0 引　言

随着舰船综合电力系统技术的快速发展，电力电子变换设备在舰船电力系统的应用越来越广泛^[1～3]。采用电力电子变换设备作为舰船电力系统的电源，虽然具有电能品质高、响应速度快、控制能力强的明显优势，但也存在耐冲击能力弱、任务可靠度低等不足^{[4, 5]}。因此，采用电力电子电源作为舰船电力系统主电源应用时，在供电系统配置和设计上需要开展更深入的研究，探索高可靠度的供电方案。

本文以某型船AC220V电网供电系统的设计方案为例，介绍一种以逆变电源为供电电源、通过并联和备份多种技术手段的高可靠交流系统供电方案。

在交流220 V电网的设计中，为确保配电网供电的高可靠性和连续性，在电网的结构上采用了采取分区供电的原则，将需要重点保障的重要负荷负载和其他220 V照明、控制等一般负载分开。

在电源配置上，以3台50 Hz单相逆变器作为供电电源，为整个电网提供电能。3台逆变电源正常运行时处于同步工作模式即同频率同相位方式工作，其中专设1台冗余逆变电源用于故障备份，一旦其中任何1台工作电源出现故障则瞬间切换，代替故障逆变电源，确保供电的连续可靠性。

由于在交流电网的电源配置设计上采用了的冗余逆变电源这一新颖的措施，利用电力电子开关的快速切换特性，通过并联和切换等技术手段，不但可以有效确保重要负载的供电可靠性，而且通过合理控制策略，整个配电网的供电可靠度都能得到提高，以期通过最小的代价，实现最大的供电可靠度提升。

1 高可靠交流220 V电网结构设计

电网结构是电力系统稳定性与安全性的基础，电网结构一旦形成将决定电力系统的配电保护以及保护器件的能力，如果设计有缺陷将使系统难以实现选择性保护^[6]，从而大大影响系统的供电可靠度。

为了提高电网供电可靠性和生命力，在电网设计中通常可参考的方法有：

1）选择可靠性较高的电网型式；

2）按用电设备的重要性实行分级供电，通过开关的保护作用，使得低级配电负荷的故障不至影响前级配电板的供电；

3）实行分区供电，将故障限制在某一个区域，同时避免负载间的相互影响；

4）对重要负荷实行多路供电，提高供电可靠性；

电网的结构决定了电网供电的可靠性和生命力，良好而合理的电网设计则保障了交流配电网络安全可靠的运行。AC220V交流电网采用可靠性较高的干馈混合配电制的网络结构，这种分级的电网结构通过与断路器等保护器件的配合可以形成选择性的保护能力，将故障控制在局部区域。

AC220V电网在电源配置上为3台单相逆变电源和2台AC380 V/220 V变压器，如图1所示。上述5路电源输出由交流220 V供电转换装置控制，并采取分区供电制的原则，分成两路分别为重要负荷和普通负荷供电提供交流电能。

在交流220 V配电网中，重要负荷和普通负荷分别由2台（1号和3号逆变电源）单相大功率逆变电源各自独立供电，在各自电源正常的情况下，母联开关分断。分开供电后有效保障了重要负载的用电独立性和可靠性，避免普通负荷启停冲击等因素对其造成的干扰，还能有效减小彼此间电磁噪声造成的干扰影响。

在供电电源使用上，一般在靠岸停泊时，由2台变压器向220 V交流电网供电；在航行时，由1号和2号逆变电源并联向供电重要负荷供电，3号逆变电源向照明、一般电子设备等常规负载供电。与此同时，2号逆变电源还可以作为3号逆变电源的热备份电源，当3号电源出现故障时可迅速切换，顶替故障电源。

2 高可靠度的逆变电源供电策略研究

正常工作状态下，2号逆变电源利用成熟的逆变器并联技术与1号电源并联运行，组成N+1的冗余供电系统，为重要设备提供可靠的供电保证。这样一来不但重要负荷供电的电源容量提高1倍，电源的抗冲击能力也得到相应提高，而且更为重要的是对重要负载供电的可靠性和连续性可以得到大幅度提高，即当1台电源发生故障时，重要负载可自动转由并联运行的另1台电源供电，能真正做到故障发生时供电电源的零时间转换。

