一種冗余設(shè)計(jì)的模塊化船用變壓變頻電源

一種冗余設(shè)計(jì)的模塊化船用變壓變頻電源

柳彬，姚川，徐正喜(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北武漢430064)0引言冗余設(shè)計(jì)是提高電源系統(tǒng)可靠性的最有效技術(shù)途徑[1–2]。通過將主電路、傳感、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)、控制、通信接口等全部電路和元件集成到一起，形成具有通用性的標(biāo)準(zhǔn)化電力電子集成模塊，為電源系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)提供了多種選擇[3–4]。隨著艦船綜合電力系統(tǒng)的發(fā)展，以設(shè)備的通用性、實(shí)施的簡易性、標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化來實(shí)現(xiàn)未來艦隊(duì)的高性能與低成本，將是未來艦船的主要發(fā)展趨勢[5]。冗余設(shè)計(jì)和模塊化技術(shù)的應(yīng)用對于減小艦船電力電子裝置的體積和重量，縮短研制和生產(chǎn)周期，提高設(shè)備可靠性和維護(hù)保養(yǎng)效率，具有十分重要的意義。本文提出一種冗余設(shè)計(jì)的模塊化船用變壓變頻電源，采用通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的AC/DC及DC/AC結(jié)構(gòu)型式，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了輸入及輸出的多模塊并聯(lián)冗余運(yùn)行。試驗(yàn)結(jié)果表明，該電源性能指標(biāo)優(yōu)良，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具有良好的應(yīng)用前景。1模塊化變壓變頻電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)船用變壓變頻電源采用電力電子變換技術(shù)，將三相440V60Hz電源輸入轉(zhuǎn)換為三相380V50Hz電源輸出，用于特定負(fù)載供電。為提高電源系統(tǒng)可靠性，本文采用了如圖1所示的模塊化變壓變頻電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，由模塊化并聯(lián)AC/DC部分和模塊化并聯(lián)DC/AC部分組成。該系統(tǒng)是一個(gè)典型的輸入并聯(lián)、輸出并聯(lián)系統(tǒng)（Input-paralleloutput-parallel，IPOP），適用于輸出電流較大的場合[6]。該裝置額定設(shè)計(jì)功率為100kW，其AC/DC及DC/AC環(huán)節(jié)均由6個(gè)20kW的模塊并聯(lián)組成，實(shí)現(xiàn)5+1的熱冗余供電，冷卻形式均為風(fēng)冷。前級采用標(biāo)準(zhǔn)化工業(yè)整流模塊，實(shí)現(xiàn)三相交流電的高功率因數(shù)整流功能，并維持中間母線電壓在650V±10%；后級采用三相DC/AC逆變拓?fù)?，將直流母線電壓變換為需要的三相AC380V/50Hz。整套系統(tǒng)通過設(shè)置在機(jī)柜內(nèi)的機(jī)柜控制板對12個(gè)模塊進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，其工作原理為：輸入端有主電后，閉合輸入斷路器，機(jī)柜輔助電源和前級AC/DC模塊得電，機(jī)柜監(jiān)控板和機(jī)柜顯示屏得電，并建立CAN1、RS485和CAN2通信；合操作面板開機(jī)鍵，監(jiān)控板接收該信號，并按照設(shè)定的前級AC/DC電壓和電流進(jìn)行CAN1通信，并控制啟動(dòng)；AC/DC輸出電壓建立過程中，達(dá)到100V時(shí)，后級逆變電源輔助電源得電，控制系統(tǒng)正常工作并完成初始化，待母線電壓建立穩(wěn)定至650V時(shí)，同時(shí)CAN1給后級DC/AC逆變模塊發(fā)送開機(jī)指令，此時(shí)每臺后級DC/AC逆變模塊輸出軟啟動(dòng)，同時(shí)后級模塊之間進(jìn)行同步鎖相和建立CAN2通信，待檢測到正常工作模塊數(shù)量，以及電壓匹配和同步正常后，閉合模塊內(nèi)的輸出接觸器，待所有并聯(lián)模塊并聯(lián)穩(wěn)定工作正常，面板工作指示燈亮，此時(shí)允許閉合輸出斷路器進(jìn)行帶載工作。2逆變電源分布式并聯(lián)控制策略AC/DC部分采用標(biāo)準(zhǔn)化工業(yè)整流模塊實(shí)現(xiàn)。DC/AC逆變部分采取了如圖2所示的分布式并聯(lián)控制方案，即系統(tǒng)中各逆變電源是獨(dú)立、平等工作的標(biāo)準(zhǔn)模塊，當(dāng)單個(gè)模塊損壞時(shí)，不會對其他模塊的并聯(lián)運(yùn)行產(chǎn)生干擾而造成自動(dòng)停止工作。分布式并聯(lián)控制方式，相對于集中控制方式，由于沒有集中控制單元，更易實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展和冗余。相對于主從控制方式，由于分布式控制方式中每個(gè)模塊地位的均等性，其中任何一個(gè)模塊失效都不會影響到并聯(lián)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，大大提高了并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性。圖2逆變電源模塊分布式并聯(lián)控制框圖Fig.2Distributedparallelcontroldiagramofinvertermodule圖2表示逆變電源模塊分布式并聯(lián)控制系統(tǒng)中某一模塊的并聯(lián)控制過程。本模塊在獲取了并聯(lián)系統(tǒng)中其它模塊的有功和無功信息后，和本模塊計(jì)算得到的功率信息一起進(jìn)行綜合，得到并聯(lián)系統(tǒng)中每個(gè)逆變電源模塊應(yīng)輸出的有功和無功指令。