中压直流船舶电力系统MMC的参数研究.pdf
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1、第45卷第16 期2023年8 月舰船科学技术SHIP SCIENCEANDTECHNOLOGYVol.45,No.16Aug.,2023中压直流船舶电力系统MMC 的参数研究罗朝明1-2,高岚1.2(1.武汉理工大学船舶动力工程技术交通行业重点实验室,湖北武汉430 0 6 3;2.武汉理工大学船海与能源动力工程学院,湖北武汉430 0 6 3)摘要:在中压直流船舶综合电力系统中,换流器是其关键组成部分,但随着船舶电力系统电压等级的提升,传统换流器已经不能满足系统的需求。模块化多电平换流器(ModularMultilevelConverter,MMC)作为一种新型换流器,可以代替传统换流器。
2、首先对MMC的原理进行介绍,结合中压直流船舶电力系统的参数设计合适的MMC,并从子模块的电容电压波动、系统有功功率响应时间、抑制系统谐振和抑制系统内部环流4个方面对子模块电容和桥臂电感值进行选取,最后经过Matlab/Simulink仿真验证方案的可行性。关键词:模块化多电平换流器;中压直流;综合电力系统;电容值;桥臂电感中图分类号:U665.1文章编号:16 7 2-7 6 49(2 0 2 3)16-0 0 9 4-0 6Research on parameters of MMC in MVDC marine power system(1.Key Laboratory of Marine
3、Power Engineering and Technology,Wuhan 430063,China;2.School of Naval Architecture,Ocean and Energy Power Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,China)Abstract:In the MVDC marine integrated power system,the converter is the key component,but with the improve-ment of the voltage leve
4、l of the marine power system,the traditional converter can not meet the needs of the system.As anew type of converter,modular multilevel converter(MMC)can replace the traditional converter.Firstly,the principle ofMMC is briefly introduced,and the appropriate MMC is designed in combination with the p
5、arameters of the MVDC marinepower system.The capacitance and bridge arm inductance of the sub module are selected from four aspects:the capacitancevoltage fluctuation of the sub module,the response time of the system active power,the suppression of the system resonanceand the suppression of the inte
6、rnal circulation of the system.Finally,the feasibility of the scheme is verified by matlab/sim-ulink simulation.Key words:modular multilevel converter;MVDC;integrated power system;capacitance value;bridge arm in-ductance0引言目前的船舶电力系统中,大多采用的是交流供电,该系统在能量传输过程中,存在着大量的转化级,使得变压器和滤波装置的需求也随之增大,这增加了系统功率的损耗。此外
7、,交流船舶电力系统中存在发电机并联困难、线路压降大等问题。而在中压直流电力系统中,这些问题得到了解决。船舶直流电网的典型结构如图1所示,主要由中压发电机、换流器、输电线路及负载组成。该系统不仅可以为舰船负收稿日期:2 0 2 2-0 8-0 5作者简介:罗朝明(19 9 7-),男,硕士研究生,研究方向为船舶电气及自动化。文献标识码:ALUO Chao-ming*2,GAO Lanl2命周期费2 。从船舶直流电力系统结构图中可以看出,换流器是系统中的一个重要组成部分。目前船舶电力系统中整流器主要采用基于晶闸管结构组成,逆变器主要采用基于IGBT的全桥逆变电路组成。但随着现在船舶的电压等级不断提
8、高,传统的换流器出现了很多新的挑战。例如,受IGBT的耐压限制,传统换流器无法用于中高压电力系统,因此,可采用MMC代替传统doi:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.16.019载提供电源平台,而且能简化舰船动力系统结构、提高舰船系统效率、降低舰船噪声能级、减少舰船全寿第45卷发电机组1 发电机组2ACAC/整流器ACDCDC直流母线DCACACloadDC load交流用电器直流用电器推动电机1推动电机2图1船舶直流电网的典型结构图Fig.1 Typical structure diagram of ship DC power grid换流器。要使MMC在系统中稳定
9、运行,其参数设计是一个关键问题,包括子模块个数、子模块电容及桥臂电感值,而这些参数受多种因素影响。王姗姗等3从系统中MMC的稳态能量交换过程,系统动态响应特性2 个方面进行子模块电容值的计算,再通过系统暂态时的能量交换过程以及抑制直流双极短路故障2个方面对其进行校验。刘普等4 通过推导桥臂电流与系统传输能量及系统运行状态之间的关系,得出流过子模块电容的电流表达式,从子模块最高电压工作限制及避免系统谐振方面考虑,对子模块电容进行设计计算。周月宾等51通过额定储能值的标么化计算模型,在MMC额定储能值随调制比和功率输出范围变化规律的基础上对子模块电容量进行计算。杨立敏等6 通过分析全桥型MMC中子
