舰船综合电力系统直流区域配电实验研究

张怀亮，吕敬高，王瑞田，范学鑫

(1．海军装备采购中心，北京 100071；2．海军驻湖南地区军事代表室，湘潭 411100；3．海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室，武汉 430033)

1 引言

经过二十多年的探索和实践，世界各国海军已经达成共识：未来舰船电力系统的发展方向是综合电力系统（Integrated Power System，IPS）[1]。直流区域配电作为舰船综合电力系统中的重要组成部分之一，利用现代电力电子技术，以电力电子变换设备为核心，向舰上各种不同电制、不同频率的日用负载供电。直流区域配电利用电力电子设备的快速响应实现能量调控，具有高度集成化、层次化、分布式等特点。总体来看，直流区域配电系统供电路径多、运行方式灵活。为了充分发挥其优势，开展相关实验研究对于推进直流区域配电的工程化应用非常必要。

美国海军将直流区域配电系统称为IFTP（Integrated Fight Through Power），应用IFTP系统的DDG-1000首舰将于2013年下水服役[2]。据[3,4]报道，美海军于2003年完成了IFTP系统各电力电子设备的出厂实验，并在费城实验站建立了两个配电分区的IFTP验证平台，每个配电分区包括一台2000 kW整流器（输入：4160 VAC ，输出：1000 VDC），两台750 kW DC/DC变流器（输入：1000 VDC，输出：800 VDC），以及一台500 kW逆变器（输入：800 VDC，输出：三相450 V 60 Hz AC）。文献[5]采用硬件在回路技术（Hardware in the Loop，HIL），在加拿大Opal-RT公司生产的RT-LAB实时仿真平台上搭建了舰船综合电力系统仿真模型，并进行能量管理相关研究。而国内舰船直流区域配电系统相关起步较晚，尚处于概念推广、方案论证阶段[6]。

由国外研发IFTP系统的过程可以看出，为了全面评估系统性能、掌握系统运行特点，建立全尺寸的工程样机是IFTP工程化应用的必经之路。本文介绍了舰船综合电力技术国防科技重点实验室建立的直流区域配电实验平台基本情况及已开展的实验项目，并给出了部分实验结果。

2 直流区域配电网络实验平台概述

第二代综合电力系统直流区域配电网络拓扑结构如图1所示[1]。图中，直流区域配电网络包括左右舷700 V直流母线、4 MW DC/DC变流器及四个配电分区。左舷、右舷各配置2台4 MW DC/DC变流器（输入：4 kVDC，输出：700 VDC）；每个配电分区包括两台1 MW DC/AC逆变器（输入：700 VDC，输出：三相400 V 50 Hz AC）。

图1 典型第二代综合电力系统直流区域配电网络拓扑结构图

在图1所示拓扑结构基础上，结合实际条件，适当减小电力电子变流装置容量，建立如图2所示的直流区域配电网络实验平台。此实验平台左舷、右舷各配置1台2 MW级DC/DC变流器（输入：4 kV DC，输出：700 VDC）；将日用负载划分为两个配电分区，每个配电分区包括1台450 kW DC/AC逆变器（输入：710 VDC，输出：三相400 V 50 Hz AC）和1台50 kW DC/DC斩波器（输入：710 VDC，输出：230 VDC）。上层能量管理系统通过CAN网络管理各台电力电子设备的运行状况。

图2 直流区域配电网络实验平台拓扑结构图

实验平台的核心设备是三型电力电子变流装置，将在下面章节分别介绍。

2.1 DC/DC变流器

2 MW级DC/DC变流器运用了模块化的设计思想。单台2 MW级DC/DC变流器由三个结构、功能完全相同的变流子模块并联组成，模块之间互为冗余，可以灵活配置以构成不同功率等级的变流器，如图3所示。变流子模块主回路原理图如图4所示，主要由三电平逆变电路、中频隔离变压器、不控整流器及输出LC滤波器等组成。

图3 2 MW DC/DC变流器的模块化结构

2 MW级DC/DC变流器主要技术指标：

额定输入电压：DC4000 V

额定输出电压：710 VDC

瞬态电压变化范围：588-788V

瞬态电压恢复时间：≤ 0.5 s

电压脉动：≤ 4%

短路限流：2倍额定电流0.5 s

2.2 DC/AC逆变器

系统主要由输入自动选择模块、直流熔断器、直流主接触器Q1、直流EMI滤波器F1、三相DC/AC逆变电路、输出LCL滤波器、交流主断路器Q2等组成，同时辅以直流预充电回路、母线放电回路及相应电压电流传感器。

450 kW DC/AC逆变器有如下特点：(1) 2路独立的直流输入，分别从左舷或右舷取电；(2)向负载提供满足电力品质要求的交流电；(3)具有交、直流短路保护能力和较完备的自身状态异常保护能力；(4) 2台逆变器可以可靠并联。

