面向港口供電的模塊化多電平矩陣型電力電子變壓器

鄢寅宇，孫毅超，張金龍

（南京師范大學電氣與自動化工程學院，南京210023）

船舶靠港時大多采用燃油發(fā)電來滿足自身用電需求，然而受限于船舶自身條件，這種供電方式效率低下，且會造成嚴重的空氣污染[1]。研究表明，1艘大型輪船靠港1 h產(chǎn)生的空氣污染物是1輛機動車的十幾萬倍，因此推廣港口岸電技術十分迫切[2]。目前，在一些港口，可以通過岸上電網(wǎng)直接給同頻率同電壓等級的靠港船舶供電，但由于各個國家的用電頻率不盡相同，因此這種直接供電方式不能對所有的靠港船舶供電[3-4]。由于我國的氣候特性，沿海港口的年平均風速多介于5.5～8.0 m/s，具備發(fā)展海上風電的先天條件。在江蘇江陰港，已投運了7臺風力發(fā)電機，累計發(fā)電量達到了2 700萬度，每年可節(jié)約電費上百萬元[5]；在潼關港口，華潤新能源渭南潼關50 MW的港口風電也于2019年正式投入運行。在一些中小型港口，通過發(fā)展港口風電，可以實現(xiàn)港口風電站與岸上電網(wǎng)的2路電源供電，從而提高港口供電的可靠性[6]。目前，電力電子變壓器PET（power electronic transformer）技術的快速發(fā)展，進一步推動了港口風電的建設。

在中、短距離的海上風電并網(wǎng)中，與高壓交流輸電方式和高壓直流輸電方式相比，低頻交流LFAC（low frequency AC）輸電方式的經(jīng)濟性更好[7]。在LFAC輸電系統(tǒng)中，多采用模塊化多電平變換器MMC（modular multilevel converter）和模塊化多電平矩陣變換器M3C（modular multilevel matrix converter）進行頻率變換。MMC是一種AC-DC變換器，在進行頻率變換時，需要將其背靠背連接，從而實現(xiàn)電能的AC-DC-AC變換[8-10]；與背靠背連接的MMC變頻器相比，M3C具備直接頻率變換的能力，只需9個橋臂便能實現(xiàn)頻率的變換，因此經(jīng)濟性更好，更適用于LFAC輸電系統(tǒng)[11-15]。

由于M3C的頻率變換特性以及在LFAC輸電系統(tǒng)中良好的經(jīng)濟性，本文基于M3C結構提出了一種面向港口供電的PET拓撲（M3C-PET），該拓撲在實現(xiàn)海上風電廠并網(wǎng)的同時，兼具向港口供電的功能。與基于級聯(lián)H橋CHB（cascaded H-bridge）的PET拓撲（CHB-PET）、基于 MMC 的 PET 拓撲（MMC-PET）和基于中點箝位NPC（neutral point clamped）的拓撲（NPC-PET）不同[10]，本文提出的 M3C-PET 在高壓交流側含有2個端口，可分別連接2個不同頻率的高壓交流電網(wǎng)，從而實現(xiàn)海上風電的并網(wǎng)。此外，M3C-PET還具備低壓直流端口和低壓交流端口，能夠實現(xiàn)對港口不同類型的負載供電。本文對提出的M3C-PET結構進行了詳細描述，并通過建立和分析M3C-PET的數(shù)學模型給出了相應的控制方法，實現(xiàn)了M3C-PET同時完成海上風電并網(wǎng)和向港口供電的功能，Matlab/Simulink仿真驗證了所提M3C-PET及其控制方法的正確性和有效性。

1 M3C-PET的拓撲結構

M3C-PET的拓撲結構如圖1所示，包含輸入級、中間級和輸出級3個部分，其中輸入級是1個3×3型的M3C，中間級由多個雙有源橋DAB（dual active bridge）構成，輸出級則是1個三相四橋臂逆變器，本章將對M3C-PET的各級單元進行詳細描述。

