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開關電源在現代船舶上的應用分析

供稿:深圳市中電華星電子技術有限公司 2017/4/14 18:04:19

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  • 關鍵詞: 開關電源 船舶
  • 摘要:由於不可再生能源如石油資源的日益消耗以及改善生態環境的迫切性,節能減排成為熱門的世界議題。各大航運企業紛紛加大關注和投入的力度,考慮如何節約現有能源和開發利用新的能源。太陽能和風能等典型新能源便成為了船舶行業的目標能源,很多學者和相關研究機構都在探討典型新能源在船舶中的利用狀況以及如何更好地在船舶上利用新能源。然而,在太陽能和風能等典型新能源的應用上都會遇到一個瓶頸問題,那就是電源變換問題。據國內知名電源供應商中電華星的研究,開關電源技術的應用成為了解決這一問題的最有效途徑。

1 引言

由於不可再生能源如石油資源的日益消耗以及改善生態環境的迫切性,節能減排成為熱門的世界議題。各大航運企業紛紛加大關注和投入的力度,考慮如何節約現有能源和開發利用新的能源。太陽能和風能等典型新能源便成為了船舶行業的目標能源,很多學者和相關研究機構都在探討典型新能源在船舶中的利用狀況以及如何更好地在船舶上利用新能源。然而,在太陽能和風能等典型新能源的應用上都會遇到一個瓶頸問題,那就是電源變換問題。據國內知名電源供應商中電華星的研究,開關電源技術的應用成為了解決這一問題的最有效途徑。

2 開關電源技術應用於船舶的背景

隨着經濟的高速發展,各種能源消耗都十分嚴重,並對環境產生了嚴重的污染。石油、煤炭、天然氣等不可再生能源日益枯竭,這些燃料的大量應用不僅帶來了嚴重的環境問題,同時也帶來了日益緊張的政治問題,各國對石油等能源的爭奪也在悄無聲息地進行。因此,尋找清潔可持續利用的能源已成為發展的必經之路,針對航運這一關乎國家經濟發展的重要行業,以消耗清潔能源來代替不可再生能源可以產生重大的經濟效益和社會效益。在眾多的清潔能源中,隨着太陽能光伏發電技術和風能利用技術的不斷髮展和日益完善,將會越來越多地應用於船舶。中電華星作為國內最大的電源模塊供應商,應用案例相當豐富。

在應用到具體的直流負載系統的過程中,由於負載種類多,功率級別和電壓級別都有所不同,不可避免地遇到了直流變壓問題。現在電力電子技術普遍使用開關電源進行電源變換和功率變換,為後級的應用提供了可能。

據國內知名電源供應商中電華星介紹,開關電源將一個固定的直流電壓變換為固定或可變的直流電壓,這種技術被廣泛應用於無軌電車、地鐵、電力推進船舶等,可使上述控制具有加速平穩、快速響應的性能,並同時收到節約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節約20%~30%的電能,直流斬波器不僅能起到調壓的作用(開關電源),還能起到有效抑制電網側諧波電流噪聲的作用。

電力電子技術以利用半導體開關的開閉來控制能量流動為基礎,並在原理上把無損失地進行電力控制作為理想狀況。在這個意義上,電力電子技術可以認為是解決直流電應用的關鍵技術之一。中電華星的電源專業工程師就以電力電子技術先進領域之一的開關電源變換技術為中心,介紹其應用情況和發展方向。

3 新能源在船舶上的應用形式

作為一個全球性的研究課題,航運業的節能減排技術已經引起了國際社會的高度重視。針對節能減排技術領域的研究、開發和利用,各國在給予政策扶持的同時,更投入了大量的人力、物力和財力以期能着實有效地實現節能減排這一根本性的目標。隨着科學技術的不斷進步,以風能、太陽能、潮汐能等為典型代表的新能源在節能減排方面所具有的獨特優勢和所能產生的效益已經越來越顯著,其在船舶交通運輸行業的應用和推廣已呈潮湧之勢。

