基于并聯(lián)均流技術(shù)的魯棒供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫 雯

（中國中絲集團(tuán)有限公司，北京 100009）

目前，國內(nèi)大型船舶均安裝了雷達(dá)、電子干擾和通信等電子設(shè)備，具備預(yù)警偵察、電子對抗等能力。雷達(dá)、電子干擾等電子設(shè)備具有脈沖信號強(qiáng)、工作頻段寬、工作模式多和峰值功率大等特點(diǎn)。例如，雷達(dá)發(fā)射機(jī)高壓電源的負(fù)載一般為脈沖負(fù)載，工作周期為0.001 ～0.100 s，在長脈寬工作模式下供電系統(tǒng)的功率會產(chǎn)生波動[1]。

1 脈沖負(fù)載對供電系統(tǒng)的影響

對于船舶供電系統(tǒng)來說，大功率雷達(dá)等脈沖負(fù)載設(shè)備屬于高頻脈沖負(fù)載設(shè)備。當(dāng)雷達(dá)功率需求達(dá)到兆瓦級時，雷達(dá)啟動或工作模式變化引起的負(fù)載波動會導(dǎo)致交流電網(wǎng)頻率波動超限[2]。大型艦船供電系統(tǒng)具有多種供電能源，負(fù)載大功率脈沖設(shè)備的供電網(wǎng)絡(luò)一般按照單個能源的供電能力規(guī)劃脈沖負(fù)載設(shè)備。供電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)完成后，綁定脈沖負(fù)載設(shè)備與供電通道。除特殊情況外，脈沖負(fù)載設(shè)備僅由綁定的能源供電。

裝備4 部異構(gòu)能源的供電系統(tǒng)的傳統(tǒng)供電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖1 所示。圖1 中，1 號設(shè)備為脈沖負(fù)載設(shè)備。當(dāng)供電網(wǎng)絡(luò)正常工作時，1 號設(shè)備由與之綁定的1 個能源通過供電通道供電。同一時間只能有1 個能源與1 個載荷設(shè)備連接，而且1 個能源只能為1 個設(shè)備供電，即載荷設(shè)備與供電通道綁定。因此，傳統(tǒng)機(jī)載供電網(wǎng)絡(luò)存在脈沖負(fù)載的供電匹配和供電能源無法動態(tài)分配的問題。

圖1 傳統(tǒng)供電系統(tǒng)

1.1 脈沖負(fù)載的供電匹配問題

脈沖負(fù)載與常規(guī)穩(wěn)態(tài)負(fù)載不同，呈現(xiàn)非線性和多樣性的特征。在傳統(tǒng)供電系統(tǒng)中，負(fù)載特性對發(fā)電通道的影響將會直接傳遞給對應(yīng)的供電能源，如果供電能源能力與負(fù)載不匹配，會導(dǎo)致發(fā)電通道故障。

大型相控陣?yán)走_(dá)的脈沖負(fù)載為非線性負(fù)載。工作時該設(shè)備的負(fù)載功率在空載和滿載之間不斷切換，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出軸承受的扭矩不斷變化。如果彈性軸承受的應(yīng)力超出疲勞系數(shù)規(guī)定的范圍，會使電機(jī)軸斷裂，導(dǎo)致電機(jī)無法供電。例如，某型裝備交流發(fā)電機(jī)發(fā)生故障，通過對發(fā)電機(jī)進(jìn)行外觀觀察和拆解，發(fā)現(xiàn)彈性軸的斷口形貌存在明顯的疲勞弧線，判斷彈性軸為疲勞斷裂。某型裝備發(fā)電機(jī)通道特殊工作模式下的電壓電流波形，如圖2 所示。

