CN110611441A - 一种改进型脉冲负载供电拓扑结构 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种改进型脉冲负载供电拓扑结构，包括若干组多脉移相变压器，若干舱内电源，舱内电源与多脉移相变压器连接，若干直流配电板，直流配电板与舱内电源连接，若干末端电源，末端电源的输入端和输出端分别与舱内电源和脉冲负载连接，可进行多路配电，起到直流端升压变换及部分能量缓冲作用，不仅能够把脉冲负载对电网的影响降到最低，还能提高脉冲负载末端供电生命力，保证脉冲负载供配电装置故障时部分脉冲负载末端仍能正常工作。

Description

一种改进型脉冲负载供电拓扑结构
技术领域
本发明涉及船舶电气设计领域，尤其涉及一种改进型脉冲负载供电拓扑结构。
背景技术
通常船舶电力系统技术的发展主要是以解决对应交流负载供电为目标，直流负载在船舶上的应用虽然种类也很多，但一般都是几十千瓦级的小型负载，对于采用交流电站的船舶电力系统而言简单的交直流转换并不会对电力系统造成影响，同时对于重要设备供电也可以采取简单的双路供电方案解决。
然而随着船舶功能的不断创新与进步，各种大功率用电设备越来越多地被应用到船上。这其中船用脉冲负载就是最为典型的一种直流负载，普通船舶安装的脉冲负载主要以导航功能为主，一般用电功率不大于30千瓦，虽然其特性为脉冲式直流负载，但对比船舶几百甚至几千千瓦的电站容量而言，此类用电负荷的交直流转换并不会对船舶电力系统造成冲击影响。但是随着船舶使命任务的不断变化，有一类专门设计成为大功率兆瓦级脉冲负载装船平台的船舶，便需要满足大功率脉冲负载功率大、负载脉冲特性强、供电可靠性要求高的特点。
此类船舶电力系统的设计具有以下难点：(1)船舶电力系统功率不大，发电机与脉冲负载负载的容量具有比拟性，通常脉冲负载的平均功率可以达到船舶电站总容量的1/3，脉冲峰值功率更是接近2/3，脉冲负载会对船舶电力系统造成冲击；(2)船舶空间较小，输电电缆长度很短，导致输电电缆的阻抗不大，相对而言发电机内部绕组的阻抗值很大，系统中源载耦合度高，源端的供电能力会影响负载的动态响应，反过来负载变化也会对电网电能质量造成不良影响；(3)海洋环境恶劣，大功率脉冲负载使用条件要求高，需要提高脉冲负载供电的生命力和可靠性。
如图1所示常规船舶电力系统的设计是通过采用单路不控整流器12将船舶电力系统的交流电转换为直流电供给脉冲负载负载，该系统传统拓扑结构为“同步发电机13、变压器14、自动电压调节器15(AVR)+不控整流器12+LC滤波器16+脉冲型负荷17”。该结构不能有效解决目前大功率脉冲负载装船供电所面临的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种改进型脉冲负载供电拓扑结构，解决以上技术问题。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
一种改进型脉冲负载供电拓扑结构，包括
若干组多脉移相变压器；
若干舱内电源，所述舱内电源与所述多脉移相变压器连接；
若干直流配电板，每一所述直流配电板与一所述舱内电源连接；
若干末端电源，每一所述直流配电板与若干所述末端电源连接，所述末端电源的输出端与脉冲负载连接。
优选地，包括任务负荷配电板，所述任务负荷配电板的输入端连接船舶电网，所述任务负荷配电板的输出端连接若干组所述多脉移相变压器的输入端。
优选地，任意一组所述舱内电源的容量大于三倍该组所述末端电源的容量。
优选地，所述舱内电源包括若干前级降压变换电路，每一所述前级降压变换电路通过一所述不控整流电路与每组所述多脉移相变压器连接。
优选地，每个所述前级降压变换电路与其相邻所述不控整流电路串联组成整流单元，每个所述多脉移相变压器的四个抽头分别与四个所述整流单元连接。
