王森，劉勇

?

直流配電網及其在艦船區(qū)域配電的應用

王森，劉勇

（海軍駐上海江南造船（集團）有限責任公司軍事代表室，上海 201913）

隨著電力電子技術的發(fā)展，直流配電網與交流配電網相比在很多領域取得了技術和經濟優(yōu)勢，具有巨大的發(fā)展前景。簡要介紹了直流配電網在國內外的發(fā)展情況，分析了直流配電網的發(fā)展趨勢，重點結合直流配電網在艦船區(qū)域配電上的應用，對直流區(qū)域配電系統的拓撲結構、控制方式和常見的接地保護進行了闡述，最后對直流配電系統在艦船上的應用情況進行了展望。

電力系統 直流配電 區(qū)域配電 控制 保護

0 引言

在輸配電系統產生初期，直流是最主要的配電方式，愛迪生在紐約建立了世界上首個直流配電系統[1]，因為當時直流輸配電電壓等級偏低、容量較小等原因，使得直流配電的主體地位被交流配電網絡所取代[2,3]。

20世紀末，隨著功率半導體及多項電力電子技術的發(fā)展，在經濟和技術等多項指標中，直流供電技術的優(yōu)勢漸漸凸顯，多國相繼開展直流配電方面研究。軍艦、航空以及混合電動汽車等特殊應用領域的直流區(qū)域配電技術也取得重大發(fā)展[4]。直流配電得以廣泛推廣，主要有以下兩個方面的原因：第一，分布式電源的發(fā)展。隨著能源危機出現，分布式能源系統依賴其負荷調節(jié)性強、供電性能穩(wěn)定、電力傳輸損耗小以及可再生能源應用等特性受到世界的廣泛關注[5]。常見的分布式電源中，一般均產生直流電，或可以通過整流環(huán)節(jié)后變?yōu)橹绷麟?。分布式電源的接入可?jié)省直流配電網中多個換流環(huán)節(jié)，降低成本、減少損耗；第二，變頻技術快速發(fā)展和直流供電負載需求不斷增加。在電力電子變頻技術應用中，交流配電一般要經過AC-DC-AC環(huán)節(jié)，在直流配電系統中僅需DC-AC轉換，減少變換器損耗。在日常生活中，如LED燈、手機、液晶顯示器、個人電腦以及現階段推廣的電動力汽車等多種電氣設備均直接采用直流供電，對于供電質量有較高要求的敏感負荷也推動了直流配電的發(fā)展。

1 國內外直流配電系統

在2007年，美國費吉尼亞理工大學CPES中心提出“Sustainable Building Initiative（SBI）”，2010年將其發(fā)展為Sustainable Building and Nanogrids（SBN），負責為住宅供給優(yōu)質電力[6]。在SBN研究的基礎上，結合當前高壓直流輸電的最新技術，CPES還提出不同電力分層連接的方法，設想了交直流電混合配電系統結構。2004年，日本東京工業(yè)大學提出基于直流微電網的配電系統，完成10 kW直流配電系統樣機。基于上述研究，大阪大學提出雙極結構直流微電網系統，由降壓變壓器從6.6 kV配電網直接獲得230 V交流電，然后整流為170 V直流電，通過DC-DC變換器，包括蓄電池和超級電容在內的多個儲能設備均可連接到直流母線。通過母線連接后，各個直流用電設備均可通過電力電子變化器得到電力供應。布加勒斯特理工大學在2007年提出帶有交替供電電源的直流配電系統結構。該系統不僅可將光能、電能等綠色能源轉為電能，還可將某些生物能進行供電。

在艦船的應用中，北卡羅來納大學以DC艦船配電系統為例討論了直流配電在實際應用中面臨的機遇與挑戰(zhàn)。在2011年，他們提出了“The Future Renewable Electric Energy Delivery and Management(FREEDM)”系統結構。該系統中，交流配電與直流配電也是同時存在，其中直流配電網主要用于集成分布式電源單元、分布式儲能單元及直流負載。

2 當前海軍艦船配電系統

雖然直流配電網絡發(fā)展已逐漸完善，但多數應用于民用住宅、樓宇等方面，在艦船領域的應用并不廣泛。當前多數艦船的主要配電系統采取了區(qū)域配電的方式，但是電力類型仍以交流配電為主。

