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原文传递模块化三端口直流变换器多目标优化设计与运行控制研究

论文题名：	模块化三端口直流变换器多目标优化设计与运行控制研究
关键词：	舰船综合电力系统;多端口变换器;多目标优化设计;不平衡运行;模式切换控制
摘要：	舰船综合电力系统是发展海上舰船的革命性技术。其以电能作为统一的能量形式，实现了全船能量的综合调配和统一利用。1998 年我国海军工程大学科研团队在国际上率先提出了发展中压直流舰船综合电力系统的技术路线。与传统的中压交流系统相比，中压直流系统采用高速集成整流发电机取代了传统的工频交流同步发电机，降低了装置的体积重量；采用中压直流配电网，解锁了原动机转速约束，提升了系统运行效率；引入储能元件，大大加强了舰船系统的供电灵活性与可靠性；采用智能化能量管理系统，加强了信息采集和处理能力，改善了舰船电力系统供电质量，加快了系统应对突发事故的响应速度。　　随着中压直流舰船综合电力系统进一步发展，船上的能量端口（如储能元件、更高电压等级的汇流母线、脉冲式电源或负荷等）种类越来越多，端口特性也越来越复杂。对此，传统的基于两端口电能变换的变配电方案因其电能变换级数多、能量调配路径长、动态性能差、运行效率低等缺陷，无法满足二代舰船综合电力系统的发展需求。与之相比，基于多端口电能变换的舰船变配电方案，通过多端口变换器“一站式”连接多种能量端口，不仅可以缩短能量流动路径，还可以提高系统的动态响应性能。然而，目前尚缺乏一种能够响应二代舰船综合电力系统需求的多端口变换器。因此，多端口变换器的研究对舰船变配电系统的发展具有重要意义。　　在不同的多端口变换器拓扑中，基于开关电容解耦的多端口变换器拓扑族因其功率密度大、运行效率高、容错能力强、具备不平衡运行能力等特点，非常适合用于舰船综合电力系统。因此，本文针对该型拓扑族展开研究。首先对组成多端口变换器的子变换器进行了拓扑论证，提出了一种模块化三端口直流变换器的具体电路，并根据二代舰船综合电力系统变配电分系统需求，设计了八种典型工作模式，并提出了相应的模式切换控制策略。接着介绍了该型变换器的运行原理，并建立了数学模型。此后，本文针对基于开关电容解耦的多端口变换器拓扑族亟待解决的三大科学问题，以模块化三端口直流变换器为例展开了深入研究。每个科学问题的具体研究内容如下：　　（1）可靠性分析与参数多目标优化设计：对模块化三端口直流变换器故障运行特点进行了深入分析，论述了模块化三端口直流变换器的容错运行方式，建立了基于 Markov 过程和改进 k/n 表决模型的三级式可靠性量化评估模型，最后将该变换器的故障保护策略与传统的交流模块化多电平变换器进行了比较。此外，提出了计及变换器可靠性、运行效率和功率密度的基于快速非支配排序遗传算法的多目标优化参数设计方案，计算并绘制了Pareto最优前沿，为用户面对不同的应用场景提供选择。　　（2）闭环控制策略与级联稳定性分析：在对模块化三端口直流变换器闭环级联系统特征的研究的基础上，提出了该变换器在不同工作模式下的闭环控制策略。特别是针对直流多端口模块化多电平子变换器控制中间母线电压的工况，提出了一种三闭环解耦控制结构，解决了传统控制策略中存在的控制环路耦合严重、中压侧电流不受控、存在低频振荡等问题。随后，基于所提出的闭环控制策略，推导了各子变换器的闭环阻抗特性。最后，针对传统级联稳定判据没有考虑多端口变换器各端口之间阻抗耦合特性的问题，重新分析了模块化三端口直流变换器在不同工作模式下的级联系统特征，并提出了一套适用于模块化三端口直流变换器的新型级联稳定判据。　　（3）考虑储能荷电状态均衡的不平衡运行原理：在舰船电力系统中，分布式储能元件常常出现电量分布不均的情况。为了均衡储能元件的荷电状态，需要模块化三端口直流变换器运行在支路功率不平衡的工况下。对此，本文分析了模块化三端口直流变换器的不平衡运行特性，提出了变换器不平衡运行边界，并在不平衡运行边界的基础上，提出了储能元件的荷电状态快速均衡控制策略。模块化三端口直流变换器的支路功率不平衡运行会增加中压侧直流电流纹波，危害装置的运行。因此本文分析了变换器在不平衡运行工况下的中压侧直流电流纹波特性，并提出了一种基于遗传算法的最优移相调制策略，显著降低了中压侧电流纹波。　　最后，本文构建了 20kW级模块化三端口直流变换器原理样机实验平台，其机械结构和控制系统均采用模块化设计，便于生产、制造与维护，可扩展性较好。控制系统采用主从式环网控制架构。本文借助该原理样机实验平台，进行了模块化三端口直流变换器的控制策略动静态实验、不平衡边界实验、荷电状态均衡控制策略实验以及最优移相调制策略实验，验证了理论研究的正确性。
作者：	陈鹏
专业：	电气工程
导师：	马伟明
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2022