基于MMC的船舶中壓直流電力系統(tǒng)控制策略的研究

廖 鵬，戴瑜興，畢大強(qiáng)

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基于MMC的船舶中壓直流電力系統(tǒng)控制策略的研究

廖 鵬1，戴瑜興1，畢大強(qiáng)2

（1. 溫州大學(xué)電氣數(shù)字化設(shè)計技術(shù)浙江省工程實驗室，浙江溫州 325035；2. 清華大學(xué)電機(jī)系電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 100084）

針對全橋模塊化多電平換流器在船舶中壓直流（Medium voltage DC, MVDC）電力系統(tǒng)中缺乏系統(tǒng)級的建模與控制問題，本文搭建了基于MMC的船舶MVDC電力系統(tǒng)模型，說明了該系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)與運(yùn)行原理，提出了電壓與無功外環(huán)，電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，進(jìn)一步驗證了該系統(tǒng)發(fā)生直流側(cè)短路故障時的故障限流能力，最后采用直流電壓下垂控制并網(wǎng)方案，實現(xiàn)了雙機(jī)有效的并聯(lián)運(yùn)行。通過Matlab/Simulink的仿真分析，表明該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)特性和動態(tài)性能。

模塊化多電平換流器 中壓直流 雙閉環(huán)控制 直流電壓下垂控制

0 引言

船舶綜合電力系統(tǒng)將電力系統(tǒng)與推進(jìn)系統(tǒng)相結(jié)合，提高了系統(tǒng)效率，顯著地節(jié)省了燃料，是船舶動力發(fā)展的新方向[1]。2007年，美國海軍提出了下一代綜合電力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展路線圖，其中分為三個階段技術(shù)：中壓交流（Medium voltage AC, MVAC）、高頻交流（High frequency AC, HFAC）、中壓直流（Medium voltage DC, MVDC）[2]。

傳統(tǒng)的大型船舶采用交流供電，從發(fā)電機(jī)到負(fù)載之間，存在著大量的轉(zhuǎn)化級，變壓器和濾波裝置的需求也隨之增大，因此增加了系統(tǒng)功率的損耗、體積和重量，降低了系統(tǒng)的功率密度。此外，交流系統(tǒng)中存在著發(fā)電機(jī)并聯(lián)困難，系統(tǒng)線路壓降大等問題。

MVDC電力系統(tǒng)中，通過直流母線提供總負(fù)載需求，去除大量的轉(zhuǎn)化級，提高系統(tǒng)功率密度，節(jié)省了更多的空間，多出的空間可用于承載更多的載荷（例如商船上的貨物、游輪上的艙室和海軍艦船中的武器）。在發(fā)電機(jī)并聯(lián)方面，不需要考慮相角和頻率的同步問題，調(diào)速性能、容量、頻率差異大的不同類型發(fā)電機(jī)組容易并聯(lián)運(yùn)行，并且消除了原動機(jī)轉(zhuǎn)速和母線頻率之間的相互影響[3]。

雖然MVDC電力系統(tǒng)具有許多的優(yōu)勢，但也面臨著一些挑戰(zhàn)，其中主要方面就是直流系統(tǒng)短路電流不存在自然過零點，斷路器分?jǐn)嗬щy。在短路故障處理方面，直流斷路器的制造工藝尚不成熟，電流開斷能力還需提高，而交流斷路器為機(jī)械開關(guān)，故障響應(yīng)時間慢，所以借助換流器自身限制故障的方法成為首選。

