MMC在船舶中压直流电力系统中的应用.docx
- 文档编号:5053165
- 上传时间:2022-12-12
- 格式:DOCX
- 页数:16
- 大小:2.66MB
MMC在船舶中压直流电力系统中的应用.docx
《MMC在船舶中压直流电力系统中的应用.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《MMC在船舶中压直流电力系统中的应用.docx(16页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
MMC在船舶中压直流电力系统中的应用
MMC在船舶中压直流电力系统中的应用
作者:
郭燚张震雷玉磊
来源:
《上海海事大学学报》2018年第01期
摘要:
在船舶中压直流(mediumvoltagedirectcurrent,MVDC)电力系统中,为解决功率为36MW的发电机电压的整流问题,建立适用于船舶MVDC电力系统的模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter,MMC)模型。
在空间矢量控制方法的基础上,加入桥臂电压控制。
在直流电压为5kV及负载不同的情况下,应用MATLAB/Simulink对该模型进行仿真,验证模型和控制方法的有效性。
基于此,研究该模型在不同直流电压(5~30kV)等级下的性能表现。
仿真结果表明:
在36MW/5kV的额定工况下MMC存在效率低的问题;直流电压等级对MMC输出直流电压的纹波影响不大,但对MMC的效率有明显的影响。
关键词:
模块化多电平换流器(MMC);中压直流(MVDC);直流电压等级;损耗
中图分类号:
U665.12
文献标志码:
A
ApplicationofMMCinshipMVDCpowersystem
GUOYi,ZHANGZhen,LEIYulei
(
LogisticsEngineeringCollege,ShanghaiMaritimeUniversity,Shanghai201306,China)
Abstract:
Inordertosolvethevoltagerectificationproblemofgeneratorswiththepowerof36MWintheshipmediumvoltagedirectcurrent(MVDC)powersystem,amodularmultilevelconverter(MMC)modelisestablishedforshipMVDCpowersystem.Onthebasisofthespacevectorcontrolmethod,thebridgearmvoltagecontrolisjoined.ThemodelissimulatedbyMATLAB/Simulinkintheconditionof5kVDCvoltageandthedifferentloadssoastovalidatetheeffectivenessofthemodelandthecontrolmethod.Basedontheabove,theperformanceofthemodelindifferentDCvoltage(between5kVand30kV)gradesisstudied.Thesimulationresultsshowthat:
theefficiencyofMMCislowerundertheratedconditionof36MW/5kV;theDCvoltagegradehasslightinfluenceontheDCvoltagerippleoutputbyMMC,buthassignificantinfluenceontheefficiencyofMMC.
Keywords:
modularmultilevelconverter(MMC);mediumvoltagedirectcurrent(MVDC);DCvoltagegrade;loss
收稿日期:
2017-03-24
修回日期:
2017-05-23
作者简介:
