基于并联均流技术的鲁棒供电系统设计

孙 雯

（中国中丝集团有限公司，北京 100009）

目前，国内大型船舶均安装了雷达、电子干扰和通信等电子设备，具备预警侦察、电子对抗等能力。雷达、电子干扰等电子设备具有脉冲信号强、工作频段宽、工作模式多和峰值功率大等特点。例如，雷达发射机高压电源的负载一般为脉冲负载，工作周期为0.001 ～0.100 s，在长脉宽工作模式下供电系统的功率会产生波动[1]。

1 脉冲负载对供电系统的影响

对于船舶供电系统来说，大功率雷达等脉冲负载设备属于高频脉冲负载设备。当雷达功率需求达到兆瓦级时，雷达启动或工作模式变化引起的负载波动会导致交流电网频率波动超限[2]。大型舰船供电系统具有多种供电能源，负载大功率脉冲设备的供电网络一般按照单个能源的供电能力规划脉冲负载设备。供电网络设计完成后，绑定脉冲负载设备与供电通道。除特殊情况外，脉冲负载设备仅由绑定的能源供电。

装备4 部异构能源的供电系统的传统供电网络架构，如图1 所示。图1 中，1 号设备为脉冲负载设备。当供电网络正常工作时，1 号设备由与之绑定的1 个能源通过供电通道供电。同一时间只能有1 个能源与1 个载荷设备连接，而且1 个能源只能为1 个设备供电，即载荷设备与供电通道绑定。因此，传统机载供电网络存在脉冲负载的供电匹配和供电能源无法动态分配的问题。

图1 传统供电系统

1.1 脉冲负载的供电匹配问题

脉冲负载与常规稳态负载不同，呈现非线性和多样性的特征。在传统供电系统中，负载特性对发电通道的影响将会直接传递给对应的供电能源，如果供电能源能力与负载不匹配，会导致发电通道故障。

大型相控阵雷达的脉冲负载为非线性负载。工作时该设备的负载功率在空载和满载之间不断切换，导致发电机输出轴承受的扭矩不断变化。如果弹性轴承受的应力超出疲劳系数规定的范围，会使电机轴断裂，导致电机无法供电。例如，某型装备交流发电机发生故障，通过对发电机进行外观观察和拆解，发现弹性轴的断口形貌存在明显的疲劳弧线，判断弹性轴为疲劳断裂。某型装备发电机通道特殊工作模式下的电压电流波形，如图2 所示。

图2 某型装备发电机通道特殊工作模式下的电压电流波形

由于机动平台空间和质量等条件的约束，每个通道通常需要为多种负载供电，电机的外特性表现为阻性、感性、容性或组合模式。多种负载在并联使用时可能会产生谐振，谐振电流远大于正常工作电流，会导致发电机故障。例如，某型装备的交流发电机发生弹性轴断裂，其原因为雷达负载输入端并联有大电容，当雷达与所在通道其他负载并联使用时，产生了严重的电网并联谐振。谐振电流是正常工作电流的1.5 ～2倍，谐振Q值约为1.4。某型负载特性测试，如图3所示。雷达负载供电的交流发电机通道主电路电流严重波动，使得弹性轴承受应力较大、频率较高的冲击载荷，导致其在短时间内发生疲劳断裂。

图3 某型负载特性测试

1.2 供电能源无法动态分配问题

传统供电网络架构的供电能源与设备完全绑定。在任务执行过程中，即使某通道的供电能源空闲，也无法被其他通道利用。不同供电能源的负荷按照设备额定功率设计。在设计过程中，为了避免研制风险，各供电能源的负荷均会留有一定余量，以保证设计变更引起的能耗问题不影响载荷功能性能。多个供电能源均进行余量设计，必然会导致整个供电系统的供电余量过大。在任务执行过程中，供电能源与设备完全绑定，即使产生新的任务需求，也无法根据新需求调整供电能源，重新进行分配。