在綜合電力系統(tǒng)中，整流器的選擇有如下幾種：多脈波二極管整流器、相控晶閘管整流器、PWM整流器、MMC整流器，二極管整流器不提供控制，也沒有能力控制故障。晶閘管整流器可以減輕直流短路故障，但它會引起交流側(cè)和直流側(cè)大量諧波。PWM整流器不存在橋臂限流電感，而且不能輸出反向的電容電壓以限制直流短路故障，故障限制通常由交流斷路器斷開交流側(cè)系統(tǒng)來實現(xiàn)。在MVDC系統(tǒng)中，MMC整流器提供了其他整流器無法提供的好處，例如：模塊化、電壓的可伸縮性和減少了濾波工作量。此外，還具有獨(dú)立的有功和無功率控制、直流電壓控制、電容電壓調(diào)節(jié)，能夠保證直流母線高度穩(wěn)定。其中全橋型模塊化多電平換流器（Full bridge modular multi-level converter，F(xiàn)-MMC）具有四象限運(yùn)行能力，靈活性高，在故障處理方面，通過反向電容電壓的輸出能夠迅速限制短路故障，十分適合在MVDC系統(tǒng)中應(yīng)用。

F-MMC在船舶MVDC系統(tǒng)已經(jīng)有了一些研究，文獻(xiàn)[5]提出一種F-MMC的故障電流控制方案，該方案能夠?qū)崿F(xiàn)在發(fā)生故障時快速限制故障電流，并在故障隔離后迅速恢復(fù)系統(tǒng)。文獻(xiàn)[6]設(shè)計了閉環(huán)控制器硬件在環(huán)實驗裝置，驗證了在負(fù)載階躍和電弧故障引起過流的情況下，F(xiàn)-MMC能夠限制故障電流。文獻(xiàn)[7]首先給出了一種F-MMC變換器運(yùn)行的控制方法，用于控制固定交流源的降壓和升壓模式下直流寬輸出電壓，并介紹了在故障時，F(xiàn)-MMC為交流側(cè)電網(wǎng)提供無功支撐的控制方法。上述文獻(xiàn)都以理想交流電源作為交流源，缺乏F-MMC在船舶應(yīng)用中整體性的考慮。

綜上所述，目前F-MMC在船舶上的應(yīng)用大多是故障清除方面的研究，對于系統(tǒng)級的建模及其控制缺乏相應(yīng)的研究。針對此問題，本文在Matlab/Simulink中搭建基于F-MMC的船舶MVDC仿真平臺，在對系統(tǒng)框架及其原理的分析基礎(chǔ)上，首先提出了無功與直流電壓外環(huán)，電流內(nèi)環(huán)的控制策略，從突加負(fù)載說明該系統(tǒng)的穩(wěn)定性。然后，驗證了該系統(tǒng)在發(fā)生直流側(cè)短路時，能夠迅速限制故障，恢復(fù)系統(tǒng)。最后，運(yùn)用直流電壓下垂方案，實現(xiàn)了雙機(jī)有效并聯(lián)運(yùn)行。

1 MVDC系統(tǒng)建模

1.1 MVDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文研究的MVDC系統(tǒng)采用經(jīng)典的輻射型電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)由原動機(jī)、發(fā)電機(jī)、MMC整流裝置以及直流負(fù)載構(gòu)成。發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，產(chǎn)生的三相交流電經(jīng)過MMC整流，在直流側(cè)并聯(lián)，為負(fù)載供電。

1.2 F-MMC結(jié)構(gòu)

圖1 F-MMC結(jié)構(gòu)

圖1為F-MMC結(jié)構(gòu)，MMC采用三相六臂結(jié)構(gòu)，橋臂由N個子模塊以及限流電感s橋臂電阻R級聯(lián)構(gòu)成，上下兩個橋臂構(gòu)成一個相單元。電感不僅能限制相間環(huán)流，而且能限制直流母線故障時電流上升率。io表示MMC交流輸出電壓，ip表示上橋臂電壓，in表示下橋臂電壓，ip表示上橋臂電流，in表示下橋臂電壓，=,,；dc為直流母線電壓。

T1~T4為MMC單個子模塊中的開關(guān)器件，c為電容電壓。子模塊包括4種工作作態(tài)：輸出+c，-c，0和閉鎖狀態(tài)。系統(tǒng)正常運(yùn)行下，子模塊的-c輸出不是必須的，因此全橋子模塊可以保持T2關(guān)斷和T4開通，改變T1和T3的導(dǎo)通狀態(tài)就能實現(xiàn)+c，0的輸出，避免開關(guān)反復(fù)切換，減少開關(guān)損耗。