3.1 風能的應用

源於地球表面大量空氣流動所產生的動能——風能,是一種無污染且無限可再生資源。人類對風能的利用歷史可以追述到公元前,隨着科學技術水平的不斷進步,工業社會對於風能的利用有着豐富的經驗,配套產業和基礎設施也較為成熟。但是,風能利用存在着間歇性、噪音大、受地形影響和干擾雷達信號等難以徹底消除的缺點。當前,風能在船舶上的應用形式偏重於作為航行的主動力或輔助動力,而且只在少數船舶上應用風力發電技術。

3.2 太陽能的應用

太陽能的利用主要有兩個方面的技術,即光熱技術和光伏技術。光熱技術是利用太陽光的熱輻射,其應用最為成功的領域是太陽能熱水器。該項技術的進一步延伸是太陽能熱發電,即利用集熱器把太陽輻射熱能集中起來給水加熱產生蒸汽,再通過汽輪機、發電機來發電。考慮到船舶運行過程中對於熱水的需求量不大,進行熱電轉換在有限的船舶空間內難以實施,故而光熱利用的可行性不是很高。但是,應用光熱技術代替常用的蒸汽盤管和電加熱盤管對船舶所使用的重油進行預加熱,是一個值得關注的方向。光伏技術是對太陽光中的短波輻射能照射於硅質半導體上所產生的電能進行調製後加以利用,亦稱為光生伏打效應。隨着太陽能光伏技術的不斷深入發展,其效率、可靠性和穩定性均有了很大的提升,因而從最初的單純技術研究逐漸轉向實際應用領域。太陽能光伏發電應用於船舶是目前綠色船舶發展的一個重要方向。

太陽能在船舶上的應用主要藉助於太陽能光伏發電技術把不可用的太陽能轉換為電能供船舶應用。光伏發電的技術核心是通過蓄電池充放電控制、最大功率點跟蹤控制和逆變器控制來提高發電的效率和品質。光伏發電系統分為獨立系統和併網系統,在獨立光伏發電系統中必須配置蓄電池儲存電能,加入蓄電池後就必須加入充放電控制,以提高蓄電池壽命和光伏發電系統的效率;併網光伏發電系統是將光伏陣列輸出的直流電轉化成交流電併入電網,對其而言,控制的關鍵是實現光伏陣列的最大功率點跟蹤的同時,還要控制併網逆變器向電網輸出與電網電壓同頻、同相的正弦交流電。在併網光伏發電系統中,由於電網接納了光伏陣列發出的全部電能,從而省略了蓄電池,這樣既降低了成本又增加了系統的可靠性,所以併網光伏發電是以後的發展趨勢。併網光伏發電系統一般用兩級式變換結構,其優點在於前級DC/DC和後級DC/AC兩個環節可以分開單獨設計,控制電路易於實現。前級DC/DC環節用於實現光伏陣列的最大功率點跟蹤,後級DC/AC環節用於實現逆變併網。

4 開關電源變換技術在船舶上的應用類型

太陽能電池是利用半導體效應制成的,可將太陽輻射能轉換成電能。將若干個這種電池器件封裝成光伏太陽能電池組件,再根據實際需要將若干個組件組合成光伏陣列,並與儲能、控制等裝置進行配套,組成光伏發電系統。一套基本的船用太陽能光伏系統由太陽能電池板、控制器、開關電源變換裝置和蓄電池等構成。

根據不同場合電氣設備負荷需求和成本控制的實際情況,太陽能光伏發電系統一般分為獨立供電的光伏發電系統、併網發電系統、混合型光伏發電系統三種。

4.1 獨立供電系統

太陽能電池板是獨立供電系統的核心部分,而開關電源變換技術則起到了橋樑作用,將太陽能電池板所發出的零星直流電能直接轉換為滯留形式的電能,儲存在電池當中。根據負載的需要,系統一般選用鉛酸蓄電池作為儲能環節,當發電量大於負載時,太陽能電池通過充電器對蓄電池充電;當發電量不足時,太陽能電池和蓄電池同時對負載供電。獨立供電系統框圖,如圖l所示。

