一種冗余設(shè)計(jì)的模塊化船用變壓變頻電源

柳 彬，姚 川，徐正喜

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064)

0 引 言

冗余設(shè)計(jì)是提高電源系統(tǒng)可靠性的最有效技術(shù)途徑[1–2]。通過(guò)將主電路、傳感、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)、控制、通信接口等全部電路和元件集成到一起，形成具有通用性的標(biāo)準(zhǔn)化電力電子集成模塊，為電源系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)提供了多種選擇[3–4]。隨著艦船綜合電力系統(tǒng)的發(fā)展，以設(shè)備的通用性、實(shí)施的簡(jiǎn)易性、標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化來(lái)實(shí)現(xiàn)未來(lái)艦隊(duì)的高性能與低成本，將是未來(lái)艦船的主要發(fā)展趨勢(shì)[5]。冗余設(shè)計(jì)和模塊化技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于減小艦船電力電子裝置的體積和重量，縮短研制和生產(chǎn)周期，提高設(shè)備可靠性和維護(hù)保養(yǎng)效率，具有十分重要的意義。

本文提出一種冗余設(shè)計(jì)的模塊化船用變壓變頻電源，采用通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的A C/D C 及DC/AC 結(jié)構(gòu)型式，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了輸入及輸出的多模塊并聯(lián)冗余運(yùn)行。試驗(yàn)結(jié)果表明，該電源性能指標(biāo)優(yōu)良，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具有良好的應(yīng)用前景。

1 模塊化變壓變頻電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

船用變壓變頻電源采用電力電子變換技術(shù)，將三相440 V 60 Hz 電源輸入轉(zhuǎn)換為三相380 V 50 Hz 電源輸出，用于特定負(fù)載供電。為提高電源系統(tǒng)可靠性，本文采用了如圖1 所示的模塊化變壓變頻電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，由模塊化并聯(lián)AC/DC 部分和模塊化并聯(lián)DC/AC 部分組成。該系統(tǒng)是一個(gè)典型的輸入并聯(lián)、輸出并聯(lián)系統(tǒng)（Input-parallel output-parallel，IPOP），適用于輸出電流較大的場(chǎng)合[6]。

該裝置額定設(shè)計(jì)功率為100 kW，其AC/DC 及DC/AC 環(huán)節(jié)均由6 個(gè)20 kW 的模塊并聯(lián)組成，實(shí)現(xiàn)5+1 的熱冗余供電，冷卻形式均為風(fēng)冷。前級(jí)采用標(biāo)準(zhǔn)化工業(yè)整流模塊，實(shí)現(xiàn)三相交流電的高功率因數(shù)整流功能，并維持中間母線電壓在650 V±10%；后級(jí)采用三相DC/AC 逆變拓?fù)洌瑢⒅绷髂妇€電壓變換為需要的三相AC380V/50 Hz。

整套系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置在機(jī)柜內(nèi)的機(jī)柜控制板對(duì)12 個(gè)模塊進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，其工作原理為：輸入端有主電后，閉合輸入斷路器，機(jī)柜輔助電源和前級(jí)AC/DC 模塊得電，機(jī)柜監(jiān)控板和機(jī)柜顯示屏得電，并建立CAN1、RS485 和CAN2 通信；合操作面板開機(jī)鍵，監(jiān)控板接收該信號(hào)，并按照設(shè)定的前級(jí)AC/DC 電壓和電流進(jìn)行CAN1 通信，并控制啟動(dòng)；AC/DC 輸出電壓建立過(guò)程中，達(dá)到100 V 時(shí)，后級(jí)逆變電源輔助電源得電，控制系統(tǒng)正常工作并完成初始化，待母線電壓建立穩(wěn)定至650 V 時(shí)，同時(shí)CAN1 給后級(jí)DC/AC 逆變模塊發(fā)送開機(jī)指令，此時(shí)每臺(tái)后級(jí)DC/AC 逆變模塊輸出軟啟動(dòng)，同時(shí)后級(jí)模塊之間進(jìn)行同步鎖相和建立CAN2 通信，待檢測(cè)到正常工作模塊數(shù)量，以及電壓匹配和同步正常后，閉合模塊內(nèi)的輸出接觸器，待所有并聯(lián)模塊并聯(lián)穩(wěn)定工作正常，面板工作指示燈亮，此時(shí)允許閉合輸出斷路器進(jìn)行帶載工作。

