直流配电网及其在舰船区域配电的应用

王森，刘勇



直流配电网及其在舰船区域配电的应用

王森，刘勇

（海军驻上海江南造船（集团）有限责任公司军事代表室，上海 201913）

随着电力电子技术的发展，直流配电网与交流配电网相比在很多领域取得了技术和经济优势，具有巨大的发展前景。简要介绍了直流配电网在国内外的发展情况，分析了直流配电网的发展趋势，重点结合直流配电网在舰船区域配电上的应用，对直流区域配电系统的拓扑结构、控制方式和常见的接地保护进行了阐述，最后对直流配电系统在舰船上的应用情况进行了展望。

电力系统 直流配电 区域配电 控制 保护

0 引言

在输配电系统产生初期，直流是最主要的配电方式，爱迪生在纽约建立了世界上首个直流配电系统[1]，因为当时直流输配电电压等级偏低、容量较小等原因，使得直流配电的主体地位被交流配电网络所取代[2,3]。

20世纪末，随着功率半导体及多项电力电子技术的发展，在经济和技术等多项指标中，直流供电技术的优势渐渐凸显，多国相继开展直流配电方面研究。军舰、航空以及混合电动汽车等特殊应用领域的直流区域配电技术也取得重大发展[4]。直流配电得以广泛推广，主要有以下两个方面的原因：第一，分布式电源的发展。随着能源危机出现，分布式能源系统依赖其负荷调节性强、供电性能稳定、电力传输损耗小以及可再生能源应用等特性受到世界的广泛关注[5]。常见的分布式电源中，一般均产生直流电，或可以通过整流环节后变为直流电。分布式电源的接入可节省直流配电网中多个换流环节，降低成本、减少损耗；第二，变频技术快速发展和直流供电负载需求不断增加。在电力电子变频技术应用中，交流配电一般要经过AC-DC-AC环节，在直流配电系统中仅需DC-AC转换，减少变换器损耗。在日常生活中，如LED灯、手机、液晶显示器、个人电脑以及现阶段推广的电动力汽车等多种电气设备均直接采用直流供电，对于供电质量有较高要求的敏感负荷也推动了直流配电的发展。

1 国内外直流配电系统

在2007年，美国费吉尼亚理工大学CPES中心提出“Sustainable Building Initiative（SBI）”，2010年将其发展为Sustainable Building and Nanogrids（SBN），负责为住宅供给优质电力[6]。在SBN研究的基础上，结合当前高压直流输电的最新技术，CPES还提出不同电力分层连接的方法，设想了交直流电混合配电系统结构。2004年，日本东京工业大学提出基于直流微电网的配电系统，完成10 kW直流配电系统样机。基于上述研究，大阪大学提出双极结构直流微电网系统，由降压变压器从6.6 kV配电网直接获得230 V交流电，然后整流为170 V直流电，通过DC-DC变换器，包括蓄电池和超级电容在内的多个储能设备均可连接到直流母线。通过母线连接后，各个直流用电设备均可通过电力电子变化器得到电力供应。布加勒斯特理工大学在2007年提出带有交替供电电源的直流配电系统结构。该系统不仅可将光能、电能等绿色能源转为电能，还可将某些生物能进行供电。

在舰船的应用中，北卡罗来纳大学以DC舰船配电系统为例讨论了直流配电在实际应用中面临的机遇与挑战。在2011年，他们提出了“The Future Renewable Electric Energy Delivery and Management(FREEDM)”系统结构。该系统中，交流配电与直流配电也是同时存在，其中直流配电网主要用于集成分布式电源单元、分布式储能单元及直流负载。

2 当前海军舰船配电系统

虽然直流配电网络发展已逐渐完善，但多数应用于民用住宅、楼宇等方面，在舰船领域的应用并不广泛。当前多数舰船的主要配电系统采取了区域配电的方式，但是电力类型仍以交流配电为主。

