面向港口供电的模块化多电平矩阵型电力电子变压器

鄢寅宇，孙毅超，张金龙

（南京师范大学电气与自动化工程学院，南京210023）

船舶靠港时大多采用燃油发电来满足自身用电需求，然而受限于船舶自身条件，这种供电方式效率低下，且会造成严重的空气污染[1]。研究表明，1艘大型轮船靠港1 h产生的空气污染物是1辆机动车的十几万倍，因此推广港口岸电技术十分迫切[2]。目前，在一些港口，可以通过岸上电网直接给同频率同电压等级的靠港船舶供电，但由于各个国家的用电频率不尽相同，因此这种直接供电方式不能对所有的靠港船舶供电[3-4]。由于我国的气候特性，沿海港口的年平均风速多介于5.5～8.0 m/s，具备发展海上风电的先天条件。在江苏江阴港，已投运了7台风力发电机，累计发电量达到了2 700万度，每年可节约电费上百万元[5]；在潼关港口，华润新能源渭南潼关50 MW的港口风电也于2019年正式投入运行。在一些中小型港口，通过发展港口风电，可以实现港口风电站与岸上电网的2路电源供电，从而提高港口供电的可靠性[6]。目前，电力电子变压器PET（power electronic transformer）技术的快速发展，进一步推动了港口风电的建设。

在中、短距离的海上风电并网中，与高压交流输电方式和高压直流输电方式相比，低频交流LFAC（low frequency AC）输电方式的经济性更好[7]。在LFAC输电系统中，多采用模块化多电平变换器MMC（modular multilevel converter）和模块化多电平矩阵变换器M3C（modular multilevel matrix converter）进行频率变换。MMC是一种AC-DC变换器，在进行频率变换时，需要将其背靠背连接，从而实现电能的AC-DC-AC变换[8-10]；与背靠背连接的MMC变频器相比，M3C具备直接频率变换的能力，只需9个桥臂便能实现频率的变换，因此经济性更好，更适用于LFAC输电系统[11-15]。

由于M3C的频率变换特性以及在LFAC输电系统中良好的经济性，本文基于M3C结构提出了一种面向港口供电的PET拓扑（M3C-PET），该拓扑在实现海上风电厂并网的同时，兼具向港口供电的功能。与基于级联H桥CHB（cascaded H-bridge）的PET拓扑（CHB-PET）、基于 MMC 的 PET 拓扑（MMC-PET）和基于中点箝位NPC（neutral point clamped）的拓扑（NPC-PET）不同[10]，本文提出的 M3C-PET 在高压交流侧含有2个端口，可分别连接2个不同频率的高压交流电网，从而实现海上风电的并网。此外，M3C-PET还具备低压直流端口和低压交流端口，能够实现对港口不同类型的负载供电。本文对提出的M3C-PET结构进行了详细描述，并通过建立和分析M3C-PET的数学模型给出了相应的控制方法，实现了M3C-PET同时完成海上风电并网和向港口供电的功能，Matlab/Simulink仿真验证了所提M3C-PET及其控制方法的正确性和有效性。

1 M3C-PET的拓扑结构

M3C-PET的拓扑结构如图1所示，包含输入级、中间级和输出级3个部分，其中输入级是1个3×3型的M3C，中间级由多个双有源桥DAB（dual active bridge）构成，输出级则是1个三相四桥臂逆变器，本章将对M3C-PET的各级单元进行详细描述。