世界各國海軍艦艇配電網絡形式存在差異，各類型艦艇間也有不同。在常規(guī)艦艇中，配電網絡設置前后兩個電站，發(fā)電機組分區(qū)供電，重要設備多路供電。大型艦船的配電系統主要包括一次配電系統和二次配電系統。它主要由主配電板、負載中心或區(qū)域配電板、艙室配電板、岸電裝置及輸電電纜組成。在主配電系統電能傳輸過程中，要求兩路供電的用電設備應以系統或區(qū)域為原則，從不同主配電板取得正常電源和備用電源，保障穩(wěn)定電力供應。為保證各分配電箱的供電獨立性，在艦船中配電系統采用一一對應的配電方式進行連接，同時，根據艦上不同用途的設備，進行分別供電，避免線路干擾及關聯事故的發(fā)生。

在艦船上，主配電系統為中要設備設置兩舷供電轉換裝置，以確保兩路電源的有效轉換。為了避免動力負載在轉換過程中可能產生的暫態(tài)過電流，還設置延時轉換功能。

3 直流配電網拓撲結構及應用控制

3.1 直流配電網的拓撲結構

在當前海軍艦艇中，中小型艦艇一般采用輻射型網絡配電，大型艦艇則采取環(huán)形或網型。與艦船上交流區(qū)域配電系統的情況類似，直流配電網絡同樣考慮電力供應的穩(wěn)定性和冗余性。艦船中輻射型配電網絡多與區(qū)域式配電相結合，采用左右舷兩根母線縱向穿過艙室，將船體分成多個配電區(qū)域進行配電。在大型艦船中，一般采取一條母線位于吃水線以上，一條位于吃水線以下，以提高電力系統生命力。直流配電網絡的基本拓撲結構主要有環(huán)狀、放射狀和兩端配電3種，如下圖1-3所示。

艦船直流配電系統中，利用大量電力電子技術，將以整流器、逆變器等變流裝置為核心元件，利用當代先進變流技術，實現高效環(huán)保的直流配電。全艦采取區(qū)域供電，將以直流為主要的配電方式進行輸送電能。

與傳統交流配電系統中的輻射式配電相比，直流區(qū)域配電系統可以降低配電系統重量、節(jié)省大量成本，同時提高電力品質和艦船生命力，方便后續(xù)對電力系統進行升級和優(yōu)化。

3.2 直流配電網在美國軍艦上的應用

在美國海軍DDG1000驅逐艦上，其直流區(qū)域配電系統能夠為設備提供優(yōu)質可靠的電能，同時又具備靈活配置的優(yōu)勢。由于多數電力配置均有冗余設計，因此即使某型設備發(fā)生故障，或者戰(zhàn)斗中有部分電路損壞，配電網絡會通過自動偵測技術進行判斷，并給出可行的替代線路和補救措施，保障艦上重要設備連續(xù)供電。配電系統結構如圖4所示。

圖4中各個功率變換模塊（Power Convertion Module，PCM）的功能介紹如下：PCM-1模塊為直流轉直流模塊，將1000 V轉為800 V，包含控制單元、配電部件和多個電力電子變換模塊；PCM-2為逆變模塊，將800 V直流電逆變?yōu)?50 V、60 Hz交流電，為對應區(qū)域交流設備提供電力，模塊組成情況除電力電子變換模塊外與PCM-1類似。PCM-3將800 V直流電變換為270 V直流電，其結構域PCM-1基本相同，PCM-4將發(fā)電機輸出的4160 V、60 Hz交流電整流為1000 V直流電，由變壓器、可控整流器和濾波器組成。

3.3 直流配電網的故障及保護

當前，國內外開展多項直流配電保護研究工作，與交流配電網絡相比，直流配電網絡在故障類型和后果方面有很多不同，當前也沒有具體的保護標準。由于在直流配電網絡中，電力電子器件數量和種類較多，給直流配電網的保護工作帶來很大挑戰(zhàn)。

借鑒交流配電網的保護措施，結合直流配電系統的特性，總結直流配電網的主要保護環(huán)節(jié)如下：

1）開關設備

開關設備能夠有效隔離故障，防止故障擴散，減少系統損失，在各電力系統中必不可少。直流電流的分斷由于沒有自然過零點，分斷比較困難，開關設備的制造難度也較大。低壓直流配電網絡中，交流型插頭用于直流電時，則會產生電弧，存在隱患。同時，開關保護側重于故障定位和隔離，對系統保護作用較小。

