2024年1月9日

开关电源在现代船舶上的应用分析

作者 admin

1 引言

由于不可再生能源如石油资源的日益消耗以及改善生态环境的迫切性,节能减排成为热门的世界议题。各大航运企业纷纷加大关注和投入的力度,考虑如何节约现有能源和开发利用新的能源。太阳能和风能等典型新能源便成为了船舶行业的目标能源,很多学者和相关研究机构都在探讨典型新能源在船舶中的利用状况以及如何更好地在船舶上利用新能源。然而,在太阳能和风能等典型新能源的应用上都会遇到一个瓶颈问题,那就是电源变换问题。据国内知名电源供应商中电华星的研究,开关电源技术的应用成为了解决这一问题的最有效途径。

2 开关电源技术应用于船舶的背景

随着经济的高速发展,各种能源消耗都十分严重,并对环境产生了严重的污染。石油、煤炭、天然气等不可再生能源日益枯竭,这些燃料的大量应用不仅带来了严重的环境问题,同时也带来了日益紧张的问题,各国对石油等能源的争夺也在悄无声息地进行。因此,寻找清洁可持续利用的能源已成为发展的必经之路,针对航运这一关乎国家经济发展的重要行业,以消耗清洁能源来代替不可再生能源可以产生重大的经济效益和社会效益。在众多的清洁能源中,随着太阳能光伏发电技术和风能利用技术的不断发展和日益完善,将会越来越多地应用于船舶。中电华星作为国内最大的电源模块供应商,应用案例相当丰富。

在应用到具体的直流负载系统的过程中,由于负载种类多,功率级别和电压级别都有所不同,不可避免地遇到了直流变压问题。现在电力电子技术普遍使用开关电源进行电源变换和功率变换,为后级的应用提供了可能。

据国内知名电源供应商中电华星介绍,开关电源将一个固定的直流电压变换为固定或可变的直流电压,这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁、电力推进船舶等,可使上述控制具有加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约20%~30%的电能,直流斩波器不仅能起到调压的作用(开关电源),还能起到有效抑制电网侧谐波电流噪声的作用。

电力电子技术以利用半导体开关的开闭来控制能量流动为基础,并在原理上把无损失地进行电力控制作为理想状况。在这个意义上,电力电子技术可以认为是解决直流电应用的关键技术之一。中电华星的电源专业工程师就以电力电子技术先进领域之一的开关电源变换技术为中心,介绍其应用情况和发展方向。

3 新能源在船舶上的应用形式

作为一个全球性的研究课题,航运业的节能减排技术已经引起了国际社会的高度重视。针对节能减排技术领域的研究、开发和利用,各国在给予政策扶持的同时,更投入了大量的人力、物力和财力以期能着实有效地实现节能减排这一根本性的目标。随着科学技术的不断进步,以风能、太阳能、潮汐能等为典型代表的新能源在节能减排方面所具有的独特优势和所能产生的效益已经越来越显著,其在船舶交通运输行业的应用和推广已呈潮涌之势。

3.1 风能的应用

源于地球表面大量空气流动所产生的动能——风能,是一种无污染且无限可再生资源。人类对风能的利用历史可以追述到公元前,随着科学技术水平的不断进步,工业社会对于风能的利用有着丰富的经验,配套产业和基础设施也较为成熟。但是,风能利用存在着间歇性、噪音大、受地形影响和干扰雷达信号等难以彻底消除的缺点。当前,风能在船舶上的应用形式偏重于作为航行的主动力或辅助动力,而且只在少数船舶上应用风力发电技术。

3.2 太阳能的应用

太阳能的利用主要有两个方面的技术,即光热技术和光伏技术。光热技术是利用太阳光的热辐射,其应用最为成功的领域是太阳能热水器。该项技术的进一步延伸是太阳能热发电,即利用集热器把太阳辐射热能集中起来给水加热产生蒸汽,再通过汽轮机、发电机来发电。考虑到船舶运行过程中对于热水的需求量不大,进行热电转换在有限的船舶空间内难以实施,故而光热利用的可行性不是很高。但是,应用光热技术代替常用的蒸汽盘管和电加热盘管对船舶所使用的重油进行预加热,是一个值得关注的方向。光伏技术是对太阳光中的短波辐射能照射于硅质半导体上所产生的电能进行调制后加以利用,亦称为光生伏打效应。随着太阳能光伏技术的不断深入发展,其效率、可靠性和稳定性均有了很大的提升,因而从最初的单纯技术研究逐渐转向实际应用领域。太阳能光伏发电应用于船舶是目前绿色船舶发展的一个重要方向。

