一種高供電可靠度的交流供電方案研究

吳浩偉，汪文濤，蔡久青，孔祥偉

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430064)

0 引 言

隨著艦船綜合電力系統(tǒng)技術(shù)的快速發(fā)展，電力電子變換設(shè)備在艦船電力系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1～3]。采用電力電子變換設(shè)備作為艦船電力系統(tǒng)的電源，雖然具有電能品質(zhì)高、響應(yīng)速度快、控制能力強(qiáng)的明顯優(yōu)勢(shì)，但也存在耐沖擊能力弱、任務(wù)可靠度低等不足[4,5]。因此，采用電力電子電源作為艦船電力系統(tǒng)主電源應(yīng)用時(shí)，在供電系統(tǒng)配置和設(shè)計(jì)上需要開展更深入的研究，探索高可靠度的供電方案。

本文以某型船AC220V電網(wǎng)供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案為例，介紹一種以逆變電源為供電電源、通過(guò)并聯(lián)和備份多種技術(shù)手段的高可靠交流系統(tǒng)供電方案。

在交流220 V電網(wǎng)的設(shè)計(jì)中，為確保配電網(wǎng)供電的高可靠性和連續(xù)性，在電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)上采用了采取分區(qū)供電的原則，將需要重點(diǎn)保障的重要負(fù)荷負(fù)載和其他220 V照明、控制等一般負(fù)載分開。

在電源配置上，以3臺(tái)50 Hz單相逆變器作為供電電源，為整個(gè)電網(wǎng)提供電能。3臺(tái)逆變電源正常運(yùn)行時(shí)處于同步工作模式即同頻率同相位方式工作，其中專設(shè)1臺(tái)冗余逆變電源用于故障備份，一旦其中任何1臺(tái)工作電源出現(xiàn)故障則瞬間切換，代替故障逆變電源，確保供電的連續(xù)可靠性。

由于在交流電網(wǎng)的電源配置設(shè)計(jì)上采用了的冗余逆變電源這一新穎的措施，利用電力電子開關(guān)的快速切換特性，通過(guò)并聯(lián)和切換等技術(shù)手段，不但可以有效確保重要負(fù)載的供電可靠性，而且通過(guò)合理控制策略，整個(gè)配電網(wǎng)的供電可靠度都能得到提高，以期通過(guò)最小的代價(jià)，實(shí)現(xiàn)最大的供電可靠度提升。

1 高可靠交流220 V電網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電網(wǎng)結(jié)構(gòu)是電力系統(tǒng)穩(wěn)定性與安全性的基礎(chǔ)，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)一旦形成將決定電力系統(tǒng)的配電保護(hù)以及保護(hù)器件的能力，如果設(shè)計(jì)有缺陷將使系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)選擇性保護(hù)[6]，從而大大影響系統(tǒng)的供電可靠度。

為了提高電網(wǎng)供電可靠性和生命力，在電網(wǎng)設(shè)計(jì)中通?？蓞⒖嫉姆椒ㄓ校?/p>

1）選擇可靠性較高的電網(wǎng)型式；

2）按用電設(shè)備的重要性實(shí)行分級(jí)供電，通過(guò)開關(guān)的保護(hù)作用，使得低級(jí)配電負(fù)荷的故障不至影響前級(jí)配電板的供電；

3）實(shí)行分區(qū)供電，將故障限制在某一個(gè)區(qū)域，同時(shí)避免負(fù)載間的相互影響；

4）對(duì)重要負(fù)荷實(shí)行多路供電，提高供電可靠性；

電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)決定了電網(wǎng)供電的可靠性和生命力，良好而合理的電網(wǎng)設(shè)計(jì)則保障了交流配電網(wǎng)絡(luò)安全可靠的運(yùn)行。AC220V交流電網(wǎng)采用可靠性較高的干饋混合配電制的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種分級(jí)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)通過(guò)與斷路器等保護(hù)器件的配合可以形成選擇性的保護(hù)能力，將故障控制在局部區(qū)域。