2）限流裝置

限流裝置可以在故障發(fā)生時限制故障電流大小，嚴重故障時可切斷電流。將斷路器和限流裝置想結合，可以形成有效保護。故障限流器按照組成情況可大致分為四類：基于超導材料、基于飽和電抗器、基于電力電子器件和基于正溫度系數電阻的限流器。其工作原理類似，均為在正常 情況下，器件損耗較小，導通電阻相當于輸電線路。一旦發(fā)生故障時變?yōu)楦咦锠顟B(tài)，達到限制電流的目的。多種限流器由于材質或制造難度，較少應用于實際，隨著電力電子技術的發(fā)展，全控型和半控型半導體器件相結合的固態(tài)限流器達到了精確控制電流，同時減少靜態(tài)損耗的目的，目前應用比較廣泛。

3）接地保護

直流配電系統接地是防止艦員在操作過程中，帶電設備以人為導體與大地形成回路，對人身造成傷害。部分文獻對低壓直流配電系統中線接地問題，以及小規(guī)模直流供電接地問題進行了研究，但是就大型艦船的直流配電系統接地保護，尚無綜合性研究。直流配電網絡在保障電氣設備安全和人員安全方面主要涉及三方面的的內容：系統接地、繼電器保護和保護設備執(zhí)行。本文僅就直流配電網絡的接地系統簡要介紹。

接地方式的選擇關系到出現接地故障時故障電流的大小，因此接地保護意義重大。在直流配電網中，通常有不接地、高阻接地和低阻接地三種方式。目前常見的2中接地方式如下圖5所示[13]。

在圖5所示的TN-S接地方式中，變換器和中性點連接到大地，并將大地、中性點（N）和保護線（PE）連接。該方式的優(yōu)點是易于檢測并消除，這種情況若發(fā)生接地故障，則電流會較大，同時電壓出現變化，會直接影響與故障電極相連接的其他負載，但是對另一極電路中負載工作并無影響。因此，應用比較廣泛。

在圖5所示的IT接地方式中，正電極與保護線都通過高阻抗與大地相連。該方式的優(yōu)勢在于，正電極與大地連接可以減小腐蝕效應，在發(fā)生接地故障時，故障電流和電壓變化富都都會有較小，故障較少時，可保證一般負載的運行。但由于極地電壓會因接地故障而變，敏感負載不能正常工作。該方式故障電流小，不易檢測，同時由于金屬外殼會帶電，容易引起觸電事故，因此該方法比較少用。

4 小結及展望

直流配電網自身具有線路造價低、輸電損耗小、可靠性高及環(huán)保優(yōu)勢。直流配電可以減少分布式發(fā)電系統及直流負荷接入交流電網的中間環(huán)節(jié)，提高功率轉換效率和電能質量。

目前各國對于直流配電網的研究都處于試探性研究階段，還有很多相關技術有待解決。如：1）直流配電網絡中并聯的變壓器和變換器數量大、類型多，甚至有不同類型并聯的情況；（2）不同性質的負載和電源對于變換器件有不同需求，控制策略相對復雜。因此，我國應抓住機遇，吸收國內外目前研究的經驗教訓，結合當前電力電子技術，借鑒已有的艦船直流電力系統、直流輸電系統對直流配電網進行深入研究。這將推動直流配電網在軍艦電力系統及城市電網的發(fā)展，具有巨大的市場價值和現實意義。

[1] Lobenstein R W, Sulzberger C. Eyewitness to DC history[J]. Power and Energy Magazine, IEEE. 2008,6(3):84-90.

[2] Xu C D, Cheng K W E. A survey of distributed power system-AC versus DC distributed power system. 2011 4th International Conference on Power Electronics Systems and Application. Hong Kong, China: IEEE, 2011:1-12.

[3] 譚逢時. 未來直流配電網建設初探[J]. 科技資訊, 2011,(23):110-112.

[4] Kondratiev I ,Dougal R. Synergetic control strategies for shipboard DC power distribution systems[C].American Control Conference. New York, USA: American Automatic Control Council(AACC),2007:4744-4749.

[5] Lasseter R H. Smart distribution: coupled microgrids [J]. Proceedings of the IEEE, 2011, 99(6):1074-1082.

[6] Boroyevich D, Cvetkovic I, Dong D, et al. Future electronic power distribution systems: a contemplative view[C]. 2010 12th International Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment. Basov, Russia: IEEE, 2010: 1369-1380.

DC Power Distribution Network and Its Applications to Zonal Power Distribution of Warships

Wang Sen，Liu Yong

(Naval Representatives Office in Jiangnan Shipyard CO., LTD, Shanghai 201913, China)

TM721.1

A

1003-4862（2014）11-0077-04

2014-08-29

王森（1988-），男，碩士。研究方向：電力集成技術。