太阳能在船舶上的应用主要借助于太阳能光伏发电技术把不可用的太阳能转换为电能供船舶应用。光伏发电的技术核心是通过蓄电池充放电控制、最大功率点跟踪控制和逆变器控制来提高发电的效率和品质。光伏发电系统分为独立系统和并网系统,在独立光伏发电系统中必须配置蓄电池储存电能,加入蓄电池后就必须加入充放电控制,以提高蓄电池寿命和光伏发电系统的效率;并网光伏发电系统是将光伏阵列输出的直流电转化成交流电并入电网,对其而言,控制的关键是实现光伏阵列的最大功率点跟踪的同时,还要控制并网逆变器向电网输出与电网电压同频、同相的正弦交流电。在并网光伏发电系统中,由于电网接纳了光伏阵列发出的全部电能,从而省略了蓄电池,这样既降低了成本又增加了系统的可靠性,所以并网光伏发电是以后的发展趋势。并网光伏发电系统一般用两级式变换结构,其优点在于前级DC/DC和后级DC/AC两个环节可以分开单独设计,控制电路易于实现。前级DC/DC环节用于实现光伏阵列的最大功率点跟踪,后级DC/AC环节用于实现逆变并网。

4 开关电源变换技术在船舶上的应用类型

太阳能电池是利用半导体效应制成的,可将太阳辐射能转换成电能。将若干个这种电池器件封装成光伏太阳能电池组件,再根据实际需要将若干个组件组合成光伏阵列,并与储能、控制等装置进行配套,组成光伏发电系统。一套基本的船用太阳能光伏系统由太阳能电池板、、开关电源变换装置和蓄电池等构成。

根据不同场合电气设备负荷需求和成本控制的实际情况,太阳能光伏发电系统一般分为独立供电的光伏发电系统、并网发电系统、混合型光伏发电系统三种。

4.1 独立供电系统

太阳能电池板是独立供电系统的核心部分,而开关电源变换技术则起到了桥梁作用,将太阳能电池板所发出的零星直流电能直接转换为滞留形式的电能,储存在电池当中。根据负载的需要,系统一般选用铅酸蓄电池作为储能环节,当发电量大于负载时,太阳能电池通过充电器对蓄电池充电;当发电量不足时,太阳能电池和蓄电池同时对负载供电。独立供电系统框图,如图l所示。

4.2 并网发电系统

目前常用的并网发电系统具有两种结构形式。带有蓄电池储能环节的成为可发电系统;不带有蓄电池环节的成为不可调度式并网发电系统。并网发电系统框图,如图2所示。

4.3 混合型发电系统

混合型发电系统是指光伏电能与其他形式来源的电能进行混合调度使用,不存在并网关系。其区别于以上两个系统之处是该系统增加了一台备用发电机组,当光伏阵列发电不足或蓄电池储备量不足时,可以启动备用发电机组,既可以直接给交流负载供电,又可以经整流器后给蓄电池充电。混合型发电系统框图,如图3所示。

5 开关电源的应用优势

电子产业的迅速发展极大地推动了开关电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代电子设备供电系统的主流。在电子设备领域中,通常将整流器称为一次电源,而将DC/DC变换器称为二次电源。目前,在电子设备中用的一次电源,传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代,高频开关电源(也称为开关型整流器SMR)通过MOSFET或IGBT 实现高频工作,开关频率一般控制在20kHz~100kHz范围内,实现高效率和小型化。近几年,开关整流器的功率容量不断扩大,单机容量己从48V/12.5A、48V/20A 扩大到48V/200A、48v/400A,甚至是更高的电压功率范围。

由于电子设备中所用的集成电路的种类繁多,其电源电压也各不相同,在电子供电系统中,采用高功率密度的高频DC/DC隔离电源模块,从中间母线电压(一般为48V直流)变换成所需的各种直流电压,可以大大减小损耗、方便维护,且安装和增容非常方便。一般都可直接装在标准控制板上,对二次电源的要求是高功率密度。因为电子设备容量的不断增加,其电源容量也将不断增加。

6 船用开关电源的发展趋势

开关电源技术在21世纪发展受两大趋势支配,一是环境问题,另一个是信息和通信技术的发展。不仅要推进计算机、电视机等电子仪器以及空调、汽车等所有设备的节能化,而且还应对环境问题直接产生影响的太阳能发电、风力发电、燃料电池等新能源的利用进行研究。在21世纪,太阳能发电、风力发电、燃料电池等新能源已进入第4代即智能化时代,这些变化都将驱使开关电源变换技术进行新的理论创新和发展变化,开关电源将向高性能化、智能化、模块化、高频化等方向发展。

6.1 高性能化

高性能化主要包括低损耗、高速度和高可靠性这三个方面。预计在21世纪IGBT、智能化功率模块(IPM)等器件的导通电压可降到1V 以下,而MOSFET、IBGT、MCT等器件的应用频率将达到兆赫数量级。

