靠的電能，同時(shí)又具備靈活配置的優(yōu)勢(shì)。由于多數(shù)電力配置均有冗余設(shè)計(jì)，因此即使某型設(shè)備發(fā)生故障，或者戰(zhàn)斗中有部分電路損壞，配電網(wǎng)絡(luò)會(huì)通過(guò)自動(dòng)偵測(cè)技術(shù)進(jìn)行判斷，并給出可行的替代線(xiàn)路和補(bǔ)救措施，保障艦上重要設(shè)備連續(xù)供電。配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4中各個(gè)功率變換模塊（Power Convertion Module，PCM）的功能介紹如下：PCM-1模塊為直流轉(zhuǎn)直流模塊，將1000 V轉(zhuǎn)為800 V，包含控制單元、配電部件和多個(gè)電力電子變換模塊；PCM-2為逆變模塊，將800 V直流電逆變?yōu)?50 V、60 Hz交流電，為對(duì)應(yīng)區(qū)域交流設(shè)備提供電力，模塊組成情況除電力電子變換模塊外與PCM-1類(lèi)似。PCM-3將800 V直流電變換為270 V直流電，其結(jié)構(gòu)域PCM-1基本相同，PCM-4將發(fā)電機(jī)輸出的4160 V、60 Hz交流電整流為1000 V直流電，由變壓器、可控整流器和濾波器組成。

3.3 直流配電網(wǎng)的故障及保護(hù)

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展多項(xiàng)直流配電保護(hù)研究工作，與交流配電網(wǎng)絡(luò)相比，直流配電網(wǎng)絡(luò)在故障類(lèi)型和后果方面有很多不同，當(dāng)前也沒(méi)有具體的保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。由于在直流配電網(wǎng)絡(luò)中，電力電子器件數(shù)量和種類(lèi)較多，給直流配電網(wǎng)的保護(hù)工作帶來(lái)很大挑戰(zhàn)。

借鑒交流配電網(wǎng)的保護(hù)措施，結(jié)合直流配電系統(tǒng)的特性，總結(jié)直流配電網(wǎng)的主要保護(hù)環(huán)節(jié)如下：

1）開(kāi)關(guān)設(shè)備

開(kāi)關(guān)設(shè)備能夠有效隔離故障，防止故障擴(kuò)散，減少系統(tǒng)損失，在各電力系統(tǒng)中必不可少。直流電流的分?jǐn)嘤捎跊](méi)有自然過(guò)零點(diǎn)，分?jǐn)啾容^困難，開(kāi)關(guān)設(shè)備的制造難度也較大。低壓直流配電網(wǎng)絡(luò)中，交流型插頭用于直流電時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生電弧，存在隱患。同時(shí)，開(kāi)關(guān)保護(hù)側(cè)重于故障定位和隔離，對(duì)系統(tǒng)保護(hù)作用較小。

2）限流裝置

限流裝置可以在故障發(fā)生時(shí)限制故障電流大小，嚴(yán)重故障時(shí)可切斷電流。將斷路器和限流裝置想結(jié)合，可以形成有效保護(hù)。故障限流器按照組成情況可大致分為四類(lèi)：基于超導(dǎo)材料、基于飽和電抗器、基于電力電子器件和基于正溫度系數(shù)電阻的限流器。其工作原理類(lèi)似，均為在正常 情況下，器件損耗較小，導(dǎo)通電阻相當(dāng)于輸電線(xiàn)路。一旦發(fā)生故障時(shí)變?yōu)楦咦锠顟B(tài)，達(dá)到限制電流的目的。多種限流器由于材質(zhì)或制造難度，較少應(yīng)用于實(shí)際，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，全控型和半控型半導(dǎo)體器件相結(jié)合的固態(tài)限流器達(dá)到了精確控制電流，同時(shí)減少靜態(tài)損耗的目的，目前應(yīng)用比較廣泛。

3）接地保護(hù)