与此同时，并联运行的2号逆变电源还可以作为3号逆变电源的热备份电源，即正常工作时控制3台逆变电源输出电压与1号、2号电源同频同相，一旦3号电源发生故障，在1号电源正常工作的情况下，可以将2号电源切换过去代替故障电源，这样整个配电网供电的可靠性和连续性都可以得到有效提升。

上述2台变压器和3台逆变电源的输出通过可电操的断路器和电力电子开关接入配电网，这些断路器由交流220 V供电转换装置控制。交流220 V供电转换装置控制在各工况下对各断路器的切换控制策略为：

1）在艇靠岸停泊时，首先断开K₃～K₆，确保逆变电源从电网退出后再闭合K₁，K₂，转由2台变压器向220 V交流电网供电；

2）在航行状态正常工作时，先断开K₁，K₂，K₅再闭合K₃，K₄，K₆，当确保变压器从电网中切断后再投入逆变电源，让1号和2号电源并联运行同时给重要负荷供电，3号电源给照明等常规负载供电；

3）在航行状态下，如果1号电源故障则断开K₃让1号电源退出电网，由2号电源供给重要负荷的全部负载；如果2号电源故障则断开K₄使2号电源退出电网，由1号电源供给重要负荷的全部负载。

4）在航行状态下，如果3号电源故障则首先断开K₄，K₆再闭合K₅，由2号电源顶替3号电源继续工作；如果此时又出现1号电源故障，为确保重要负荷用电，则首先断开K₃，K₅再闭合K₄，让1号电源退出后再将2号电源切换回来。

5）在航行条件下，如果1号和3号电源均故障，则K₃，K₆断开，让1号和3号电源退出电网，2号电源继续工作保证对重要负荷供电的连续性。

由于2台或者2台以上的逆变电源同时出现故障的可能性是很小的，对于这种故障状态不做进一步讨论。

在上述各种工作情况下，为尽可能保证高可靠供电，断路器开关状态如表1所示，其中“1”表示闭合，“0”表示分断。

表1中的K₁～K₆互锁的逻辑关系可以抽象出来表达如下：

$ \left\{ \begin{aligned} & {K_1} = \overline {{K_3} + {K_4}}{\text{，}} \\ & {K_2} = \overline {{K_5} + {K_6}} {\text{，}}\\ & {K_3} = \overline {{K_1}}{\text{，}} \\ & {K_4} = \overline {{K_1} + {K_5}} {\text{，}}\\ & {K_5} = \overline {{K_2} + {K_4} + {K_6}} {\text{，}}\\ & {K_6} = \overline {{K_2} + {K_5}}{\text{。}} \end{aligned} \right.$

(1)

为了保证切换安全，在正常工作时各断路器的开关状态切换应遵循一定的互锁原则。在对K₁～K₆各电力开关进行操作时，必须考虑表达式（1）的互锁关系，以确保切换过程中不会出现误操作给电网带来危害。

3 常见系统的可靠性模型

根据系统中各组件（或单元）的功能关系，常见的可靠性模型有串联系统模型、并联系统模型、等待系统模型等^[7]。

3.1 串联系统

串联系统是由几个部件串联而成，其中任何一个部件失效就会导致系统失效，故串联系统的寿命等于其中最先失效部件的寿命。根据全概率公式可知串联系统的数学模型为：

$ {R_s}(t) = \prod\limits_{i = 1}^n {{R_i}} (t) {\text{。}} $

(2)

式中：R_s（t）为系统的总可靠度；R_i（t）为第i个部件的可靠度。

3.2 并联系统

并联系统由n个部件并联而成，当这n个部件都失效时系统才失效，并联系统的寿命等于其中最后失效部件的寿命。

$ {R_s}(t) = 1 - \prod\limits_{i = 1}^n {[1 - {R_i}} (t)] {\text{。}} $

(3)

3.3 等待系统

等待系统的模型中，一旦某单元失效，则开关K马上与另一个单元接通，系统能正常地完成任务。等待系统能正常工作的条件是至少有一个单元不失效。

如假定检测和转换是绝对可靠的，且各单元是相同的，每个单元的可靠度为 ${R_1} = {R_2} = ...... = {R_i} = {e^{ - \lambda t}}$ 。根据泊松公式，系统的可靠度为：

$ {R_s}(t) = \sum\limits_{i = 0}^{n - 1} {\frac{{{{(\lambda t)}^i}}}{{i!}}} {e^{ - \lambda t}} {\text{。}} $

