基于MMC的船舶中压直流电力系统控制策略的研究

廖 鹏，戴瑜兴，毕大强



基于MMC的船舶中压直流电力系统控制策略的研究

廖 鹏1，戴瑜兴1，毕大强2

（1. 温州大学电气数字化设计技术浙江省工程实验室，浙江温州 325035；2. 清华大学电机系电力系统国家重点实验室，北京 100084）

针对全桥模块化多电平换流器在船舶中压直流（Medium voltage DC, MVDC）电力系统中缺乏系统级的建模与控制问题，本文搭建了基于MMC的船舶MVDC电力系统模型，说明了该系统的框架结构与运行原理，提出了电压与无功外环，电流内环的双闭环控制策略，进一步验证了该系统发生直流侧短路故障时的故障限流能力，最后采用直流电压下垂控制并网方案，实现了双机有效的并联运行。通过Matlab/Simulink的仿真分析，表明该系统具有良好的稳态特性和动态性能。

模块化多电平换流器 中压直流 双闭环控制 直流电压下垂控制

0 引言

船舶综合电力系统将电力系统与推进系统相结合，提高了系统效率，显著地节省了燃料，是船舶动力发展的新方向[1]。2007年，美国海军提出了下一代综合电力系统技术发展路线图，其中分为三个阶段技术：中压交流（Medium voltage AC, MVAC）、高频交流（High frequency AC, HFAC）、中压直流（Medium voltage DC, MVDC）[2]。

传统的大型船舶采用交流供电，从发电机到负载之间，存在着大量的转化级，变压器和滤波装置的需求也随之增大，因此增加了系统功率的损耗、体积和重量，降低了系统的功率密度。此外，交流系统中存在着发电机并联困难，系统线路压降大等问题。

MVDC电力系统中，通过直流母线提供总负载需求，去除大量的转化级，提高系统功率密度，节省了更多的空间，多出的空间可用于承载更多的载荷（例如商船上的货物、游轮上的舱室和海军舰船中的武器）。在发电机并联方面，不需要考虑相角和频率的同步问题，调速性能、容量、频率差异大的不同类型发电机组容易并联运行，并且消除了原动机转速和母线频率之间的相互影响[3]。

虽然MVDC电力系统具有许多的优势，但也面临着一些挑战，其中主要方面就是直流系统短路电流不存在自然过零点，断路器分断困难。在短路故障处理方面，直流断路器的制造工艺尚不成熟，电流开断能力还需提高，而交流断路器为机械开关，故障响应时间慢，所以借助换流器自身限制故障的方法成为首选。

在综合电力系统中，整流器的选择有如下几种：多脉波二极管整流器、相控晶闸管整流器、PWM整流器、MMC整流器，二极管整流器不提供控制，也没有能力控制故障。晶闸管整流器可以减轻直流短路故障，但它会引起交流侧和直流侧大量谐波。PWM整流器不存在桥臂限流电感，而且不能输出反向的电容电压以限制直流短路故障，故障限制通常由交流断路器断开交流侧系统来实现。在MVDC系统中，MMC整流器提供了其他整流器无法提供的好处，例如：模块化、电压的可伸缩性和减少了滤波工作量。此外，还具有独立的有功和无功率控制、直流电压控制、电容电压调节，能够保证直流母线高度稳定。其中全桥型模块化多电平换流器（Full bridge modular multi-level converter，F-MMC）具有四象限运行能力，灵活性高，在故障处理方面，通过反向电容电压的输出能够迅速限制短路故障，十分适合在MVDC系统中应用。

F-MMC在船舶MVDC系统已经有了一些研究，文献[5]提出一种F-MMC的故障电流控制方案，该方案能够实现在发生故障时快速限制故障电流，并在故障隔离后迅速恢复系统。文献[6]设计了闭环控制器硬件在环实验装置，验证了在负载阶跃和电弧故障引起过流的情况下，F-MMC能够限制故障电流。文献[7]首先给出了一种F-MMC变换器运行的控制方法，用于控制固定交流源的降压和升压模式下直流宽输出电压，并介绍了在故障时，F-MMC为交流侧电网提供无功支撑的控制方法。上述文献都以理想交流电源作为交流源，缺乏F-MMC在船舶应用中整体性的考虑。

综上所述，目前F-MMC在船舶上的应用大多是故障清除方面的研究，对于系统级的建模及其控制缺乏相应的研究。针对此问题，本文在Matlab/Simulink中搭建基于F-MMC的船舶MVDC仿真平台，在对系统框架及其原理的分析基础上，首先提出了无功与直流电压外环，电流内环的控制策略，从突加负载说明该系统的稳定性。然后，验证了该系统在发生直流侧短路时，能够迅速限制故障，恢复系统。最后，运用直流电压下垂方案，实现了双机有效并联运行。

1 MVDC系统建模

1.1 MVDC系统结构

本文研究的MVDC系统采用经典的辐射型电力系统结构。该系统由原动机、发电机、MMC整流装置以及直流负载构成。发电机将机械能转变为电能，产生的三相交流电经过MMC整流，在直流侧并联，为负载供电。

1.2 F-MMC结构

图1 F-MMC结构

图1为F-MMC结构，MMC采用三相六臂结构，桥臂由N个子模块以及限流电感s桥臂电阻R级联构成，上下两个桥臂构成一个相单元。电感不仅能限制相间环流，而且能限制直流母线故障时电流上升率。io表示MMC交流输出电压，ip表示上桥臂电压，in表示下桥臂电压，ip表示上桥臂电流，in表示下桥臂电压，=,,；dc为直流母线电压。