10、模块电压呈负电平时,需要满足约束关系,推导出最优效率的交流测和直流侧的电压以及单个桥臂子模块数量的表达式。以上文献都是针对高压直流输电系统,在子模块电容的取值上主要考虑系统内部能量脉动,桥臂电感取值主要考虑避免谐振发生,但是忽略了各参数之间的相互影响。本文针对直流母线电压为6 0 0 0 V的中压直流船舶电力系统进行研究,综合考虑各参数的限制因素,从IGBT承压等级考虑,确定子模块个数,从子模块电容电压波动率、系统有功功率响应时间、抑制系统谐振和抑制系统内部环流4个方面对子模块电容和桥臂电感值进行选取。最后通过仿真验证,确定其合理性。1模块化多电平换流器模块化多电平换流器最早是由德国慕尼黑联邦
11、国防大学的RainerMarquardt教授于2 0 0 1年提出7 ,其基本结构如图2 所示。罗朝明,等:中压直流船舶电力系统MMC的参数研究发电机组3发电机组4相单元GSM1uapSM2DCDCDC/DCDCDCDCDCACAC/DC逆变器DC loadMM直流用电器交流用电器95桥臂idcSM1SM1SM2SM2桥臂电感SMMSMMSMNLoRoIL3/AAC load子模块电容PoN半桥子模块ULSM1SM1SM2SM2SM2uan发电机图2 MMC整流器的基本结构Fig.2Basic structure of MMC rectifier模块化多电平换流器主要是由6 个桥臂构成,每个桥
12、臂中又包含多个子模块和一个电感器,子模块有多种结构,目前最常用的是半桥子模块。半桥子模块是由2 个IGBT、2 个反并联二极管和1个电容器构成8 ,它允许子模块的简单级联,从而简单增加输出电压电平的数量。发电机产生交流电,经过MMC整流器,通过控制其子模块的投人与切除,从而将交流电转化为直流电,传人直流母线中。2MMC的参数确定2.1子模块个数的选择子模块所能承受的电压等级是确定MMC单相桥臂子模块数量的决定性因素。通过分析MMC的工作原理可知,系统中的每个桥臂都需要具有承受全部直流电压的能力。应满足NU可知,单个桥臂上的子模块的个数N由直流侧电压Udc和子模块电容电压的平均值Uc决定,为简化
13、设计过程,暂时不考虑穴余度,上式均取等号。单个子模块所能承受的电压与开关设备的额定电压有关9。目前IGBT耐压等级一般有:6 0 0 V、12 0 0 V、1700V、2 50 0 V。如果子模块选用耐压等级为6 0 0 V的IGBT,则每个子模块最高能承受的电压为6 0 0 V,因为直流侧电压为6 0 0 0 V,所以单个桥臂上至少需要10子模块,本文取N=10。在子模块数量不是很多的情况下,MMC的电平数SM1SMMSMNUdcSMM(1)96和子模块的个数直接相关,且满足nlevel=N+1。式中:nlevel代表电平数,N为每个桥臂的子模块数量。所以可以得到,当每个桥臂子模块数量为10
14、 个时,换流器可产生11电平。2.2子模块电容值参数的确定2.2.1抑制子模块电容电压波动的电容值选取MMC在正常工作时,由于桥臂电流对子模块电容的充放电过程,会使子模块的电容电压产生波动10 。为了让系统稳定运行,需要限制子模块电容电压的波动范围。所有子模块平均电容电压随时间变换值uc.pa(t)可以表示为:Uuc+Autcp(l).Nc,patNU为直流分量,Aue.a()为波动分量。式中:N电容电压偏离其直流分量的波动范围被称为电容电压波动率,其表达式为:IAuc,pa(t)l8=U子模块电容储能的最大变化量为:2SvW c o(m)=3mNw式中:Sv和分别为P,和Q,构成的视在功率及
15、其功率因数角;m为调制比;w为基波角频率。如果用Weo.max和Weo.min表示子模块电容的最大和最小储能值12 1,并假设子模块的电容电压在其额定值上下波动的幅值相等,则有Weo,max(m)=2Weo,min(m)=CoU de(1-8)?。由式(7)和式(8)可以得到子模块电容的最大储能变化量为:A Weo.max=Weo.max-Weo.min=CoU/e(4根据式(6)和式(9),可以得到:1Sv8=3mNwCoUgdc舰船科学技术选取子模块的电容值时,应该考虑波动幅度最大的工况。经研究表明,当MMC满容量发无功时,子(2)模块的电容电压波动幅度最大,此时Sv=SvN(Sv N为额
16、定功率),m1,c o s=0。因此有Co=3当SvN=36MW,N=10,基波角频率w=100rad/s,Ude=6000V,由式(12)可得到子模块电压波动率和子模块电容值的关系曲线,如图2 所示。一般认为子模块电压波动率不能超过10%,由图3可知,子模块电容Co应不小于3.5mF。35302520(3)1510500(4)2.2.2考虑系统有功功率响应时间的电容值选取在直流输电系统中,有功功率需要通过两端换流器的协调控制来完成。系统中一端采用定直流电压控mcos4)213/2(5)2;CoUde(1+:)?,mcosd)13/22第45卷1SvN(10)dc(3.5,10)5C/mF图3
17、-Co曲线Fig.3e-Cocurve制,另一端采用定有功功率控制,后者电压需要跟随有功功率指令,假设调节时间为t,则有Co2式中:C为单个桥臂等效电容;umax为子模块电容电压最大波动量。一般有功功率的响应时间不超过5ms,(6)由式(14)可得,对应的子模块电容值应该小于14mF。2.3桥臂电感参数的确定2.3.1抑制系统谐振桥臂电感值的计算(7)当MMC正常运行时,桥臂等效电容会随子模块的状态变化而变化,如果桥臂电感值过小,可能引发桥臂等效电容与桥臂电感发生谐振,最终导致MMC的各相桥臂电流发生畸变,放大相间环流,增大功率损耗13。(4)。(8)(9)10NTSVN由电路理论知道,对于电
18、感和电容串联电路,在串联谐振角频率Wres的表达式为:1NWrs=2VLoCo1520(11)(12)第45卷二倍频环流谐振角频率wcirel可以表示为:Wcirel=式中:w为电网的运行角频率,f(1)=元Nm/8,其中m为调制比。当Wres=Wcirel时,会产生二倍频环流分量的谐振,此时系统内部的二倍频环流达到最大值。在选取桥臂电感Lo,应该使相单元串联谐振角频率Wres远离二倍频环流谐振角频率wcirel。因为调制比m的取值范围为0 1,所以f(1)的范围为0 元N/8,由此可以得到wcirel的变化范围为:Wcirel=1.55w 2w。可知,有2 种方案可以使得wres远离wire
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