郭燚(1971—),男,安徽安庆人,副教授,博士,研究方向为电力电子与电力传动,(E-mail)gymwmw@
0引言
随着现代舰船对能量需求的不断提升,船舶电网从中压交流系统向中压直流(mediumvoltagedirectcurrent,MVDC)系统转变[1-4]。
文献[5]率先提出了具有高可靠性和良好供电连续性的环形电网。
文献[6]和[7]在此基础上提出了新型环形船舶MVDC电力系统模型,以2台36MW的主发电机和2台4MW的辅助发电机作为电源,每台发电机均经过整流器整流后输出5kV的直流电压,为环形直流母线供电,并采用分区供电,使船舶MVDC电力系统即使在恶劣的工况下也能保持极佳的性能。
该模型如图1所示,为了研究方便,省去了辅助发电机部分。
图1
简化后的环形船舶MVDC电力系统模型
图1中,发电机发出的交流电,由整流器进行整流后变成直流电送入环形直流电网,直流电网为常规负载、雷达、脉冲负载、推进电机等供电。
在该模型中,如何设计适合的整流器成为研究热点。
[8-9]文献[7]中,整流部分采用桥式二极管整流器,而在实际工况下一般不使用二极管的整流方式。
目前第三代直流输电系统中常用的整流器主要有3种,即三相半桥换流器、二极管箝位型换流器和模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter,MMC)。
图2是三相半桥换流器的拓扑结构(uj,j=a,b,c,为j相交流电压;Udc为直流侧电压;C为电容),由6个桥臂组成,在高压、大功率的情况下,往往需要多个IGBT并联或串联以提高换流器的容量和电压等级。
图3所示的二极管箝位型换流器能够产生3个电平,比三相半桥换流器更能改善谐波质量,代价是需要更多的电力电子器件。
这两种换流器都需要在直流侧并联大容量电容,并且均使用脉冲宽度调制(pulsewidthmodulation,PWM)技术进行调制。
与这2种换流器相比,MMC因具有制造难度低、损耗低、阶跃电压低、波形质量好以及故障处理能力强的优点[10]而被广泛应用于直流输电系统。
目前已经有一些学者[2,8-9]开始研究使用MMC对船舶发电机进行整流,并且取得了不错的成果,但在已有的研究成果中,MMC的功率均小于6MW,很难直接应用于图1所示的船舶MVDC电力系统中。
本文针对图1所示的船舶MVDC电力系统,搭建功率为36MW的MMC-MVDC仿真模型,通过仿真验证该模型的可行性。
提出MMC损耗
估算公式,进一步研究MMC-MVDC模型在不同的直流电压等级下的性能,并验证估算公式的有效性。
图2
三相半桥换流器拓扑结构
图3
二极管箝位型换流器拓扑结构
1MMC-MVDC模型设计
在图1所示的模型中,原动机、发电机和整流器共同组成了直流电网的发电系统。
使用MMC作为整流器,并且引入变压器进行电气隔离,设计出MMC-MVDC模型,见图4。
图4
MMC-MVDC模型
在图4中,左侧是模型框图:
原动机提供原始动力,带动发电机发出三相交流电;在发电机与MMC之间加入变压器,使发电机在额定电压下工作,并保证MMC交流侧的电压保持在最佳状态,同时将发电机与船舶电网部分进行电气隔离,使系统更加安全可靠。
MMC采用如图4右侧所示的三相结构[11],其中:
O点表示零电位点;三相MMC包含6个桥臂,每个桥臂由N个子模块(SM)串联而成;同一相上、下两个桥臂(用p和n区分)之间引入2个电感值为2L的限流电感,对子模块的充放电电流进行限制,同时也能限制相间环流;带不同下标的i和u分别表示某一相或某一相上、下桥臂的电流和电压;Idc为总直流电流;2R为电阻值。
采用这种经典结构控制方便,性能稳定。
2MMC模型设计
2.1MMC主电路设计
MMC主电路的设计主要包括交流侧电压计算、子模块拓扑选择、单桥臂子模块数量确定,以及子模块电容和桥臂电感参数的选择计算,其中最重要的是子模块电容和桥臂电感参数的选择计算,它们直接影响MMC的可控性和工作性能。
为使MMC具备向交流系统发出无功功率的能力,文献[12]认为MMC交流侧相电压峰值应小于直流母线电压的一半,即选取
