基于VSC 的直流配电网在舰船电力系统中的应用

1 概述

近年来，随着分布式电源和海洋舰船技术的发展，直流配电系统逐渐成为国内外学者研究的热点。与交流配电相比，直流配电系统具有电能变换环节少，传输效率高，系统结构简单，经济性好等特点。可以预见，随着分布式电源的推广应用已经直流终端负荷的增多，直流配电网将在局部区域获得广泛应用[1]。

基于VSC 的直流配电网是指利用脉宽调制电压源换流器(Voltage Source Converter,VSC)等新一代电力电子器件构建的直流电网。由于电压源换流器电源能够实现自关断、稳定性好、无功功率和有功功率独立快速控制的能力，在技术与经济等多项指标中，基于VSC 的直流配电技术的优势越来越明显。目前，直流配电技术的应用主要集中在数据中心、铁路牵引系统、舰船配电系统、网络通信和轻工业园区等供电领域。

在舰船配电系统的应用中，北卡罗来纳大学以直流配电舰船系统分析了直流配电在实际应用中面临的瓶颈与机遇，2011年他们提出了舰船直流配电未来的可再生能源管理（FREEDM）系统结构，系统中包含了交流与直流混合配电模式，其中直流配电网主要用于太阳能等分布式电源单元、储能单元和直流负载三个部分[2]。本文基于VSC 直流配电网建立了舰船电力系统柔性直流配电的数学模型，设计了换流器的控制方式，并采用d-q控制策略，在PSCAD/EMTDC 软件中搭建VSC 仿真模型，验证了基于VSC 直流配电网在解决舰船电力系统问题上是有效的。

2 舰船电力配电系统现状

随着海洋舰船技术的发展，舰船正向大型化、现代化、全电力化的方向发展，其电力系统也从辅助系统逐渐演变成主动力系统，因此对舰船电力系统的稳定性、可靠性和智能性提出了更高的要求。目前，在常规船舰电力系统中，仍然主要采用以交流配电为主的区域配电形式，电力系统配电网络设置2-3 个发电站，同时配备有多个直流蓄电装置（UPS），对重要的设备实行多回路供电。大型船舰的配电系统一般分为一次配电系统和二次配电系统，它主要有主配电箱、负荷中心、区域配电箱及输电电缆组成。在主配电系统电能传输过程中，用电设备从主配电箱取得正常电源和备用(UPS)电源，保证电力供应的稳定性[3-4]。

与舰船上交流配电系统类似，直流配电网络同样需要考虑电力供应的稳定性和冗余性，它的基本拓扑结构主要包括有环状直流配电网络、两端供电直流配电网络和放射状直流配电网络三种形式。在舰船直流配电系统中，通常以AC/DC 整流和DC/AC 逆变装置为核心元件实现区域供电，多数电力设备都采用冗余设计供电方案，从而保证舰船上重要设备的连续供电，电力配电网络系统结构如图1 所示。

图1 舰船直流配电网络结构示意图

3 系统建模及控制器设计

3.1 数学模型

含分布式电源的舰船直流配电换流器等效电路如图2 所示。Esa、Esb、Esc分别为abc 三相交流输入端瞬时相电压，Ea、Eb、Ec分别为abc 三相交流输出端瞬时相电压。

图2 换流器等效电路

其中直流电容C1和C2是为VSC 提供电压并减少直流端产生的谐波，电感L 用于消除系统电源侧产生的谐波电流，R 表示变流器串联及线路的等效损耗。

根据等效电路图1 可以得到系统在abc 三相静止坐标下交流侧动态微分方程为：

在稳态条件下，dq0 坐标下的电流和电压关系方程式为：

将坐标进行Park 变换得到dq 同步旋转坐标系下的数学模型为：

根据瞬时功率的定义，可知输送的有功功率Ps和无功功率Qs为：

根据公式（4）可以看出，有功功率Ps和无功功率Qs分别与电流id和iq成线性关系，所以可以通过控制电流id和iq的值来控制有功和无功功率的大小。通过d 和q 轴上分别设定电流控制器双回路，实现对功率和电流的双重控制，可以有效提高配电系统的快速响应性和稳定性。

3.2 控制器设计

VSC 通常采用正弦脉宽调制技术，当VSC 配电系统用于分布式电源单元并网时，通常分布式电源侧采用定有功和无功控制策略，电源系统侧则采用定直流电压控制策略，然后通过分析两端功率的传输，并通过公式（4）对有功功率P 和无功功率Q的控制转化为对电流i 的控制，控制系统采用双闭环控制结构[5]。为了保证整流侧有功功率输出的平稳性，通常采用定有功功率和无功功率方式，而逆变侧则采用定无功功率和直流电压的控制方式。本文根据上述舰船直流配电系统数学模型，构建了四端分布式电源直流配电系统的仿真结构，分别采用有源网络和有源、无源网络相结合的主从控制策略。换流站之间采取并联的形式，增加了配电系统的灵活性和稳定性，系统拓扑结构如图3 所示。

文章来源：《电力系统保护与控制》 网址: http://www.dlxtbhykzzz.cn/qikandaodu/2020/1006/546.html