1.1 輸入級拓撲結構

如圖1所示，輸入級連接了海上風電廠與岸上電網(wǎng)，圖中海上風電廠與岸上電網(wǎng)的電壓和電流被記為 ux、uy和 ix、iy（x=A,B,C，y=a,b,c）。在輸入級 M3C的兩側，串聯(lián)了電感，分別被記為Li和Lo。M3C由9個結構完全相同的橋臂構成，圖 1 中，Aa，Ba，Ca…表示的是輸入級M3C的橋臂和中間級DAB的混合結構，每個橋臂的具體電路如圖1下半部分所示，它由n個子模塊和橋臂電感L串聯(lián)構成，子模塊則是由4個絕緣柵雙極型晶體管IGBT（insulated gate bipolar transistor）/二極管組和1個支撐電容構成的H橋電路。在本文提到的面向港口供電的應用場景中，對于港口用電設備而言，無論是海上風電廠還是岸上電網(wǎng)均可視為供電電源，因此將輸入級M3C連接的海上風電廠定義為輸入端口1，連接的岸上電網(wǎng)定義為輸入端口2。

由M3C的對稱性，得到橋臂電流ixy與輸入端口1電流ix和輸入端口2電流iy的關系為

在求得橋臂電流之后，可算出輸入級M3C每個橋臂的電壓uxy，即

1.2 中間級拓撲結構

中間級采用的是DAB式DC-DC變換器，變換器中含有1個變壓器，能夠實現(xiàn)電氣隔離。同時，由于DAB的工作頻率高，變換器的體積小，具有較高的功率密度[16]。圖1給出了中間級的詳細結構，由9n個DAB組成，每個DAB并聯(lián)接在輸入級M3C子模塊電容之后，中間級的輸出則是將這9n個DAB單元的輸出并聯(lián)，形成了1個低壓直流端口。由圖1可知，構成中間級的DAB的電路結構完全對稱，變壓器兩側連接的均是由IGBT/二極管組構成的H橋電路，前后級H橋在高頻變壓器側均能產(chǎn)生方波電壓，從而在高頻隔離變壓器漏感上產(chǎn)生相應的電流，實現(xiàn)能量的雙向傳遞。

1.3 輸出級拓撲結構

M3C-PET的輸出級是1個三相四橋臂逆變電路，該結構在三相平衡負載、不平衡負載以及非線性負載的情況下均能適用，解決了三相三線制逆變器帶不平衡負載情況下輸出三相不平衡電壓的問題。輸出級接在中間級的直流輸出端后，具體電路結構如圖1所示。輸出級將中間級得到的低壓直流電轉換為與用電設備同頻的三相交流電，從而實現(xiàn)對港口交流負載和靠港船舶的供電。

由上述分析可知，本文提出的PET是基于M3C結構的拓展應用，具備了M3C直接頻率變換的功能，同時也具有能量雙向流動的能力。該PET含有多個不同類型的端口，可應用在不同場合，此外，其結構可拓展性好，通過適當?shù)卦鰷p橋臂中子模塊的數(shù)目，可適應不同的電壓等級。當M3C-PET應用于海上風電并網(wǎng)和港口供電的場合時，該拓撲能夠根據(jù)海上風電廠發(fā)出與港口接收電能的匹配關系，分別運行在海上風電廠與岸上電網(wǎng)同時給港口供電、海上風電廠單獨給港口供電以及海上風電廠單獨給港口供電并將多余的電能輸送到岸上電網(wǎng)的多種工作模式。

2 M3C-PET的控制方法

由于M3C-PET在實現(xiàn)海上風電廠并網(wǎng)的同時，兼具向港口供電的功能，因此，為保證M3C-PET穩(wěn)定運行，需要對其功率進行控制。圖2為M3CPET在海上風電廠與岸上電網(wǎng)同時給港口供電、海上風電廠單獨給港口供電以及海上風電廠單獨給港口供電并將多余的電能輸送到岸上電網(wǎng)3種工作模式下的功率流動示意，圖中：Poff為海上風電廠發(fā)出的功率；Pon為岸上電網(wǎng)吸收的功率；Pload_dc和Pload_ac分別表示港口和靠港船舶的直流及交流用電設備消耗的功率。在正常運行情況下，這4種功率需滿足的關系為

在對M3C-PET進行功率控制時，可先將中間級和輸出級看作整體，視為接在輸入級M3C子模塊電容后的負載。為確保M3C-PET能夠穩(wěn)定運行，需要保證輸入級M3C的子模塊電容電壓維持在額定值，不隨負載的變化而變化，即需要符合電壓源特性。同理，輸出級也可認為是接在中間級直流輸出電壓上的負載，需要確保中間級的輸出電壓維持在額定值。因此，本文對輸入級采用了總電容電壓平衡控制,對中間級采用了單移相雙閉環(huán)控制。

2.1 輸入級控制方法

M3C-PET的輸入級包含輸出功率控制、總電容電壓平衡控制、電流閉環(huán)控制以及海上風電廠和岸上電網(wǎng)電壓前饋控制，圖3為M3C-PET輸入級和中間級的控制框圖。