Uv (1) 在MMC-MVDC模型中,发电机输出的三相交流电的相电压峰值为4100V,频率为240Hz,因此可选择变压器的变比为4100∶2250,使得MMC交流侧相电压峰值Uv=2250V。 传统的MMC的子模块主要分为半桥型和全桥型两类(见图5,其中T1,T2,T3和T4为开关器件)。 图5 半桥型子模块和全桥型子模块 全桥型子模块结构复杂,控制策略多,在系统发生故障时能够实现闭锁,具有故障穿越的能力[13];半桥型子模块结构简单,控制方便,并且成本低,但是在系统发生故障时不能实现完全闭锁。 本文暂时不考虑系统出现故障时的情况,因而选择半桥型子模块进行建模。 MMC用于整流时,在使用载波相移技术进行调制时,一般N取值为4~10,在使用最近电平逼近调制(nearnestlevelmodulation,NLM)方式时,N取值越大效果越好,例如TransBayCableHVDC工程的N=216[14],上海南汇风电场MMC-HVDC示范工程的N=48[15]。 NLM方法简单,耗费控制器资源少,特别对于船上频率为240Hz的高频发电机,这种调制方式能够明显减小开关频率,因此本文选择NLM方式进行调制。 参考文献[16],设置N=20。 在高压直流输电系统中,常使用以下的公式计算子模块电容和桥臂电感参数[12,17]: C0=Ps3kNωεUC2 1-kcosφ2232 (2) L0=18ω20C0UC Ps3Ikm+Udc (3) 对于MMC-MVDC模型,取MMC功率Ps=36MW,电压调制比k=0.9,单桥臂子模块数N=20,交流电源角速度ω=1508rad/s,子模块电容电压UC=250V,功率因数cosφ=1,电容电压波动百分比ε=5%和二倍频环流峰值Ikm=1.2kA,计算得出电容和电感的参考值分别为C0=0.1F和L0=32.7mH。 然后,开环运行MMC,k固定在0.9,将电容和电感在计算出的参考值附近进行微调,直到MMC的输出直流电压为5kV为止。 这样能够保证MMC在稳态工作时k稳定在0.9左右。 经过仿真调试,最终确定C0=0.13F,L0=2L=28.5mH。 由式 (2)和(3)不难分析出,相比于高压电力系统,中压电力系统电压低、电流大,设计MMC时就需要更大的电容和更小的电感才能使其工作在最佳状态。 2.2MMC控制策略设计 控制系统对MMC整流的实现至关重要。 对MMC这类电压源型换流器控制方法的研究一直在进行,早期通常采用间接电流控制,方法简单,无须电流反馈控制,实现方便,但是存在电流响应慢的缺点。 随着现代电力电子技术的飞速发展,直接电流控制应运而生。 该控制方法以快速的直接电流反馈为特征对电流进行直接控制,能够获得高品质的电流响应,已成为发展的主流[18]。 在直接电流控制技术中,矢量控制技术应用最为广泛,该技术将变换 器在abc坐标系下的数学模型转换为dq坐标系下的数学模型,将电流电压等三相交流量转换成两相直流量,引入前馈量进行解耦,简化了数学模型,适 合于MMC的控制。 对于图4中的三相MMC拓扑结构,由文献[19]得到dq坐标系下MMC基本单元的频域数学模型: (R+sL)id(s)=ud(s)-vd(s)+ωLiq(s) (R+sL)iq(s)=uq(s)-vq(s)-ωLid(s) 根据上述频域数学模型, 以id和iq为状态变量,以ud和uq为扰动分量,以vd和vq(MMC输出的电压分量)为输入变量,引入电压耦合补偿项ωLid和ωLiq,采用PI控制器,得到电流控制器数学模型: vd=ud+ωLiq-kp1(i*d-id)-ki1∫(i*d-id)dt vq=uq+ωLid-kp2(i*q-iq)-ki2∫(i*q-iq)dt 式中: i*d和i*q为电流参考值;kpj和kij(j=1,2)分别是PI控制器的比例系数和积分系数。 根据上式设计内环电流控制器,以电压控制和无功功率控制为外环控制器,同时增加桥臂电压控制,设计出如图6所示的MMC控制器。 图6 MMC控制器 图6所示的MMC控制器,由矢量控制与桥 臂电压控制结合而成,pjC和njC分别是j相上桥臂和下桥臂子模块电容电压的平均值。 外环是电压环和无功功率环,内环是电流环,控制器的输入为Udc和无功功率Q,Udc参考值U*dc设为5kV。 MMC对Q进行控制,能够起到动态补偿交流侧Q的作用[20],为简化研究,将Q参考值Q*设为零。 