面向舰船综合电力系统的模块化三端口直流变换器研究

The integrated power system represents the development direction of ship power. With the application of high-efficiency electromagnetic weapons on board, large-capacity energy storage system should be employed in the integrated power system. The three-port bi-directional DC/DC converter is one of the core equipment in the integrated power system, which has the ability to connect the medium-voltage bus, low-voltage bus and energy storage system. This project develops a modular three-port DC/DC converter which is applied to the integrated power system. First, by combining the modular multilevel topology with the dual active bridge topology, we proposed a three-port DC/DC converter topology suitable for a 10kV medium voltage bus. Secondly, on the basis of different operation modes analysis and impedance matching analysis, the self-adaptive control strategy and cascade stability problem of the three-port DC/DC converter are studied. Thirdly, fault-tolerant control strategy of the three-port DC/DC converter is studied based on the system fault pattern recognition and system reconstruction. The breakthrough of the key technologies in this project is helpful for mastering the technical commanding heights of the second generation integrated power system, which lays a solid foundation for the application of the second generation integrated power system in the future large-tonnage ships and the application of high-efficiency electromagnetic weapon in ship.

舰船综合电力系统代表了未来舰船动力的发展方向，随着高效能电磁武器上舰应用，系统中需要安排大容量储能环节。三端口直流变换器连接综合电力系统的中压侧、低压负载和储能环节，是综合电力系统中核心装备之一。本项目面向舰船综合电力系统，研究一种模块化三端口直流变换器。第一，将模块化多电平拓扑结构与双有源桥拓扑结构相结合，提出一种适配10kV中压母线的三端口直流变换器拓扑结构；第二，以三端口直流变换器不同的能量流动模式分析和阻抗匹配分析为基础，研究系统的自适应控制策略和系统级联稳定性；第三，以系统故障模式识别和系统故障重构为基础，研究三端口直流变换器的容错运行策略。本项目关键技术的突破，有利于掌握二代舰船综合电力系统的技术制高点，为未来大吨位舰船应用二代综合电力系统和高效能电磁武器上舰应用奠定坚实的基础。

随着舰船综合电力技术的发展，传统的基于两端口的变配电方案由于变换级数多、能量流通路径长、动态响应速度慢、变换器类型与数量较多等问题，无法适应二代舰船综合电力系统的应用场景。对此，本项目对基于多端口变换器的舰船变配电方案开展研究，提出一型模块化三端口直流变换器，并从拓扑结构原理、控制策略与稳定性、故障识别与故障重构三个关键科学问题出发开展研究。.（1）论证了子变换器以及端口滤波器拓扑结构，分析了四种典型工作模式，并提出了面临不同工况时的工作模式决策方法。对子变换器设计了调制策略，特别是针对双有源桥变换器提出一种基波无功最优调制策略，提高了装置的运行效率和功率密度。提出一种考虑可靠性、运行效率和功率密度的基于快速非支配排序遗传算法的多目标优化参数设计方法，得到了满足舰船应用需求的参数设计方案。.（2）建立了变换器数学模型，并提出了闭环控制策略。针对直流多端口模块化多电平子变换器和双有源桥子变换器，分别提出了基于陷波器的三环解耦控制策略和基于陷波器的双向功率控制策略。研究了变换器的不平衡运行原理，刻画了不平衡运行边界，提出了储能元件电量快速均衡策略，并提出了抑制电流纹波的最优移相调制策略。.（3）分析了故障保护和容错运行特点，提出了冗余设计方法，建立了三级式可靠性量化评估模型。针对中压直流母线故障，提出了基于中压侧电压下降速率的故障识别方法，并提出了从常规工作模式到应急工作模式的故障重构方法。研究了模块化三端口直流变换器支路故障下的容错运行策略，提出了直流多端口模块化多电平子变换器移相调制的故障重构方法。.最后，本项目设计并制造了模块化三端口直流变换器20kW原理样机，设计了模块化硬件布局和“一主五从”的环网控制架构。进行了模块化三端口变换器在不同工作模式下的动静态实验、模式切换实验、不平衡边界实验、SOC快速均衡实验、最优移相调制实验等，验证了本项目研究成果的有效性。