肖飛

肖飛，教授，博士生導師。海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室大容量電能變換研究方向首席專家以及國家自然科學基金委“電力系統電磁兼容”創新研究群體的骨干成員，長期從事電力電子與電氣傳動中的大容量電能變換技術、電機驅動控制技術、系統集成技術等領域研究，參與國家973、自然科學基金、國防重大裝備研制近30項重大課題，取得了一系列創新性成果。

受理/授權發明專利20/17項，在國內外期刊及會議中發表學術論文100余篇，其中SCI/EI收錄索引的論文近40余篇。先后獲得國家科技進步一等獎2項（排名2、2）、國家科技進步二等獎1項（排名2）、軍隊科技進步一等獎4項（排名1、2、2、9）、軍隊科技進步二等獎1項（排名4）、國家能源科技進步三等獎1項（排名1）。

劉計龍

劉計龍，副研究員，碩士生導師。主要研究方向包括模塊化多端口直流變換器、艦船電力推進系統、軌道交通車輛電力牽引系統。參與了海軍武器裝備“十二五”、“十三五”預研重點項目，負責研制直流區域配電系統中的模塊化多端口直流變換器；參與了海軍某型艦船電力推進系統的研制，負責系統控制策略設計；與湘電集團合作開展軍民融合項目，成功研發地鐵車輛永磁同步牽引系統。申請國家發明專利四項，發表SCI/EI收錄學術論文二十余篇。2020年入選第五屆中國科協優秀科技論文獎，2019年獲中國電工技術學會年度優秀論文獎。

朱志超

朱志超，博士研究生。研究方向為模塊化多端口直流變換器、雙有源橋直流變換器優化運行和控制，參與了海軍武器裝備“十三五”預研重點項目。

導語

中壓直流艦船綜合電力系統（IPS）在全電艦船中具有廣闊的應用前景，隨著艦船綜合電力系統容量和電壓等級的提高，越來越多的儲能單元應用于艦船綜合電力系統，傳統的能量單向流動兩端口直流變換器已經不能適應新的應用需求。

針對此問題，該文提出一種面向未來艦船綜合電力系統的模塊化三端口直流變換器。該三端口變換器可以連接中壓直流電網、低壓直流電網和分布式儲能單元，每個端口均可實現能量雙向流動。該三端口直流變換器可以實現能量的綜合調度，提高艦船IPS的穩定性、靈活性和健壯性。

項目研究背景

艦船綜合電力系統（Integrated Power System, IPS）將傳統艦船中的動力系統和電力系統合二為一，實現了全船能量的綜合調度管理，被譽為艦船動力領域的第三次技術革命。我國率先提出的中壓直流IPS得到了越來越多研究人員的關注。

未來，艦船綜合電力系統容量和電壓等級將不斷提高。隨著越來越多以瞬時大功率為特征的高能電磁武器上艦應用，大規模的儲能單元將接入艦船綜合電力系統。因此適配高電壓等級、大系統容量、具備多端口特征的中壓直流變換器是推廣應用IPS的重點與難點之一。

論文方法及創新點

本文提出一種面向艦船綜合電力系統的模塊化三端口直流變換器，這種三端口直流變換器將模塊化多電平技術、雙有源橋技術、分布式儲能技術有機結合起來，在艦船綜合電力系統中連接中壓直流電網、低壓直流電網和分布式儲能單元，實現了直流區域變配電分系統的綜合能量調度，具有廣闊的應用前景。所提三端口直流變換器同樣適用于深海空間站、全電戰車或其他具有相似結構的民用直流區域配電網絡。模塊化三端口直流變換器拓撲結構如圖1所示。

圖1 模塊化三端口直流變換器拓撲結構

匹配中壓直流母線的端口采用模塊化多電平拓撲結構，由N個半橋子模塊級聯構成，中壓直流母線電壓由N個半橋子模塊共同分擔。匹配低壓直流母線的端口采用雙有源橋拓撲結構，雙有源橋拓撲結構提供了中壓直流母線和低壓直流母線之間的電氣隔離。