世界各国海军舰艇配电网络形式存在差异，各类型舰艇间也有不同。在常规舰艇中，配电网络设置前后两个电站，发电机组分区供电，重要设备多路供电。大型舰船的配电系统主要包括一次配电系统和二次配电系统。它主要由主配电板、负载中心或区域配电板、舱室配电板、岸电装置及输电电缆组成。在主配电系统电能传输过程中，要求两路供电的用电设备应以系统或区域为原则，从不同主配电板取得正常电源和备用电源，保障稳定电力供应。为保证各分配电箱的供电独立性，在舰船中配电系统采用一一对应的配电方式进行连接，同时，根据舰上不同用途的设备，进行分别供电，避免线路干扰及关联事故的发生。

在舰船上，主配电系统为中要设备设置两舷供电转换装置，以确保两路电源的有效转换。为了避免动力负载在转换过程中可能产生的暂态过电流，还设置延时转换功能。

3 直流配电网拓扑结构及应用控制

3.1 直流配电网的拓扑结构

在当前海军舰艇中，中小型舰艇一般采用辐射型网络配电，大型舰艇则采取环形或网型。与舰船上交流区域配电系统的情况类似，直流配电网络同样考虑电力供应的稳定性和冗余性。舰船中辐射型配电网络多与区域式配电相结合，采用左右舷两根母线纵向穿过舱室，将船体分成多个配电区域进行配电。在大型舰船中，一般采取一条母线位于吃水线以上，一条位于吃水线以下，以提高电力系统生命力。直流配电网络的基本拓扑结构主要有环状、放射状和两端配电3种，如下图1-3所示。

舰船直流配电系统中，利用大量电力电子技术，将以整流器、逆变器等变流装置为核心元件，利用当代先进变流技术，实现高效环保的直流配电。全舰采取区域供电，将以直流为主要的配电方式进行输送电能。

与传统交流配电系统中的辐射式配电相比，直流区域配电系统可以降低配电系统重量、节省大量成本，同时提高电力品质和舰船生命力，方便后续对电力系统进行升级和优化。

3.2 直流配电网在美国军舰上的应用

在美国海军DDG1000驱逐舰上，其直流区域配电系统能够为设备提供优质可靠的电能，同时又具备灵活配置的优势。由于多数电力配置均有冗余设计，因此即使某型设备发生故障，或者战斗中有部分电路损坏，配电网络会通过自动侦测技术进行判断，并给出可行的替代线路和补救措施，保障舰上重要设备连续供电。配电系统结构如图4所示。

图4中各个功率变换模块（Power Convertion Module，PCM）的功能介绍如下：PCM-1模块为直流转直流模块，将1000 V转为800 V，包含控制单元、配电部件和多个电力电子变换模块；PCM-2为逆变模块，将800 V直流电逆变为450 V、60 Hz交流电，为对应区域交流设备提供电力，模块组成情况除电力电子变换模块外与PCM-1类似。PCM-3将800 V直流电变换为270 V直流电，其结构域PCM-1基本相同，PCM-4将发电机输出的4160 V、60 Hz交流电整流为1000 V直流电，由变压器、可控整流器和滤波器组成。

3.3 直流配电网的故障及保护

当前，国内外开展多项直流配电保护研究工作，与交流配电网络相比，直流配电网络在故障类型和后果方面有很多不同，当前也没有具体的保护标准。由于在直流配电网络中，电力电子器件数量和种类较多，给直流配电网的保护工作带来很大挑战。

借鉴交流配电网的保护措施，结合直流配电系统的特性，总结直流配电网的主要保护环节如下：

1）开关设备

开关设备能够有效隔离故障，防止故障扩散，减少系统损失，在各电力系统中必不可少。直流电流的分断由于没有自然过零点，分断比较困难，开关设备的制造难度也较大。低压直流配电网络中，交流型插头用于直流电时，则会产生电弧，存在隐患。同时，开关保护侧重于故障定位和隔离，对系统保护作用较小。

2）限流装置

限流装置可以在故障发生时限制故障电流大小，严重故障时可切断电流。将断路器和限流装置想结合，可以形成有效保护。故障限流器按照组成情况可大致分为四类：基于超导材料、基于饱和电抗器、基于电力电子器件和基于正温度系数电阻的限流器。其工作原理类似，均为在正常 情况下，器件损耗较小，导通电阻相当于输电线路。一旦发生故障时变为高阻状态，达到限制电流的目的。多种限流器由于材质或制造难度，较少应用于实际，随着电力电子技术的发展，全控型和半控型半导体器件相结合的固态限流器达到了精确控制电流，同时减少静态损耗的目的，目前应用比较广泛。