6.2 智能化

智能化的发展是系统智能集成(ASIPM),即将电源电路、各种保护以及PWM 控制电路等都集成在一个芯片上,制成一个完整的功率变换器IC。集成电力电子模块(IPEM)是将控制、驱动、自动保护、自诊断功能的IC与电力电子器件集成在一个模块中。由于不同的元器件、电路、集成电路的封装或相互连接产生的寄生参数已成为决定电力电子系统性能的关键,所以采用IPEM 方法可减少设计工作量,便于生产自动化,提高系统质量、可靠性和可维护性,缩短设计周期,降低产品成本。

6.3 模块化

模块化有两方面的含义,其一是指功率器件的模块化,其二是指单元的模块化。常见的功率器件模块包括开关器件和与之串并联的续流二极管,实质上都属于“标准”功率模块(SPM)。近年来,有些公司如深圳中电华星把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中构成IPM,不但缩小了整机的体积,而且更加方便了整机的设计与制造。实际上,由于频率不断提高,致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重,对器件造成更大的电应力,具体表现为过电压、过电流毛刺。为了提高系统的可靠性,有些制造商开发了“用户专用”功率模块(ASPM),它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中,使元器件之间不再有传统的引线连接,这样的模块经过严格、合理的热、电、机械等方面的设计,产品性能优良。这种模块类似于微电子电路中的用户专用集成电路(ASIC),即只要把控制软件写入该模块中的微处理器芯片,再把整个模块固定在相应的散热器上,就构成一台新型的开关电源装置。由此可见,模块化的目的不仅在于使用方便,而是缩小整机体积,更重要的是取消了传统连线,把寄生参数值降到最小,从而把器件承受的电应力降至最低,提高了系统的可靠性。另外,大功率的开关电源,由于器件容量的限制和冗余度的增加,从提高可靠性方面考虑,一般采用多个独立的模块单元并联工作,采用适当的均流技术,所有模块共同分担负载电流,一旦其中某个模块失效,其他模块再平均分担负载电流。这样,不但提高了功率容量,在有限的器件容量情况下可满足大电流输出的要求,而且通过增加相对于整个系统来说功率很小的冗余电源模块,极大地提高了系统的可靠性,即使万一出现单个模块故障,也不会影响系统的正常工作,而且可提供充分的时间进行修复。

6.4 高频化

理论分析和实践经验表明,电气产品的变压器、电感器、电容器的体积和重量与供电频率的平方根成反比。所以,当我们把频率从工频50Hz提高400倍至20kHz时,则电气设备的体积和重量大体下降至工频设计的5%~10%。无论是逆变式整流焊机,还是通信电源用的开关式整流器,都是基于这一原理。同样,传统“整流行业”的电镀、电解、电加工、充电、浮充电、电力合闸用等各种直流电源也可以根据这一原理进行改造,成为“开关变换类电源”,可节约主要材料90%以上,还可节电30%以上。由于功率器件工作频率上限的逐步提高,促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化,而因其可节能、节水、节约材料能够带来相当可观的经济效益,更可体现技术含量的价值。

7 潜在的应用前景

在电力电子技术及各种电源系统中,开关电源技术处于核心地位。对于大型直流船用设备,传统的电路非常庞大而笨重,如果采用高频开关电源技术,其体积和重量都会大幅度下降,并可极大地提高电源的利用效率、节省材料、降低成本。另一方面,面对石化能源日趋枯竭、排放污染日益加剧的形势,世界各国加强了环保措施,并配套政策促进太阳能新材料、新技术的研发和应用。可以预见,DC/DC电压变换器在船舶动力装置中的应用会越来越多,并朝着优化船舶电站配置和分配用电,利用太阳能驱动主机、辅助机械及其他设备,将高效率、低电压、大功率、直流无刷永磁电机与船桨最佳配合等方向发展。

8 结论

总之,电力电子及开关电源技术将会随应用需求而不断向前发展,新技术的出现又会使许多应用产品更新换代,还会开拓更多更新的应用领域。开关电源高频化、模块化等的实现,标志着这些技术的日趋成熟,真正实现高效率用电和高品质用电相结合。据国内知名电源供应商中电华星相关人员介绍,这几年,随着IC技术的发展,以开关电源技术为核心的船用电子设备使用开关电源,仅国内就有20多亿人民币的市场需求,吸引了国内外一大批科技人员对其进行开发研究。开关电源代替线性电源和相控电源已是大势所趋,因此,同样具有几十亿市场需求的电力操作电源系统的国内市场正在启动,并将很快发展起来,另外,还有其他许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源正在等待着人们去开发。更多电源解决方案,请咨询中电华星。