4.2 併網發電系統

目前常用的併網發電系統具有兩種結構形式。帶有蓄電池儲能環節的成為可發電系統;不帶有蓄電池環節的成為不可調度式併網發電系統。併網發電系統框圖,如圖2所示。

4.3 混合型發電系統

混合型發電系統是指光伏電能與其他形式來源的電能進行混合調度使用,不存在併網關係。其區別於以上兩個系統之處是該系統增加了一台備用發電機組,當光伏陣列發電不足或蓄電池儲備量不足時,可以啓動備用發電機組,既可以直接給交流負載供電,又可以經整流器後給蓄電池充電。混合型發電系統框圖,如圖3所示。

5 開關電源的應用優勢

電子產業的迅速發展極大地推動了開關電源的發展。高頻小型化的開關電源及其技術已成為現代電子設備供電系統的主流。在電子設備領域中,通常將整流器稱為一次電源,而將DC/DC變換器稱為二次電源。目前,在電子設備中用的一次電源,傳統的相控式穩壓電源己被高頻開關電源取代,高頻開關電源(也稱為開關型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT 實現高頻工作,開關頻率一般控制在20kHz~100kHz範圍內,實現高效率和小型化。近幾年,開關整流器的功率容量不斷擴大,單機容量己從48V/12.5A、48V/20A 擴大到48V/200A、48v/400A,甚至是更高的電壓功率範圍。

由於電子設備中所用的集成電路的種類繁多,其電源電壓也各不相同,在電子供電系統中,採用高功率密度的高頻DC/DC隔離電源模塊,從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓,可以大大減小損耗、方便維護,且安裝和增容非常方便。一般都可直接裝在標準控制板上,對二次電源的要求是高功率密度。因為電子設備容量的不斷增加,其電源容量也將不斷增加。

6 船用開關電源的發展趨勢

開關電源技術在21世紀發展受兩大趨勢支配,一是環境問題,另一個是信息和通信技術的發展。不僅要推進計算機、電視機等電子儀器以及空調、汽車等所有設備的節能化,而且還應對環境問題直接產生影響的太陽能發電、風力發電、燃料電池等新能源的利用進行研究。在21世紀,太陽能發電、風力發電、燃料電池等新能源已進入第4代即智能化時代,這些變化都將驅使開關電源變換技術進行新的理論創新和發展變化,開關電源將向高性能化、智能化、模塊化、高頻化等方向發展。

6.1 高性能化

高性能化主要包括低損耗、高速度和高可靠性這三個方面。預計在21世紀IGBT、智能化功率模塊(IPM)等器件的導通電壓可降到1V 以下,而MOSFET、IBGT、MCT等器件的應用頻率將達到兆赫數量級。

6.2 智能化

智能化的發展是系統智能集成(ASIPM),即將電源電路、各種保護以及PWM 控制電路等都集成在一個芯片上,製成一個完整的功率變換器IC。集成電力電子模塊(IPEM)是將控制、驅動、自動保護、自診斷功能的IC與電力電子器件集成在一個模塊中。由於不同的元器件、電路、集成電路的封裝或相互連接產生的寄生參數已成為決定電力電子系統性能的關鍵,所以採用IPEM 方法可減少設計工作量,便於生產自動化,提高系統質量、可靠性和可維護性,縮短設計週期,降低產品成本。