优选地，所述直流配电板的数量为三组，且每组所述直流配电板配置有三个直流负载开关；
两所述直流负载开关通过敷设电缆与所述末端电源连接，另一所述直流负载开关通过临时电缆与非同组所述末端电源连接。
优选地，若干所述前级降压变换电路的输出端并联并与所述直流配电板的输入端连接。
优选地，包括若干后级升压变换电路，所述后级升压变换电路设置在所述末端电源的内部；
所述后级升压变换电路设有两个接入端口，一所述接入端口与所述直流配电板的输出端连接，另一所述接入端口通过电源手动转换开关连接有电缆插口。
优选地，故障模式下所述后级升压变换电路通过所述临时电缆插入所述电缆插口而与相邻组的所述直流配电板连接。
一种船舶电力系统，包括上述任意一项所述的改进型脉冲负载供电拓扑结构。
有益效果：由于采用以上技术方案，采用“多脉移相变压+不控整流+前级Buck降压变换+直流配电板+后级Boost升压变换”的电压变换环节，在保证脉冲负载供电品质要求的同时，不仅能够把脉冲负载对电网的影响降到最低，还能提高脉冲负载末端供电生命力，保证脉冲负载供配电装置故障时，部分脉冲负载末端仍能正常工作。
附图说明
图1为船舶电力系统的传统拓扑结构图；
图2为含大功率脉冲负载的船舶电力系统的拓扑结构示意图；
图3为单组设备的拓扑电路结构图；
图4为故障模式下拓扑结构的线路重构连接示意图。
图中：1-多脉移相变压器；2-任务负荷配电板；3-舱内电源；4-直流配电板；5-不控整流电路；6-前级降压变换电路；7-后级升压变换电路；8-末端电源；9-直流负载开关；10-电缆插口；11-临时电缆；12-不控整流器；13-同步发电机；14-变压器；15-自动电压调节器；16-LC滤波器；17-脉冲型负荷。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
某些大功率脉冲负载是一个高频率脉冲性负载，而且其功率等级在船舶电力系统总容量中占比较高，其功率的波动会对电力系统的各项稳态及暂态指标造成影响。因此需要合适的供电拓扑结构，既保证脉冲负载供电精准度要求又能确保船舶电力系统的平稳运行，同时还能兼顾系统生命力的提升需求。
本发明是一种改进型脉冲负载供电拓扑结构，使其在保证脉冲负载供电品质要求的同时，不仅能够把脉冲负载对电网的影响降到最低，还能提高脉冲负载末端供电生命力，保证脉冲负载供配电装置故障时，部分脉冲负载末端仍能正常工作。
基于该发明的改进型脉冲负载供电拓扑结构通过“多脉移相变压+不控整流+前级Buck降压变换+直流电分配+后级Boost升压变换”等电路变换环节组成。整个供电的拓扑结构采用分组供电和多路配电方构成。该拓扑结构由若干个多脉波整流变压器连接于专用的6600V任务配电板并从船舶电网取电；不控整流电路和前级降压变换电路由舱内电源供电；直流电分配由直流配电板和临时电缆及连接装置(电缆插口)组成；后级升压变换电路则是以多组脉冲负载末端电源的形式实现。
针对一型装有2.4MW级脉冲负载的船舶，采用的交流6600V综合电力系统电站容量可满足任务、推进、日常三类负载的共同使用。
如图2和图3所示，本发明提供了一种改进型脉冲负载供电拓扑结构，包括
若干组多脉移相变压器1，包括任务负荷配电板2，任务负荷配电板2的输入端连接船舶电网，任务负荷配电板2的输出端连接若干组多脉移相变压器1的输入端。若干组多脉移相变压器1的输入端均与AC6600V任务负荷配电板2连接，多脉移相变压器1的输出为AC440V。本发明的多脉移相变压器1采用1.6MVA级24脉移相变压器。多脉移相变压器1、舱内电源3和直流配电板4的组数均为3组，且每组的多脉移相变压器1、舱内电源3和直流配电板4各自对应连接。
