基于MMC的船舶中壓直流電力系統控制策略的研究

廖 鵬，戴瑜興，畢大強

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基于MMC的船舶中壓直流電力系統控制策略的研究

廖 鵬1，戴瑜興1，畢大強2

（1. 溫州大學電氣數字化設計技術浙江省工程實驗室，浙江溫州 325035；2. 清華大學電機系電力系統國家重點實驗室，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）電力系統中缺乏系統級的建模與控制問題，本文搭建了基于MMC的船舶MVDC電力系統模型，說明了該系統的框架結構與運行原理，提出了電壓與無功外環，電流內環的雙閉環控制策略，進一步驗證了該系統發生直流側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方案，實現了雙機有效的并聯運行。通過Matlab/Simulink的仿真分析，表明該系統具有良好的穩態特性和動態性能。

模塊化多電平換流器 中壓直流 雙閉環控制 直流電壓下垂控制

0 引言

船舶綜合電力系統將電力系統與推進系統相結合，提高了系統效率，顯著地節省了燃料，是船舶動力發展的新方向[1]。2007年，美國海軍提出了下一代綜合電力系統技術發展路線圖，其中分為三個階段技術：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]。

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

MVDC電力系統中，通過直流母線提供總負載需求，去除大量的轉化級，提高系統功率密度，節省了更多的空間，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）。在發電機并聯方面，不需要考慮相角和頻率的同步問題，調速性能、容量、頻率差異大的不同類型發電機組容易并聯運行，并且消除了原動機轉速和母線頻率之間的相互影響[3]。

雖然MVDC電力系統具有許多的優勢，但也面臨著一些挑戰，其中主要方面就是直流系統短路電流不存在自然過零點，斷路器分斷困難。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，而交流斷路器為機械開關，故障響應時間慢，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，但它會引起交流側和直流側大量諧波。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系統來實現。在MVDC系統中，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，還具有獨立的有功和無功率控制、直流電壓控制、電容電壓調節，能夠保證直流母線高度穩定。其中全橋型模塊化多電平換流器（Full bridge modular multi-level converter，F-MMC）具有四象限運行能力，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系統中應用。

F-MMC在船舶MVDC系統已經有了一些研究，文獻[5]提出一種F-MMC的故障電流控制方案，該方案能夠實現在發生故障時快速限制故障電流，并在故障隔離后迅速恢復系統。文獻[6]設計了閉環控制器硬件在環實驗裝置，驗證了在負載階躍和電弧故障引起過流的情況下，F-MMC能夠限制故障電流。文獻[7]首先給出了一種F-MMC變換器運行的控制方法，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-MMC為交流側電網提供無功支撐的控制方法。上述文獻都以理想交流電源作為交流源，缺乏F-MMC在船舶應用中整體性的考慮。

綜上所述，目前F-MMC在船舶上的應用大多是故障清除方面的研究，對于系統級的建模及其控制缺乏相應的研究。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，在對系統框架及其原理的分析基礎上，首先提出了無功與直流電壓外環，電流內環的控制策略，從突加負載說明該系統的穩定性。然后，驗證了該系統在發生直流側短路時，能夠迅速限制故障，恢復系統。最后，運用直流電壓下垂方案，實現了雙機有效并聯運行。

1 MVDC系統建模

1.1 MVDC系統結構

本文研究的MVDC系統采用經典的輻射型電力系統結構。該系統由原動機、發電機、MMC整流裝置以及直流負載構成。發電機將機械能轉變為電能，產生的三相交流電經過MMC整流，在直流側并聯，為負載供電。

1.2 F-MMC結構

圖1 F-MMC結構

圖1為F-MMC結構，MMC采用三相六臂結構，橋臂由N個子模塊以及限流電感s橋臂電阻R級聯構成，上下兩個橋臂構成一個相單元。電感不僅能限制相間環流，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器件，c為電容電壓。子模塊包括4種工作作態：輸出+c，-c，0和閉鎖狀態。系統正常運行下，子模塊的-c輸出不是必須的，因此全橋子模塊可以保持T2關斷和T4開通，改變T1和T3的導通狀態就能實現+c，0的輸出，避免開關反復切換，減少開關損耗。

1.3 數學模型

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的時域數學模型：

將式（6）進行dq坐標變化，再通過拉普拉斯變化，可得MMC頻域數學模型[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，但電流動態響應速度慢，受系統參數影響較大。從發展的趨勢來看，目前主要運用直接電流控制，而其中基于同步旋轉坐標系（坐標系）矢量控制技術，利用坐標變化，將三相交流量轉化為兩相直流量，從而簡化了數學模型，適合于MMC的控制。

1.4.1內環控制器

在MMC數學模型分析的基礎上，引入PI控制得到圖2所示MMC內環控制器。

圖2 MMC內環控制器

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

1.4.2外環控制器

本文研究船舶MVDC電力系統由2臺發電機組構成，存在著功率分配問題。

在交流電力系統中，電壓調節是由發電機勵磁系統控制的，負荷分擔是通過原動機轉速的變化來控制的，然而，在MVDC電力系統中，直流調壓和負荷分擔都由MMC來實現，MMC控制器既能調節直流電壓，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。雖然發電機組各參數是相同的，但在實踐中很難得到相同的下垂特性。因此，需要在MMC中設置不同下垂系數。在無功功率與直流電壓外環基礎上結合直流電壓下垂控制得到MMC外環控制器。