450 kW DC/AC逆变器主要技术指标：

额定容量：450 kW

额定输入电压：DC710 V

额定输出电压：AC400 V

额定频率：50 Hz

图4 变流子模块主回路原理图

2.3 DC/DC斩波器

采用模块化的设计思想。单台50 kW DC/DC斩波器由两个结构、功能完全相同的斩波单元并联组成，模块之间互为冗余，可以灵活配置以构成不同功率等级的变流器。斩波单元采用全桥移相软开关技术，主回路原理图如图5所示，主要由全桥逆变电路、隔直电容、高频隔离变压器、不控整流器及输出LC滤波器等组成。

DC/DC斩波器主要技术指标：

额定输入电压：DC710 V

额定输出电压：230 VDC

瞬态电压变化范围：190-255 V

3 直流区域配电网络实验研究

由图2可知，直流区域配电网络实验平台的主要设备包括2 MW DC/DC变流器、450 kW DC/AC逆变器、50 kW DC/DC斩波器、710 V直流母线联络屏、交流负载屏、直流负载屏、交直流跨接屏及其附属设备组成。两台2 MW变流器分别为左舷或右舷710 V母线供电，逆变器为低压交流负载供电，斩波器为低压直流负载供电。另有4kV直流整流电源、水电组负载、可调电抗器、电流测量柜等陪试设备。

测量设备包括数据采集系统、功率分析仪、电压电流传感器、兆欧表、温湿度计等仪器设备，实验过程中需保证仪器仪表等均有校验合格证并在计量有效期内。

辅助设备主要包括辅助供电、供水等设备。

图5 斩波单元主回路原理图

3.1 实验项目

根据制定的实验大纲，现阶段进行了稳态特性、动态特性、两舷供电转换、负载管理、短路保护、空气噪声、电测兼容等实验内容。

3.2 稳态实验

稳态实验的目的是检查直流区域配电网络的稳态运行特性。在额定4 kV输入电压下两台2 MW变流器分别为左、右舷710 V母线供电，两台450 kW逆变器、两台50 kW斩波器工作在空载、50%负载和100%负载工况下，利用数字信号采集处理系统采集2 MW变流器直流输入电压、直流输入电流、直流输出电压、直流输出电流，450 kW逆变器交流输出电压、交流输出电流，50 kW斩波器直流输出电压、直流输出电流。根据采集数据分析得到电压、电流数据在各工况下的有效值；计算系统空载损耗；计算额定负载时的全系统效率。对额定工况下的波形进行分析，计算电压纹波及主要谐波含量。

直流区域配电网络额定负载下710 V直流母线、400 V交流母线电压波形如图6所示。实验结果说明了直流区域配电网络的稳态特性满足要求。

3.3 动态实验

稳态实验的目的是检查直流区域配电网络的在突加突卸负载时的动态运行特性。直流区域配电网络各变流装置在额定输入条件下运行，按下列工况突变400 V 50 Hz交流网络负载：

1） 空载到50%负载；

2） 50%负载到100%负载；

3） 100%负载到50%负载；

利用数字信号采集处理系统采集左右舷710 V直流母线电压、400 V 50 Hz交流网络电压。根据负载突变所引起电压偏差确定输出电压的瞬态变化，负载突变至交流电压进入±3%稳态误差带所需的时间即为恢复时间。直流区域配电分系统动态实验波形如图7所示。实验结果说明了直流区域配电网络的动态特性满足要求。

图6 直流区域配电网络额定负载下稳态电压波形

图7 直流区域配电分系统空载突加至50%负载实验波形

3.4 DC/DC变流器单模块短路实验

DC/DC变流器单模块短路实验的目的是检查2MW变流器各变流子模块的短路限流特性。变流子模块加50%额定负载稳定运行一段时间后，将负载突然短路，设置直流断路器短延时0.35 s，使得短路维持0.35 s后切除。利用数字信号采集处理系统采集得到直流输出电压、直流输出电流波形如图8所示。2 MW DC/DC变流器负载侧发生短路故障时，各子模块短路限流及恢复供电功能分别独立控制，与并联子模块数无关。实验结果说明了2 MW DC/DC变流器短路限流功能满足要求。

4 结束语

本文首先介绍了直流区域配电实验平台的网络拓扑，然后分别描述了网络中2 MW DC/DC变流器、450 kW DC/AC逆变器、50 kW DC/DC斩波器三型变流装置的原理图及主要性能指标，列出了已开展的实验项目，并给出了部分实验结果。由实验结果可得到如下结论：

图8 单台变流子模块50%负载时输出短路切除后电压恢复电压电流波形

直流区域配电网络运行稳定，710 V直流母线、400 V/50 Hz交流网络、230 V直流网络动静态性能良好，具备短路限流功能，短路在0.5 s内切除后能够快速恢复供电。低压配电板开关操控、电量和状态指示等功能正常。直流区域配电网络实验平台满足各项设计指标，为直流区域配电网络的工程化应用提供了重要的技术支撑。

[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, 陈新刚, 等．现代舰船区域配电[J]．船舶工程, 2005(6)： 63-67．