需补充说明的是，由于脉冲负载末端为脉冲性直流负载，本拓扑结构需要将船舶电网发出的交流电转化为直流电。因此，多脉移相变压器1、不控整流电路5、前级降压变换电路6、直流配电板4、后级升压变换电路7均设置在船舶相应的舱室内。
若干舱内电源3，舱内电源3内部设有若干前级降压变换电路6和若干不控整流电路5；若干前级降压变换电路6通过不控整流电路与每组多脉移相变压器1连接，每个前级降压变换电路6与相邻的不控整流电路5串联组成整流单元，每个多脉移相变压器1的四个抽头分别与四个整流单元连接。优选地，前级降压变换电路6采用前级Buck降压变换电路。
不控整流电路5和前级降压变换电路6连接的舱内电源3容量为1.25MW，舱内电源3的输入电压为AC440V，经过不控整流电路5的整流作用输出电压DC590V，再经过前级降压变换电路6的降压作用输出电压DC520V给直流配电板4。
若干前级降压变换电路6的输出端并联且输出端与直流配电板4的输入端连接。若干直流配电板4，直流配电板4与舱内电源3连接，直流配电板4的数量为三组，三组直流配电板4分别与三组舱内电源3、三组24脉波整流变压器对应连接。
每组直流配电板4配置有三个直流负载开关9。其中两个直流负载开关9通过固定敷设电缆与末端电源8连接，另一个直流负载开关9通过临时电缆与非同组的末端电源8连接。具体地，每组直流配电板4与两个末端电源8连接，因此每组直流配电板4连接两组电缆，每组4根2x95，200A的直流电缆，电缆长度不超过10m，重量不超过30kg。采用800A直流负载开关9，即4个200A插座组成的直流负载开关9，直流负载开关9和电缆插口10上均设置有联锁装置，保证开关的安全性。在4个临时电缆11的4个插头分别插入电缆插口10和直流负载开关9后再合闸，保证临时电缆的稳定搭接和电力连接安全性。
若干末端电源8，末端电源8的输入端与直流配电板4连接，末端电源的8输出端与脉冲负载连接。任意一组舱内电源3的容量大于三倍该组末端电源8的容量，不控整流电路5和前级降压变换电路6阶段的舱内电源8容量为1.25MW，而后级升压变换电路7的脉冲负载末端电源8容量为400KW。该拓扑结构设备容量的制定原则，还可以推广应用到其它容量的大功率脉冲负载供电过程中。优选地，后级升压变换电路7采用后级Boost升压变换电路。
若干后级升压变换电路7，后级升压变换电路7设置在末端电源8的内部。后级升压变换电路7的输入端为DC520V，在经过后级升压变换电路7的作用后输出为DC710V的电压，前级Buck降压变换+后级Boost升压变换的组合相当于第一级降压DC/DC变换+第二级升压DC/DC变换。
如图3所示，前级降压变换电路6中电容C1起到第二级能量缓冲的作用，用于降低负载工作时对船舶电网的冲击，提供平均功率，保证电网稳定的电压和电流。后级升压变换电路7中的电容C2起到第一级能量缓冲，实现高精度供电，提供大功率脉冲负载峰值功率的作用。
如图4所示，后级升压变换电路7设有两个接入端口，其中一个接入端口与直流配电板4的输出端连接，另一个接入端口通过电源手动转换开关连接有电缆插口10。电源手动转换开关可在故障模式时将临时电缆11接入末端电源8的电路系统内。故障模式下后级升压变换电路通过临时电缆11插入电缆插口10而与相邻直流配电板4连接。
具体地，如图4所示，船舶电力系统的任意一组设备(以第一组的故障设备为例，多脉波变压器1a、舱内电源3a、直流配电板4a任意一个)出现故障时损坏时，该组的每路末端电源8可分别从邻近的直流配电板4连接取电，保证它们的正常工作。具体操作步骤如下：