AC220V電網(wǎng)在電源配置上為3臺(tái)單相逆變電源和2臺(tái)AC380 V/220 V變壓器，如圖1所示。上述5路電源輸出由交流220 V供電轉(zhuǎn)換裝置控制，并采取分區(qū)供電制的原則，分成兩路分別為重要負(fù)荷和普通負(fù)荷供電提供交流電能。

圖 1 交流220 V電網(wǎng)電源連接圖Fig. 1AC220V power sources connection diagram

在交流220 V配電網(wǎng)中，重要負(fù)荷和普通負(fù)荷分別由2臺(tái)（1號(hào)和3號(hào)逆變電源）單相大功率逆變電源各自獨(dú)立供電，在各自電源正常的情況下，母聯(lián)開關(guān)分?jǐn)?。分開供電后有效保障了重要負(fù)載的用電獨(dú)立性和可靠性，避免普通負(fù)荷啟停沖擊等因素對(duì)其造成的干擾，還能有效減小彼此間電磁噪聲造成的干擾影響。

在供電電源使用上，一般在靠岸停泊時(shí)，由2臺(tái)變壓器向220 V交流電網(wǎng)供電；在航行時(shí)，由1號(hào)和2號(hào)逆變電源并聯(lián)向供電重要負(fù)荷供電，3號(hào)逆變電源向照明、一般電子設(shè)備等常規(guī)負(fù)載供電。與此同時(shí)，2號(hào)逆變電源還可以作為3號(hào)逆變電源的熱備份電源，當(dāng)3號(hào)電源出現(xiàn)故障時(shí)可迅速切換，頂替故障電源。

2 高可靠度的逆變電源供電策略研究

正常工作狀態(tài)下，2號(hào)逆變電源利用成熟的逆變器并聯(lián)技術(shù)與1號(hào)電源并聯(lián)運(yùn)行，組成N+1的冗余供電系統(tǒng)，為重要設(shè)備提供可靠的供電保證。這樣一來(lái)不但重要負(fù)荷供電的電源容量提高1倍，電源的抗沖擊能力也得到相應(yīng)提高，而且更為重要的是對(duì)重要負(fù)載供電的可靠性和連續(xù)性可以得到大幅度提高，即當(dāng)1臺(tái)電源發(fā)生故障時(shí)，重要負(fù)載可自動(dòng)轉(zhuǎn)由并聯(lián)運(yùn)行的另1臺(tái)電源供電，能真正做到故障發(fā)生時(shí)供電電源的零時(shí)間轉(zhuǎn)換。

與此同時(shí)，并聯(lián)運(yùn)行的2號(hào)逆變電源還可以作為3號(hào)逆變電源的熱備份電源，即正常工作時(shí)控制3臺(tái)逆變電源輸出電壓與1號(hào)、2號(hào)電源同頻同相，一旦3號(hào)電源發(fā)生故障，在1號(hào)電源正常工作的情況下，可以將2號(hào)電源切換過(guò)去代替故障電源，這樣整個(gè)配電網(wǎng)供電的可靠性和連續(xù)性都可以得到有效提升。

上述2臺(tái)變壓器和3臺(tái)逆變電源的輸出通過(guò)可電操的斷路器和電力電子開關(guān)接入配電網(wǎng)，這些斷路器由交流220 V供電轉(zhuǎn)換裝置控制。交流220 V供電轉(zhuǎn)換裝置控制在各工況下對(duì)各斷路器的切換控制策略為：

1）在艇靠岸停泊時(shí)，首先斷開K3～K6，確保逆變電源從電網(wǎng)退出后再閉合K1，K2，轉(zhuǎn)由2臺(tái)變壓器向220 V交流電網(wǎng)供電；

2）在航行狀態(tài)正常工作時(shí)，先斷開K1，K2，K5再閉合K3，K4，K6，當(dāng)確保變壓器從電網(wǎng)中切斷后再投入逆變電源，讓1號(hào)和2號(hào)電源并聯(lián)運(yùn)行同時(shí)給重要負(fù)荷供電，3號(hào)電源給照明等常規(guī)負(fù)載供電；