在輸出功率控制中，ud和uq分別為輸入端口2的三相電壓uy在dq坐標系下的值，P*和Q*是輸出功率的參考值，則

由式（4）中功率與電流的計算關系，可得到輸入端口2的電流在dq坐標系下的參考值和通過坐標變換，可進一步求出abc坐標系下輸入端口2的電流參考值

總電容電壓平衡控制采用電壓閉環(huán)控制，用來實現(xiàn)拓撲的整體能量平衡。圖中uc-t是M3C的子模塊電容電壓之和，F(xiàn)L是低通濾波器，用來除去uc-t的交流波動。M3C的總電容電壓偏差經(jīng)過PI控制器后，得到了輸入端口1的電流在dq坐標系下的參考值，為保證單位功率因數(shù)，設，經(jīng)坐標變換后可得到端口1的電流

由式（1）可知，通過輸出功率控制和總電容電壓平衡控制，可以得到橋臂電流的參考值因此，根據(jù)圖3中的電流閉環(huán)控制，再加上海上風電廠電壓和岸上電網(wǎng)電壓的前饋量，最后求出調制信號（橋臂電壓參考值），與移相載波比較后生成控制輸入級M3C子模塊動作的開關信號。

2.2 中間級控制方法

圖4為DAB的電路結構和單移相控制下的工作波形。圖中udc1和udc2分別為DC-DC變換器輸入側和輸出側直流電壓；Vp和Vs分別為變壓器的原、副邊電壓；L為變壓器漏感和串聯(lián)電感的等效值；in為第n個DAB的輸入電流；Th為半個開關周期；φ為DAB原、副邊之間的移相角；d為移相占空比，d=φ/Th。由DAB的工作波形可知，電感電流iL具有對稱性，即 i（t2）=-i（t5），i（t3）=-i（t6），可通過控制移相角φ來控制iL的形狀，從而間接控制DAB的傳輸功率。根據(jù)文獻[16]中的相關結論，中間級DC-DC變換器的功率傳輸PDAB滿足

與單個DAB控制不同，中間級由多個DAB組成，需考慮DAB之間的能量均衡，故中間級采用了雙閉環(huán)的單移相控制，圖3給出了中間級的控制框圖。把中間級看作1個整體，通過電壓閉環(huán)控制，得到中間級的輸入電流參考值由于中間級共有9n個DAB模塊，因此每個DAB的輸入電流參考值為。接著對中間級每個DAB的輸入電流進行電流閉環(huán)控制，得到每個DAB的移相占空比dn，從而實現(xiàn)中間級能量傳輸?shù)拇笮?、方向可調。

2.3 輸出級控制方法

該PET的輸出級是三相四橋臂逆變器，輸出的是三相交流電，直接與負載相連，因此需要確保輸出電壓和頻率穩(wěn)定。在此選擇了文獻[17]中提出的1種3次諧波注入的PWM控制方法，該方法通過在原有的三相正弦調制波中注入3次諧波，得到新的調制波,從而提高了電壓利用率。使用該方法的調制波可表示為

式中：ω為逆變器輸出電壓的角頻率；V為輸出相電壓幅值；k1為3次諧波的調制系數(shù)。

3 仿真驗證

為驗證本文提出的M3C-PET的功能，采用Matlab/Simulink仿真軟件搭建了仿真模型。該仿真模型分別對海上風電廠與岸上電網(wǎng)同時向港口供電、海上風電廠單獨給港口供電以及海上風電廠單獨給港口供電并將多余電能輸送到岸上電網(wǎng)這3種不同工況進行驗證，具體參數(shù)如表1所示。

3.1 穩(wěn)態(tài)運行：雙回路向港口供電

圖5為M3C-PET工作在海上風電廠與岸上電網(wǎng)共同給港口供電時的仿真波形。圖5（a）和（b）分別是海上輸入側和岸上電網(wǎng)的電流波形，2個電流的幅值相同，海上輸入側電流的頻率是電網(wǎng)電流的1/3；圖5（c）是M3C-PET低壓交流端口輸出的線電壓波形，電壓幅值為380 V，頻率為50 Hz；圖 5（d）是拓撲中間級的輸出電壓，電壓穩(wěn)定在額定值650 V；圖 5（e）是 M3C-PET 的功率波形，圖中Pload_dc=380 kW，Pload_ac=75 kW，與表1給定的參數(shù)一致，|Poff|=|Pon|≈227.5 kW,表明在雙回路供電情況下，該拓撲能夠實現(xiàn)整體的功率平衡，同時，由Poff和Pon的值可知，海上風電廠與岸上電網(wǎng)各自承擔50%的港口用電功率，這一結論與圖5（a）和（b）中兩電流幅值相同的結論一致；圖5（f）是輸入級M3C橋臂子模塊電容電壓之和的波形，該電壓穩(wěn)定在額定值2 500 V，波動幅度在5%以內。因此，在雙回路供電情況下，所提控制方法能夠很好地實現(xiàn)該PET的功能。