1.1 输入级拓扑结构

如图1所示，输入级连接了海上风电厂与岸上电网，图中海上风电厂与岸上电网的电压和电流被记为 ux、uy和 ix、iy（x=A,B,C，y=a,b,c）。在输入级 M3C的两侧，串联了电感，分别被记为Li和Lo。M3C由9个结构完全相同的桥臂构成，图 1 中，Aa，Ba，Ca…表示的是输入级M3C的桥臂和中间级DAB的混合结构，每个桥臂的具体电路如图1下半部分所示，它由n个子模块和桥臂电感L串联构成，子模块则是由4个绝缘栅双极型晶体管IGBT（insulated gate bipolar transistor）/二极管组和1个支撑电容构成的H桥电路。在本文提到的面向港口供电的应用场景中，对于港口用电设备而言，无论是海上风电厂还是岸上电网均可视为供电电源，因此将输入级M3C连接的海上风电厂定义为输入端口1，连接的岸上电网定义为输入端口2。

由M3C的对称性，得到桥臂电流ixy与输入端口1电流ix和输入端口2电流iy的关系为

在求得桥臂电流之后，可算出输入级M3C每个桥臂的电压uxy，即

1.2 中间级拓扑结构

中间级采用的是DAB式DC-DC变换器，变换器中含有1个变压器，能够实现电气隔离。同时，由于DAB的工作频率高，变换器的体积小，具有较高的功率密度[16]。图1给出了中间级的详细结构，由9n个DAB组成，每个DAB并联接在输入级M3C子模块电容之后，中间级的输出则是将这9n个DAB单元的输出并联，形成了1个低压直流端口。由图1可知，构成中间级的DAB的电路结构完全对称，变压器两侧连接的均是由IGBT/二极管组构成的H桥电路，前后级H桥在高频变压器侧均能产生方波电压，从而在高频隔离变压器漏感上产生相应的电流，实现能量的双向传递。

1.3 输出级拓扑结构

M3C-PET的输出级是1个三相四桥臂逆变电路，该结构在三相平衡负载、不平衡负载以及非线性负载的情况下均能适用，解决了三相三线制逆变器带不平衡负载情况下输出三相不平衡电压的问题。输出级接在中间级的直流输出端后，具体电路结构如图1所示。输出级将中间级得到的低压直流电转换为与用电设备同频的三相交流电，从而实现对港口交流负载和靠港船舶的供电。

由上述分析可知，本文提出的PET是基于M3C结构的拓展应用，具备了M3C直接频率变换的功能，同时也具有能量双向流动的能力。该PET含有多个不同类型的端口，可应用在不同场合，此外，其结构可拓展性好，通过适当地增减桥臂中子模块的数目，可适应不同的电压等级。当M3C-PET应用于海上风电并网和港口供电的场合时，该拓扑能够根据海上风电厂发出与港口接收电能的匹配关系，分别运行在海上风电厂与岸上电网同时给港口供电、海上风电厂单独给港口供电以及海上风电厂单独给港口供电并将多余的电能输送到岸上电网的多种工作模式。

2 M3C-PET的控制方法

由于M3C-PET在实现海上风电厂并网的同时，兼具向港口供电的功能，因此，为保证M3C-PET稳定运行，需要对其功率进行控制。图2为M3CPET在海上风电厂与岸上电网同时给港口供电、海上风电厂单独给港口供电以及海上风电厂单独给港口供电并将多余的电能输送到岸上电网3种工作模式下的功率流动示意，图中：Poff为海上风电厂发出的功率；Pon为岸上电网吸收的功率；Pload_dc和Pload_ac分别表示港口和靠港船舶的直流及交流用电设备消耗的功率。在正常运行情况下，这4种功率需满足的关系为

在对M3C-PET进行功率控制时，可先将中间级和输出级看作整体，视为接在输入级M3C子模块电容后的负载。为确保M3C-PET能够稳定运行，需要保证输入级M3C的子模块电容电压维持在额定值，不随负载的变化而变化，即需要符合电压源特性。同理，输出级也可认为是接在中间级直流输出电压上的负载，需要确保中间级的输出电压维持在额定值。因此，本文对输入级采用了总电容电压平衡控制,对中间级采用了单移相双闭环控制。

