柳 彬，姚 川，徐正喜

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

0 引 言

冗余設計是提高電源系統(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、保護、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準化電力電子集成模塊，為電源系統(tǒng)冗余設計提供了多種選擇[3–4]。隨著艦船綜合電力系統(tǒng)的發(fā)展，以設備的通用性、實施的簡易性、標準化和模塊化來實現(xiàn)未來艦隊的高性能與低成本，將是未來艦船的主要發(fā)展趨勢[5]。冗余設計和模塊化技術(shù)的應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，提高設備可靠性和維護保養(yǎng)效率，具有十分重要的意義。

本文提出一種冗余設計的模塊化船用變壓變頻電源，采用通用化、標準化、模塊化的A C/D C 及DC/AC 結(jié)構(gòu)型式，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了輸入及輸出的多模塊并聯(lián)冗余運行。試驗結(jié)果表明，該電源性能指標優(yōu)良，運行穩(wěn)定可靠，具有良好的應用前景。

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440 V 60 Hz 電源輸入轉(zhuǎn)換為三相380 V 50 Hz 電源輸出，用于特定負載供電。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)是一個典型的輸入并聯(lián)、輸出并聯(lián)系統(tǒng)（Input-parallel output-parallel，IPOP），適用于輸出電流較大的場合[6]。

該裝置額定設計功率為100 kW，其AC/DC 及DC/AC 環(huán)節(jié)均由6 個20 kW 的模塊并聯(lián)組成，實現(xiàn)5+1 的熱冗余供電，冷卻形式均為風冷。前級采用標準化工業(yè)整流模塊，實現(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650 V±10%；后級采用三相DC/AC 逆變拓撲，將直流母線電壓變換為需要的三相AC380V/50 Hz。

整套系統(tǒng)通過設置在機柜內(nèi)的機柜控制板對12 個模塊進行協(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，機柜輔助電源和前級AC/DC 模塊得電，機柜監(jiān)控板和機柜顯示屏得電，并建立CAN1、RS485 和CAN2 通信；合操作面板開機鍵，監(jiān)控板接收該信號，并按照設定的前級AC/DC 電壓和電流進行CAN1 通信，并控制啟動；AC/DC 輸出電壓建立過程中，達到100 V 時，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650 V 時，同時CAN1 給后級DC/AC 逆變模塊發(fā)送開機指令，此時每臺后級DC/AC 逆變模塊輸出軟啟動，同時后級模塊之間進行同步鎖相和建立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，此時允許閉合輸出斷路器進行帶載工作。

2 逆變電源分布式并聯(lián)控制策略

A C/D C 部分采用標準化工業(yè)整流模塊實現(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)中各逆變電源是獨立、平等工作的標準模塊，當單個模塊損壞時，不會對其他模塊的并聯(lián)運行產(chǎn)生干擾而造成自動停止工作。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，更易實現(xiàn)擴展和冗余。相對于主從控制方式，由于分布式控制方式中每個模塊地位的均等性，其中任何一個模塊失效都不會影響到并聯(lián)系統(tǒng)的正常運行，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. 2 Distributed parallel control diagram of inverter module

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，和本模塊計算得到的功率信息一起進行綜合，得到并聯(lián)系統(tǒng)中每個逆變電源模塊應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，與負載Z 無關(guān)。在實際電路系統(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. 3 Inductor current inner loop capacitor voltage outer loop control system diagram of inverter module

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)通過極點配置的方法獲得，可選擇閉環(huán)固有諧振頻率為 ω=3 500 rad/s，阻尼比ζ=0.707，非主導極點位于4 倍主導極點的實軸上。基于電容電壓和電感電流的雙閉環(huán)控制，可以實現(xiàn)逆變模塊良好的穩(wěn)態(tài)電壓精度和快速動態(tài)響應特性，同時具備實現(xiàn)其自動短路限流的功能。6 個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，可以實現(xiàn)多個逆變模塊的穩(wěn)態(tài)功率均分精度。通過增加虛擬阻抗和并機電抗還可進一步抑制逆變模塊間的環(huán)流。在并聯(lián)短路及恢復工況下，通過變PI 控制增加輸出阻抗，同時進行限流控制，可以保證短路及恢復工況下的多個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X 個電源模塊出現(xiàn)故障，其余N 個電源模塊仍能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行，其可靠性分布符合可修復的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. 4 Complex parallel redundant system diagram of variable voltage variable frequency power converter

對于N+1 冗余系統(tǒng)，其系統(tǒng)總故障間隔時間為：

N+2 冗余系統(tǒng)的系統(tǒng)總故障間隔時間為：

式中：λ 為單個模塊的故障率，μ 為單個模塊的修復率；λ 和μ 分別為單模塊平均故障間隔時間MTBF 和平均修復時間MTTR 的倒數(shù)。

設系統(tǒng)中R1和R2單模塊可靠性指標分別為：M T BFR1=20 000 h，，由此計算可得該系統(tǒng)可靠性指標如表1 所示。

表 1 并聯(lián)冗余系統(tǒng)可靠性指標Tab. 1 Reliability index of parallel redundant system

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5714 h，前者是后者的644 倍，因此其可靠性大大提高。同時可知N+2 冗余系統(tǒng)與N+1 冗余系統(tǒng)相比，在僅增加1 個并聯(lián)冗余模塊的基礎(chǔ)上，可靠性指標將以指數(shù)倍大幅提升。

5 試驗結(jié)果

基于模塊化變壓變頻電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設計了一套額定功率為100 kW 的船用變壓變頻電源。AC/DC 及DC/AC 環(huán)節(jié)均由6 個20 kW 的模塊并聯(lián)組成，以實現(xiàn)5+1 的熱冗余供電，冷卻形式均為風冷。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波形，表明該裝置具有良好的動態(tài)和靜態(tài)性能。

6 結(jié) 語

圖 5 模塊空載并聯(lián)時輸出電壓及環(huán)流波形Fig. 5 Module parallel output voltage and circular current waveforms in condition of no-load

圖 6 模塊并聯(lián)短路時輸出電壓及電流波形Fig. 6 Module parallel output voltage and output current waveforms in condition of short-circuit

將冗余設計和模塊化技術(shù)應用于艦船電力電子裝置，可以顯著減小設備的體積和重量，縮短研制周期，降低開發(fā)難度和開發(fā)成本，并有效提高設備的可靠性指標。本文提出的通用化、標準化電力電子模塊，及其并聯(lián)冗余控制策略，運行穩(wěn)定可靠，具有良好的應用前景。