2 健壮性供电网络设计

传统供电系统无法满足高功率、大电流和脉冲负载等设备的要求，而且在供电资源有限的条件下不能充分利用供电能源。在船舶供电系统中，分布式发电单元种类繁杂，储能单元具有多种储能电池，微电网存在多种工作模式。当供电系统切换不同模式或负载单元负荷较大时，变换器需要并联运行[3]。因此，提出一种基于并联均流技术的健壮供电网络设计思路，以提高系统冗余供电能力和供电系统的健壮性，将船舶供电系统的多台异构能源构建成一个电源网络。

直接在交流发电机端进行并网控制存在一定问题。一方面，交流发电机的并网条件苛刻，只有多台发电机的幅值和相位基本一致才能投切，而且投切设备复杂，设备体积和质量较大。另一方面，多台发电机之间设计了冗余切换机制，当单台发电机出现故障时，可以手动或自动关闭正常发电机与故障发电机之间的开关，实现对故障通道的供电，但是故障中断期间无法满足工作不间断要求。

基于此，将多种交流能源输出分别进行整流和并网控制，借鉴能源物联网的基本理论，组成一套供电能源可动态配置的供电网络[4]。该系统由多台整流电源和直流能量路由分配系统组成。其中，直流能量路由分配系统包括功率母线、配电装置、均流控制、能量管理与控制模块和功率变化器。面向大功率脉冲负载的供电网络架构，如图4 所示。

图4 面向大功率脉冲负载的鲁棒供电网络架构

通过整流电源将交流电转为直流电。交流电并网的难度和要求较高，需要发电机的幅值和相位均保持一致，而且需要配置相位检测器。配置相位检测器不仅会导致设备超重，还会对发电机的安全性产生一定影响，而直流电源并网则比较简便。设计的直流能量路由分配系统可以统一管理各整流电源的输出电压，通过逆变并网与同步技术、高性能并联均流控制技术、功率主电路拓扑优化技术、抗输入扰动控制技术以及高功率因数控制技术，优化输出端直流电，以满足后端负载的用电需求[5-6]。采用统一的直流母线可以解决单个发电机通道故障时，发电机所连接的负载无法工作的问题。统一架构能够实现发电机资源调度，解决A 通道供电有冗余，而B 通道供电资源紧张的问题。

同时，供电能源、整流电源、直流能量路由分配系统、功率变化器与负载载荷互联起来，组成封闭电能网络，实现功率流的定向、定量流动，实现多能源的自主能量调度策略。在各负载节点分布式放置功率变化器，并由直流能量路由分配系统统一管理，实现关键载荷设备的供电方式多余度备份与能量就近传输，既可降低能源系统中的传输损耗，又可提高能源系统的供电可靠性和供电品质。直流能量路由分配系统的功率最优分配控制，多能系统的分布式结构决定了发电侧与负载侧多点构成的特点。能源设备自身的工艺差异，导致各能源的内阻特性无法一致，将能源系统划分为多个功率控制组，通过协调控制直流能量路由分配系统的输出额，实现同组内能源与负载的就近功率传输。不同组间进行能源功率最小差额传输，实时调整变换器输出功率，并进行最优分配，以缩短功率流动的线路距离。

直流能量路由分配系统除发挥管控作用外，还承担了对系统载荷的配电任务。供电端采用统一的直流母线，使直流电进入配电系统后，通过固态功率接触器实现对每一路负载的配电、保护和控制。此外，系统能够实时监测每一路的供电情况，评估其健康状态。另外，由于船舶在面对不同工作时负载对能源系统的影响复杂且难以忽视，动态、随机的行为因素导致供电系统中的发电量、用电量难以通过计算来获取，无法定量评估能量闭环的有效性。因此，可根据船舶当前工作进行电源与负载的能量预测以及系统健壮性估测，并根据估测的结果约束装备后续的行为。

3 结语

分析传统供电系统和发电机故障原因发现，传统供电系统不适用各种复杂负载特性电子系统。基于此，提出一种依托能量路由器、功率母线、电源均衡输出、多能源转换与耦合以及电网稳态等技术的面向任务的多电源并网均流系统。此系统将多种能源输出进行整流和并网控制，既能提高供电网络的健壮性，又能实现供电资源的按需动态调配，实现电能利用的最大化，进一步提升装备效能。