1.3 數(shù)學(xué)模型

對圖1中A相交流電流a分析得到：

對A相上下橋臂分別應(yīng)用基爾霍夫電壓定律，可得：

將式（2）與式（3）相加再除以2可得：

將式（6）表示為三相形式，得到MMC的時域數(shù)學(xué)模型：

將式（6）進(jìn)行dq坐標(biāo)變化，再通過拉普拉斯變化，可得MMC頻域數(shù)學(xué)模型[9]：

1.4 控制策略

電壓源換流器的控制策略主要分為間接電流控制和直接電流控制兩種。間接電流控制簡單，無需電流反饋控制，但電流動態(tài)響應(yīng)速度慢，受系統(tǒng)參數(shù)影響較大。從發(fā)展的趨勢來看，目前主要運(yùn)用直接電流控制，而其中基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（坐標(biāo)系）矢量控制技術(shù)，利用坐標(biāo)變化，將三相交流量轉(zhuǎn)化為兩相直流量，從而簡化了數(shù)學(xué)模型，適合于MMC的控制。

1.4.1內(nèi)環(huán)控制器

在MMC數(shù)學(xué)模型分析的基礎(chǔ)上，引入PI控制得到圖2所示MMC內(nèi)環(huán)控制器。

圖2 MMC內(nèi)環(huán)控制器

該控制器用于實現(xiàn)調(diào)制電壓*abc的控制，輸出的調(diào)制電壓與三角移相載波比較得到各個全橋子模塊的開關(guān)信號。block為故障檢測信號，當(dāng)檢測到故障時，檢測信號至0和開關(guān)信號相與，實施閉鎖，限制故障。

1.4.2外環(huán)控制器

本文研究船舶MVDC電力系統(tǒng)由2臺發(fā)電機(jī)組構(gòu)成，存在著功率分配問題。

在交流電力系統(tǒng)中，電壓調(diào)節(jié)是由發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)控制的，負(fù)荷分擔(dān)是通過原動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化來控制的，然而，在MVDC電力系統(tǒng)中，直流調(diào)壓和負(fù)荷分擔(dān)都由MMC來實現(xiàn)，MMC控制器既能調(diào)節(jié)直流電壓，又能使功率合理分配，從而簡化了控制程序，提高了分配精度。雖然發(fā)電機(jī)組各參數(shù)是相同的，但在實踐中很難得到相同的下垂特性。因此，需要在MMC中設(shè)置不同下垂系數(shù)。在無功功率與直流電壓外環(huán)基礎(chǔ)上結(jié)合直流電壓下垂控制得到MMC外環(huán)控制器。

圖3 MMC外環(huán)控制器

圖3為MMC外環(huán)控制器，U為直流電壓，直流電流I與下垂系統(tǒng)相乘作為直流電壓的參考值U*dc，兩者比較后經(jīng)過PI得到內(nèi)環(huán)d軸參考電流i。無功功率由交流電壓v和交流電流i計算得到，與無功功率參考值Q*比較后經(jīng)過PI得到內(nèi)環(huán)q軸參考電流q_ref，加入限幅，防止橋臂電流超過IGBT的容量而造成其過電流損壞。

2 仿真與分析

2.1 單機(jī)仿真分析

通過對上述MVDC系統(tǒng)的分析，在Matlab/Simulink中搭建基于MMC的MVDC系統(tǒng)仿真平臺。發(fā)電機(jī)組采用額定功率為4 WM柴油機(jī)模型和可控相復(fù)勵無刷交流勵磁系統(tǒng)[10]。各仿真參數(shù)如下：有功功率n=4 MW，交流線電壓s=1.4 kV，直流母線電壓dc=2 kV，橋臂子模塊=2，電容電壓c=1 kV，子模塊電容=0.08 F，橋臂電感s=10 uH，交流側(cè)電感0=1 mH。

