一種適合船舶中壓直流電力系統(tǒng)的MMC并聯(lián)結(jié)構(gòu)

郭燚+雷玉磊+張震

摘要：鑒于模塊化多電平變換器（modular multilevel converter，MMC）橋臂額定電流難以滿(mǎn)足船舶中壓直流（medium voltage direct current，MVDC）電力系統(tǒng)逐漸增大的功率傳輸需求，設(shè)計(jì)一種適用于船舶MVDC大功率電力系統(tǒng)的MMC并聯(lián)結(jié)構(gòu)。應(yīng)用MATLAB/Simulink，分別在MMC并聯(lián)結(jié)構(gòu)和MMC基本結(jié)構(gòu)下，建立MMC-MVDC電力系統(tǒng)仿真模型。仿真結(jié)果表明，在傳輸同樣大的功率時(shí)，采用MMC并聯(lián)結(jié)構(gòu)的橋臂電流明顯比采用MMC基本結(jié)構(gòu)的橋臂電流小，能克服MMC子模塊中IGBT元件額定電流較小的障礙。

關(guān)鍵詞： 船舶； MMC并聯(lián)結(jié)構(gòu)； 中壓直流電力系統(tǒng)； 橋臂電流

中圖分類(lèi)號(hào)： U665.12 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Abstract： In view of the fact that the rated current of the bridge arm of the modular multilevel converter （MMC） can not meet the increasing demand for power transmission in the ship medium voltage direct current （MVDC） power system， a kind of MMC parallel structure suitable for ship MVDC high power system is designed. By MATLAB/Simulink， the simulation models of the MMC-MVDC power system are established for MMC parallel structure and MMC basic structure， respectively. The simulation results show that， when the same power is transmitted， the current of the bridge arm with MMC parallel structure is significantly lower than that of the bridge arm with MMC basic structure， which overcomes the obstacle of the lower rated current of the IGBT component in the MMC sub-module.

Key words： ship； MMC parallel structure； medium voltage DC （MVDC） power system； bridge arm current

0 引 言

近年來(lái)，船舶中壓直流（medium voltage direct current， MVDC）電力系統(tǒng)的概念被提出。與船舶中壓交流電力系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有較高的能量傳輸效率、較好的靈活性和較低的成本[1-2]。模塊化多電平轉(zhuǎn)換器（modular multilevel converter， MMC）具有直接控制直流電流的能力，能夠增強(qiáng)MVDC電力系統(tǒng)的可靠性和恢復(fù)性，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障電流限制和故障穿越的功能。這些特點(diǎn)使得MMC整流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在MVDC電力系統(tǒng)中有很好的應(yīng)用前景[3-4]。

針對(duì)船舶MVDC電力系統(tǒng)母線電壓不變的特點(diǎn)，對(duì)MMC直流側(cè)的控制選用定直流電壓控制。將MMC應(yīng)用于高壓直流系統(tǒng)中時(shí)選用較高的電壓等級(jí)和較多的子模塊數(shù)。在MVDC電力系統(tǒng)中由于電壓等級(jí)較低，而船舶發(fā)電機(jī)輸出的功率較大，因此實(shí)現(xiàn)整流時(shí)每個(gè)橋臂需承受很大的電流。然而，受限于開(kāi)關(guān)元件的通流能力，MMC的傳輸容量受到限制，不易實(shí)現(xiàn)大功率的傳輸。MMC橋臂的額定電流主要取決于絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的額定電流，目前IGBT額定電流最大值為3 600 A（額定電壓為1.7 kV）[5]。在目前的技術(shù)條件下，開(kāi)關(guān)元件的容量在短期內(nèi)難有突破性發(fā)展。針對(duì)這一問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了適合船舶MVDC大功率電力系統(tǒng)的MMC并聯(lián)結(jié)構(gòu)，在滿(mǎn)足穩(wěn)定輸出的同時(shí)使MMC各橋臂中開(kāi)關(guān)元件承受的電流減小。

1 船舶MVDC電力系統(tǒng)模型

隨著船舶電力系統(tǒng)的發(fā)展，船舶MVDC電力系統(tǒng)已經(jīng)引起世界各國(guó)的重視，文獻(xiàn)[6]和[7]提出了一種占用空間少、效率高的高性能船舶MVDC電力系統(tǒng)模型，見(jiàn)圖1。

