一种冗余设计的模块化船用变压变频电源

0 引 言

冗余设计是提高电源系统可靠性的最有效技术途径[1 – 2]。通过将主电路、传感、驱动、保护、控制、通信接口等全部电路和元件集成到一起，形成具有通用性的标准化电力电子集成模块，为电源系统冗余设计提供了多种选择[3 – 4]。随着舰船综合电力系统的发展，以设备的通用性、实施的简易性、标准化和模块化来实现未来舰队的高性能与低成本，将是未来舰船的主要发展趋势[5]。冗余设计和模块化技术的应用对于减小舰船电力电子装置的体积和重量，缩短研制和生产周期，提高设备可靠性和维护保养效率，具有十分重要的意义。

本文提出一种冗余设计的模块化船用变压变频电源，采用通用化、标准化、模块化的A C/D C 及DC/AC 结构型式，在此基础上实现了输入及输出的多模块并联冗余运行。试验结果表明，该电源性能指标优良，运行稳定可靠，具有良好的应用前景。

1 模块化变压变频电源系统结构

船用变压变频电源采用电力电子变换技术，将三相440 V 60 Hz 电源输入转换为三相380 V 50 Hz 电源输出，用于特定负载供电。为提高电源系统可靠性，本文采用了如图1 所示的模块化变压变频电源系统结构，由模块化并联AC/DC 部分和模块化并联DC/AC 部分组成。该系统是一个典型的输入并联、输出并联系统（Input-parallel output-parallel，IPOP），适用于输出电流较大的场合[6]。

图 1 模块化变压变频电源系统结构
Fig. 1 Modular variable voltage variable frequency power converter structure

该装置额定设计功率为100 kW，其AC/DC 及DC/AC 环节均由6 个20 kW 的模块并联组成，实现5+1 的热冗余供电，冷却形式均为风冷。前级采用标准化工业整流模块，实现三相交流电的高功率因数整流功能，并维持中间母线电压在650 V±10%；后级采用三相DC/AC 逆变拓扑，将直流母线电压变换为需要的三相AC380V/50 Hz。

整套系统通过设置在机柜内的机柜控制板对12 个模块进行协调控制，其工作原理为：输入端有主电后，闭合输入断路器，机柜辅助电源和前级AC/DC 模块得电，机柜监控板和机柜显示屏得电，并建立CAN1、RS485 和CAN2 通信；合操作面板开机键，监控板接收该信号，并按照设定的前级AC/DC 电压和电流进行CAN1 通信，并控制启动；AC/DC 输出电压建立过程中，达到100 V 时，后级逆变电源辅助电源得电，控制系统正常工作并完成初始化，待母线电压建立稳定至650 V 时，同时CAN1 给后级DC/AC 逆变模块发送开机指令，此时每台后级DC/AC 逆变模块输出软启动，同时后级模块之间进行同步锁相和建立CAN2 通信，待检测到正常工作模块数量，以及电压匹配和同步正常后，闭合模块内的输出接触器，待所有并联模块并联稳定工作正常，面板工作指示灯亮，此时允许闭合输出断路器进行带载工作。

2 逆变电源分布式并联控制策略

A C/D C 部分采用标准化工业整流模块实现。DC/AC 逆变部分采取了如图2 所示的分布式并联控制方案，即系统中各逆变电源是独立、平等工作的标准模块，当单个模块损坏时，不会对其他模块的并联运行产生干扰而造成自动停止工作。分布式并联控制方式，相对于集中控制方式，由于没有集中控制单元，更易实现扩展和冗余。相对于主从控制方式，由于分布式控制方式中每个模块地位的均等性，其中任何一个模块失效都不会影响到并联系统的正常运行，大大提高了并联系统的可靠性。

图 2 逆变电源模块分布式并联控制框图
Fig. 2 Distributed parallel control diagram of inverter module

图2 表示逆变电源模块分布式并联控制系统中某一模块的并联控制过程。本模块在获取了并联系统中其它模块的有功和无功信息后，和本模块计算得到的功率信息一起进行综合，得到并联系统中每个逆变电源模块应输出的有功和无功指令。通过功率调节器，将功率差转化为各模块输出的幅值和相位（频率）的变化量，叠加到自身指令上，从而改变本模块的输出，最终使得各模块的有功和无功实现均分。