T1~T4为MMC单个子模块中的开关器件，c为电容电压。子模块包括4种工作作态：输出+c，-c，0和闭锁状态。系统正常运行下，子模块的-c输出不是必须的，因此全桥子模块可以保持T2关断和T4开通，改变T1和T3的导通状态就能实现+c，0的输出，避免开关反复切换，减少开关损耗。

1.3 数学模型

对图1中A相交流电流a分析得到：

对A相上下桥臂分别应用基尔霍夫电压定律，可得：

将式（2）与式（3）相加再除以2可得：

将式（6）表示为三相形式，得到MMC的时域数学模型：

将式（6）进行dq坐标变化，再通过拉普拉斯变化，可得MMC频域数学模型[9]：

1.4 控制策略

电压源换流器的控制策略主要分为间接电流控制和直接电流控制两种。间接电流控制简单，无需电流反馈控制，但电流动态响应速度慢，受系统参数影响较大。从发展的趋势来看，目前主要运用直接电流控制，而其中基于同步旋转坐标系（坐标系）矢量控制技术，利用坐标变化，将三相交流量转化为两相直流量，从而简化了数学模型，适合于MMC的控制。

1.4.1内环控制器

在MMC数学模型分析的基础上，引入PI控制得到图2所示MMC内环控制器。

图2 MMC内环控制器

该控制器用于实现调制电压*abc的控制，输出的调制电压与三角移相载波比较得到各个全桥子模块的开关信号。block为故障检测信号，当检测到故障时，检测信号至0和开关信号相与，实施闭锁，限制故障。

1.4.2外环控制器

本文研究船舶MVDC电力系统由2台发电机组构成，存在着功率分配问题。

在交流电力系统中，电压调节是由发电机励磁系统控制的，负荷分担是通过原动机转速的变化来控制的，然而，在MVDC电力系统中，直流调压和负荷分担都由MMC来实现，MMC控制器既能调节直流电压，又能使功率合理分配，从而简化了控制程序，提高了分配精度。虽然发电机组各参数是相同的，但在实践中很难得到相同的下垂特性。因此，需要在MMC中设置不同下垂系数。在无功功率与直流电压外环基础上结合直流电压下垂控制得到MMC外环控制器。

图3 MMC外环控制器

图3为MMC外环控制器，U为直流电压，直流电流I与下垂系统相乘作为直流电压的参考值U*dc，两者比较后经过PI得到内环d轴参考电流i。无功功率由交流电压v和交流电流i计算得到，与无功功率参考值Q*比较后经过PI得到内环q轴参考电流q_ref，加入限幅，防止桥臂电流超过IGBT的容量而造成其过电流损坏。

2 仿真与分析

2.1 单机仿真分析

通过对上述MVDC系统的分析，在Matlab/Simulink中搭建基于MMC的MVDC系统仿真平台。发电机组采用额定功率为4 WM柴油机模型和可控相复励无刷交流励磁系统[10]。各仿真参数如下：有功功率n=4 MW，交流线电压s=1.4 kV，直流母线电压dc=2 kV，桥臂子模块=2，电容电压c=1 kV，子模块电容=0.08 F，桥臂电感s=10 uH，交流侧电感0=1 mH。

为验证模型的动态特性，对MVDC系统在不同的负载下的性能进行分析，系统突加负载仿真结果如图4所示。初始时候，连接功率为1 WM的负载启动；在3 s时候，突加功率为1 WM的负载；在5 s时候，再突加功率为1 WM负载。

图4前3秒所示波形为系统稳态运行的电流电压，可以得到该系统在1.2 s达到稳定，稳定后电压上下起伏10 V左右，交流侧的电压电流为标准正弦波，THD值分别为1.3%与1.16%，结果验证了系统稳定运行满足《1kV-35kV船舶中压电力系统》的要求[11]。

图4 系统突加负载电流电压

3 s负载突变时，直流电压波动小于6.25%，5s负载突变时，直流电压波动小于6.6%，直流侧电流与电压两者经过1 s都能达到稳定，波动较小，稳定性强。

2.2 直流侧短路故障仿真分析

MVDC电力系统的另一个重要方面是其容错特性，本文以直流侧短路故障为例，说明所搭模型的故障限流能力。系统故障穿越如图5所示，假设在0.5 s发生直流侧短路故障，持续0.1 s。故障开始瞬间直流电压跌落至零，MMC延迟100 us检测到故障，实施MMC闭锁，闭锁后直流电流经过700 us至零，故障得到限制。MMC在0.7 s解锁，系统恢复，完成故障穿越。

图5 系统故障穿越电压

2.3 双机并联仿真分析

进一步以2.1节建模的发电机为例，研究两台并联运行情况，其中一台发电机带1 WM的负载启动运行，另一台空载运行，设置待并机与电网之间的电压差小于额定电压的10%作为并网条件，2秒发出并车指令，观察电网变化情况。

图6为双机并联直流电流变化情况，从图中可以看出，先在网运行的MMC直流电流2 s内从500 A降至250 A，而后并网运行的直流电流从0升至250 A，而直流电压下垂控制中电压变化量较小，基本稳定在额定值附近，所以认为功率在两台MMC之间得到均分。

图6 双机并联电流

3 结论

本文在Matlab/Simulink中搭建了基于MMC的船舶MVDC电力系统仿真实验平台，并模拟了稳态、突加负载、故障、并联等工况，其稳态与动态工况的仿真结果符合船舶MVDC电力设计要求，进一步验证了系统在发生短路故障时具有良好的容错特性，最后实现了双机有效的并联运行，增加了系统的带载能力，各仿真结果为MMC在船舶MVDC电力系统中的应用提供了参考。

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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

廖鹏（1993-），男，硕士研究生。研究方向：电力电子与微电网技术。E-mail: 532346087@qq.com