类全桥子模块MMC在船舶中压直流电力系统中的应用_谭学武.pdf

26 电子技术 第 52 卷 第 2 期（总第 555 期）2023 年 2 月Electronics 电子学加速故障电流的衰减。2 直流故障阻断机理研究本文以直流双极短路故障为例，对SFBSM-MMC的直流故障阻断机理开展研究，将故障处理过程分为闭锁前阶段和闭锁阶段。2.1 闭锁前阶段闭锁前阶段的放电回路及其等效电路如图2所示，闭锁前几毫秒过程的直流故障电流主要来自桥臂电容放电电流，电容放电路径与电流流向见图2（a）红线，由图2分析可得式（1）。（1）式中，idc为故障回路电流；upO、unO为正负极对地电0 引言因直流断路器工艺不成熟和开断能力欠佳，解决船舶MVDC电力系统的直流故障问题的首选方法便是借助MMC自身结构限制直流侧故障1,2。董云龙3提出的类全桥子模块（Simple Full Bridge Sub-Module,SFBSM）MMC减少IGBT数量并兼备直流故障阻断能力，目前国内外学者并未在船舶电气领域对其研究。为了解决船舶MVDC电力系统的直流故障问题，本文提出采用SFBSM-MMC作为系统整流器，分析了其拓扑结构和直流故障阻断机理，最后使用Matlab对其直流故障阻断能力进行了验证。仿真结果表明，SFBSM-MMC能够在故障阶段毫秒级清除直流故障电流。1 拓扑结构和工作原理SFBSM-MMC拓扑结构如图1所示，其具有正投入、切除和闭锁三种工作模式。闭锁模式下，桥臂电流i0时，桥臂电流通过二极管D1和D4给电容C充电，从而为放电回路提供反电势以切断故障点弧道；桥臂电流i0时，故障电流通过二极管D2和D3给子模块电容C充电，从而迅速建立故障回路反电势，作者简介：谭学武，湖南工业大学电气与信息工程学院，硕士；研究方向：现代电力电子技术及系统。邓木生，湖南工业大学电气与信息工程学院，副教授；研究方向：电气控制、应用电子技术。张鹏程，湖南工业大学电气与信息工程学院，硕士；研究方向：现代电力电子技术及系统。收稿日期：2023-01-10；修回日期：2023-02-12。摘要：阐述船舶中压直流(MVDC)电力系统的直流故障问题，提出采用类全桥子模块MMC（SFBSM-MMC）作为系统的整流器，使其具有直流故障阻断能力。探讨SFBSM-MMC的拓扑结构和直流故障阻断机理，使用Matlab对提出的方案进行验证。关键词：SFBSM-MMC，直流故障，船舶MVDC系统。中图分类号：TM721.1 文章编号：1000-0755(2023)02-0026-02文献引用格式：谭学武，邓木生，张鹏程.类全桥子模块MMC在船舶中压直流电力系统中的应用J.电子技术,2023,52(02):26-27.类全桥子模块MMC在船舶中压直流电力系统中的应用 谭学武，邓木生，张鹏程（湖南工业大学 电气与信息工程学院，湖南 412007）Abstract This paper expounds the DC fault problem of the marine medium-voltage direct current(MVDC)power system,and proposes to use the full-bridge sub-module MMC(SFBSM-MMC)as the rectifier of the system to make it have the DC fault blocking ability.It discusses the topology and DC fault blocking mechanism of SFBSM-MMC,and uses Matlab to verify the proposed scheme.Index Terms SFBSM-MMC,DC fault,ship MVDC system.Application of Simple Full Bridge Sub-Module in Marine MVDC Power SystemTAN Xuewu,DENG Musheng,ZHANG Pengcheng(College of Electrical and Information Engineering,Hunan University of Technology,Hunan 412007,China.)图1 SFBSM-MMC拓扑结构 电子技术 第 52 卷 第 2 期（总第 555 期）2023 年 2 月 27Electronics 电子学压。设故障发生时刻为0，则故障等效电路的初始条件和微分方程如式（2）。（2）（3）由式(2)和式(3)，求解出udc和idc为式（4）和式（5）。（4）（5）由式(5)可得闭锁前几毫秒内直流故障电流近似呈直线上升。2.2 闭锁阶段闭锁瞬间，桥臂电流方向为图3（a）红线方向，闭锁后几毫秒内，电容提供反向电压迫使桥臂电流下降，同时电容处于充电状态，电容电压持续升高至满足式（6）,整个过程桥臂电流非振荡降低到零；当桥臂电流为零时，二极管处于反向截止状态，阻断了电容放电路径，使得直流故障点电弧快速熄灭，不会重燃。（6）闭锁后该桥臂的等效电路如图3（b）所示，其中ueq为桥臂端电压，闭锁后的桥臂等效电路的状态方程如式（7）（7）3 仿真验证与结果分析 3.1 船舶MVDC电力系统仿真模型为了验证SFBSM-MMC的直流故障阻断能力，在Matlab中搭建了船舶MVDC电力系统单端仿真模型，模型电气参数见表1。3.2 仿真结果图4是交流侧电压和电流波形图，闭锁后交流电流迅速降低为零，交流电压并未受到明显的影响。图5是直流侧电压和电流波形图，故障发生后，直流电压迅速降低为零，直流电流因子模块电容放电而在短时间内迅速抬升，系统闭锁后，直流故障电流因反电势作用下降至零。图6是子模块电容电压波形图，由于所有子模块及时闭锁，故电容电压值维持不变，为故障清除后系统的故障再启动创造条件。4 结语本文提出采用SFBSM-MMC作为船舶MVDC电力系统的整流器，能够毫秒级清除直流故障电流，同时减少了开关管数量，具有良好的经济性。参考文献1丁少华.MMC在船舶中压直流电力系统中的应用J.舰船科学技术,2019,41(08):106-108.2 刘翰宇,郭燚,辛浩东,王宇恒.自阻型MMC整流器在船舶中压直流电力系统中的应用J.船舶工程,2022,44(03):88-95.3 董云龙,汪楠楠,田杰,曹冬明,李海英,李九虎.一种新型模块化多电平换流器J.电力系统自动化,2016,40(01):116-121.图2 闭锁前阶段的放电回路及其等效电路图3 闭锁阶段的电容充电回路及其等效电路表1 系统仿真模型电气参数图4 交流侧电压和电流波形 图5 直流侧电压和电流波形图6 子模块电容电压波形