3）在航行狀態(tài)下，如果1號(hào)電源故障則斷開K3讓1號(hào)電源退出電網(wǎng)，由2號(hào)電源供給重要負(fù)荷的全部負(fù)載；如果2號(hào)電源故障則斷開K4使2號(hào)電源退出電網(wǎng)，由1號(hào)電源供給重要負(fù)荷的全部負(fù)載。

4）在航行狀態(tài)下，如果3號(hào)電源故障則首先斷開K4，K6再閉合K5，由2號(hào)電源頂替3號(hào)電源繼續(xù)工作；如果此時(shí)又出現(xiàn)1號(hào)電源故障，為確保重要負(fù)荷用電，則首先斷開K3，K5再閉合K4，讓1號(hào)電源退出后再將2號(hào)電源切換回來(lái)。

5）在航行條件下，如果1號(hào)和3號(hào)電源均故障，則K3，K6斷開，讓1號(hào)和3號(hào)電源退出電網(wǎng)，2號(hào)電源繼續(xù)工作保證對(duì)重要負(fù)荷供電的連續(xù)性。

由于2臺(tái)或者2臺(tái)以上的逆變電源同時(shí)出現(xiàn)故障的可能性是很小的，對(duì)于這種故障狀態(tài)不做進(jìn)一步討論。

在上述各種工作情況下，為盡可能保證高可靠供電，斷路器開關(guān)狀態(tài)如表1所示，其中“1”表示閉合，“0”表示分?jǐn)唷?/p>

表 1 切換控制策略狀態(tài)表Tab. 1Switching strategy statetable

表1中的K1～K6互鎖的邏輯關(guān)系可以抽象出來(lái)表達(dá)如下：

為了保證切換安全，在正常工作時(shí)各斷路器的開關(guān)狀態(tài)切換應(yīng)遵循一定的互鎖原則。在對(duì)K1～K6各電力開關(guān)進(jìn)行操作時(shí)，必須考慮表達(dá)式（1）的互鎖關(guān)系，以確保切換過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)誤操作給電網(wǎng)帶來(lái)危害。

3 常見(jiàn)系統(tǒng)的可靠性模型

根據(jù)系統(tǒng)中各組件（或單元）的功能關(guān)系，常見(jiàn)的可靠性模型有串聯(lián)系統(tǒng)模型、并聯(lián)系統(tǒng)模型、等待系統(tǒng)模型等[7]。

3.1 串聯(lián)系統(tǒng)

串聯(lián)系統(tǒng)是由幾個(gè)部件串聯(lián)而成，其中任何一個(gè)部件失效就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失效，故串聯(lián)系統(tǒng)的壽命等于其中最先失效部件的壽命。根據(jù)全概率公式可知串聯(lián)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為：

式中：Rs（t）為系統(tǒng)的總可靠度；Ri（t）為第i個(gè)部件的可靠度。

3.2 并聯(lián)系統(tǒng)

并聯(lián)系統(tǒng)由n個(gè)部件并聯(lián)而成，當(dāng)這n個(gè)部件都失效時(shí)系統(tǒng)才失效，并聯(lián)系統(tǒng)的壽命等于其中最后失效部件的壽命。

3.3 等待系統(tǒng)

等待系統(tǒng)的模型中，一旦某單元失效，則開關(guān)K馬上與另一個(gè)單元接通，系統(tǒng)能正常地完成任務(wù)。等待系統(tǒng)能正常工作的條件是至少有一個(gè)單元不失效。

圖 2 等待系統(tǒng)可靠性模型Fig. 2Waiting system reliability model

如假定檢測(cè)和轉(zhuǎn)換是絕對(duì)可靠的，且各單元是相同的，每個(gè)單元的可靠度為。根據(jù)泊松公式，系統(tǒng)的可靠度為：

4 交流220 V電網(wǎng)供電可靠度分析

根據(jù)單臺(tái)逆變電源技術(shù)指標(biāo)，其平均故障間隔時(shí)間MTBF≥3 000 h，即，。

為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，突出討論的主體，考慮切換開關(guān)和電纜線的可靠度為1，并假設(shè)3臺(tái)逆變電源的可靠度相同且均為，則對(duì)交流220 V電網(wǎng)電源系統(tǒng)的供電可靠性可作如下分析。