设定从右到左的三组设备分别为：第一组、第二组合第三组。将直流配电板4b、直流配电板4c连接的两根临时电缆11的输出端分别与第一组的末端电源8a、末端电源8b上的电缆插口10连接，再分别合上直流负载开关9和电缆插口10的联锁装置使电路接通，此时第一组两个末端电源8就可以从相邻组(舱内电源3b和舱内电源3c)的电力设备上取电，保证电力供应的长久。在第一组故障解决后，便可将临时电缆11的输出端从第一组末端电源8的电缆插口10拔出。
优选的是，多脉移相变压器1与不控整流电路5用来解决交直流变换过程中的谐波抑制问题；降压变换电路6和Boost升压变换电路7均具有能量缓冲的作用，具有较好的脉冲功率平抑功能；在直流配电板4采用分组供电与多路配电相结合的方式，利用故障后临时电缆11的敷接实现故障设备从邻近设备“借电”的方式，提高脉冲负载负载供电生命力。
一种船舶电力系统，包括上述任意一项所述的改进型脉冲负载供电拓扑结构。
需补充说明的是，该拓扑结构是利用ΔE＝1/2(C×ΔU2)这一能量公式来实现脉冲负载的平抑功能。该公式中的ΔE就是船舶电力系统所要解决的大功率脉冲负载能量，公式中的ΔU是通过前级Buck降压变换和后级Boost升压变换人为制造出直流端的电压差来实现ΔU的取值，再利用这两个变换环节上所选取的电容C来提升ΔE的总量。该拓扑结构还能在ΔU产生的环节上增加可重构的直流分配电环节以提高整个拓扑结构的供电生命力。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种改进型脉冲负载供电拓扑结构，其特征在于，包括
若干组多脉移相变压器；
若干舱内电源，每一所述舱内电源与每一所述多脉移相变压器连接；
若干直流配电板，每一所述直流配电板与一所述舱内电源连接；
若干末端电源，每一所述直流配电板与若干所述末端电源连接，所述末端电源的输出端与脉冲负载连接。
2.根据权利要求1所述的一种改进型脉冲负载供电拓扑结构，其特征在于，包括任务负荷配电板，所述任务负荷配电板的输入端连接船舶电网，所述任务负荷配电板的输出端连接若干组所述多脉移相变压器的输入端。
3.根据权利要求1所述的一种改进型脉冲负载供电拓扑结构，其特征在于，任意一组所述舱内电源的容量大于三倍该组所述末端电源的容量。
4.根据权利要求1所述的一种改进型脉冲负载供电拓扑结构，其特征在于，所述舱内电源包括若干前级降压变换电路，每一所述前级降压变换电路通过一所述不控整流电路与每组所述多脉移相变压器连接。
5.根据权利要求4所述的一种改进型脉冲负载供电拓扑结构，其特征在于，每个所述前级降压变换电路与其相邻所述不控整流电路串联组成整流单元，每个所述多脉移相变压器的四个抽头分别与四个所述整流单元连接。
6.根据权利要求1所述的一种改进型脉冲负载供电拓扑结构，其特征在于，所述直流配电板的数量为三组，且每组所述直流配电板配置有三个直流负载开关；
两所述直流负载开关通过敷设电缆与所述末端电源连接，另一所述直流负载开关通过临时电缆与非同组所述末端电源连接。
7.根据权利要求1所述的一种改进型脉冲负载供电拓扑结构，其特征在于，若干所述前级降压变换电路的输出端并联并与所述直流配电板的输入端连接。
8.根据权利要求7所述的一种改进型脉冲负载供电拓扑结构，其特征在于，包括若干后级升压变换电路，所述后级升压变换电路设置在所述末端电源的内部；
所述后级升压变换电路设有两个接入端口，一所述接入端口与所述直流配电板的输出端连接，另一所述接入端口通过电源手动转换开关连接有电缆插口。
9.根据权利要求8所述的一种改进型脉冲负载供电拓扑结构，其特征在于，故障模式下所述后级升压变换电路通过所述临时电缆插入所述电缆插口而与相邻组的所述直流配电板连接。
10.一种船舶电力系统，其特征在于，包括权利要求1至9任意一项所述的改进型脉冲负载供电拓扑结构。
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