2.1 输入级控制方法

M3C-PET的输入级包含输出功率控制、总电容电压平衡控制、电流闭环控制以及海上风电厂和岸上电网电压前馈控制，图3为M3C-PET输入级和中间级的控制框图。

在输出功率控制中，ud和uq分别为输入端口2的三相电压uy在dq坐标系下的值，P*和Q*是输出功率的参考值，则

由式（4）中功率与电流的计算关系，可得到输入端口2的电流在dq坐标系下的参考值和通过坐标变换，可进一步求出abc坐标系下输入端口2的电流参考值

总电容电压平衡控制采用电压闭环控制，用来实现拓扑的整体能量平衡。图中uc-t是M3C的子模块电容电压之和，FL是低通滤波器，用来除去uc-t的交流波动。M3C的总电容电压偏差经过PI控制器后，得到了输入端口1的电流在dq坐标系下的参考值，为保证单位功率因数，设，经坐标变换后可得到端口1的电流

由式（1）可知，通过输出功率控制和总电容电压平衡控制，可以得到桥臂电流的参考值因此，根据图3中的电流闭环控制，再加上海上风电厂电压和岸上电网电压的前馈量，最后求出调制信号（桥臂电压参考值），与移相载波比较后生成控制输入级M3C子模块动作的开关信号。

2.2 中间级控制方法

图4为DAB的电路结构和单移相控制下的工作波形。图中udc1和udc2分别为DC-DC变换器输入侧和输出侧直流电压；Vp和Vs分别为变压器的原、副边电压；L为变压器漏感和串联电感的等效值；in为第n个DAB的输入电流；Th为半个开关周期；φ为DAB原、副边之间的移相角；d为移相占空比，d=φ/Th。由DAB的工作波形可知，电感电流iL具有对称性，即 i（t2）=-i（t5），i（t3）=-i（t6），可通过控制移相角φ来控制iL的形状，从而间接控制DAB的传输功率。根据文献[16]中的相关结论，中间级DC-DC变换器的功率传输PDAB满足

与单个DAB控制不同，中间级由多个DAB组成，需考虑DAB之间的能量均衡，故中间级采用了双闭环的单移相控制，图3给出了中间级的控制框图。把中间级看作1个整体，通过电压闭环控制，得到中间级的输入电流参考值由于中间级共有9n个DAB模块，因此每个DAB的输入电流参考值为。接着对中间级每个DAB的输入电流进行电流闭环控制，得到每个DAB的移相占空比dn，从而实现中间级能量传输的大小、方向可调。

2.3 输出级控制方法

该PET的输出级是三相四桥臂逆变器，输出的是三相交流电，直接与负载相连，因此需要确保输出电压和频率稳定。在此选择了文献[17]中提出的1种3次谐波注入的PWM控制方法，该方法通过在原有的三相正弦调制波中注入3次谐波，得到新的调制波,从而提高了电压利用率。使用该方法的调制波可表示为

式中：ω为逆变器输出电压的角频率；V为输出相电压幅值；k1为3次谐波的调制系数。

3 仿真验证

为验证本文提出的M3C-PET的功能，采用Matlab/Simulink仿真软件搭建了仿真模型。该仿真模型分别对海上风电厂与岸上电网同时向港口供电、海上风电厂单独给港口供电以及海上风电厂单独给港口供电并将多余电能输送到岸上电网这3种不同工况进行验证，具体参数如表1所示。

