Chinese Journal of Ship Research
船舶中压直流电力系统中模块化多电平逆变器的谐波性能仿真研究
郭燚，邵德东，郭将驰，张权宝，李艺（134）
：［目的］对船舶中压直流（MVDC）电力系统而言，模块化多电平逆变器（MMC）的应用是目前研究的热摘 要 MMC点。MMC MVDC的输出电压波形是否为正弦波将直接决定 电网和负载的工作性能，因此改善 的谐波性能MVDC MMC显得尤为重要。［方法］首先，以船舶 电力系统为背景，研究 的谐波特性与电压等级、桥臂子模块（SM）数量之间的关系；然后，针对控制器采样周期、载波频率、调制比和桥臂电感值等参数对MMC逆变器谐波性能的影响，开展仿真对比分析。［结果］研究结果表明：较高电压等级的MMC应配置较多的子模块；当明确MMC MMC MMC子模块的数量后，调制比和采样周期是 谐波特性的主要影响因素。［结论］所得结论可为中压型逆变器的参数设计提供决策依据。关键词：模块化多电平逆变器；中压直流电力系统；谐波性能；中压等级
郭燚，邵德东，郭将驰，张权宝，李艺
201306上海海事大学 物流工程学院，上海
中图分类号：U665.12 文献标志码：A DOI：10.19693/j.issn.1673-3185. 01160 Simulation study of harmonic characteristics of modular multilevel converter in medium voltage DC power system on ship Guo Yi，Shao Dedong，Guo Jiangchi，Zhang Quanbao，Li Yi Logistics Engineering College，Shanghai Maritime University，Shanghai 201306，China Abstract：［Objectives］ For a Medium Voltage Direct Current （MVDC） power system on a ship, the application of the Modular Multilevel Converter（MMC）is a hot research topic. Whether the output voltage waveform of the MMC is a sine wave will directly determine the working performance of the MVDC power grid and load，so it is particularly important to improve the harmonic performance of the MMC.［Methods］ First，based on the MVDC power system of a ship，the interactions between the harmonic characteristics， voltage level and number of bridge arm Sub-Modules（SMs）of the MMC inverter are studied. Next，the harmonic variation tendency of the MMC under the influence of the sampling period， carrier wave frequency，modulation ratio and arm inductance are studied in detail.［Results］It is found that a higher voltage grade MMC needs to be equipped with a larger number of SMs. When the number of SMs is given， the sampling period and modulation ratio play major roles in the harmonic improvement of the MMC. ［Conclusions］The results of this paper can provide valuable references for selecting the parameter design of medium pressure MMC inverters. Key words：Modular Multilevel Converter （MMC）；Medium Voltage Direct Current （MVDC） power system；harmonic characteristics；medium voltage grade
0引言
与陆上电力系统相比，船舶电力系统的容量较小，其运行负载的容量变化易引起电网电压和频率的波动，且其输电线路较短，在故障工况下的短路电流较大。因此，船舶电力系统对稳定性和安全性设计的要求一般较高。此外，随着大功率船舶负载的接入和船舶电网电压等级的提升，中流（Medium Voltage Direct Current，MVDC）电压直力系统已逐渐成为船舶电力系统的主流发展趋势。与中压交流电网相比，MVDC电网没有无功功率传输，可以有效降低线路损耗并减轻电缆重量，且有利于发电机组的并联运行，同时没有严格的相位匹配要求［1］。目前，基于模块化多电平逆Modular Multilevel Converter，MMC变器（ ）的船舶MVDC电力系统因其优异的谐波特性和故障穿越能力，已成为该领域的研究热点。目前，MMC在船舶电力系统中的研究尚处于理论实验阶段。2015年，美国佛罗里达州立大学4 MMC，高级电力系统中心建立了包含 个独立的5MW 6~24 kV总额定功率为 ，直流电压等级为 的MVDC MVDC硬件在环实验室，对船舶 电力系统MMC应用有着重要的研究价值［2］。此外，该中的 Mo MMC等［3］提出了一种中心的 直流阻抗建模和MMC稳定性分析的方法，并通过 直流阻抗的数学MMC计算和仿真模型测量值的对比，建立了基于MVDC阻抗特性的船舶 系统模型，可用于船舶MVDC Chen 等［4系统的稳定性设计。 ］基于船舶MVDC MMC电力系统设计了 的分级冗余控制策略，并通过在每个桥臂上引入热保留子模块和冷保留子模块，从而使系统具备故障穿越能力。屠卿瑞等［5］基于柔性直流输电系统，在最近电平Nearest Level Modulation，NLM）策逼近调制（ 略的基 础 上 ，分 析 了 控 制 器 触 发 频 率 、子 模 块（Sub-Module，SM 3 ）数量、调制比这 个因素对MMC电平数量的影响，并针对改进柔性直流输电MMC MMC的谐波特性，提出了 电平数量和控制器触发频率的选择原则。综上所述，目前大多数学者主要是从改进MMC拓扑、调制策略及环流抑制器设计等方面入MMC MVDC手来改善 的谐波性能，尚未针对船舶MMC电力系统 谐波性能的影响因素开展研究。MVDC MMC因此，本文将以船舶 电力系统 为MMC MVDC研究对象，首先，验证 应用于船舶 电MMC力系统的可行性；其次，研究 谐波性能与电压等级、MMC子模块数之间的相互影响；最后，将 5kV MVDC针对 船舶 电力系统，分析控制器采样4周期、载波频率、调制比和桥臂电感值等 个因素MMC对中压型 谐波性能的影响。
1 MMC-MVDC的理论基础 1.1 船舶MVDC环形电网模型
环形电网具有良好的供电连续性和故障处理MMC MVDC力［6］。能 本文提出一种基于 的 环形1所示。2 36 MW电网模型［7-8］，如图 台额定功率为2 4MW的主发电机和 台额定功率为 的辅助发电5kV MVDC机经整流后为 级 母线供电，并采用分4区配电的方式为 个区域负载中心供电（从船艏到船艉），模型中的所有整流器和逆变器均采用MMC拓扑结构。
1.2 MMC的拓扑结构
1 MVDC图 所示 环形电网模型中逆变器的基2（a）所示，三相全桥逆变器的每个桥本拓扑如图个子模块（SM1，SM2，…，SMN）和一个桥臂电臂由N感器L串联而成，整流器拓扑与之类似。传统的2（b）所示，由 2半桥子模块电路结构如图 个电力1 2电子开关和 个电容器组成，其中上、下 个开关的触发信号相反，通过开关的导通和关断来控制子模块电容电压的投切，从而在交流侧形成阶梯电压波形。MMC的子模块数量由直流母线电压U 和开dc关器件的耐压值共同决定。设每个子模块的电容额定电压为U C（小于开关器件的耐压值），则单个桥臂子模块的数量 N 为U 1 dc N （ ） UC 2015》中中国船级社在《钢质海船入级规范 5%，要求，船舶电网的总谐波畸变率一般不大于