2 逆變電源分布式并聯(lián)控制策略

A C/D C 部分采用標(biāo)準(zhǔn)化工業(yè)整流模塊實(shí)現(xiàn)。DC/AC 逆變部分采取了如圖2 所示的分布式并聯(lián)控制方案，即系統(tǒng)中各逆變電源是獨(dú)立、平等工作的標(biāo)準(zhǔn)模塊，當(dāng)單個(gè)模塊損壞時(shí)，不會(huì)對(duì)其他模塊的并聯(lián)運(yùn)行產(chǎn)生干擾而造成自動(dòng)停止工作。分布式并聯(lián)控制方式，相對(duì)于集中控制方式，由于沒有集中控制單元，更易實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展和冗余。相對(duì)于主從控制方式，由于分布式控制方式中每個(gè)模塊地位的均等性，其中任何一個(gè)模塊失效都不會(huì)影響到并聯(lián)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，大大提高了并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性。

圖 2 逆變電源模塊分布式并聯(lián)控制框圖Fig. 2 Distributed parallel control diagram of inverter module

圖2 表示逆變電源模塊分布式并聯(lián)控制系統(tǒng)中某一模塊的并聯(lián)控制過(guò)程。本模塊在獲取了并聯(lián)系統(tǒng)中其它模塊的有功和無(wú)功信息后，和本模塊計(jì)算得到的功率信息一起進(jìn)行綜合，得到并聯(lián)系統(tǒng)中每個(gè)逆變電源模塊應(yīng)輸出的有功和無(wú)功指令。通過(guò)功率調(diào)節(jié)器，將功率差轉(zhuǎn)化為各模塊輸出的幅值和相位（頻率）的變化量，疊加到自身指令上，從而改變本模塊的輸出，最終使得各模塊的有功和無(wú)功實(shí)現(xiàn)均分。

根據(jù)2 臺(tái)逆變電源構(gòu)成的典型并聯(lián)系統(tǒng)，其環(huán)流為：

由式（1）可知，環(huán)流由2 臺(tái)逆變電源的電壓差、各模塊輸出濾波器的特性（L，C 的值）以及線路阻抗（r，Z0）等因素確定，與負(fù)載Z 無(wú)關(guān)。在實(shí)際電路系統(tǒng)中，可忽略線路阻抗影響，電壓幅值差主要造成了電源之間的無(wú)功環(huán)流，相位差主要造成了電源之間的有功環(huán)流，因此采用了有功調(diào)節(jié)電壓相位（頻率），無(wú)功調(diào)節(jié)電壓幅值的控制方式（見圖2）。

3 基于電容電壓和電感電流的雙環(huán)控制

逆變電源模塊基于電感電流內(nèi)環(huán)電容電壓外環(huán)的雙環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖3 所示。電壓給定與輸出電壓反饋比較得到電壓誤差，經(jīng)過(guò)電壓調(diào)節(jié)器Gv（s）得到電流內(nèi)環(huán)的給定iL*，iL*再與電感電流比較得到電流誤差，經(jīng)過(guò)電流調(diào)節(jié)器Gi（s）得到最終控制量，對(duì)模塊輸出波形進(jìn)行控制。

圖 3 逆變模塊電感電流內(nèi)環(huán)電容電壓外環(huán)控制系統(tǒng)框圖Fig. 3 Inductor current inner loop capacitor voltage outer loop control system diagram of inverter module

