肖飛

肖飛，教授，博士生導(dǎo)師。海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室大容量電能變換研究方向首席專家以及國(guó)家自然科學(xué)基金委“電力系統(tǒng)電磁兼容”創(chuàng)新研究群體的骨干成員，長(zhǎng)期從事電力電子與電氣傳動(dòng)中的大容量電能變換技術(shù)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)等領(lǐng)域研究，參與國(guó)家973、自然科學(xué)基金、國(guó)防重大裝備研制近30項(xiàng)重大課題，取得了一系列創(chuàng)新性成果。

受理/授權(quán)發(fā)明專利20/17項(xiàng)，在國(guó)內(nèi)外期刊及會(huì)議中發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇，其中SCI/EI收錄索引的論文近40余篇。先后獲得國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)2項(xiàng)（排名2、2）、國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)（排名2）、軍隊(duì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)4項(xiàng)（排名1、2、2、9）、軍隊(duì)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)（排名4）、國(guó)家能源科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)1項(xiàng)（排名1）。

劉計(jì)龍

劉計(jì)龍，副研究員，碩士生導(dǎo)師。主要研究方向包括模塊化多端口直流變換器、艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)、軌道交通車輛電力牽引系統(tǒng)。參與了海軍武器裝備“十二五”、“十三五”預(yù)研重點(diǎn)項(xiàng)目，負(fù)責(zé)研制直流區(qū)域配電系統(tǒng)中的模塊化多端口直流變換器；參與了海軍某型艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)的研制，負(fù)責(zé)系統(tǒng)控制策略設(shè)計(jì)；與湘電集團(tuán)合作開(kāi)展軍民融合項(xiàng)目，成功研發(fā)地鐵車輛永磁同步牽引系統(tǒng)。申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利四項(xiàng)，發(fā)表SCI/EI收錄學(xué)術(shù)論文二十余篇。2020年入選第五屆中國(guó)科協(xié)優(yōu)秀科技論文獎(jiǎng)，2019年獲中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)年度優(yōu)秀論文獎(jiǎng)。

朱志超

朱志超，博士研究生。研究方向?yàn)槟K化多端口直流變換器、雙有源橋直流變換器優(yōu)化運(yùn)行和控制，參與了海軍武器裝備“十三五”預(yù)研重點(diǎn)項(xiàng)目。

導(dǎo)語(yǔ)

中壓直流艦船綜合電力系統(tǒng)（IPS）在全電艦船中具有廣闊的應(yīng)用前景，隨著艦船綜合電力系統(tǒng)容量和電壓等級(jí)的提高，越來(lái)越多的儲(chǔ)能單元應(yīng)用于艦船綜合電力系統(tǒng)，傳統(tǒng)的能量單向流動(dòng)兩端口直流變換器已經(jīng)不能適應(yīng)新的應(yīng)用需求。

針對(duì)此問(wèn)題，該文提出一種面向未來(lái)艦船綜合電力系統(tǒng)的模塊化三端口直流變換器。該三端口變換器可以連接中壓直流電網(wǎng)、低壓直流電網(wǎng)和分布式儲(chǔ)能單元，每個(gè)端口均可實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)。該三端口直流變換器可以實(shí)現(xiàn)能量的綜合調(diào)度，提高艦船IPS的穩(wěn)定性、靈活性和健壯性。

項(xiàng)目研究背景

艦船綜合電力系統(tǒng)（Integrated Power System, IPS）將傳統(tǒng)艦船中的動(dòng)力系統(tǒng)和電力系統(tǒng)合二為一，實(shí)現(xiàn)了全船能量的綜合調(diào)度管理，被譽(yù)為艦船動(dòng)力領(lǐng)域的第三次技術(shù)革命。我國(guó)率先提出的中壓直流IPS得到了越來(lái)越多研究人員的關(guān)注。

未來(lái)，艦船綜合電力系統(tǒng)容量和電壓等級(jí)將不斷提高。隨著越來(lái)越多以瞬時(shí)大功率為特征的高能電磁武器上艦應(yīng)用，大規(guī)模的儲(chǔ)能單元將接入艦船綜合電力系統(tǒng)。因此適配高電壓等級(jí)、大系統(tǒng)容量、具備多端口特征的中壓直流變換器是推廣應(yīng)用IPS的重點(diǎn)與難點(diǎn)之一。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

本文提出一種面向艦船綜合電力系統(tǒng)的模塊化三端口直流變換器，這種三端口直流變換器將模塊化多電平技術(shù)、雙有源橋技術(shù)、分布式儲(chǔ)能技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，在艦船綜合電力系統(tǒng)中連接中壓直流電網(wǎng)、低壓直流電網(wǎng)和分布式儲(chǔ)能單元，實(shí)現(xiàn)了直流區(qū)域變配電分系統(tǒng)的綜合能量調(diào)度，具有廣闊的應(yīng)用前景。所提三端口直流變換器同樣適用于深?？臻g站、全電戰(zhàn)車或其他具有相似結(jié)構(gòu)的民用直流區(qū)域配電網(wǎng)絡(luò)。模塊化三端口直流變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 模塊化三端口直流變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

