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)國防科技重點實驗室大容量電能變換研究方向首席專家以及國家自然科學(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，長期從事電力電子與電氣傳動中的大容量電能變換技術(shù)、電機驅(qū)動控制技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)等領(lǐng)域研究，參與國家973、自然科學(xué)基金、國防重大裝備研制近30項重大課題，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，在國內(nèi)外期刊及會議中發(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。先后獲得國家科技進步一等獎2項（排名2、2）、國家科技進步二等獎1項（排名2）、軍隊科技進步一等獎4項（排名1、2、2、9）、軍隊科技進步二等獎1項（排名4）、國家能源科技進步三等獎1項（排名1）。

劉計龍

劉計龍，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)研重點項目，負責(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系統(tǒng)的研制，負責(zé)系統(tǒng)控制策略設(shè)計；與湘電集團合作開展軍民融合項目，成功研發(fā)地鐵車輛永磁同步牽引系統(tǒng)。申請國家發(fā)明專利四項，發(fā)表SCI/EI收錄學(xué)術(shù)論文二十余篇。2020年入選第五屆中國科協(xié)優(yōu)秀科技論文獎，2019年獲中國電工技術(shù)學(xué)會年度優(yōu)秀論文獎。

朱志超

朱志超，博士研究生。研究方向為模塊化多端口直流變換器、雙有源橋直流變換器優(yōu)化運行和控制，參與了海軍武器裝備“十三五”預(yù)研重點項目。

導(dǎo)語

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)容量和電壓等級的提高，越來越多的儲能單元應(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。

針對此問題，該文提出一種面向未來艦船綜合電力系統(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)和分布式儲能單元，每個端口均可實現(xiàn)能量雙向流動。該三端口直流變換器可以實現(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)艦船中的動力系統(tǒng)和電力系統(tǒng)合二為一，實現(xiàn)了全船能量的綜合調(diào)度管理，被譽為艦船動力領(lǐng)域的第三次技術(shù)革命。我國率先提出的中壓直流IPS得到了越來越多研究人員的關(guān)注。

未來，艦船綜合電力系統(tǒng)容量和電壓等級將不斷提高。隨著越來越多以瞬時大功率為特征的高能電磁武器上艦應(yīng)用，大規(guī)模的儲能單元將接入艦船綜合電力系統(tǒng)。因此適配高電壓等級、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的重點與難點之一。

論文方法及創(chuàng)新點

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)、分布式儲能技術(shù)有機結(jié)合起來，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)和分布式儲能單元，實現(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撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 模塊化三端口直流變換器拓撲結(jié)構(gòu)

匹配中壓直流母線的端口采用模塊化多電平拓撲結(jié)構(gòu)，由N個半橋子模塊級聯(lián)構(gòu)成，中壓直流母線電壓由N個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撲結(jié)構(gòu)，雙有源橋拓撲結(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。

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

該拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢可以體現(xiàn)在以下幾個方面：①實現(xiàn)功率流動的靈活控制，任意兩個端口間均可實現(xiàn)能量傳輸；②開關(guān)管電壓應(yīng)力?。虎勰K化程度高，具備容錯運行能力，單個支路損壞，不影響變換器整體運行；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)計的模塊化三端口直流變換器主要的能量流動模式可以分為五種，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中的儲能單元用一個方框簡單示意，實際上儲能單元是分布式的。分布式儲能單元端口的加入，豐富了變換器的能量流動模式。

圖2 模塊化三端口直流變換器的能量流動模式

本文制造了一臺功率為20kW的模塊化三端口直流變換器樣機。樣機實物如圖3所示。該變換器包含4個支路，儲能單元配有4組獨立的蓄電池組。

圖3 模塊化三端口直流變換器樣機

模塊化三端口直流變換器各端口都投入工作的穩(wěn)態(tài)實驗波形如圖4所示。圖4中，2～3s時間段，中壓直流母線給低壓直流母線和儲能單元供電，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開始，模擬中壓側(cè)可用功率恢復(fù)正常，儲能端口由放電狀態(tài)逐步過渡到充電狀態(tài)，中壓側(cè)直流輸入電流由18A恢復(fù)到30A。

圖4 儲能單元充電與放電工作模式切換實驗波形

突卸負載和突加負載實驗波形如圖5所示。6.5s時低壓側(cè)負載電阻通過負載斷路器由1.36歐姆，調(diào)整為2.45歐姆，負載突卸過程中，低壓側(cè)輸出電壓突升14V，電壓波動范圍小于10%，電壓恢復(fù)時間小于0.3s；8s時低壓側(cè)負載電阻通過負載斷路器由2.45歐姆調(diào)整為1.36歐姆，負載突加過程中，低壓側(cè)輸出電壓突降14V，電壓波動范圍小于10%，電壓恢復(fù)時間小于0.3s。通過突卸負載和突加負載動態(tài)實驗可以看出，模塊化三端口直流變換器具有較強的動態(tài)響應(yīng)能力和抗擾動能力。

圖5 突卸負載與突加負載動態(tài)實驗波形

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能單元。變換器豐富了艦船綜合電力系統(tǒng)的能量流動模式，增強了艦船能量調(diào)度的靈活性和穩(wěn)定性。設(shè)計制造了功率為20kW的模塊化三端口直流變換器樣機，樣機實驗結(jié)果驗證了所提拓撲結(jié)構(gòu)的可行性、原理分析與控制策略設(shè)計的正確性。

本文研究成果為未來具有更多支路數(shù)、幾MW等級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值。

引用本文

劉計龍, 朱志超, 肖飛, 陳鵬, 任強. 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, 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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