圖3 MMC外環控制器

圖3為MMC外環控制器，U為直流電壓，直流電流I與下垂系統相乘作為直流電壓的參考值U*dc，兩者比較后經過PI得到內環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*比較后經過PI得到內環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 單機仿真分析

通過對上述MVDC系統的分析，在Matlab/Simulink中搭建基于MMC的MVDC系統仿真平臺。發電機組采用額定功率為4 WM柴油機模型和可控相復勵無刷交流勵磁系統[10]。各仿真參數如下：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，交流側電感0=1 mH。

為驗證模型的動態特性，對MVDC系統在不同的負載下的性能進行分析，系統突加負載仿真結果如圖4所示。初始時候，連接功率為1 WM的負載啟動；在3 s時候，突加功率為1 WM的負載；在5 s時候，再突加功率為1 WM負載。

圖4前3秒所示波形為系統穩態運行的電流電壓，可以得到該系統在1.2 s達到穩定，穩定后電壓上下起伏10 V左右，交流側的電壓電流為標準正弦波，THD值分別為1.3%與1.16%，結果驗證了系統穩定運行滿足《1kV-35kV船舶中壓電力系統》的要求[11]。

圖4 系統突加負載電流電壓

3 s負載突變時，直流電壓波動小于6.25%，5s負載突變時，直流電壓波動小于6.6%，直流側電流與電壓兩者經過1 s都能達到穩定，波動較小，穩定性強。

2.2 直流側短路故障仿真分析

MVDC電力系統的另一個重要方面是其容錯特性，本文以直流側短路故障為例，說明所搭模型的故障限流能力。系統故障穿越如圖5所示，假設在0.5 s發生直流側短路故障，持續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，閉鎖后直流電流經過700 us至零，故障得到限制。MMC在0.7 s解鎖，系統恢復，完成故障穿越。

圖5 系統故障穿越電壓

2.3 雙機并聯仿真分析

進一步以2.1節建模的發電機為例，研究兩臺并聯運行情況，其中一臺發電機帶1 WM的負載啟動運行，另一臺空載運行，設置待并機與電網之間的電壓差小于額定電壓的10%作為并網條件，2秒發出并車指令，觀察電網變化情況。

圖6為雙機并聯直流電流變化情況，從圖中可以看出，先在網運行的MMC直流電流2 s內從500 A降至250 A，而后并網運行的直流電流從0升至250 A，而直流電壓下垂控制中電壓變化量較小，基本穩定在額定值附近，所以認為功率在兩臺MMC之間得到均分。

圖6 雙機并聯電流

3 結論

本文在Matlab/Simulink中搭建了基于MMC的船舶MVDC電力系統仿真實驗平臺，并模擬了穩態、突加負載、故障、并聯等工況，其穩態與動態工況的仿真結果符合船舶MVDC電力設計要求，進一步驗證了系統在發生短路故障時具有良好的容錯特性，最后實現了雙機有效的并聯運行，增加了系統的帶載能力，各仿真結果為MMC在船舶MVDC電力系統中的應用提供了參考。

[1] 馬偉明. 艦船電氣化與信息化復合發展之思考[J]. 海軍工程大學學報, 2010, 22(5): 1-4.

[2] Bosich D, Vicenzutti A, Pelaschiar R, et al. Toward the future: The MVDC large ship research program[C]// Aeit International Conference. IEEE, 2015: 1-6.

[3] 付立軍, 劉魯鋒, 王剛. 我國艦船中壓直流綜合電力系統研究進展[J]. 中國艦船研究, 2016, 11(1): 72-79.

[4] Javaid U, Freijedo F D, Dujic D, et al. MVDC supply technologies for marine electrical distribution systems[J]. Cpss Transactions on Power Electronics & Applications, 2018, 3(1): 65-76.

[5] Yu J, Burgos R, Mehrabadi N R, et al. Design of a SiC-based modular multilevel converter for medium voltage DC distriution system[C]// Applied Power Electronics Conference and Exposition. IEEE, 2017: 467-473.

[6] Sun K, Soto D, Steurer M, et al. Experimental verification of limiting fault currents in MVDC systems by using modular multilevel converters[C]// Electric Ship Technologies Symposium. IEEE, 2015: 27-33.

[7] Vechalapu K, Bhattacharya S. Modular multilevel converter based medium voltage DC amplifier for ship board power system[C]// IEEE, International Symposium on Power Electronics for Distributed Generation Systems. IEEE, 2015: 1-8.

[8] Cuzner R M, Esmaili D A. Fault tolerant shipboard MVDC architectures[C]// International Conference on Electrical Systems for Aircraft, Railway, Ship Propulsion and Road Vehicles. IEEE, 2015: 1-6.

[9] 管敏淵, 徐政. MMC型柔性直流輸電系統無源網絡供電的直接電壓控制[J]. 電力自動化設備, 2012, 32(12): 1-5.

[10] 鄭恒持. 船舶中壓電力系統建模與仿真[D]. 大連海事大學, 2017.

[11] IEEE B E. 1709-2010 - IEEE Recommended Practice for 1kV to 35kV Medium-Voltage DC Power Systems on Ships[C]// IEEE Std. IEEE, 2010: 1-54.

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：電力電子與微電網技術。E-mail: 532346087@qq.com