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

(武漢第二船舶設計研究院，湖北 武漢 430064)

0 引 言

隨著艦船綜合電力系統技術的快速發展，電力電子變換設備在艦船電力系統的應用越來越廣泛[1～3]。采用電力電子變換設備作為艦船電力系統的電源，雖然具有電能品質高、響應速度快、控制能力強的明顯優勢，但也存在耐沖擊能力弱、任務可靠度低等不足[4,5]。因此，采用電力電子電源作為艦船電力系統主電源應用時，在供電系統配置和設計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電網供電系統的設計方案為例，介紹一種以逆變電源為供電電源、通過并聯和備份多種技術手段的高可靠交流系統供電方案。

在交流220 V電網的設計中，為確保配電網供電的高可靠性和連續性，在電網的結構上采用了采取分區供電的原則，將需要重點保障的重要負荷負載和其他220 V照明、控制等一般負載分開。

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

由于在交流電網的電源配置設計上采用了的冗余逆變電源這一新穎的措施，利用電力電子開關的快速切換特性，通過并聯和切換等技術手段，不但可以有效確保重要負載的供電可靠性，而且通過合理控制策略，整個配電網的供電可靠度都能得到提高，以期通過最小的代價，實現最大的供電可靠度提升。

1 高可靠交流220 V電網結構設計

電網結構是電力系統穩定性與安全性的基礎，電網結構一旦形成將決定電力系統的配電保護以及保護器件的能力，如果設計有缺陷將使系統難以實現選擇性保護[6]，從而大大影響系統的供電可靠度。

為了提高電網供電可靠性和生命力，在電網設計中通常可參考的方法有：

1）選擇可靠性較高的電網型式；

2）按用電設備的重要性實行分級供電，通過開關的保護作用，使得低級配電負荷的故障不至影響前級配電板的供電；

3）實行分區供電，將故障限制在某一個區域，同時避免負載間的相互影響；

4）對重要負荷實行多路供電，提高供電可靠性；

電網的結構決定了電網供電的可靠性和生命力，良好而合理的電網設計則保障了交流配電網絡安全可靠的運行。AC220V交流電網采用可靠性較高的干饋混合配電制的網絡結構，這種分級的電網結構通過與斷路器等保護器件的配合可以形成選擇性的保護能力，將故障控制在局部區域。

AC220V電網在電源配置上為3臺單相逆變電源和2臺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供電轉換裝置控制，并采取分區供電制的原則，分成兩路分別為重要負荷和普通負荷供電提供交流電能。

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

在交流220 V配電網中，重要負荷和普通負荷分別由2臺（1號和3號逆變電源）單相大功率逆變電源各自獨立供電，在各自電源正常的情況下，母聯開關分斷。分開供電后有效保障了重要負載的用電獨立性和可靠性，避免普通負荷啟停沖擊等因素對其造成的干擾，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，由2臺變壓器向220 V交流電網供電；在航行時，由1號和2號逆變電源并聯向供電重要負荷供電，3號逆變電源向照明、一般電子設備等常規負載供電。與此同時，2號逆變電源還可以作為3號逆變電源的熱備份電源，當3號電源出現故障時可迅速切換，頂替故障電源。

2 高可靠度的逆變電源供電策略研究

正常工作狀態下，2號逆變電源利用成熟的逆變器并聯技術與1號電源并聯運行，組成N+1的冗余供電系統，為重要設備提供可靠的供電保證。這樣一來不但重要負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提高，而且更為重要的是對重要負載供電的可靠性和連續性可以得到大幅度提高，即當1臺電源發生故障時，重要負載可自動轉由并聯運行的另1臺電源供電，能真正做到故障發生時供電電源的零時間轉換。

與此同時，并聯運行的2號逆變電源還可以作為3號逆變電源的熱備份電源，即正常工作時控制3臺逆變電源輸出電壓與1號、2號電源同頻同相，一旦3號電源發生故障，在1號電源正常工作的情況下，可以將2號電源切換過去代替故障電源，這樣整個配電網供電的可靠性和連續性都可以得到有效提升。

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

1）在艇靠岸停泊時，首先斷開K3～K6，確保逆變電源從電網退出后再閉合K1，K2，轉由2臺變壓器向220 V交流電網供電；

2）在航行狀態正常工作時，先斷開K1，K2，K5再閉合K3，K4，K6，當確保變壓器從電網中切斷后再投入逆變電源，讓1號和2號電源并聯運行同時給重要負荷供電，3號電源給照明等常規負載供電；

3）在航行狀態下，如果1號電源故障則斷開K3讓1號電源退出電網，由2號電源供給重要負荷的全部負載；如果2號電源故障則斷開K4使2號電源退出電網，由1號電源供給重要負荷的全部負載。

