海军工程大学作者特稿：面向舰船综合电力系统的模块化直流变换器

肖飞

肖飞，教授，博士生导师。海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室大容量电能变换研究方向首席专家以及国家自然科学基金委“电力系统电磁兼容”创新研究群体的骨干成员，长期从事电力电子与电气传动中的大容量电能变换技术、电机驱动控制技术、系统集成技术等领域研究，参与国家973、自然科学基金、国防重大装备研制近30项重大课题，取得了一系列创新性成果。

受理/授权发明专利20/17项，在国内外期刊及会议中发表学术论文100余篇，其中SCI/EI收录索引的论文近40余篇。先后获得国家科技进步一等奖2项（排名2、2）、国家科技进步二等奖1项（排名2）、军队科技进步一等奖4项（排名1、2、2、9）、军队科技进步二等奖1项（排名4）、国家能源科技进步三等奖1项（排名1）。

刘计龙

刘计龙，副研究员，硕士生导师。主要研究方向包括模块化多端口直流变换器、舰船电力推进系统、轨道交通车辆电力牵引系统。参与了海军武器装备“十二五”、“十三五”预研重点项目，负责研制直流区域配电系统中的模块化多端口直流变换器；参与了海军某型舰船电力推进系统的研制，负责系统控制策略设计；与湘电集团合作开展军民融合项目，成功研发地铁车辆永磁同步牵引系统。申请国家发明专利四项，发表SCI/EI收录学术论文二十余篇。2020年入选第五届中国科协优秀科技论文奖，2019年获中国电工技术学会年度优秀论文奖。

朱志超

朱志超，博士研究生。研究方向为模块化多端口直流变换器、双有源桥直流变换器优化运行和控制，参与了海军武器装备“十三五”预研重点项目。

中压直流舰船综合电力系统（IPS）在全电舰船中具有广阔的应用前景，随着舰船综合电力系统容量和电压等级的提高，越来越多的储能单元应用于舰船综合电力系统，传统的能量单向流动两端口直流变换器已经不能适应新的应用需求。

针对此问题，该文提出一种面向未来舰船综合电力系统的模块化三端口直流变换器。该三端口变换器可以连接中压直流电网、低压直流电网和分布式储能单元，每个端口均可实现能量双向流动。该三端口直流变换器可以实现能量的综合调度，提高舰船IPS的稳定性、灵活性和健壮性。

舰船综合电力系统（Integrated Power System, IPS）将传统舰船中的动力系统和电力系统合二为一，实现了全船能量的综合调度管理，被誉为舰船动力领域的第三次技术革命。我国率先提出的中压直流IPS得到了越来越多研究人员的关注。

未来，舰船综合电力系统容量和电压等级将不断提高。随着越来越多以瞬时大功率为特征的高能电磁武器上舰应用，大规模的储能单元将接入舰船综合电力系统。因此适配高电压等级、大系统容量、具备多端口特征的中压直流变换器是推广应用IPS的重点与难点之一。

本文提出一种面向舰船综合电力系统的模块化三端口直流变换器，这种三端口直流变换器将模块化多电平技术、双有源桥技术、分布式储能技术有机结合起来，在舰船综合电力系统中连接中压直流电网、低压直流电网和分布式储能单元，实现了直流区域变配电分系统的综合能量调度，具有广阔的应用前景。所提三端口直流变换器同样适用于深海空间站、全电战车或其他具有相似结构的民用直流区域配电网络。模块化三端口直流变换器拓扑结构如图1所示。

图1 模块化三端口直流变换器拓扑结构

匹配中压直流母线的端口采用模块化多电平拓扑结构，由N个半桥子模块级联构成，中压直流母线电压由N个半桥子模块共同分担。匹配低压直流母线的端口采用双有源桥拓扑结构，双有源桥拓扑结构提供了中压直流母线和低压直流母线之间的电气隔离。

匹配储能单元的端口采用两重化斩波拓扑结构，通过移相调制，可以大幅降低两重化斩波器的纹波电流。匹配储能单元的端口可分为N个子端口，本文将这N个子端口统称为储能单元端口，可以实现分布式储能。变换器的N个支路完全相同，变换器的模块化与标准化程度较高。

该拓扑结构的优势可以体现在以下几个方面：①实现功率流动的灵活控制，任意两个端口间均可实现能量传输；②开关管电压应力小；③模块化程度高，具备容错运行能力，单个支路损坏，不影响变换器整体运行；④非常适合基于高速光纤环网通信的分布式控制架构。

本文设计的模块化三端口直流变换器主要的能量流动模式可以分为五种，如图2所示。该模块化三端口直流变换器在直流区域变配电系统中的核心任务就是保证低压直流电网持续供电。图2中的储能单元用一个方框简单示意，实际上储能单元是分布式的。分布式储能单元端口的加入，丰富了变换器的能量流动模式。

图2 模块化三端口直流变换器的能量流动模式

本文制造了一台功率为20kW的模块化三端口直流变换器样机。样机实物如图3所示。该变换器包含4个支路，储能单元配有4组独立的蓄电池组。

图3 模块化三端口直流变换器样机

模块化三端口直流变换器各端口都投入工作的稳态实验波形如图4所示。图4中，2～3s时间段，中压直流母线给低压直流母线和储能单元供电，电池放电，中压侧输入电流逐步下降到18A附近，中压侧提供的功率大幅降低；从第8.2s开始，模拟中压侧可用功率恢复正常，储能端口由放电状态逐步过渡到充电状态，中压侧直流输入电流由18A恢复到30A。

图4 储能单元充电与放电工作模式切换实验波形

突卸负载和突加负载实验波形如图5所示。6.5s时低压侧负载电阻通过负载断路器由1.36欧姆，调整为2.45欧姆，负载突卸过程中，低压侧输出电压突升14V，电压波动范围小于10%，电压恢复时间小于0.3s；8s时低压侧负载电阻通过负载断路器由2.45欧姆调整为1.36欧姆，负载突加过程中，低压侧输出电压突降14V，电压波动范围小于10%，电压恢复时间小于0.3s。通过突卸负载和突加负载动态实验可以看出，模块化三端口直流变换器具有较强的动态响应能力和抗扰动能力。

图5 突卸负载与突加负载动态实验波形

本文提出了一种面向舰船综合电力系统的模块化三端口直流变换器，变换器可以连接舰船综合电力系统中的中压直流母线、低压直流母线和分布式储能单元。变换器丰富了舰船综合电力系统的能量流动模式，增强了舰船能量调度的灵活性和稳定性。设计制造了功率为20kW的模块化三端口直流变换器样机，样机实验结果验证了所提拓扑结构的可行性、原理分析与控制策略设计的正确性。

本文研究成果为未来具有更多支路数、几MW等级模块化三端口直流变换器研制奠定了基础，在相关电力电子变压器的研制方面具有一定的参考价值。

刘计龙, 朱志超, 肖飞, 陈鹏, 任强. 一种面向舰船综合电力系统的模块化三端口直流变换器[J]. 电工技术学报, 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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