為驗證模型的動態(tài)特性，對MVDC系統(tǒng)在不同的負(fù)載下的性能進(jìn)行分析，系統(tǒng)突加負(fù)載仿真結(jié)果如圖4所示。初始時候，連接功率為1 WM的負(fù)載啟動；在3 s時候，突加功率為1 WM的負(fù)載；在5 s時候，再突加功率為1 WM負(fù)載。

圖4前3秒所示波形為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的電流電壓，可以得到該系統(tǒng)在1.2 s達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定后電壓上下起伏10 V左右，交流側(cè)的電壓電流為標(biāo)準(zhǔn)正弦波，THD值分別為1.3%與1.16%，結(jié)果驗證了系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行滿足《1kV-35kV船舶中壓電力系統(tǒng)》的要求[11]。

圖4 系統(tǒng)突加負(fù)載電流電壓

3 s負(fù)載突變時，直流電壓波動小于6.25%，5s負(fù)載突變時，直流電壓波動小于6.6%，直流側(cè)電流與電壓兩者經(jīng)過1 s都能達(dá)到穩(wěn)定，波動較小，穩(wěn)定性強(qiáng)。

2.2 直流側(cè)短路故障仿真分析

MVDC電力系統(tǒng)的另一個重要方面是其容錯特性，本文以直流側(cè)短路故障為例，說明所搭模型的故障限流能力。系統(tǒng)故障穿越如圖5所示，假設(shè)在0.5 s發(fā)生直流側(cè)短路故障，持續(xù)0.1 s。故障開始瞬間直流電壓跌落至零，MMC延遲100 us檢測到故障，實施MMC閉鎖，閉鎖后直流電流經(jīng)過700 us至零，故障得到限制。MMC在0.7 s解鎖，系統(tǒng)恢復(fù)，完成故障穿越。

圖5 系統(tǒng)故障穿越電壓

2.3 雙機(jī)并聯(lián)仿真分析

進(jìn)一步以2.1節(jié)建模的發(fā)電機(jī)為例，研究兩臺并聯(lián)運(yùn)行情況，其中一臺發(fā)電機(jī)帶1 WM的負(fù)載啟動運(yùn)行，另一臺空載運(yùn)行，設(shè)置待并機(jī)與電網(wǎng)之間的電壓差小于額定電壓的10%作為并網(wǎng)條件，2秒發(fā)出并車指令，觀察電網(wǎng)變化情況。

圖6為雙機(jī)并聯(lián)直流電流變化情況，從圖中可以看出，先在網(wǎng)運(yùn)行的MMC直流電流2 s內(nèi)從500 A降至250 A，而后并網(wǎng)運(yùn)行的直流電流從0升至250 A，而直流電壓下垂控制中電壓變化量較小，基本穩(wěn)定在額定值附近，所以認(rèn)為功率在兩臺MMC之間得到均分。

圖6 雙機(jī)并聯(lián)電流

3 結(jié)論

本文在Matlab/Simulink中搭建了基于MMC的船舶MVDC電力系統(tǒng)仿真實驗平臺，并模擬了穩(wěn)態(tài)、突加負(fù)載、故障、并聯(lián)等工況，其穩(wěn)態(tài)與動態(tài)工況的仿真結(jié)果符合船舶MVDC電力設(shè)計要求，進(jìn)一步驗證了系統(tǒng)在發(fā)生短路故障時具有良好的容錯特性，最后實現(xiàn)了雙機(jī)有效的并聯(lián)運(yùn)行，增加了系統(tǒng)的帶載能力，各仿真結(jié)果為MMC在船舶MVDC電力系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了參考。

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Research on the Control Strategy of Marine Medium Voltage DC Power System MMC Based

Liao Peng1, Dai Yuxing1, Bi Daqiang2

(1. Engineering Laboratory of Electrical Digital Design Technology of Zhejiang Province, Wenzhou University, Wenzhou 325035, China; 2. State Key Laboratory of Power Systems, Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

U665.1

A

1003-4862（2019）07-0054-04

2019-01-14

廖鵬（1993-），男，碩士研究生。研究方向：電力電子與微電網(wǎng)技術(shù)。E-mail: 532346087@qq.com