直流配電系統(tǒng)接地是防止艦員在操作過(guò)程中，帶電設(shè)備以人為導(dǎo)體與大地形成回路，對(duì)人身造成傷害。部分文獻(xiàn)對(duì)低壓直流配電系統(tǒng)中線(xiàn)接地問(wèn)題，以及小規(guī)模直流供電接地問(wèn)題進(jìn)行了研究，但是就大型艦船的直流配電系統(tǒng)接地保護(hù)，尚無(wú)綜合性研究。直流配電網(wǎng)絡(luò)在保障電氣設(shè)備安全和人員安全方面主要涉及三方面的的內(nèi)容：系統(tǒng)接地、繼電器保護(hù)和保護(hù)設(shè)備執(zhí)行。本文僅就直流配電網(wǎng)絡(luò)的接地系統(tǒng)簡(jiǎn)要介紹。

接地方式的選擇關(guān)系到出現(xiàn)接地故障時(shí)故障電流的大小，因此接地保護(hù)意義重大。在直流配電網(wǎng)中，通常有不接地、高阻接地和低阻接地三種方式。目前常見(jiàn)的2中接地方式如下圖5所示[13]。

在圖5所示的TN-S接地方式中，變換器和中性點(diǎn)連接到大地，并將大地、中性點(diǎn)（N）和保護(hù)線(xiàn)（PE）連接。該方式的優(yōu)點(diǎn)是易于檢測(cè)并消除，這種情況若發(fā)生接地故障，則電流會(huì)較大，同時(shí)電壓出現(xiàn)變化，會(huì)直接影響與故障電極相連接的其他負(fù)載，但是對(duì)另一極電路中負(fù)載工作并無(wú)影響。因此，應(yīng)用比較廣泛。

在圖5所示的IT接地方式中，正電極與保護(hù)線(xiàn)都通過(guò)高阻抗與大地相連。該方式的優(yōu)勢(shì)在于，正電極與大地連接可以減小腐蝕效應(yīng)，在發(fā)生接地故障時(shí)，故障電流和電壓變化富都都會(huì)有較小，故障較少時(shí)，可保證一般負(fù)載的運(yùn)行。但由于極地電壓會(huì)因接地故障而變，敏感負(fù)載不能正常工作。該方式故障電流小，不易檢測(cè)，同時(shí)由于金屬外殼會(huì)帶電，容易引起觸電事故，因此該方法比較少用。

4 小結(jié)及展望

直流配電網(wǎng)自身具有線(xiàn)路造價(jià)低、輸電損耗小、可靠性高及環(huán)保優(yōu)勢(shì)。直流配電可以減少分布式發(fā)電系統(tǒng)及直流負(fù)荷接入交流電網(wǎng)的中間環(huán)節(jié)，提高功率轉(zhuǎn)換效率和電能質(zhì)量。

目前各國(guó)對(duì)于直流配電網(wǎng)的研究都處于試探性研究階段，還有很多相關(guān)技術(shù)有待解決。如：1）直流配電網(wǎng)絡(luò)中并聯(lián)的變壓器和變換器數(shù)量大、類(lèi)型多，甚至有不同類(lèi)型并聯(lián)的情況；（2）不同性質(zhì)的負(fù)載和電源對(duì)于變換器件有不同需求，控制策略相對(duì)復(fù)雜。因此，我國(guó)應(yīng)抓住機(jī)遇，吸收國(guó)內(nèi)外目前研究的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，結(jié)合當(dāng)前電力電子技術(shù)，借鑒已有的艦船直流電力系統(tǒng)、直流輸電系統(tǒng)對(duì)直流配電網(wǎng)進(jìn)行深入研究。這將推動(dòng)直流配電網(wǎng)在軍艦電力系統(tǒng)及城市電網(wǎng)的發(fā)展，具有巨大的市場(chǎng)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

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DC Power Distribution Network and Its Applications to Zonal Power Distribution of Warships

Wang Sen，Liu Yong

(Naval Representatives Office in Jiangnan Shipyard CO., LTD, Shanghai 201913, China)

TM721.1

A

1003-4862（2014）11-0077-04

2014-08-29

王森（1988-），男，碩士。研究方向：電力集成技術(shù)。