高功率脉冲负载接入的舰船综合电力系统拓扑结构与控制方法

Shipboard Integrated Power System (IPS) and electromagnetic weapons are two symbolic technologies of future advanced ships. Medium-voltage DC (MVDC) IPS indicates the trend of shipboard IPS. In IPS, the application of electromagnetic weapons is equivalent to the integration of high-power pulse loads (HPPL). The integration of HPPL in IPS may cause problems in mathematical modeling of special devices, network topology design and coordinated control. Aiming at such problems, the project will firstly unravel the dynamic characteristics of HPPL energy storage (ES) devices through mathematical modeling of typical HPPL. The research results will show that charging process of ES devices is long and continuous, with a relatively lower charging power, while the discharging process is often short and repetitive, with a high pulse power. Secondly, by proposing the concept of “Flexible Energy Storage Supply Network (FESSN)”, the project will research the optimal topological design of FESSN and MVDC IPS with FESSN integration. A new IPS topology will be designed, in which the FESSN will supply power to HPPL with centralized ES and it’s also integrated in the IPS in a distributed fashion. Thirdly, by researching the adaptive variable topological control of FESSN and the parallel control of conventional power sources and ES, the coordinated control system of MVDC IPS with HPPL integration will be built. The research results will lay theoretical foundation for the flexible integration of multiple types of HPPL and their safe, efficient and compatible operation within MVDC IPS.

综合电力系统和电磁能武器是未来先进舰船的两大标志性技术。中压直流综合电力系统是舰船综合电力系统的发展方向，电磁能武器应用相当于高功率脉冲负载接入综合电力系统。本项目针对高功率脉冲负载接入综合电力系统所引发的特殊设备数学建模、电网拓扑设计与协调控制等问题，通过研究典型高功率脉冲负载的数学建模，揭示其储能小功率较长时间连续充电、短时重复高功率脉冲放电的动态特性；通过提出“柔性储能供电网”的概念，研究该储能供电网及其接入的中压直流综合电力系统拓扑结构优化设计方法，形成柔性储能供电网以集中式储能向脉冲负载放电、以分布式储能接入综合电力系统的新拓扑；通过研究柔性储能供电网的自适应变拓扑控制、常规电源与储能的并联运行控制，构建高功率脉冲负载接入的中压直流综合电力系统协调控制方法体系，为实现各类高功率脉冲负载灵活接入，及其与中压直流综合电力系统的安全、高效、匹配运行提供理论支撑。

舰船综合电力系统是舰船动力的革命性技术，它除了能够实现舰船全电化、提升动力系统性能外，更重要的是为电磁能武器应用提供了充足的电能支撑。高功率脉冲负载必须经储能接入系统，减少其运行期间瞬时超大功率用电需求对系统的冲击，然而，多类型、多数量高功率脉冲负载应用的实际需求，同舰船狭小空间、有限装机容量之间存在显著矛盾，导致高功率脉冲负载接入的中压直流综合电力系统拓扑结构设计与控制存在较大困难。为此，本项目开展了高功率脉冲负载数学建模、考虑脉冲负载接入的中压直流综合电力系统拓扑结构设计与运行控制研究。具体为：在高功率脉冲负载的数学建模与动态特性方面，提出了采用电容滤波的六脉波、二十四脉波相控整流器动态数学建模方法，建立了多电平逆变器、集成式惯性储能系统、高倍率放电锂电池组的动态数学模型，计算了其在典型工况下的运行特性，通过时域仿真和物理试验验证了数学模型的正确性。在高功率脉冲负载接入的中压直流综合电力系统拓扑结构方面，提出了多类型高功率脉冲负载的储能集中共享设计方案，完成了柔性储能供电网拓扑优化设计，提出了综合电力系统不同层次网络的系统储能容量优化配置方法，设计了综合电力系统储能多点接入的拓扑结构。在高功率脉冲负载接入的中压直流综合电力系统协调控制方面，提出了面向高功率脉冲负载的柔性储能供电网自适应变拓扑控制方法，设计了中压直流网和低压交流网中常规电源与多类型储能的并联控制策略，分析了储能接入对不同层次网络的系统稳定性、电能品质等的改善作用，搭建了储能多点接入系统的模拟试验系统，完成了协调控制方法的试验验证。该项目研究成果为实现各类高功率脉冲负载灵活接入，及其与中压直流综合电力系统的安全、高效、匹配运行提供了理论支撑。