通過功率調(diào)節(jié)器，將功率差轉(zhuǎn)化為各模塊輸出的幅值和相位（頻率）的變化量，疊加到自身指令上，從而改變本模塊的輸出，最終使得各模塊的有功和無功實(shí)現(xiàn)均分。根據(jù)2臺逆變電源構(gòu)成的典型并聯(lián)系統(tǒng)，其環(huán)流為：由式（1）可知，環(huán)流由2臺逆變電源的電壓差、各模塊輸出濾波器的特性（L，C的值）以及線路阻抗（r，Z0）等因素確定，與負(fù)載Z無關(guān)。在實(shí)際電路系統(tǒng)中，可忽略線路阻抗影響，電壓幅值差主要造成了電源之間的無功環(huán)流，相位差主要造成了電源之間的有功環(huán)流，因此采用了有功調(diào)節(jié)電壓相位（頻率），無功調(diào)節(jié)電壓幅值的控制方式（見圖2）。3基于電容電壓和電感電流的雙環(huán)控制逆變電源模塊基于電感電流內(nèi)環(huán)電容電壓外環(huán)的雙環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。電壓給定與輸出電壓反饋比較得到電壓誤差，經(jīng)過電壓調(diào)節(jié)器Gv（s）得到電流內(nèi)環(huán)的給定iL*，iL*再與電感電流比較得到電流誤差，經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器Gi（s）得到最終控制量，對模塊輸出波形進(jìn)行控制。圖3逆變模塊電感電流內(nèi)環(huán)電容電壓外環(huán)控制系統(tǒng)框圖Fig.3Inductorcurrentinnerloopcapacitorvoltageouterloopcontrolsystemdiagramofinvertermodule電壓調(diào)節(jié)器Gv（s）和電流調(diào)節(jié)器Gi（s）均為PI調(diào)節(jié)器，具體如下式：電壓、電流調(diào)節(jié)器參數(shù)通過極點(diǎn)配置的方法獲得，可選擇閉環(huán)固有諧振頻率為ω=3500rad/s，阻尼比ζ=0.707，非主導(dǎo)極點(diǎn)位于4倍主導(dǎo)極點(diǎn)的實(shí)軸上?；陔娙蓦妷汉碗姼须娏鞯碾p閉環(huán)控制，可以實(shí)現(xiàn)逆變模塊良好的穩(wěn)態(tài)電壓精度和快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，同時(shí)具備實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)短路限流的功能。6個(gè)逆變模塊通過外同步總線和功率通信總線，再配合內(nèi)部的無互聯(lián)PQ下垂控制，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)逆變模塊的穩(wěn)態(tài)功率均分精度。通過增加虛擬阻抗和并機(jī)電抗還可進(jìn)一步抑制逆變模塊間的環(huán)流。在并聯(lián)短路及恢復(fù)工況下，通過變PI控制增加輸出阻抗，同時(shí)進(jìn)行限流控制，可以保證短路及恢復(fù)工況下的多個(gè)逆變模塊的可靠故障穿越。4冗余并聯(lián)系統(tǒng)可靠性分析該模塊化船用變壓變頻電源為典型的混合并聯(lián)冗余系統(tǒng)，可靠性系統(tǒng)框圖如圖4所示。圖中，R1為輸入AC/DC單元模塊，R2為輸出DC/AC單元模塊。根據(jù)N+X并聯(lián)冗余電源系統(tǒng)，當(dāng)X個(gè)電源模塊出現(xiàn)故障，其余N個(gè)電源模塊仍能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，其可靠性分布符合可修復(fù)的N/（N+X）表決系統(tǒng)特性分布[6–7]。圖4變壓變頻電源混合并聯(lián)冗余系統(tǒng)框圖Fig.4Complexparallelredundantsystemdiagramofvariablevoltagevariablefrequencypowerconverter對于N+1冗余系統(tǒng)，其系統(tǒng)總故障間隔時(shí)間為：N+2冗余系統(tǒng)的系統(tǒng)總故障間隔時(shí)間為：式中：λ為單個(gè)模塊的故障率，μ為單個(gè)模塊的修復(fù)率；λ和μ分別為單模塊平均故障間隔時(shí)間MTBF和平均修復(fù)時(shí)間MTTR的倒數(shù)。設(shè)系統(tǒng)中R1和R2單模塊可靠性指標(biāo)分別為：MTBFR1=20000h，，由此計(jì)算可得該系統(tǒng)可靠性指標(biāo)如表1所示。表1并聯(lián)冗余系統(tǒng)可靠性指標(biāo)Tab.1Reliabilityindexofparallelredundantsystem由表1可見，采用5+1并聯(lián)冗余系統(tǒng)的該變壓變頻電源MTBF為3.68×106h，而單模塊R1和R2組成的串聯(lián)系統(tǒng)MTBF為5714h，前者是后者的644倍，因此其可靠性大大提高。同時(shí)可知N+2冗余系統(tǒng)與N+1冗余系統(tǒng)相比，在僅增加1個(gè)并聯(lián)冗余模塊的基礎(chǔ)上，可靠性指標(biāo)將以指數(shù)倍大幅提升。5試驗(yàn)結(jié)果基于模塊化變壓變頻電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一套額定功率為100kW的船用變壓變頻電源。AC/DC及DC/AC環(huán)節(jié)均由6個(gè)20kW的模塊并聯(lián)組成，以實(shí)現(xiàn)5+1的熱冗余供電，冷卻形式均為風(fēng)冷。圖5和圖6分別為該裝置在空載條件下以及輸出短路工況下的試驗(yàn)波形，表明該裝置具有良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。6結(jié)語圖5模塊空載并聯(lián)時(shí)輸出電壓及環(huán)流波形Fig.5Moduleparalleloutputvoltageandcircularcurrentwaveformsinconditionofno-load圖6模塊并聯(lián)短路時(shí)輸出電壓及電流波形Fig.6Moduleparalleloutputvoltag