圖2 某型裝備發(fā)電機(jī)通道特殊工作模式下的電壓電流波形

由于機(jī)動平臺空間和質(zhì)量等條件的約束，每個通道通常需要為多種負(fù)載供電，電機(jī)的外特性表現(xiàn)為阻性、感性、容性或組合模式。多種負(fù)載在并聯(lián)使用時可能會產(chǎn)生諧振，諧振電流遠(yuǎn)大于正常工作電流，會導(dǎo)致發(fā)電機(jī)故障。例如，某型裝備的交流發(fā)電機(jī)發(fā)生彈性軸斷裂，其原因?yàn)槔走_(dá)負(fù)載輸入端并聯(lián)有大電容，當(dāng)雷達(dá)與所在通道其他負(fù)載并聯(lián)使用時，產(chǎn)生了嚴(yán)重的電網(wǎng)并聯(lián)諧振。諧振電流是正常工作電流的1.5 ～2倍，諧振Q值約為1.4。某型負(fù)載特性測試，如圖3所示。雷達(dá)負(fù)載供電的交流發(fā)電機(jī)通道主電路電流嚴(yán)重波動，使得彈性軸承受應(yīng)力較大、頻率較高的沖擊載荷，導(dǎo)致其在短時間內(nèi)發(fā)生疲勞斷裂。

圖3 某型負(fù)載特性測試

1.2 供電能源無法動態(tài)分配問題

傳統(tǒng)供電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的供電能源與設(shè)備完全綁定。在任務(wù)執(zhí)行過程中，即使某通道的供電能源空閑，也無法被其他通道利用。不同供電能源的負(fù)荷按照設(shè)備額定功率設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中，為了避免研制風(fēng)險，各供電能源的負(fù)荷均會留有一定余量，以保證設(shè)計(jì)變更引起的能耗問題不影響載荷功能性能。多個供電能源均進(jìn)行余量設(shè)計(jì)，必然會導(dǎo)致整個供電系統(tǒng)的供電余量過大。在任務(wù)執(zhí)行過程中，供電能源與設(shè)備完全綁定，即使產(chǎn)生新的任務(wù)需求，也無法根據(jù)新需求調(diào)整供電能源，重新進(jìn)行分配。

2 健壯性供電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)供電系統(tǒng)無法滿足高功率、大電流和脈沖負(fù)載等設(shè)備的要求，而且在供電資源有限的條件下不能充分利用供電能源。在船舶供電系統(tǒng)中，分布式發(fā)電單元種類繁雜，儲能單元具有多種儲能電池，微電網(wǎng)存在多種工作模式。當(dāng)供電系統(tǒng)切換不同模式或負(fù)載單元負(fù)荷較大時，變換器需要并聯(lián)運(yùn)行[3]。因此，提出一種基于并聯(lián)均流技術(shù)的健壯供電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)思路，以提高系統(tǒng)冗余供電能力和供電系統(tǒng)的健壯性，將船舶供電系統(tǒng)的多臺異構(gòu)能源構(gòu)建成一個電源網(wǎng)絡(luò)。

直接在交流發(fā)電機(jī)端進(jìn)行并網(wǎng)控制存在一定問題。一方面，交流發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)條件苛刻，只有多臺發(fā)電機(jī)的幅值和相位基本一致才能投切，而且投切設(shè)備復(fù)雜，設(shè)備體積和質(zhì)量較大。另一方面，多臺發(fā)電機(jī)之間設(shè)計(jì)了冗余切換機(jī)制，當(dāng)單臺發(fā)電機(jī)出現(xiàn)故障時，可以手動或自動關(guān)閉正常發(fā)電機(jī)與故障發(fā)電機(jī)之間的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)對故障通道的供電，但是故障中斷期間無法滿足工作不間斷要求。

基于此，將多種交流能源輸出分別進(jìn)行整流和并網(wǎng)控制，借鑒能源物聯(lián)網(wǎng)的基本理論，組成一套供電能源可動態(tài)配置的供電網(wǎng)絡(luò)[4]。該系統(tǒng)由多臺整流電源和直流能量路由分配系統(tǒng)組成。其中，直流能量路由分配系統(tǒng)包括功率母線、配電裝置、均流控制、能量管理與控制模塊和功率變化器。面向大功率脈沖負(fù)載的供電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖4 所示。