根据2 台逆变电源构成的典型并联系统，其环流为：

由式（1）可知，环流由2 台逆变电源的电压差、各模块输出滤波器的特性（L，C 的值）以及线路阻抗（r，Z0）等因素确定，与负载Z 无关。在实际电路系统中，可忽略线路阻抗影响，电压幅值差主要造成了电源之间的无功环流，相位差主要造成了电源之间的有功环流，因此采用了有功调节电压相位（频率），无功调节电压幅值的控制方式（见图2）。

3 基于电容电压和电感电流的双环控制

逆变电源模块基于电感电流内环电容电压外环的双环控制系统框图如图3 所示。电压给定与输出电压反馈比较得到电压误差，经过电压调节器Gv（s）得到电流内环的给定iL*，iL*再与电感电流比较得到电流误差，经过电流调节器Gi（s）得到最终控制量，对模块输出波形进行控制。

图 3 逆变模块电感电流内环电容电压外环控制系统框图
Fig. 3 Inductor current inner loop capacitor voltage outer loop control system diagram of inverter module

电压调节器Gv（s）和电流调节器Gi（s）均为PI 调节器，具体如下式：

电压、电流调节器参数通过极点配置的方法获得，可选择闭环固有谐振频率为 ω=3 500 rad/s，阻尼比ζ=0.707，非主导极点位于4 倍主导极点的实轴上。基于电容电压和电感电流的双闭环控制，可以实现逆变模块良好的稳态电压精度和快速动态响应特性，同时具备实现其自动短路限流的功能。6 个逆变模块通过外同步总线和功率通信总线，再配合内部的无互联PQ 下垂控制，可以实现多个逆变模块的稳态功率均分精度。通过增加虚拟阻抗和并机电抗还可进一步抑制逆变模块间的环流。在并联短路及恢复工况下，通过变PI 控制增加输出阻抗，同时进行限流控制，可以保证短路及恢复工况下的多个逆变模块的可靠故障穿越。

4 冗余并联系统可靠性分析

该模块化船用变压变频电源为典型的混合并联冗余系统，可靠性系统框图如图4 所示。

图中，R1 为输入AC/DC 单元模块，R2 为输出DC/AC 单元模块。根据N+X 并联冗余电源系统，当X 个电源模块出现故障，其余N 个电源模块仍能保证系统的稳定可靠运行，其可靠性分布符合可修复的N/（N+X）表决系统特性分布[6 – 7]。

图 4 变压变频电源混合并联冗余系统框图
Fig. 4 Complex parallel redundant system diagram of variable voltage variable frequency power converter

对于N+1 冗余系统，其系统总故障间隔时间为：

N+2 冗余系统的系统总故障间隔时间为：

式中：λ 为单个模块的故障率，μ 为单个模块的修复率；λ 和μ 分别为单模块平均故障间隔时间MTBF 和平均修复时间MTTR 的倒数。

设系统中R1和R2单模块可靠性指标分别为：M T BFR1=20 000 h， ，由此计算可得该系统可靠性指标如表1 所示。

表 1 并联冗余系统可靠性指标
Tab. 1 Reliability index of parallel redundant system

由表1 可见，采用5+1 并联冗余系统的该变压变频电源MTBF 为3.68×106 h，而单模块R1 和R2 组成的串联系统MTBF 为5714 h，前者是后者的644 倍，因此其可靠性大大提高。同时可知N+2 冗余系统与N+1 冗余系统相比，在仅增加1 个并联冗余模块的基础上，可靠性指标将以指数倍大幅提升。

5 试验结果

基于模块化变压变频电源系统结构，设计了一套额定功率为100 kW 的船用变压变频电源。AC/DC 及DC/AC 环节均由6 个20 kW 的模块并联组成，以实现5+1 的热冗余供电，冷却形式均为风冷。图5 和图6 分别为该装置在空载条件下以及输出短路工况下的试验波形，表明该装置具有良好的动态和静态性能。

6 结 语

图 5 模块空载并联时输出电压及环流波形
Fig. 5 Module parallel output voltage and circular current waveforms in condition of no-load

图 6 模块并联短路时输出电压及电流波形
Fig. 6 Module parallel output voltage and output current waveforms in condition of short-circuit

将冗余设计和模块化技术应用于舰船电力电子装置，可以显著减小设备的体积和重量，缩短研制周期，降低开发难度和开发成本，并有效提高设备的可靠性指标。本文提出的通用化、标准化电力电子模块，及其并联冗余控制策略，运行稳定可靠，具有良好的应用前景。