表1 仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters

3.2 動態(tài)工況1：海上風電廠單回路向港口供電

圖6為由雙回路供電切換到海上風電廠單回路供電動態(tài)工況下的仿真波形。在2 s時，該仿真模擬岸上電網(wǎng)發(fā)生故障被切除，完全由海上風電廠來實現(xiàn)港口供電。由于岸上電網(wǎng)被切除，電網(wǎng)的輸入電流會突變?yōu)?，并且岸上電網(wǎng)吸收的功率Pon也會突變?yōu)?0，如圖 6（b）和（e）所示。 在M3C-PET中,存在著電感和電容等元件，因此海上輸入側的電流和功率 Poff都不能突變，如圖 6（a）和（e）所示。此時，由于只有海上風電廠給港口供電，在Poff的波動期間，電源發(fā)出功率與港口負載功率存在缺額，因此輸入級子模塊的電容會釋放存儲的電能，來滿足M3C-PET的整體功率平衡條件，這也使得電容電壓會在一段時間內下降，如圖6（f）所示。從圖6（c）和（d）可看出，在動態(tài)過程中，盡管中間級的輸出電壓會發(fā)生較大波動，但M3C-PET的輸出線電壓能夠基本保持穩(wěn)定。此外，由圖6（e）可看出，在經(jīng)過大約1 s的動態(tài)過程之后，海上風電廠發(fā)出的功率Poff等于直流負載功率Pload_dc和交流負載功率Pload_ac之和，表明在3 s時整個系統(tǒng)重新恢復了平衡，這一結果也與圖6（d）和（f）所展示的結果一致。

3.3 動態(tài)工況2：海上風電廠單回路向港口及岸上電網(wǎng)供電

圖7為由海上風電廠單回路給港口供電切換到海上風電廠單回路供電并將多余的電能輸送到岸上電網(wǎng)動態(tài)工況下的仿真波形，其中并入電網(wǎng)的富余功率設置為225 kW。在4 s時，該仿真模擬海上風電廠發(fā)生了功率突變，因此海上風電輸入側的電流以及海上風電廠發(fā)出的功率Poff都會發(fā)生突變，如圖 7（a）和（e）所示。 同樣地，由于控制回路具有一定的慣性，使得岸上電網(wǎng)電流和岸上電網(wǎng)吸收功率 Pon不會突變。 從圖 7（c）和（d）可看出，在動態(tài)過程中，輸出級輸出的線電壓基本保持不變，中間級輸出的直流電壓的波動幅值也保持在額定值的5%以內，相同的結論也可從圖7（e）中直流負載的功率Pload_dc和交流負載的功率Pload_ac一直保持在額定值得出。因此，這段動態(tài)過程中，4個端口的功率關系不滿足式（3）的約束條件，為保證功率平衡，海上風電廠發(fā)出的富余有功功率作用在了輸入級M3C橋臂子模塊的電容上，使得電容電壓變大，如圖 7（f）所示。通過觀察圖 7（b）和（f）可見，岸上電網(wǎng)的電流和輸入級M3C橋臂子模塊電容電壓和在經(jīng)過0.7 s后，又重新恢復了平衡狀態(tài)，這與圖7（e）中4個端口的功率在經(jīng)過0.7 s后又重新滿足式（3）的約束條件的結果一致。

4 結語

本文提出了一種面向港口供電的模塊化多電平矩陣型電力電子變壓器結構。通過詳細描述該變壓器的各部分結構，給出了其輸入級、中間級和輸出級相應的控制方法，實現(xiàn)了變壓器的四端口功率平衡；最后在Matlab中搭建了仿真模型，并通過模擬雙回路供電、海上風電廠單獨供電和海上風電廠同時向港口和岸上電網(wǎng)供電這3種典型工況驗證了所提拓撲及其控制方法的正確性和有效性。