圖4 面向大功率脈沖負(fù)載的魯棒供電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

通過整流電源將交流電轉(zhuǎn)為直流電。交流電并網(wǎng)的難度和要求較高，需要發(fā)電機(jī)的幅值和相位均保持一致，而且需要配置相位檢測器。配置相位檢測器不僅會導(dǎo)致設(shè)備超重，還會對發(fā)電機(jī)的安全性產(chǎn)生一定影響，而直流電源并網(wǎng)則比較簡便。設(shè)計(jì)的直流能量路由分配系統(tǒng)可以統(tǒng)一管理各整流電源的輸出電壓，通過逆變并網(wǎng)與同步技術(shù)、高性能并聯(lián)均流控制技術(shù)、功率主電路拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)、抗輸入擾動控制技術(shù)以及高功率因數(shù)控制技術(shù)，優(yōu)化輸出端直流電，以滿足后端負(fù)載的用電需求[5-6]。采用統(tǒng)一的直流母線可以解決單個發(fā)電機(jī)通道故障時，發(fā)電機(jī)所連接的負(fù)載無法工作的問題。統(tǒng)一架構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電機(jī)資源調(diào)度，解決A 通道供電有冗余，而B 通道供電資源緊張的問題。

同時，供電能源、整流電源、直流能量路由分配系統(tǒng)、功率變化器與負(fù)載載荷互聯(lián)起來，組成封閉電能網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)功率流的定向、定量流動，實(shí)現(xiàn)多能源的自主能量調(diào)度策略。在各負(fù)載節(jié)點(diǎn)分布式放置功率變化器，并由直流能量路由分配系統(tǒng)統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵載荷設(shè)備的供電方式多余度備份與能量就近傳輸，既可降低能源系統(tǒng)中的傳輸損耗，又可提高能源系統(tǒng)的供電可靠性和供電品質(zhì)。直流能量路由分配系統(tǒng)的功率最優(yōu)分配控制，多能系統(tǒng)的分布式結(jié)構(gòu)決定了發(fā)電側(cè)與負(fù)載側(cè)多點(diǎn)構(gòu)成的特點(diǎn)。能源設(shè)備自身的工藝差異，導(dǎo)致各能源的內(nèi)阻特性無法一致，將能源系統(tǒng)劃分為多個功率控制組，通過協(xié)調(diào)控制直流能量路由分配系統(tǒng)的輸出額，實(shí)現(xiàn)同組內(nèi)能源與負(fù)載的就近功率傳輸。不同組間進(jìn)行能源功率最小差額傳輸，實(shí)時調(diào)整變換器輸出功率，并進(jìn)行最優(yōu)分配，以縮短功率流動的線路距離。

直流能量路由分配系統(tǒng)除發(fā)揮管控作用外，還承擔(dān)了對系統(tǒng)載荷的配電任務(wù)。供電端采用統(tǒng)一的直流母線，使直流電進(jìn)入配電系統(tǒng)后，通過固態(tài)功率接觸器實(shí)現(xiàn)對每一路負(fù)載的配電、保護(hù)和控制。此外，系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測每一路的供電情況，評估其健康狀態(tài)。另外，由于船舶在面對不同工作時負(fù)載對能源系統(tǒng)的影響復(fù)雜且難以忽視，動態(tài)、隨機(jī)的行為因素導(dǎo)致供電系統(tǒng)中的發(fā)電量、用電量難以通過計(jì)算來獲取，無法定量評估能量閉環(huán)的有效性。因此，可根據(jù)船舶當(dāng)前工作進(jìn)行電源與負(fù)載的能量預(yù)測以及系統(tǒng)健壯性估測，并根據(jù)估測的結(jié)果約束裝備后續(xù)的行為。

3 結(jié)語

分析傳統(tǒng)供電系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)故障原因發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)供電系統(tǒng)不適用各種復(fù)雜負(fù)載特性電子系統(tǒng)?；诖?，提出一種依托能量路由器、功率母線、電源均衡輸出、多能源轉(zhuǎn)換與耦合以及電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)等技術(shù)的面向任務(wù)的多電源并網(wǎng)均流系統(tǒng)。此系統(tǒng)將多種能源輸出進(jìn)行整流和并網(wǎng)控制，既能提高供電網(wǎng)絡(luò)的健壯性，又能實(shí)現(xiàn)供電資源的按需動態(tài)調(diào)配，實(shí)現(xiàn)電能利用的最大化，進(jìn)一步提升裝備效能。