6.3 模塊化

模塊化有兩方面的含義,其一是指功率器件的模塊化,其二是指單元的模塊化。常見的功率器件模塊包括開關器件和與之串並聯的續流二極管,實質上都屬於“標準”功率模塊(SPM)。近年來,有些公司如深圳中電華星把開關器件的驅動保護電路也裝到功率模塊中構成IPM,不但縮小了整機的體積,而且更加方便了整機的設計與製造。實際上,由於頻率不斷提高,致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重,對器件造成更大的電應力,具體表現為過電壓、過電流毛刺。為了提高系統的可靠性,有些製造商開發了“用户專用”功率模塊(ASPM),它把一台整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中,使元器件之間不再有傳統的引線連接,這樣的模塊經過嚴格、合理的熱、電、機械等方面的設計,產品性能優良。這種模塊類似於微電子電路中的用户專用集成電路(ASIC),即只要把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯片,再把整個模塊固定在相應的散熱器上,就構成一台新型的開關電源裝置。由此可見,模塊化的目的不僅在於使用方便,而是縮小整機體積,更重要的是取消了傳統連線,把寄生參數值降到最小,從而把器件承受的電應力降至最低,提高了系統的可靠性。另外,大功率的開關電源,由於器件容量的限制和冗餘度的增加,從提高可靠性方面考慮,一般採用多個獨立的模塊單元並聯工作,採用適當的均流技術,所有模塊共同分擔負載電流,一旦其中某個模塊失效,其他模塊再平均分擔負載電流。這樣,不但提高了功率容量,在有限的器件容量情況下可滿足大電流輸出的要求,而且通過增加相對於整個系統來説功率很小的冗餘電源模塊,極大地提高了系統的可靠性,即使萬一出現單個模塊故障,也不會影響系統的正常工作,而且可提供充分的時間進行修復。

6.4 高頻化

理論分析和實踐經驗表明,電氣產品的變壓器、電感器、電容器的體積和重量與供電頻率的平方根成反比。所以,當我們把頻率從工頻50Hz提高400倍至20kHz時,則電氣設備的體積和重量大體下降至工頻設計的5%~10%。無論是逆變式整流焊機,還是通信電源用的開關式整流器,都是基於這一原理。同樣,傳統“整流行業”的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合閘用等各種直流電源也可以根據這一原理進行改造,成為“開關變換類電源”,可節約主要材料90%以上,還可節電30%以上。由於功率器件工作頻率上限的逐步提高,促使許多原來採用電子管的傳統高頻設備固態化,而因其可節能、節水、節約材料能夠帶來相當可觀的經濟效益,更可體現技術含量的價值。

7 潛在的應用前景

在電力電子技術及各種電源系統中,開關電源技術處於核心地位。對於大型直流船用設備,傳統的電路非常龐大而笨重,如果採用高頻開關電源技術,其體積和重量都會大幅度下降,並可極大地提高電源的利用效率、節省材料、降低成本。另一方面,面對石化能源日趨枯竭、排放污染日益加劇的形勢,世界各國加強了環保措施,並配套政策促進太陽能新材料、新技術的研發和應用。可以預見,DC/DC電壓變換器在船舶動力裝置中的應用會越來越多,並朝着優化船舶電站配置和分配用電,利用太陽能驅動主機、輔助機械及其他設備,將高效率、低電壓、大功率、直流無刷永磁電機與船槳最佳配合等方向發展。

8 結論

總之,電力電子及開關電源技術將會隨應用需求而不斷向前發展,新技術的出現又會使許多應用產品更新換代,還會開拓更多更新的應用領域。開關電源高頻化、模塊化等的實現,標誌着這些技術的日趨成熟,真正實現高效率用電和高品質用電相結合。據國內知名電源供應商中電華星相關人員介紹,這幾年,隨着IC技術的發展,以開關電源技術為核心的船用電子設備使用開關電源,僅國內就有20多億人民幣的市場需求,吸引了國內外一大批科技人員對其進行開發研究。開關電源代替線性電源和相控電源已是大勢所趨,因此,同樣具有幾十億市場需求的電力操作電源系統的國內市場正在啓動,並將很快發展起來,另外,還有其他許多以開關電源技術為核心的專用電源、工業電源正在等待着人們去開發。更多電源解決方案,請諮詢中電華星。

審核編輯(王靜)
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