艦船綜合電力系統直流區域配電實驗研究

張懷亮，呂敬高，王瑞田，范學鑫

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

1 引言

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

美國海軍將直流區域配電系統稱為IFTP（Integrated Fight Through Power），應用IFTP系統的DDG-1000首艦將于2013年下水服役[2]。據[3,4]報道，美海軍于2003年完成了IFTP系統各電力電子設備的出廠實驗，并在費城實驗站建立了兩個配電分區的IFTP驗證平臺，每個配電分區包括一臺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（Hardware in the Loop，HIL），在加拿大Opal-RT公司生產的RT-LAB實時仿真平臺上搭建了艦船綜合電力系統仿真模型，并進行能量管理相關研究。而國內艦船直流區域配電系統相關起步較晚，尚處于概念推廣、方案論證階段[6]。

由國外研發IFTP系統的過程可以看出，為了全面評估系統性能、掌握系統運行特點，建立全尺寸的工程樣機是IFTP工程化應用的必經之路。本文介紹了艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室建立的直流區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果。

2 直流區域配電網絡實驗平臺概述

第二代綜合電力系統直流區域配電網絡拓撲結構如圖1所示[1]。圖中，直流區域配電網絡包括左右舷700 V直流母線、4 MW DC/DC變流器及四個配電分區。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直流區域配電網絡拓撲結構圖

在圖1所示拓撲結構基礎上，結合實際條件，適當減小電力電子變流裝置容量，建立如圖2所示的直流區域配電網絡實驗平臺。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）；將日用負載劃分為兩個配電分區，每個配電分區包括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）。上層能量管理系統通過CAN網絡管理各臺電力電子設備的運行狀況。

圖2 直流區域配電網絡實驗平臺拓撲結構圖

實驗平臺的核心設備是三型電力電子變流裝置，將在下面章節分別介紹。

2.1 DC/DC變流器

2 MW級DC/DC變流器運用了模塊化的設計思想。單臺2 MW級DC/DC變流器由三個結構、功能完全相同的變流子模塊并聯組成，模塊之間互為冗余，可以靈活配置以構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變流器的模塊化結構

2 MW級DC/DC變流器主要技術指標：

額定輸入電壓：DC4000 V

額定輸出電壓：710 VDC

瞬態電壓變化范圍：588-788V

瞬態電壓恢復時間：≤ 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，同時輔以直流預充電回路、母線放電回路及相應電壓電流傳感器。

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)向負載提供滿足電力品質要求的交流電；(3)具有交、直流短路保護能力和較完備的自身狀態異常保護能力；(4) 2臺逆變器可以可靠并聯。

450 kW DC/AC逆變器主要技術指標：

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

采用模塊化的設計思想。單臺50 kW DC/DC斬波器由兩個結構、功能完全相同的斬波單元并聯組成，模塊之間互為冗余，可以靈活配置以構成不同功率等級的變流器。斬波單元采用全橋移相軟開關技術，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斬波器主要技術指標：

額定輸入電壓：DC710 V

額定輸出電壓：230 VDC

瞬態電壓變化范圍：190-255 V

3 直流區域配電網絡實驗研究

由圖2可知，直流區域配電網絡實驗平臺的主要設備包括2 MW DC/DC變流器、450 kW DC/AC逆變器、50 kW DC/DC斬波器、710 V直流母線聯絡屏、交流負載屏、直流負載屏、交直流跨接屏及其附屬設備組成。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載供電，斬波器為低壓直流負載供電。另有4kV直流整流電源、水電組負載、可調電抗器、電流測量柜等陪試設備。

測量設備包括數據采集系統、功率分析儀、電壓電流傳感器、兆歐表、溫濕度計等儀器設備，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。

輔助設備主要包括輔助供電、供水等設備。

圖5 斬波單元主回路原理圖

3.1 實驗項目

根據制定的實驗大綱，現階段進行了穩態特性、動態特性、兩舷供電轉換、負載管理、短路保護、空氣噪聲、電測兼容等實驗內容。

3.2 穩態實驗

穩態實驗的目的是檢查直流區域配電網絡的穩態運行特性。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%負載和100%負載工況下，利用數字信號采集處理系統采集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。根據采集數據分析得到電壓、電流數據在各工況下的有效值；計算系統空載損耗；計算額定負載時的全系統效率。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。

直流區域配電網絡額定負載下710 V直流母線、400 V交流母線電壓波形如圖6所示。實驗結果說明了直流區域配電網絡的穩態特性滿足要求。

3.3 動態實驗

穩態實驗的目的是檢查直流區域配電網絡的在突加突卸負載時的動態運行特性。直流區域配電網絡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交流網絡負載：

1） 空載到50%負載；

2） 50%負載到100%負載；

3） 100%負載到50%負載；

利用數字信號采集處理系統采集左右舷710 V直流母線電壓、400 V 50 Hz交流網絡電壓。根據負載突變所引起電壓偏差確定輸出電壓的瞬態變化，負載突變至交流電壓進入±3%穩態誤差帶所需的時間即為恢復時間。直流區域配電分系統動態實驗波形如圖7所示。實驗結果說明了直流區域配電網絡的動態特性滿足要求。

圖6 直流區域配電網絡額定負載下穩態電壓波形

圖7 直流區域配電分系統空載突加至50%負載實驗波形

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%額定負載穩定運行一段時間后，將負載突然短路，設置直流斷路器短延時0.35 s，使得短路維持0.35 s后切除。利用數字信號采集處理系統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變流器負載側發生短路故障時，各子模塊短路限流及恢復供電功能分別獨立控制，與并聯子模塊數無關。實驗結果說明了2 MW DC/DC變流器短路限流功能滿足要求。

4 結束語

本文首先介紹了直流區域配電實驗平臺的網絡拓撲，然后分別描述了網絡中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，列出了已開展的實驗項目，并給出了部分實驗結果。由實驗結果可得到如下結論：

圖8 單臺變流子模塊50%負載時輸出短路切除后電壓恢復電壓電流波形

直流區域配電網絡運行穩定，710 V直流母線、400 V/50 Hz交流網絡、230 V直流網絡動靜態性能良好，具備短路限流功能，短路在0.5 s內切除后能夠快速恢復供電。低壓配電板開關操控、電量和狀態指示等功能正常。直流區域配電網絡實驗平臺滿足各項設計指標，為直流區域配電網絡的工程化應用提供了重要的技術支撐。

[1] WeiMing Ma. Development of vessel integrated power system[C]. 2011 International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS),2011：1-12.

[2] Rourke R．Navy DDG-51 and DDG-1000 Destroyer Programs： Background and Issues for Congress[R]．American：Congressional Research Service Report for Congress，2009：1-6．

[3] George V. Galdorisi, Scott C. Truver. The Zumwalt-class destroyer, a technology “bridge”shaping the navy after next. Naval War College Review, 2010, 63(3)： 63-73.

[4] Zgliczynski J B, Heiberger M, Callis S I.Development of integrated fight-through power modules for the U.S. Navy fleet. AES 2003：275～283.

[5] Xie Y, Gayathri Seenumani, Sun J, et al. A PC-Cluster Based Real-Time Simulator for All-Electric Ship Integrated Power Systems Analysis and Optimization.2007：396～401.

[6] 回志澎, 冀路明, 陳新剛, 等．現代艦船區域配電[J]．船舶工程, 2005(6)： 63-67．