該模型中含有2臺(tái)額定功率為36 MW的主發(fā)電機(jī)和2臺(tái)額定功率為4 MW的輔助發(fā)電機(jī)，4臺(tái)發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電經(jīng)過(guò)AC/DC整流器整流后為環(huán)形MVDC母線輸送能量。該模型從船首到船尾依次是4個(gè)區(qū)域負(fù)載中心和1個(gè)雷達(dá)負(fù)載，各個(gè)分區(qū)都與環(huán)形MVDC母線直接相連，可以靈活應(yīng)用于不同的工作環(huán)境。環(huán)形母線電壓可在1～35 kV之間選擇，跨越多個(gè)等級(jí)，本文選擇10 kV直流母線電壓[8]。針對(duì)船舶MVDC電力系統(tǒng)模型，本文選用MMC作為整流器實(shí)現(xiàn)交直流變換[9]，重點(diǎn)研究MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2 船舶MVDC電力系統(tǒng)MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1 MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文主要研究船舶MVDC電力系統(tǒng)中，將主發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電整流成直流電的MMC拓?fù)浣Y(jié)系統(tǒng)中的連接結(jié)構(gòu)構(gòu)。MMC在船舶MVDC電力系統(tǒng)中的連接結(jié)構(gòu)如圖2所示，本文稱(chēng)之為MMC-MVDC系統(tǒng)。

2.2 MMC基本結(jié)構(gòu)橋臂電流分析

MMC-MVDC系統(tǒng)中MMC基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中SM為子模塊。

2.3 MMC并聯(lián)結(jié)構(gòu)橋臂電流分析

由于直流母線電壓穩(wěn)定在10 kV，當(dāng)傳輸功率增大時(shí)，總直流電流逐漸增大，當(dāng)橋臂電流超過(guò)3 600 A時(shí)，系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行。針對(duì)這一問(wèn)題設(shè)計(jì)合適的MMC并聯(lián)結(jié)構(gòu)[11]，根據(jù)不同的功率需求將n（n≥2）個(gè)MMC并聯(lián)在一起，并制定與之相適應(yīng)的endprint

圖4 MMC并聯(lián)結(jié)構(gòu)控制策略，使得并聯(lián)的MMC之間的相互影響較小。MMC并聯(lián)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

以2個(gè)MMC并聯(lián)結(jié)構(gòu)為例，見(jiàn)圖5。

3 2個(gè)MMC并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制策略

對(duì)于一般結(jié)構(gòu)的MMC，目前常采用矢量控制方法，主要由內(nèi)環(huán)電流控制器和外環(huán)功率控制器構(gòu)成，其中直流側(cè)電壓是外環(huán)功率控制器的控制變量之一。針對(duì)船舶MVDC電力系統(tǒng)的直流母線電壓特點(diǎn)，本文外環(huán)功率控制器采用直流側(cè)電壓與交流側(cè)無(wú)功功率的控制變量組合，為內(nèi)環(huán)提供參考電流[12]。

3.1 2個(gè)MMC并聯(lián)結(jié)構(gòu)控制器

電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6，其中SPWM為正弦脈寬調(diào)制器。

對(duì)于電壓外環(huán)，交流側(cè)根據(jù)三相交流電壓和電流計(jì)算出無(wú)功功率Q，并將其與無(wú)功功率給定值Q*相比較，直流側(cè)通過(guò)測(cè)量得出直流母線電壓Udc，并將其與給定電壓值U*dc比較，然后通過(guò)PI調(diào)節(jié)，為電流內(nèi)環(huán)提供參考電流i*d和i*q，這樣就形成了電壓外環(huán)控制器。將交流側(cè)三相電壓電流通過(guò)abc/dq變換，轉(zhuǎn)換成dq坐標(biāo)系下的分量usd，usq，id，iq，并將其與電壓外環(huán)形成的參考電流i*d和i*q比較；通過(guò)內(nèi)環(huán)電流解耦控制器得到dq坐標(biāo)系下的分量ud和uq，再經(jīng)過(guò)dq/abc變換得到三相調(diào)制波ura，urb，urc；將三相調(diào)制波與給定的三角載波相比較形成MMC中IGBT的PWM開(kāi)關(guān)信號(hào)。

3.2 MMC調(diào)制方式及子模塊電容電壓平衡控制

對(duì)于適用于船舶MVDC電力系統(tǒng)的MMC并聯(lián)結(jié)構(gòu)，各橋臂子模塊電容電壓平衡問(wèn)題十分重要，這是因?yàn)镸VDC母線電壓是由各相子模塊的電壓支撐起來(lái)的。為提高這種MMC結(jié)構(gòu)運(yùn)行的穩(wěn)定性，針對(duì)MVDC電力系統(tǒng)的電壓特點(diǎn)，采用載波移相調(diào)制（CPSM）方式（各子模塊開(kāi)關(guān)頻率相等，三角載波的頻率相同，相位均等錯(cuò)開(kāi)）[13]。由于MMC中各子模塊的參考電壓相同，能量分布相對(duì)比較均衡，選用這種調(diào)制方式本身就有利于子模塊電容直流電壓平衡，對(duì)并聯(lián)MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較有效。

