电力电子积木式模块在全电船舰电力系统中的实时改进最近电平控制

Real-time Improved Nearest Level Control for Power Electronics Building Blocks in All-Electric Ship Power Systems

查看原文 · IEEE Xplore DOI: 10.1109/TIA.2025.10959104

作者	Ali Moghassemi · Laxman Timilsina · S M Imrat Rahman · Ali Arsalan · Grace Muriithi · Elutunji Buraimoh
期刊	IEEE Transactions on Industry Applications
出版日期	2025年4月
技术分类	电动汽车驱动
相关度评分	★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词	电力电子积木全电船舶模块化多电平变换器最近电平控制电容电压平衡

语言:

中文摘要

电力电子积木（PEBB）概念是将基本组件集成到可堆叠的功能模块中，从而扩展全电力船舶（AES）的变流器功率等级。这种模块化方法可降低成本、减小尺寸和重量、简化设计并降低维护难度。PEBB 可实现为模块化多电平变流器（MMC），其具有模块化、开关损耗低、电压/电流量化误差小、可靠性高和效率高等优点。然而，有效的开关控制方法对于平衡电容电压和抑制环流至关重要。本文提出了一种改进的最近电平控制（NLC）方法，该方法采用平滑梯形参考信号而非正弦参考信号，旨在增强电容电压平衡能力、抑制环流并提高 AES 中 PEBB 的输出电能质量。针对连接到具有可变速度和转矩负载的感应电机（IM）的 N 电平 PEBB，对所提出的 NLC 方法进行了实时分析。在台风 HIL606 数字实时模拟器（DRTS）中进行了实时验证。结果验证了所提出的 NLC 方法在 AES 三相 N 电平 PEBB 概念中的可行性和有效性。

English Abstract

Power electronics building block (PEBB) concept involves integrating fundamental components into functional blocks that can be stacked, extending converter power ratings for all-electric ships (AESs). This modular approach reduces costs, size, weight, design complexity, and maintenance. PEBBs can be realized as modular multi-level converters (MMCs), which offer advantages like modularity, low switching losses, minimal voltage/current quantization, high reliability, and efficiency. However, effective switching control methods are crucial to balance capacitor voltages and suppress circulating currents. This paper proposes an improved nearest level control (NLC) method that employs smoothed trapezoidal reference signals instead of sinusoidal references, aiming to enhance capacitor voltage balancing, suppress circulating currents, and improve the output power quality of PEBBs in AESs. The proposed NLC method is analyzed in real-time for an N-level PEBB connected to an induction machine (IM) with variable speed and torque load. The real-time verification is conducted in the Typhoon HIL606 digital real-time simulator (DRTS). The results validate the feasibility and effectiveness of the proposed NLC method for a three-phase N-level PEBB concept for AESs.

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看，这项针对全电船舶电力系统中功率电子积木（PEBB）的改进最近电平控制技术具有显著的技术迁移价值。该研究提出的平滑梯形参考信号控制方法，本质上是对模块化多电平变换器（MMC）控制策略的优化，这与我司在大功率光伏逆变器和储能变流器领域的核心技术高度契合。

技术价值方面，该方法通过改进电容电压平衡和环流抑制能力，可直接应用于我司1500V及以上高压光伏系统和大型储能PCS产品。模块化设计理念与我司推行的标准化、模块化产品战略完全一致，有助于降低系统成本、提升可靠性和维护效率。特别是在大型地面电站和工商业储能场景中，MMC拓扑的低开关损耗和高效率特性能够显著提升系统LCOE竞争力。

从技术成熟度评估，该方法已通过Typhoon HIL实时仿真验证，表明其具备工程化应用基础。然而，从船舶应用向新能源场景迁移仍需考虑：一是光伏和储能系统的工况复杂度更高，需验证算法在极端天气和电网扰动下的鲁棒性；二是成本敏感性差异，需评估实时控制硬件的经济性；三是与我司现有控制平台的兼容性整合。

技术机遇在于，随着我司进军氢能和电动重卡充电等大功率应用场景，MMC技术的高电压等级扩展能力和模块化冗余设计将成为关键优势。建议组织技术预研团队，重点评估该控制算法在10MW级以上储能系统和柔性直流并网场景的适配性，为下一代产品平台储备核心控制技术。