输出三相虚拟电动势ej(j=a,b,c)。 在此基础上,将ej加上一个修正量,实现对桥臂电压的控制。 最终控制器输出MMC三相调制电压ej_ref(j=a,b,c),结合NLM算法和电容电压均衡策略最终对MMC进行控制。 控制器直接对电流进行控制,因而能够获得高品质的电流响应。 3MMC-MVDC仿真建模和分析 在对MMC主电路以及控制策略分析的基础上,建立如图7所示的MMC-MVDC仿真模型,包括原动机模型[21]、发电机模型[22]、变压器模型、MMC模型和测试负载。 图7中: P1为系统有功功率;P、N为直流电压输入端口;P为功率计算模块计算出的 图7 MMC-MVDC仿真模型 有功功率。 发电机额定功率36MW,相电压峰值4.1kV,频率240Hz;变压器变比4100∶2250,额定转速3600r/min;MMC模型采用上一节计算的参数。 建模的具体参数见表1。 表1 MMC-MVDC建模参数 3.1MMC对发电机影响仿真分析 为研究MMC对交流侧发电机的影响,将测试负载设置为36MW的感性负载,使系统工作在额定功率下,仿真结果见图8。 a)直流侧电压 b)交流侧电压 c)交流侧电流 图8 额定功率运行时MMC电压 电流波形 图8a)是MMC直流侧电压波形,从图中可以看出,稳态时直流电压在5kV上下波动,且纹波因数仅为0.5%,完全满足直流电网的要求。 图8b)和8c)是MMC交流侧电压和电流波形,谐波失真(THD)率分别是0.13%和0.14%,基本没有波形畸变,这表明MMC对交流侧发电机的负面影响很小。 3.2MMC-MVDC模型在不同负载下仿真分析 为进一步验证所搭建模型的动态特性和稳态特 性,对MMC-MVDC模型在不同负载下的性能表现进行仿真分析。 开始时,系统连接功率为9MW的阻性负载启动;在0.1s时,负载突变为18MW的感性负载;在0.2s时,满载运行,负载为36MW的感性负载。 仿真结果见图9。 a)交流侧电压 b)交流侧电流 c)直流侧电压 d)直流侧电流 e)MMC输入、输出有功功率 图9 MMC-MVDC电压、电流、功率仿真波形 图9a)是交流侧输入的三相电压波形,由图可知MMC对发电机发出的交流电压基本无影响。 图 9b)显示,交流侧三相电流随着负载功率的增加而增大。 图9c)是直流侧的电压波形,可以看到: 直流电压达到稳态时稳定在5000V;随着负载增加,纹波电压略有增大,但是均保持在±12.5V之内;在0.1s负载突变时,直流电压波动小于80V;在0.2s时,电压波动小于150V,满足船舶MVDC电力系统母线电压4500~5500V的限制[6]。 图9d)是直流侧的电流波形。 实验结果表明,MMC-MVDC仿真模型无论是动态特性还是稳态特性均满足船舶MVDC电力系统的要求。 图9e)是交流侧输入的有功功率和直流侧输出的有功功率,经计算,在前0.2s,MMC的效率在98%以上,但是当系统满载运行时,效率却降到了93%,MMC的损耗率高达7%,在高压系统中这一损耗率仅为1%[13],可见在36MW和5kV的工况下,虽然MMC的电压电流和动态响应均能满足电网要求,但是存在效率过低的问题。 3.3MMC损耗分析 为对MMC的损耗进行分析,用下式进行损耗估算: Ploss=3N(λIrms)2RIGBT+NIout2RIGBT (4) 式中: Irms是交流侧电流的有效值;λ是损耗因数,与MMC的控制策略有关,经试验研究,MMC-MVDC模型中λ=0.592。 在36MW和5kV的工况下,N=20,RIGBT=0.001Ω,Irms=8.49kA,Iout=7.20kA,因此Ploss=2.52MW。 在仿真试验中,实际损耗为2.55MW,与计算结果基本相等。 从式(4)可以看出,MMC的效率受流经MMC电流的影响。 为验证猜想的正确性,接下来研究在不同直流电压等级下MMC-MVDC模型的性能。 4不同直流电压等级下MMC-MVDC模型的性能 针对船舶MVDC电力系统母线电压的要求,文献[5]中给出1~35kV的7个电压等级。 本文选取5,6,12,18,24,30kV等6个电压等级进行仿真验证,仿真结果见表2,MMC的效率见图10。 