匹配儲能單元的端口采用兩重化斬波拓撲結構，通過移相調制，可以大幅降低兩重化斬波器的紋波電流。匹配儲能單元的端口可分為N個子端口，本文將這N個子端口統稱為儲能單元端口，可以實現分布式儲能。變換器的N個支路完全相同，變換器的模塊化與標準化程度較高。

該拓撲結構的優勢可以體現在以下幾個方面：①實現功率流動的靈活控制，任意兩個端口間均可實現能量傳輸；②開關管電壓應力小；③模塊化程度高，具備容錯運行能力，單個支路損壞，不影響變換器整體運行；④非常適合基于高速光纖環網通信的分布式控制架構。

本文設計的模塊化三端口直流變換器主要的能量流動模式可以分為五種，如圖2所示。該模塊化三端口直流變換器在直流區域變配電系統中的核心任務就是保證低壓直流電網持續供電。圖2中的儲能單元用一個方框簡單示意，實際上儲能單元是分布式的。分布式儲能單元端口的加入，豐富了變換器的能量流動模式。

圖2 模塊化三端口直流變換器的能量流動模式

本文制造了一臺功率為20kW的模塊化三端口直流變換器樣機。樣機實物如圖3所示。該變換器包含4個支路，儲能單元配有4組獨立的蓄電池組。

圖3 模塊化三端口直流變換器樣機

模塊化三端口直流變換器各端口都投入工作的穩態實驗波形如圖4所示。圖4中，2～3s時間段，中壓直流母線給低壓直流母線和儲能單元供電，電池放電，中壓側輸入電流逐步下降到18A附近，中壓側提供的功率大幅降低；從第8.2s開始，模擬中壓側可用功率恢復正常，儲能端口由放電狀態逐步過渡到充電狀態，中壓側直流輸入電流由18A恢復到30A。

圖4 儲能單元充電與放電工作模式切換實驗波形

突卸負載和突加負載實驗波形如圖5所示。6.5s時低壓側負載電阻通過負載斷路器由1.36歐姆，調整為2.45歐姆，負載突卸過程中，低壓側輸出電壓突升14V，電壓波動范圍小于10%，電壓恢復時間小于0.3s；8s時低壓側負載電阻通過負載斷路器由2.45歐姆調整為1.36歐姆，負載突加過程中，低壓側輸出電壓突降14V，電壓波動范圍小于10%，電壓恢復時間小于0.3s。通過突卸負載和突加負載動態實驗可以看出，模塊化三端口直流變換器具有較強的動態響應能力和抗擾動能力。

圖5 突卸負載與突加負載動態實驗波形

結論

本文提出了一種面向艦船綜合電力系統的模塊化三端口直流變換器，變換器可以連接艦船綜合電力系統中的中壓直流母線、低壓直流母線和分布式儲能單元。變換器豐富了艦船綜合電力系統的能量流動模式，增強了艦船能量調度的靈活性和穩定性。設計制造了功率為20kW的模塊化三端口直流變換器樣機，樣機實驗結果驗證了所提拓撲結構的可行性、原理分析與控制策略設計的正確性。

本文研究成果為未來具有更多支路數、幾MW等級模塊化三端口直流變換器研制奠定了基礎，在相關電力電子變壓器的研制方面具有一定的參考價值。

引用本文

劉計龍, 朱志超, 肖飛, 陳鵬, 任強. 一種面向艦船綜合電力系統的模塊化三端口直流變換器[J]. 電工技術學報, 2020, 35(19): 4085-4096. Liu Jilong, Zhu Zhichao, Xiao Fei, Chen Peng, Ren Qiang. A Modular Three-Port DC-DC Converter for Vessel Integrated Power System. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(19): 4085-4096.

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