由于电压等级高、模块化程度高、容错性能好等优势，模块化多电平双向直流变换器（MMBDC）非常适合在下一代舰船综合电力系统（IPS）中充当能量路由器的角色。然而，针对该变换器的控制策略存在端口电流不受控、环路耦合强、低频振荡显著等问题。
为了解决上述问题，海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室、东南大学电气工程学院的刘计龙、陈鹏、肖飞、朱志超、黄兆捷，在年第4期《电工技术学报》上撰文，建立构成模块化多电平双向直流变换器的子变换器数学模型，推导低频谐振点。其次，针对直流多端口模块化多电平子变换器提出基于陷波器的三环解耦控制策略，推导该策略的控制环路解耦特性，对控制框图进行了简化，并比较传统控制策略与所提控制策略的动态特性。
他们最后设计并制作了10kV/2MW级模块化多电平双向直流变换器工程样机，介绍绝缘设计、控制系统架构、电气柜结构布局等工程实现方法，并进行所提控制策略的满功率实验，验证了该理论分析研究的有效性。
舰船综合电力系统是发展海上舰船的突破性技术，其以电能作为统一的形式实现了全船能量的生产、输运、变换、消纳和存储。年马伟明院士创新科研团队率先提出发展基于中压直流系统的二代舰船综合电力系统（IntegratedPowerSystem,IPS）技术路线。与传统的中压交流系统相比，中压直流系统功率密度更高、可靠性更好、功率控制更灵活、振动噪声更小。
中压直流系统和储能元件的引入是二代舰船综合电力系统的显著特征。因此，二代舰船综合电力系统对变配电变换器提出了新的需求：①有更高的耐电压能力，可以承受中压直流母线的接入；②有双向功率变换能力，可以实现中压侧与低压侧的双向能量交互；③模块化水平高，便于生产、制造与维护；④有较高的功率密度和运行效率，节省船上空间，可大大加强船只的续航能力。
目前在舰船直流配电领域研究最多的两种中高压拓扑是基于模块化多电平变换器（MMC）的端对端结构和模块化多电平双向直流变换器（MMBDC）结构。后者也可称为基于模块化多电平变换器的输入串联输出并联（ISOP）结构。有文献比较了这两种拓扑形式的优缺点并指出，基于模块化多电平变换器的端对端结构由于基本单元形式更加简单，冗余保护成本更低，容错运行也更简单。而与之相比，MMBDC结构更加紧凑，功率密度更高，器件的电气应力也更低。
目前已有较多关于模块化多电平双向直流变换器的文献发表，有文献提出了在直流多端口模块化多电平变换器后级级联不同类型的拓扑，如双有源桥（DAB）等，来构成模块化多电平双向直流变换器结构，也有部分文献在模块化多电平变换器后级并联多个低压两端口子变换器或低压多端口子变换器来构成中高压多端口模块化多电平双向直流变换器结构。上述文献所采用的模块化多电平双向直流变换器拓扑结构与主要研究内容见表1。可以看出，模块化多电平双向直流变换器在直流配电领域拥有出色的应用潜力。
表1模块化多电平双向直流变换器文献有文献针对模块化多电平双向直流变换器的直流多端口模块化多电平变换器子变换器，提出一种平均电压环与均压环相结合的三环控制策略，使得变换器能够在额定工况下稳定运行。然而，该策略控制变量采样难、未直接控制中压侧电流、环路耦合强，且未考虑中压侧低频振荡问题。这些劣势在中高压大功率应用中尤为明显。
为了满足新一代舰船综合电力系统实际需求，海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室的科研人员对模块化多电平双向直流变换器控制策略开展研究，分析了模块化多电平双向直流变换器拓扑原理，发现其存在中压侧电感与各支路开关电容串联谐振的问题。
图1MMBDC控制系统架构他们提出了一种基于陷波器的三环解耦控制策略。与传统策略相比，该策略以中压侧电流作为平均电压环内环控制量，便于对其进行限幅和反馈信号采样；使得中压侧电流可控，规避了中压侧过电流风险；实现了均压环与平均电压环的解耦，简化了控制参数设计；在环路中引入了陷波器，通过对低频谐振点的抑制，将内电流环带宽从7.97Hz提高至Hz。
图2MMBDC样机实物图3超级电容柜实物研究人员设计并制造了10kV/2MW的模块化多电平双向直流变换器工程样机，介绍了该样机的绝缘设计、控制系统架构以及电气柜结构布局，并进行了所提控制策略的动静态实验。静态实验结果表明，在该控制策略下，变换器满载额定工况效率可达95.4%，低压侧电压纹波仅为额定值的0.49%；动态加减载实验表明，在所提控制策略下进行47%额定负荷加减载时，最大子模块电容电压波动为额定值的6.58%，最大低压侧电压波动为额定值的9.95%，动态调节过程不超过0.4s。动静态实验结果说明了所提控制策略的有效性。
他们表示，该控制策略加强了模块化多电平双向直流变换器的稳定性与可靠性，提高了装置的控制性能，也简化了控制参数设计过程。此外，实验平台的设计可为其他同类型的中压大功率电力电子变换装置的设计和实现提供参考依据。
本工作成果发表在年第4期《电工技术学报》，论文标题为“面向舰船综合电力系统的10kV/2MW模块化多电平双向直流变换器控制策略”。本课题得到国家自然科学基金青年基金资助项目的支持。
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