3）接地保护

直流配电系统接地是防止舰员在操作过程中，带电设备以人为导体与大地形成回路，对人身造成伤害。部分文献对低压直流配电系统中线接地问题，以及小规模直流供电接地问题进行了研究，但是就大型舰船的直流配电系统接地保护，尚无综合性研究。直流配电网络在保障电气设备安全和人员安全方面主要涉及三方面的的内容：系统接地、继电器保护和保护设备执行。本文仅就直流配电网络的接地系统简要介绍。

接地方式的选择关系到出现接地故障时故障电流的大小，因此接地保护意义重大。在直流配电网中，通常有不接地、高阻接地和低阻接地三种方式。目前常见的2中接地方式如下图5所示[13]。

在图5所示的TN-S接地方式中，变换器和中性点连接到大地，并将大地、中性点（N）和保护线（PE）连接。该方式的优点是易于检测并消除，这种情况若发生接地故障，则电流会较大，同时电压出现变化，会直接影响与故障电极相连接的其他负载，但是对另一极电路中负载工作并无影响。因此，应用比较广泛。

在图5所示的IT接地方式中，正电极与保护线都通过高阻抗与大地相连。该方式的优势在于，正电极与大地连接可以减小腐蚀效应，在发生接地故障时，故障电流和电压变化富都都会有较小，故障较少时，可保证一般负载的运行。但由于极地电压会因接地故障而变，敏感负载不能正常工作。该方式故障电流小，不易检测，同时由于金属外壳会带电，容易引起触电事故，因此该方法比较少用。

4 小结及展望

直流配电网自身具有线路造价低、输电损耗小、可靠性高及环保优势。直流配电可以减少分布式发电系统及直流负荷接入交流电网的中间环节，提高功率转换效率和电能质量。

目前各国对于直流配电网的研究都处于试探性研究阶段，还有很多相关技术有待解决。如：1）直流配电网络中并联的变压器和变换器数量大、类型多，甚至有不同类型并联的情况；（2）不同性质的负载和电源对于变换器件有不同需求，控制策略相对复杂。因此，我国应抓住机遇，吸收国内外目前研究的经验教训，结合当前电力电子技术，借鉴已有的舰船直流电力系统、直流输电系统对直流配电网进行深入研究。这将推动直流配电网在军舰电力系统及城市电网的发展，具有巨大的市场价值和现实意义。

[1] Lobenstein R W, Sulzberger C. Eyewitness to DC history[J]. Power and Energy Magazine, IEEE. 2008,6(3):84-90.

[2] Xu C D, Cheng K W E. A survey of distributed power system-AC versus DC distributed power system. 2011 4th International Conference on Power Electronics Systems and Application. Hong Kong, China: IEEE, 2011:1-12.

[3] 谭逢时. 未来直流配电网建设初探[J]. 科技资讯, 2011,(23):110-112.

[4] Kondratiev I ,Dougal R. Synergetic control strategies for shipboard DC power distribution systems[C].American Control Conference. New York, USA: American Automatic Control Council(AACC),2007:4744-4749.

[5] Lasseter R H. Smart distribution: coupled microgrids [J]. Proceedings of the IEEE, 2011, 99(6):1074-1082.

[6] Boroyevich D, Cvetkovic I, Dong D, et al. Future electronic power distribution systems: a contemplative view[C]. 2010 12th International Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment. Basov, Russia: IEEE, 2010: 1369-1380.

DC Power Distribution Network and Its Applications to Zonal Power Distribution of Warships

Wang Sen，Liu Yong

(Naval Representatives Office in Jiangnan Shipyard CO., LTD, Shanghai 201913, China)

TM721.1

A

1003-4862（2014）11-0077-04

2014-08-29

王森（1988-），男，硕士。研究方向：电力集成技术。