4.1 對(duì)重要負(fù)荷供電的可靠度分析

當(dāng)3號(hào)逆變電源正常獨(dú)立工作時(shí)，1號(hào)和2號(hào)逆變電源并聯(lián)運(yùn)行狀態(tài)；而當(dāng)3號(hào)逆變電源故障時(shí)，2號(hào)電源替代3號(hào)電源供電，但此時(shí)2號(hào)電源仍處于1號(hào)電源的熱備份狀態(tài)，一旦1號(hào)電源故障2號(hào)電源將迅速切換回來(lái)。

因此對(duì)重要負(fù)荷而言，雖然2號(hào)電源存在著狀態(tài)切換，但整個(gè)供電系統(tǒng)的實(shí)際壽命仍然等于1號(hào)、2號(hào)電源中最后失效的那1臺(tái)的壽命，這符合可靠性模型中并聯(lián)系統(tǒng)的定義，所以對(duì)重要負(fù)荷供電的可靠度為：

4.2 對(duì)一般負(fù)載供電的可靠度分析

當(dāng)1號(hào)電源正常工作時(shí)，2號(hào)電源可作為3號(hào)的熱備份電源以便在3號(hào)故障時(shí)頂替其繼續(xù)供電，此時(shí)2號(hào)、3號(hào)電源組成供電系統(tǒng)的系統(tǒng)壽命等于最后失效那1臺(tái)電源的壽命，這符合可靠性模型里的并聯(lián)系統(tǒng)的定義；而當(dāng)1號(hào)電源故障時(shí)由于必須保障重要負(fù)荷用電，此時(shí)2號(hào)、3號(hào)電源各自獨(dú)立工作。因此對(duì)照明控制等一般負(fù)載供電的可靠度為：

若沒(méi)有引入2號(hào)冗余電源，僅1號(hào)、3號(hào)各自獨(dú)立工作，則AC220V交流電網(wǎng)的供電可靠度均為：

通過(guò)表達(dá)式（4）、式（6）和式（7）的比較可以看到，引入冗余逆變電源后配電網(wǎng)對(duì)負(fù)載的供電可靠性得到了有效提高。軟件Matlab繪出3 000 h內(nèi)3個(gè)可靠度函數(shù)，，的曲線，如圖3所示。

為了清晰地對(duì)這3個(gè)可靠度進(jìn)行比較，利用數(shù)學(xué)

圖 3 不同供電方式下的可靠度比較Fig. 3Reliability comparison of three schemes

由圖3可以清楚地看到，在整個(gè)時(shí)間段內(nèi)配電網(wǎng)對(duì)重要負(fù)荷等重要負(fù)載的供電可靠性最高，對(duì)一般控制類設(shè)備的供電可靠性次之，但兩者與單臺(tái)電源獨(dú)立供電相比，可靠性均得到了明確有效的提升，設(shè)計(jì)目標(biāo)得以有效實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以某型船220 V交流電網(wǎng)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，介紹了一種高可靠供電的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和控制策略。

在電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，該電網(wǎng)采取了干饋混合配電和分區(qū)供電的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過(guò)將電網(wǎng)進(jìn)行分級(jí)、分段以及多路取電，可以有效隔離負(fù)載間的相互干擾，確保重要負(fù)載用電獨(dú)立性，以及有效的控制故障區(qū)域，提高供電網(wǎng)絡(luò)的可靠性和連續(xù)性。

在電源配置和控制方式上，為了滿足重要負(fù)載對(duì)供電連續(xù)性的高要求，設(shè)計(jì)了新穎帶切換策略的冗余并聯(lián)供電方案，并利用冗余電源的并聯(lián)和切換方式，在保證提升重要負(fù)載的供電可靠性的同時(shí)，也顯著提高了全網(wǎng)的供電可靠度。