匹配中壓直流母線的端口采用模塊化多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由N個(gè)半橋子模塊級(jí)聯(lián)構(gòu)成，中壓直流母線電壓由N個(gè)半橋子模塊共同分擔(dān)。匹配低壓直流母線的端口采用雙有源橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，雙有源橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供了中壓直流母線和低壓直流母線之間的電氣隔離。

匹配儲(chǔ)能單元的端口采用兩重化斬波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)移相調(diào)制，可以大幅降低兩重化斬波器的紋波電流。匹配儲(chǔ)能單元的端口可分為N個(gè)子端口，本文將這N個(gè)子端口統(tǒng)稱為儲(chǔ)能單元端口，可以實(shí)現(xiàn)分布式儲(chǔ)能。變換器的N個(gè)支路完全相同，變換器的模塊化與標(biāo)準(zhǔn)化程度較高。

該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)可以體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①實(shí)現(xiàn)功率流動(dòng)的靈活控制，任意兩個(gè)端口間均可實(shí)現(xiàn)能量傳輸；②開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力??；③模塊化程度高，具備容錯(cuò)運(yùn)行能力，單個(gè)支路損壞，不影響變換器整體運(yùn)行；④非常適合基于高速光纖環(huán)網(wǎng)通信的分布式控制架構(gòu)。

本文設(shè)計(jì)的模塊化三端口直流變換器主要的能量流動(dòng)模式可以分為五種，如圖2所示。該模塊化三端口直流變換器在直流區(qū)域變配電系統(tǒng)中的核心任務(wù)就是保證低壓直流電網(wǎng)持續(xù)供電。圖2中的儲(chǔ)能單元用一個(gè)方框簡(jiǎn)單示意，實(shí)際上儲(chǔ)能單元是分布式的。分布式儲(chǔ)能單元端口的加入，豐富了變換器的能量流動(dòng)模式。

圖2 模塊化三端口直流變換器的能量流動(dòng)模式

本文制造了一臺(tái)功率為20kW的模塊化三端口直流變換器樣機(jī)。樣機(jī)實(shí)物如圖3所示。該變換器包含4個(gè)支路，儲(chǔ)能單元配有4組獨(dú)立的蓄電池組。

圖3 模塊化三端口直流變換器樣機(jī)

模塊化三端口直流變換器各端口都投入工作的穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)波形如圖4所示。圖4中，2～3s時(shí)間段，中壓直流母線給低壓直流母線和儲(chǔ)能單元供電，電池放電，中壓側(cè)輸入電流逐步下降到18A附近，中壓側(cè)提供的功率大幅降低；從第8.2s開(kāi)始，模擬中壓側(cè)可用功率恢復(fù)正常，儲(chǔ)能端口由放電狀態(tài)逐步過(guò)渡到充電狀態(tài)，中壓側(cè)直流輸入電流由18A恢復(fù)到30A。

圖4 儲(chǔ)能單元充電與放電工作模式切換實(shí)驗(yàn)波形

突卸負(fù)載和突加負(fù)載實(shí)驗(yàn)波形如圖5所示。6.5s時(shí)低壓側(cè)負(fù)載電阻通過(guò)負(fù)載斷路器由1.36歐姆，調(diào)整為2.45歐姆，負(fù)載突卸過(guò)程中，低壓側(cè)輸出電壓突升14V，電壓波動(dòng)范圍小于10%，電壓恢復(fù)時(shí)間小于0.3s；8s時(shí)低壓側(cè)負(fù)載電阻通過(guò)負(fù)載斷路器由2.45歐姆調(diào)整為1.36歐姆，負(fù)載突加過(guò)程中，低壓側(cè)輸出電壓突降14V，電壓波動(dòng)范圍小于10%，電壓恢復(fù)時(shí)間小于0.3s。通過(guò)突卸負(fù)載和突加負(fù)載動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)可以看出，模塊化三端口直流變換器具有較強(qiáng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力和抗擾動(dòng)能力。

圖5 突卸負(fù)載與突加負(fù)載動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)波形

結(jié)論

本文提出了一種面向艦船綜合電力系統(tǒng)的模塊化三端口直流變換器，變換器可以連接艦船綜合電力系統(tǒng)中的中壓直流母線、低壓直流母線和分布式儲(chǔ)能單元。變換器豐富了艦船綜合電力系統(tǒng)的能量流動(dòng)模式，增強(qiáng)了艦船能量調(diào)度的靈活性和穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)制造了功率為20kW的模塊化三端口直流變換器樣機(jī)，樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可行性、原理分析與控制策略設(shè)計(jì)的正確性。

本文研究成果為未來(lái)具有更多支路數(shù)、幾MW等級(jí)模塊化三端口直流變換器研制奠定了基礎(chǔ)，在相關(guān)電力電子變壓器的研制方面具有一定的參考價(jià)值。

引用本文

劉計(jì)龍, 朱志超, 肖飛, 陳鵬, 任強(qiáng). 一種面向艦船綜合電力系統(tǒng)的模塊化三端口直流變換器[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(19): 4085-4096. Liu Jilong, Zhu Zhichao, Xiao Fei, Chen Peng, Ren Qiang. A Modular Three-Port DC-DC Converter for Vessel Integrated Power System. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(19): 4085-4096.

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