一種冗余設計的模塊化船用變壓變頻電源

柳 彬，姚 川，徐正喜

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

0 引 言

冗余設計是提高電源系統可靠性的最有效技術途徑[1–2]。通過將主電路、傳感、驅動、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，為電源系統冗余設計提供了多種選擇[3–4]。隨著艦船綜合電力系統的發展，以設備的通用性、實施的簡易性、標準化和模塊化來實現未來艦隊的高性能與低成本，將是未來艦船的主要發展趨勢[5]。冗余設計和模塊化技術的應用對于減小艦船電力電子裝置的體積和重量，縮短研制和生產周期，提高設備可靠性和維護保養效率，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 結構型式，在此基礎上實現了輸入及輸出的多模塊并聯冗余運行。試驗結果表明，該電源性能指標優良，運行穩定可靠，具有良好的應用前景。

1 模塊化變壓變頻電源系統結構

船用變壓變頻電源采用電力電子變換技術，將三相440 V 60 Hz 電源輸入轉換為三相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結構，由模塊化并聯AC/DC 部分和模塊化并聯DC/AC 部分組成。該系統是一個典型的輸入并聯、輸出并聯系統（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 環節均由6 個20 kW 的模塊并聯組成，實現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整流模塊，實現三相交流電的高功率因數整流功能，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。

整套系統通過設置在機柜內的機柜控制板對12 個模塊進行協調控制，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，控制系統正常工作并完成初始化，待母線電壓建立穩定至650 V 時，同時CAN1 給后級DC/AC 逆變模塊發送開機指令，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量，以及電壓匹配和同步正常后，閉合模塊內的輸出接觸器，待所有并聯模塊并聯穩定工作正常，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控制策略

A C/D C 部分采用標準化工業整流模塊實現。DC/AC 逆變部分采取了如圖2 所示的分布式并聯控制方案，即系統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運行產生干擾而造成自動停止工作。分布式并聯控制方式，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系統的正常運行，大大提高了并聯系統的可靠性。

圖 2 逆變電源模塊分布式并聯控制框圖Fig. 2 Distributed parallel control diagram of inverter module

圖2 表示逆變電源模塊分布式并聯控制系統中某一模塊的并聯控制過程。本模塊在獲取了并聯系統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，得到并聯系統中每個逆變電源模塊應輸出的有功和無功指令。通過功率調節器，將功率差轉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均分。

根據2 臺逆變電源構成的典型并聯系統，其環流為：

由式（1）可知，環流由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。在實際電路系統中，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流，相位差主要造成了電源之間的有功環流，因此采用了有功調節電壓相位（頻率），無功調節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控制

逆變電源模塊基于電感電流內環電容電壓外環的雙環控制系統框圖如圖3 所示。電壓給定與輸出電壓反饋比較得到電壓誤差，經過電壓調節器Gv（s）得到電流內環的給定iL*，iL*再與電感電流比較得到電流誤差，經過電流調節器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環電容電壓外環控制系統框圖Fig. 3 Inductor current inner loop capacitor voltage outer loop control system diagram of inverter module

電壓調節器Gv（s）和電流調節器Gi（s）均為PI 調節器，具體如下式：

電壓、電流調節器參數通過極點配置的方法獲得，可選擇閉環固有諧振頻率為 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控制，可以實現逆變模塊良好的穩態電壓精度和快速動態響應特性，同時具備實現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，再配合內部的無互聯PQ 下垂控制，可以實現多個逆變模塊的穩態功率均分精度。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流。在并聯短路及恢復工況下，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 冗余并聯系統可靠性分析

該模塊化船用變壓變頻電源為典型的混合并聯冗余系統，可靠性系統框圖如圖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N+X 并聯冗余電源系統，當X 個電源模塊出現故障，其余N 個電源模塊仍能保證系統的穩定可靠運行，其可靠性分布符合可修復的N/（N+X）表決系統特性分布[6–7]。

圖 4 變壓變頻電源混合并聯冗余系統框圖Fig. 4 Complex parallel redundant system diagram of variable voltage variable frequency power converter

對于N+1 冗余系統，其系統總故障間隔時間為：

N+2 冗余系統的系統總故障間隔時間為：

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。

設系統中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可靠性指標如表1 所示。

表 1 并聯冗余系統可靠性指標Tab. 1 Reliability index of parallel redundant system

由表1 可見，采用5+1 并聯冗余系統的該變壓變頻電源MTBF 為3.68×106h，而單模塊R1和R2組成的串聯系統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 冗余系統與N+1 冗余系統相比，在僅增加1 個并聯冗余模塊的基礎上，可靠性指標將以指數倍大幅提升。

5 試驗結果

基于模塊化變壓變頻電源系統結構，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 環節均由6 個20 kW 的模塊并聯組成，以實現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和靜態性能。

6 結 語

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

圖 6 模塊并聯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，降低開發難度和開發成本，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，及其并聯冗余控制策略，運行穩定可靠，具有良好的應用前景。