電壓調(diào)節(jié)器Gv（s）和電流調(diào)節(jié)器Gi（s）均為PI 調(diào)節(jié)器，具體如下式：

電壓、電流調(diào)節(jié)器參數(shù)通過(guò)極點(diǎn)配置的方法獲得，可選擇閉環(huán)固有諧振頻率為 ω=3 500 rad/s，阻尼比ζ=0.707，非主導(dǎo)極點(diǎn)位于4 倍主導(dǎo)極點(diǎn)的實(shí)軸上?；陔娙蓦妷汉碗姼须娏鞯碾p閉環(huán)控制，可以實(shí)現(xiàn)逆變模塊良好的穩(wěn)態(tài)電壓精度和快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，同時(shí)具備實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)短路限流的功能。6 個(gè)逆變模塊通過(guò)外同步總線和功率通信總線，再配合內(nèi)部的無(wú)互聯(lián)PQ 下垂控制，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)逆變模塊的穩(wěn)態(tài)功率均分精度。通過(guò)增加虛擬阻抗和并機(jī)電抗還可進(jìn)一步抑制逆變模塊間的環(huán)流。在并聯(lián)短路及恢復(fù)工況下，通過(guò)變PI 控制增加輸出阻抗，同時(shí)進(jìn)行限流控制，可以保證短路及恢復(fù)工況下的多個(gè)逆變模塊的可靠故障穿越。

4 冗余并聯(lián)系統(tǒng)可靠性分析

該模塊化船用變壓變頻電源為典型的混合并聯(lián)冗余系統(tǒng)，可靠性系統(tǒng)框圖如圖4 所示。

圖中，R1為輸入AC/DC 單元模塊，R2為輸出DC/AC 單元模塊。根據(jù)N+X 并聯(lián)冗余電源系統(tǒng)，當(dāng)X 個(gè)電源模塊出現(xiàn)故障，其余N 個(gè)電源模塊仍能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，其可靠性分布符合可修復(fù)的N/（N+X）表決系統(tǒng)特性分布[6–7]。

圖 4 變壓變頻電源混合并聯(lián)冗余系統(tǒng)框圖Fig. 4 Complex parallel redundant system diagram of variable voltage variable frequency power converter

對(duì)于N+1 冗余系統(tǒng)，其系統(tǒng)總故障間隔時(shí)間為：

N+2 冗余系統(tǒng)的系統(tǒng)總故障間隔時(shí)間為：

式中：λ 為單個(gè)模塊的故障率，μ 為單個(gè)模塊的修復(fù)率；λ 和μ 分別為單模塊平均故障間隔時(shí)間MTBF 和平均修復(fù)時(shí)間MTTR 的倒數(shù)。

設(shè)系統(tǒng)中R1和R2單模塊可靠性指標(biāo)分別為：M T BFR1=20 000 h，，由此計(jì)算可得該系統(tǒng)可靠性指標(biāo)如表1 所示。

表 1 并聯(lián)冗余系統(tǒng)可靠性指標(biāo)Tab. 1 Reliability index of parallel redundant system

由表1 可見，采用5+1 并聯(lián)冗余系統(tǒng)的該變壓變頻電源MTBF 為3.68×106h，而單模塊R1和R2組成的串聯(lián)系統(tǒng)MTBF 為5714 h，前者是后者的644 倍，因此其可靠性大大提高。同時(shí)可知N+2 冗余系統(tǒng)與N+1 冗余系統(tǒng)相比，在僅增加1 個(gè)并聯(lián)冗余模塊的基礎(chǔ)上，可靠性指標(biāo)將以指數(shù)倍大幅提升。

5 試驗(yàn)結(jié)果

基于模塊化變壓變頻電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一套額定功率為100 kW 的船用變壓變頻電源。AC/DC 及DC/AC 環(huán)節(jié)均由6 個(gè)20 kW 的模塊并聯(lián)組成，以實(shí)現(xiàn)5+1 的熱冗余供電，冷卻形式均為風(fēng)冷。圖5 和圖6 分別為該裝置在空載條件下以及輸出短路工況下的試驗(yàn)波形，表明該裝置具有良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。

6 結(jié) 語(yǔ)

圖 5 模塊空載并聯(lián)時(shí)輸出電壓及環(huán)流波形Fig. 5 Module parallel output voltage and circular current waveforms in condition of no-load

圖 6 模塊并聯(lián)短路時(shí)輸出電壓及電流波形Fig. 6 Module parallel output voltage and output current waveforms in condition of short-circuit

將冗余設(shè)計(jì)和模塊化技術(shù)應(yīng)用于艦船電力電子裝置，可以顯著減小設(shè)備的體積和重量，縮短研制周期，降低開發(fā)難度和開發(fā)成本，并有效提高設(shè)備的可靠性指標(biāo)。本文提出的通用化、標(biāo)準(zhǔn)化電力電子模塊，及其并聯(lián)冗余控制策略，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具有良好的應(yīng)用前景。