4）在航行狀態下，如果3號電源故障則首先斷開K4，K6再閉合K5，由2號電源頂替3號電源繼續工作；如果此時又出現1號電源故障，為確保重要負荷用電，則首先斷開K3，K5再閉合K4，讓1號電源退出后再將2號電源切換回來。

5）在航行條件下，如果1號和3號電源均故障，則K3，K6斷開，讓1號和3號電源退出電網，2號電源繼續工作保證對重要負荷供電的連續性。

由于2臺或者2臺以上的逆變電源同時出現故障的可能性是很小的，對于這種故障狀態不做進一步討論。

在上述各種工作情況下，為盡可能保證高可靠供電，斷路器開關狀態如表1所示，其中“1”表示閉合，“0”表示分斷。

表 1 切換控制策略狀態表Tab. 1Switching strategy statetable

表1中的K1～K6互鎖的邏輯關系可以抽象出來表達如下：

為了保證切換安全，在正常工作時各斷路器的開關狀態切換應遵循一定的互鎖原則。在對K1～K6各電力開關進行操作時，必須考慮表達式（1）的互鎖關系，以確保切換過程中不會出現誤操作給電網帶來危害。

3 常見系統的可靠性模型

根據系統中各組件（或單元）的功能關系，常見的可靠性模型有串聯系統模型、并聯系統模型、等待系統模型等[7]。

3.1 串聯系統

串聯系統是由幾個部件串聯而成，其中任何一個部件失效就會導致系統失效，故串聯系統的壽命等于其中最先失效部件的壽命。根據全概率公式可知串聯系統的數學模型為：

式中：Rs（t）為系統的總可靠度；Ri（t）為第i個部件的可靠度。

3.2 并聯系統

并聯系統由n個部件并聯而成，當這n個部件都失效時系統才失效，并聯系統的壽命等于其中最后失效部件的壽命。

3.3 等待系統

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

圖 2 等待系統可靠性模型Fig. 2Waiting system reliability model

如假定檢測和轉換是絕對可靠的，且各單元是相同的，每個單元的可靠度為。根據泊松公式，系統的可靠度為：

4 交流220 V電網供電可靠度分析

根據單臺逆變電源技術指標，其平均故障間隔時間MTBF≥3 000 h，即，。

為了簡化問題，突出討論的主體，考慮切換開關和電纜線的可靠度為1，并假設3臺逆變電源的可靠度相同且均為，則對交流220 V電網電源系統的供電可靠性可作如下分析。

4.1 對重要負荷供電的可靠度分析

當3號逆變電源正常獨立工作時，1號和2號逆變電源并聯運行狀態；而當3號逆變電源故障時，2號電源替代3號電源供電，但此時2號電源仍處于1號電源的熱備份狀態，一旦1號電源故障2號電源將迅速切換回來。

因此對重要負荷而言，雖然2號電源存在著狀態切換，但整個供電系統的實際壽命仍然等于1號、2號電源中最后失效的那1臺的壽命，這符合可靠性模型中并聯系統的定義，所以對重要負荷供電的可靠度為：

4.2 對一般負載供電的可靠度分析

當1號電源正常工作時，2號電源可作為3號的熱備份電源以便在3號故障時頂替其繼續供電，此時2號、3號電源組成供電系統的系統壽命等于最后失效那1臺電源的壽命，這符合可靠性模型里的并聯系統的定義；而當1號電源故障時由于必須保障重要負荷用電，此時2號、3號電源各自獨立工作。因此對照明控制等一般負載供電的可靠度為：

若沒有引入2號冗余電源，僅1號、3號各自獨立工作，則AC220V交流電網的供電可靠度均為：

通過表達式（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對負載的供電可靠性得到了有效提高。軟件Matlab繪出3 000 h內3個可靠度函數，，的曲線，如圖3所示。

為了清晰地對這3個可靠度進行比較，利用數學

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，在整個時間段內配電網對重要負荷等重要負載的供電可靠性最高，對一般控制類設備的供電可靠性次之，但兩者與單臺電源獨立供電相比，可靠性均得到了明確有效的提升，設計目標得以有效實現。

5 結 語

本文以某型船220 V交流電網供電系統設計為例，介紹了一種高可靠供電的電源系統設計方案和控制策略。

在電網拓撲結構上，該電網采取了干饋混合配電和分區供電的網絡結構，通過將電網進行分級、分段以及多路取電，可以有效隔離負載間的相互干擾，確保重要負載用電獨立性，以及有效的控制故障區域，提高供電網絡的可靠性和連續性。

在電源配置和控制方式上，為了滿足重要負載對供電連續性的高要求，設計了新穎帶切換策略的冗余并聯供電方案，并利用冗余電源的并聯和切換方式，在保證提升重要負載的供電可靠性的同時，也顯著提高了全網的供電可靠度。