3.1 稳态运行：双回路向港口供电

图5为M3C-PET工作在海上风电厂与岸上电网共同给港口供电时的仿真波形。图5（a）和（b）分别是海上输入侧和岸上电网的电流波形，2个电流的幅值相同，海上输入侧电流的频率是电网电流的1/3；图5（c）是M3C-PET低压交流端口输出的线电压波形，电压幅值为380 V，频率为50 Hz；图 5（d）是拓扑中间级的输出电压，电压稳定在额定值650 V；图 5（e）是 M3C-PET 的功率波形，图中Pload_dc=380 kW，Pload_ac=75 kW，与表1给定的参数一致，|Poff|=|Pon|≈227.5 kW,表明在双回路供电情况下，该拓扑能够实现整体的功率平衡，同时，由Poff和Pon的值可知，海上风电厂与岸上电网各自承担50%的港口用电功率，这一结论与图5（a）和（b）中两电流幅值相同的结论一致；图5（f）是输入级M3C桥臂子模块电容电压之和的波形，该电压稳定在额定值2 500 V，波动幅度在5%以内。因此，在双回路供电情况下，所提控制方法能够很好地实现该PET的功能。

表1 仿真参数Tab.1 Simulation parameters

3.2 动态工况1：海上风电厂单回路向港口供电

图6为由双回路供电切换到海上风电厂单回路供电动态工况下的仿真波形。在2 s时，该仿真模拟岸上电网发生故障被切除，完全由海上风电厂来实现港口供电。由于岸上电网被切除，电网的输入电流会突变为0，并且岸上电网吸收的功率Pon也会突变为 0，如图 6（b）和（e）所示。 在M3C-PET中,存在着电感和电容等元件，因此海上输入侧的电流和功率 Poff都不能突变，如图 6（a）和（e）所示。此时，由于只有海上风电厂给港口供电，在Poff的波动期间，电源发出功率与港口负载功率存在缺额，因此输入级子模块的电容会释放存储的电能，来满足M3C-PET的整体功率平衡条件，这也使得电容电压会在一段时间内下降，如图6（f）所示。从图6（c）和（d）可看出，在动态过程中，尽管中间级的输出电压会发生较大波动，但M3C-PET的输出线电压能够基本保持稳定。此外，由图6（e）可看出，在经过大约1 s的动态过程之后，海上风电厂发出的功率Poff等于直流负载功率Pload_dc和交流负载功率Pload_ac之和，表明在3 s时整个系统重新恢复了平衡，这一结果也与图6（d）和（f）所展示的结果一致。

3.3 动态工况2：海上风电厂单回路向港口及岸上电网供电

图7为由海上风电厂单回路给港口供电切换到海上风电厂单回路供电并将多余的电能输送到岸上电网动态工况下的仿真波形，其中并入电网的富余功率设置为225 kW。在4 s时，该仿真模拟海上风电厂发生了功率突变，因此海上风电输入侧的电流以及海上风电厂发出的功率Poff都会发生突变，如图 7（a）和（e）所示。 同样地，由于控制回路具有一定的惯性，使得岸上电网电流和岸上电网吸收功率 Pon不会突变。 从图 7（c）和（d）可看出，在动态过程中，输出级输出的线电压基本保持不变，中间级输出的直流电压的波动幅值也保持在额定值的5%以内，相同的结论也可从图7（e）中直流负载的功率Pload_dc和交流负载的功率Pload_ac一直保持在额定值得出。因此，这段动态过程中，4个端口的功率关系不满足式（3）的约束条件，为保证功率平衡，海上风电厂发出的富余有功功率作用在了输入级M3C桥臂子模块的电容上，使得电容电压变大，如图 7（f）所示。通过观察图 7（b）和（f）可见，岸上电网的电流和输入级M3C桥臂子模块电容电压和在经过0.7 s后，又重新恢复了平衡状态，这与图7（e）中4个端口的功率在经过0.7 s后又重新满足式（3）的约束条件的结果一致。

4 结语

本文提出了一种面向港口供电的模块化多电平矩阵型电力电子变压器结构。通过详细描述该变压器的各部分结构，给出了其输入级、中间级和输出级相应的控制方法，实现了变压器的四端口功率平衡；最后在Matlab中搭建了仿真模型，并通过模拟双回路供电、海上风电厂单独供电和海上风电厂同时向港口和岸上电网供电这3种典型工况验证了所提拓扑及其控制方法的正确性和有效性。