表2 不同直流电压等级下MMC-MVDC模型的特性 由表2可以看出,在不同直流电压等级下,MMC的输出直流电压纹波因数均小于1%,说明直流侧电压的高低对纹波影响较小。 随着电压等级的升高,需要调节变压器的变比,使得MMC交流侧电压满足式 (1)的要求。 同时,随着MMC交流侧电压的升高,交流侧电流降低,并且MMC的效率显著提高,当直流侧电压大于18kV后,MMC效率达到99%以上。 图10 不同直流电压等级下MMC效率 图10是在不同直流电压等级下,根据式(4)计算得到的MMC效率和通过仿真得到的MMC效率曲线图。 两条曲线基本吻合,证明式(4)能够对MMC的损耗进行合理估算。 同时可以看到,MMC效率随着直流电压的升高而升高,容易得到MMC 的损耗与流经MMC的电流的平方成正比。 5结束语 针对船舶中压直流(MVDC)电力系统,设计了功率为36MW的MMC-MVDC模型,提出了空间矢量控制与桥臂电压控制相结合的控制策略。 通过MATLAB进行仿真,验证了模型和控制算法的有效性。 提出了MMC的损耗估算公式,研究了模型在不同直流电压等级下的性能,结果表明估算公式的误差不超过1%。 进一步的研究方向为: (1)在MMC子模块最大功率受限的情况下,设计出适合大功率船舶MVDC电力系统的MMC模型; (2)在直流电压等级较低的情况下,提高MMC的效率。 参考文献: [1] SUChun-lien,LINKun-liang,CHENChing-jin.Powerflowandgenerator-converterschemesstudiesinshipMVDCdistributionsystems[J].IEEETransactionsonIndustryApplications,2016,52 (1): 50-59.DOI: 10.1109/TIA.2015.2463795. [2]VECHALAPUK,BHATTACHARYAS.ModularmultilevelconverterbasedmediumvoltageDCamplifierforshipboardpowersystem[C]//InternationalSymposiumonPowerElectronicsforDistributedGenerationSystems.IEEE,2015: 1-8.DOI: 10.1109/PEDG.2015.7223098. [3]THONGAMJS,TARBOUCHIM,OKOUAF,etal.All-electricships-areviewofthepresentstateoftheart[J].IEEEConferencePublications,2013: 1-8.DOI: 10.1109/EVER.2013.6521626. [4]MORan,LIRui,LIHui.Isolatedmodularmultilevel(IMM)DC/DCconverterwithenergystorageandactivefilterfunctionforshipboardMVDCsystemapplications[C]//ElectricShipTechnologiesSymposium(ESTS).IEEE,2015: 113-117.DOI: 10.1109/ESTS.2015.7157871. [5]IEEEIndustryApplicationsSociety.IEEErecommendedpracticefor1kVto35kVmedium-voltageDCpowersystemsonships[S].IEEEStandardsAssociation,2010: 1-54.DOI: 10.1109/IEEESTD.2010.5623440. [6]ALIH,DOUGALR,OUROUAA,etal.Cross-platformvalidationofnotio
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- MMC 船舶 直流 电力系统 中的 应用
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)