浅谈动态电压恢复器在舰船综合电力系统中的应用
作者 :  师维

  摘要:介绍了动态电压恢复器的基本原理,动态电压恢复器的的发展与应用,叙述了舰船综合电力系统的研究意义,展望了将动态电压恢复器应用于综合电力系统的前景。
  关键字:动态电压恢复器 舰船综合电力系统
  【分类号】:TM41
  1 引言
  由于目前电力电子设备的大量使用,使得电能质量问题对电力系统的影响越来越大。近些年来,随着应用现代电力电子技术和控制技术实现电能质量控制,即定质电力(Custom Power)技术的发展,动态电压恢复器自问世以来,就因可几个毫秒内完成对电网电压的动态补偿,从而解决电压暂降、突升,以及系统电压不对称、畸变等问题,引起了广泛关注。此技术可经济、高效的提高电力电子设备的使用寿命,具有极高的推广价值[1]。
  2 动态电压恢复器的工作原理
  动态电压恢复器通常由逆变桥、直流储能单元以及串联变压器单元组成。其主要功能是当电网电压发生电压跌落、电压暂升时,向电网线路上注入一个幅值和相位可控的补偿电压以保证负载侧电压不受网侧电压干扰,维持稳定,图1为典型的动态电压恢复器结构示意图。
  1996年,美国 Westing house 电子公司在西部电子展览和会议(wescon)上首次发表了关于动态电压恢复器的研究报告以及实验结果。
  1998 年,ABB公司开始了对动态电压恢复器的研究,当年6月,该公司研制的动态电压恢复器在新加坡的一家半导体制造厂开始投入工业运行,该装置投运两年即抑制10多次的电压跌落,有效地避免了因电压暂降问题带来的经济损失[24]。
  2000 年,ABB公司研制出容量高达 22.5MVA 的动态电压恢复器,并有两套在以色列一家微处理器制造厂投入工业运行。此外,ABB公司研制的动态电压恢复器已升级至AVC 系列,该系列产品的容量从 160kVA 到 30MVA,可在少于一周波内快速响应,能量直接从电网获得,可实现对电压跌落的连续补偿。
  在国内,很多的科研院所和高等院校近些年也相继对动态电压恢复器展开研究,清华大学、东南大学以及西安交通大学等单位均已研制出动态电压恢复器样机。这些样机功率等级与国外先进技术相比还较低。到目前为止,未见军用设备中使用动态电压恢复器的报道。
  4 动态电压恢复器在舰船综合电力系统中应用展望
  舰艇综合电力系统将舰艇的日常用电和推进用电结合在一个电力系统之中作为舰艇电力平台,是21世纪各海军大国舰艇现代化研究的重点之一,其意义不亚于舰船由风帆动力转为蒸汽机动力[3]。该系统将使舰艇成本降低、运行能耗减少、电能分配合理、空间设置优化、同时可有效保障电磁炮、粒子束武器、以及高能激光(微波)等高能舰载武器的能量供给以及电磁弹射器、舰载消磁电源等大功率舰载用电设备可靠运行。随着国防现代化事业以及电力电子技术的不断发展,应用于现代舰船独立电网系统中的用电设备构成发生重大的改变,各种新型舰载装备对电能质量的需求不断提高,诸如半导体整流器、晶闸管及新型变频装置大量投入使用,由于其非线性、不平衡及瞬时冲击性的用电特点,电网电压容易出现闪变、电压暂降或暂升、频率偏移以及谐波干扰等问题,从而引起系统电压的波形畸变,严重影响供电质量,给舰船电力系统带来安全隐患。
  由于舰船电力系统需要适应于未来的高能武器对合理分配电能的需要,同时大功率非线性负载与大量敏感设备共存于电网中,因此电网电压突升、突降和瞬时断电等种种电能质量问题难以避免,这有可能在几十个毫秒甚至十几个毫秒内对舰船上的重要敏感设备等造成严重干扰直至损坏[4]。另外,要实现现代舰船的智能化控制需要将许多基于微处理器和网络的控制设备应用于各舰载装置中,这些设备在几十个毫秒的电网电压不正常的情况下就可能使舰船系统严重混乱,这就对高质量的供电提出了更为苛刻的要求。必须采用合理的稳压方法,保证系统在受到较大干扰时,仍能使电网电压在最大范围内的稳定,从而避免因重要设备的失常而导致电力系统崩溃。
  近些年来,应用现代电力电子技术和控制技术实现电能质量控制,即定质电力(Custom Power)技术无论是调节电压的响应速度还是控制实现的安全稳定等方面都取得比较令人满意的结果,因此,这一技术是保障舰艇综合电力系统可靠运行的关键技术之一。尽管对于中小功率等级的敏感设备在线式不间断电源(Uninterruptible Power Supply,UPS)能保证较高的电能质量,但是对于大功率等级的电压波动问题,应用在线式UPS显然是不够经济的,所以它并不适用于舰艇电力系统。
  动电压恢复器 (DVR,Dynamic Voltage Restorer,或称瞬态电压恢复器)可几个毫秒内实时的完成电网电压补偿,根据不同的暂降情况,补偿持续时间可从零点几秒到几秒不等。DVR的应用可经济、有效地提高舰船电力系统的电能质量,保证舰载装备的可靠工作,同时DVR也能适用于陆上电力系统(例如陆上消磁站等),因此具有广泛的推广应用前景。
  海军工程大学等一批军队院校科研单位已经对将这一技术应用于舰船综合电力系统做了大量的研究与试验,试验样机取得了较为令人满意的效果[5]。但是,要使动态电压恢复器工作于舰艇环境需要考虑的问题还非常繁多,例如电磁兼容问题、安全运行问题、装置体积问题以及抗腐蚀性问题等,这些都是下一步工程化需要重点研究的方面。
  [1] 许业清.实用无功功率补偿技术[M] .北京:中国科学技术大学出版社,1995:110-120.
  [2] David A.Sparks in Research, Development, and Application[J].IEEE Power Engineering Review,2000, 20(12):41-46.
  [3] 马伟明.舰船动力发展的新方向-综合电力系统[J].海军工程大学学报,2002,14(6):1-5.
  [4] 吴雷,夏立.舰船综合电力系统状态估计研究现状及展望[J].船电技术,2011,31(6):1-5.
  [5] 郭栋.动态电压恢复器的锁相与控制策略研究[D].合肥:合肥工业大学,2008.
  作者简介:
  师维(1988-),男,海军装备部,助理工程师,硕士研究生,研究方向为电能智能化控制

文秘写作 期刊发表