由于引起子模塊電容電壓不平衡的原因有多種，需要采用特定的子模塊電容電壓均衡策略。針對(duì)MMC并聯(lián)結(jié)構(gòu)，本文采用附加參考電壓平衡控制法[14]。某橋臂某子模塊的參考電壓生成過(guò)程見(jiàn)圖7。

4 MMC并聯(lián)結(jié)構(gòu)與MMC基本結(jié)構(gòu)對(duì)比仿真驗(yàn)證 為驗(yàn)證MMC并聯(lián)結(jié)構(gòu)在船舶MVDC大功率電力系統(tǒng)中的優(yōu)越性，應(yīng)用MATLAB/Simulink對(duì)采用MMC基本結(jié)構(gòu)和MMC并聯(lián)結(jié)構(gòu)的船舶MVDC電力系統(tǒng)傳輸大功率時(shí)的情況進(jìn)行仿真對(duì)比，其中MMC并聯(lián)結(jié)構(gòu)由2個(gè)完全相同的MMC模塊并聯(lián)而成，下文MMC1代表并聯(lián)結(jié)構(gòu)中的一個(gè)。

仿真參數(shù)：子模塊數(shù)N=10；橋臂串聯(lián)電感L0 =5 mH；子模塊電容C0 =20 mF；交流系統(tǒng)線電壓有效值US = 4.16 kV；交流系統(tǒng)等效電感LS =1 mH；交流系統(tǒng)等效電阻RS = 0.01 Ω；直流母線電壓Ud =10 kV；子模塊直流電壓Uc =1 kV；PWM載波頻率fca = 2 000 Hz。

4.1 直流母線電壓仿真結(jié)果分析

兩種結(jié)構(gòu)直流母線電壓仿真結(jié)果對(duì)比如圖8所示，兩種結(jié)構(gòu)接入相同的負(fù)載。由圖8可以看出：在MMC基本結(jié)構(gòu)中，直流母線電壓在0.2 s時(shí)達(dá)到穩(wěn)態(tài)；在MMC并聯(lián)結(jié)構(gòu)中，由于MMC單元采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，子模塊的數(shù)量增多，在0.25 s時(shí)母線電壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)。后者與前者達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間相差較小，說(shuō)明MMC并聯(lián)結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間影響不大。系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，兩種結(jié)構(gòu)直流母線電壓均穩(wěn)定在10 kV，且紋波滿(mǎn)足要求，為橋臂電流的分析提供了基礎(chǔ)。

4.2 直流側(cè)電流仿真結(jié)果分析

由圖9所示，兩種結(jié)構(gòu)直流母線電流分別在0.2 s和0.25 s達(dá)到穩(wěn)定值3 500 A，但在MMC并聯(lián)結(jié)構(gòu)下，MMC1的直流側(cè)電流為1 750 A左右，約為直流母線電流的1/2，較好地實(shí)現(xiàn)了均流作用。

4.3 交流側(cè)電流仿真結(jié)果分析

如圖10所示：在 MMC基本結(jié)構(gòu)下，MMC交流側(cè)電流在0.15 s就達(dá)到穩(wěn)定電流值6 kA；在MMC并聯(lián)結(jié)構(gòu)下，MMC1交流側(cè)電流在0.25 s達(dá)到穩(wěn)定值3 kA。這說(shuō)明采用MMC并聯(lián)結(jié)構(gòu)可以降低交流電流的大小，這是MMC并聯(lián)結(jié)構(gòu)下比MMC基本結(jié)構(gòu)下橋臂電流小的原因之一。MMC模塊并聯(lián)后，MMC的子模塊數(shù)量增多，子模塊電容電壓的均衡以及環(huán)流的干擾導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)，但在允許范圍之內(nèi)，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成大的影響。

4.4 MMC橋臂電流仿真結(jié)果分析

圖11a）和11b）分別為MMC基本結(jié)構(gòu)中a相上、下橋臂電流，它們的變換范圍分別為-2～4 kA和-4～2 kA，可知此時(shí)橋臂承受的電流幅值為4 kA。目前世界上存在的IGBT額定電流最大值為3 600 A，故在這種情況下，即使MMC的IGBT在極限參數(shù)下工作，仍不能滿(mǎn)足需求。