(4)

4 交流220 V电网供电可靠度分析

根据单台逆变电源技术指标，其平均故障间隔时间MTBF≥3 000 h，即 $\mu = 3\;000\; \rm h$ ， $\lambda = 3.3 \times {10^{ - 4}}\;\rm {h^{ - 1}}$ 。

为了简化问题，突出讨论的主体，考虑切换开关和电缆线的可靠度为1，并假设3台逆变电源的可靠度相同且均为 $R(t) = {e^{ - \lambda t}}$ ，则对交流220 V电网电源系统的供电可靠性可作如下分析。

4.1 对重要负荷供电的可靠度分析

当3号逆变电源正常独立工作时，1号和2号逆变电源并联运行状态；而当3号逆变电源故障时，2号电源替代3号电源供电，但此时2号电源仍处于1号电源的热备份状态，一旦1号电源故障2号电源将迅速切换回来。

因此对重要负荷而言，虽然2号电源存在着状态切换，但整个供电系统的实际寿命仍然等于1号、2号电源中最后失效的那1台的寿命，这符合可靠性模型中并联系统的定义，所以对重要负荷供电的可靠度为：

$ \begin{split} {R_a}(t) =\,& 1 - \prod\limits_{i = 1}^2 {(1 - {R_i}(t))} =\\ \,& \left[ {1 - (1 - {e^{ - \lambda t}})(1 - {e^{ - \lambda t}})} \right]=\\ \,& {e^{ - \lambda t}} \cdot (2 - {e^{ - \lambda t}}){\text{。}} \end{split} $

(5)

4.2 对一般负载供电的可靠度分析

当1号电源正常工作时，2号电源可作为3号的热备份电源以便在3号故障时顶替其继续供电，此时2号、3号电源组成供电系统的系统寿命等于最后失效那1台电源的寿命，这符合可靠性模型里的并联系统的定义；而当1号电源故障时由于必须保障重要负荷用电，此时2号、3号电源各自独立工作。因此对照明控制等一般负载供电的可靠度为：

$ \begin{split} {R_b}(t) =\,& {R_1}(t) \cdot [1 - \prod\limits_{i = 2}^3 {(1 - {R_i}(t))} ]+\\ & (1 - {R_1}(t)) \cdot {R_3}(t){\text{，}} \end{split} $

(6)

$ {R_b}(t) = {e^{ - \lambda t}} \cdot (1 + {e^{ - \lambda t}} - {e^{ - 2\lambda t}}) {\text{。}} $

(7)

若没有引入2号冗余电源，仅1号、3号各自独立工作，则AC220V交流电网的供电可靠度均为：

$ {R_c}(t) = {e^{ - \lambda t}} {\text{。}} $

(8)

通过表达式（4）、式（6）和式（7）的比较可以看到，引入冗余逆变电源后配电网对负载的供电可靠性得到了有效提高。

为了清晰地对这3个可靠度进行比较，利用数学软件Matlab绘出3 000 h内3个可靠度函数 ${R_a}(t)$ ， ${R_b}(t)$ ， ${R_c}(t)$ 的曲线，如图3所示。

3个可靠度函数 ${R_a}(t)$ ， ${R_b}(t)$ ， ${R_c}(t)$ 分别对应着交流220 V电网对重要负载供电的可靠性、对一般负载供电的可靠性和无冗余电源时的供电可靠性。

由图3可以清楚地看到，在整个时间段内配电网对重要负荷等重要负载的供电可靠性最高，对一般控制类设备的供电可靠性次之，但两者与单台电源独立供电相比，可靠性均得到了明确有效的提升，设计目标得以有效实现。

5 结　语

本文以某型船220 V交流电网供电系统设计为例，介绍了一种高可靠供电的电源系统设计方案和控制策略。

在电网拓扑结构上，该电网采取了干馈混合配电和分区供电的网络结构，通过将电网进行分级、分段以及多路取电，可以有效隔离负载间的相互干扰，确保重要负载用电独立性，以及有效的控制故障区域，提高供电网络的可靠性和连续性。

在电源配置和控制方式上，为了满足重要负载对供电连续性的高要求，设计了新颖带切换策略的冗余并联供电方案，并利用冗余电源的并联和切换方式，在保证提升重要负载的供电可靠性的同时，也显著提高了全网的供电可靠度。