圖11c）和11d）為MMC并聯(lián)結(jié)構(gòu)中MMC1的a相上、下橋臂電流仿真結(jié)果，它們的變化范圍分別為-1～2 kA和-2～1 kA。對(duì)比結(jié)果可以看出，MMC單元橋臂電流減小了一半，2 kA是MMC并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的橋臂電流幅值，在當(dāng)前技術(shù)條件下，有多種IGBT可供選擇。

結(jié)果驗(yàn)證了前文分析是正確的，即這種MMC并聯(lián)結(jié)構(gòu)對(duì)降低MMC橋臂電流有效，可以有效避免MMC中的IGBT在極限參數(shù)下工作。在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，MMC并聯(lián)模塊之間的電流能夠保持相對(duì)均衡，偏差很小，這說(shuō)明這種結(jié)構(gòu)本身具有均流的特性，不需要另外添加控制器來(lái)維持MMC模塊之間的電流均衡。綜上，MMC并聯(lián)結(jié)構(gòu)在船舶MVDC電力系統(tǒng)傳送大功率時(shí)適用。

5 MMC并聯(lián)結(jié)構(gòu)母線直流電壓對(duì)橋臂電流的影響仿真分析 文獻(xiàn)[5]中指出，當(dāng)前IGBT額定電流的典型值為1 500 A左右，上文中MMC并聯(lián)結(jié)構(gòu)中的橋臂電流幅值為2 kA。在傳輸相同的功率時(shí)，提高直流母線電壓等級(jí)可以降低直流側(cè)電流，從而降低橋臂電流，使橋臂電流能夠與IGBT額定電流的典型值相匹配。根據(jù)船舶MVDC電力系統(tǒng)所列電壓等級(jí)，在2個(gè)MMC并聯(lián)的結(jié)構(gòu)下，選取直流母線電壓為18 kV進(jìn)行仿真。對(duì)MMC并聯(lián)結(jié)構(gòu)中MMC1的a相上橋臂電流進(jìn)行分析，并與母線電壓為10 kV時(shí)的結(jié)果對(duì)比，見(jiàn)圖12。從圖中可以看出，母線電壓為18 kV時(shí)，MMC1的a相上橋臂電流幅值為1 200 A，明顯小于母線電壓為10 kV時(shí)的2 000 A，并且跟IGBT額定電流典型值相比還有一定的裕度。endprint

因此，當(dāng)船舶MVDC電力系統(tǒng)需要傳送大功率時(shí)，使用MMC并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并提高系統(tǒng)的直流母線電壓等級(jí)，能有效降低MMC橋臂承受的電流，避免MMC中的電子器件在極限條件下工作。

6 結(jié) 論

針對(duì)船舶中壓直流（MVDC）電力系統(tǒng)傳輸大功率時(shí)IGBT元件無(wú)法承受較大的橋臂電流問(wèn)題，設(shè)計(jì)了合適的MMC并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制策略。在MATLAB/Simulink中，基于MMC并聯(lián)結(jié)構(gòu)和MMC基本結(jié)構(gòu)分別建立了MMC-MVDC系統(tǒng)模型。

選用直流母線為10 kV，對(duì)MMC兩種結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。直流電壓仿真結(jié)果表明，MMC并聯(lián)結(jié)構(gòu)能夠?yàn)榄h(huán)形直流母線提供穩(wěn)定的電壓，電壓紋波符合要求，并且系統(tǒng)可以快速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。MMC交、直流側(cè)電流及橋臂電流仿真結(jié)果表明，與MMC基本結(jié)構(gòu)相比，在傳輸相同的功率時(shí)，MMC并聯(lián)結(jié)構(gòu)橋臂電流減半。在MMC并聯(lián)結(jié)構(gòu)下，將母線電壓為18 kV和10 kV時(shí)的MMC橋臂電流進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)MMC橋臂電流與MMC母線電壓有關(guān)，且等級(jí)越高，橋臂電流越低。

本文通過(guò)仿真驗(yàn)證了MMC并聯(lián)結(jié)構(gòu)在船舶MVDC電力大功率系統(tǒng)中的可行性，克服了IGBT元件無(wú)法承受大電流的障礙，為船舶MVDC電力系統(tǒng)整流提供了新的選擇。進(jìn)一步的研究方向?yàn)椋涸贛MC并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，船舶MVDC電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析和直流阻抗模型分析。

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（編輯 趙勉）endprint