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近年來，直流電網(wǎng)在船舶中的應(yīng)用得到了人們的重視。不同于傳統(tǒng)船舶直流電網(wǎng)，新型直流電網(wǎng)采用交流電機，通過AC/DC得到直流電，負載電機也通過DC/AC變換器驅(qū)動，具有較高的可靠性。相較于交流電網(wǎng)，直流電網(wǎng)情況下，發(fā)電機不必工作于額定頻率，為提高燃油效率提供了可能。據(jù)報道，ABB的船舶直流電網(wǎng)應(yīng)用表明，采用直流電網(wǎng)后，發(fā)電機的油耗降低可達20%。

盡管直流電網(wǎng)有這些好處，當前直流電網(wǎng)的故障處理能力仍是制約直流電網(wǎng)實際應(yīng)用的主要障礙。直流電網(wǎng)要求故障處理時間短，斷流能力強，對直流斷路器提出了極高要求。

IEEE推薦了一種船舶中壓直流電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)下電網(wǎng)被分成多個區(qū)，每個分區(qū)通過變換器與公共直流電網(wǎng)相連，可以看到該直流電網(wǎng)中存在多個直流斷路器，大大增加了船舶電網(wǎng)的成本和體積。因此如何簡化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，成為船舶直流電網(wǎng)實際應(yīng)用的一個難點，需要綜合考慮變換器結(jié)構(gòu)和故障保護等多個方面。

從整流側(cè)考慮，船舶直流電網(wǎng)中，交流電變換為直流電通過整流變換器實現(xiàn)。整流變換器主要分為二極管整流，晶閘管整流及脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation, PWM）整流等。

當前研究中，PWM整流由于其控制的靈活性得到了人們的廣泛關(guān)注，采用PWM整流，交/直流側(cè)電網(wǎng)電壓諧波小，可以減少直流側(cè)濾波電容，但變換器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且功耗較大。

另外在中壓直流應(yīng)用中，模塊化多電平變換器（modular multilevel converter, MMC）用于整流時，對于半橋結(jié)構(gòu)的MMC，當直流側(cè)短路時，由于功率器件并聯(lián)二極管的直通，器件將承受較大電流，通常其過流能力差，容易損壞器件，需要增加旁路單元進行保護，增加了設(shè)備的復(fù)雜性。

采用全橋結(jié)構(gòu)的MMC沒有直流側(cè)短路問題，但器件數(shù)目更多，且增加功耗。也有研究采用全橋與半橋結(jié)構(gòu)的混連，減少器件的數(shù)目。另一方面，如果采用二極管或者晶閘管構(gòu)成的整流電路，其結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，具有較強的過流能力，但直流電壓存在較大諧波，需要增加大容量的電容或電感設(shè)備。

不管采用何種整流方式，現(xiàn)有直流電網(wǎng)中往往存在大容量電容，以保證直流電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性。但是當直流側(cè)短路時，電容放電將引起極大的故障電流，成為直流短路故障的第一階段，增加了直流斷路器的負擔。

為了降低直流短路時電流的變化，可以通過串聯(lián)電感，或者增加限流設(shè)備的方式限制電流的突變，但增加了設(shè)備體積與成本。同時，直流電網(wǎng)中分散配置的電容造成直流側(cè)短路時電流流向復(fù)雜，為故障點的確定增加了難度。

從負載角度考慮，船舶直流電網(wǎng)通過電力電子設(shè)備連接各種類型負載。船舶負載中最主要的是推進電機負載，可占到船舶用電的70%以上，進行中壓變頻驅(qū)動時，可直接由MMC實現(xiàn)。

其他的甲板機械、風(fēng)機、油泵等設(shè)備則由低壓交流系統(tǒng)供電，可通過直流變壓器降壓再進行逆變得到，即DC/DC/ AC，其降壓部分仍然可以通過MMC得到。值得注意的是，由于各子模塊中存在大量電容，MMC實際上減少了對電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的依賴。

通過分析上述船舶直流電網(wǎng)的各個組成部分，考慮到其中大量使用的MMC，集美大學(xué)等單位的研究人員提出了一種簡化可靠的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 本文所提無電容直流電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

由于MMC內(nèi)部子模塊電容電壓能夠保證調(diào)制的穩(wěn)定性，即使直流電網(wǎng)電壓波動對其控制過程也不會產(chǎn)生影響，因此船舶直流電網(wǎng)電壓可以省略直流側(cè)電容，當直流電網(wǎng)短路時，將不會出現(xiàn)故障的第一階段，直接進入第二階段，減少了直流短路故障的影響。

圖2 實驗平臺

考慮到二極管或晶閘管的耐流能力較強，同時無需保持直流側(cè)電壓平穩(wěn)，可以采用二極管或者晶閘管進行整流，簡化整流電路，增強設(shè)備過流能力，為短路控制爭取時間，這也避免了采用PWM整流直流側(cè)短路故障時變換器必須快速保護的問題。采用這種結(jié)構(gòu)，中壓直流側(cè)可以不需要快速直流斷路器，通過交流側(cè)及變換器的限流能力能夠?qū)崿F(xiàn)直流側(cè)短路故障的隔離。

此外，針對該電網(wǎng)結(jié)構(gòu)科研人員還研究了直流側(cè)電容電壓波動較大時MMC的控制方法，特別是克服直流電壓下降帶來的過調(diào)制問題，以及多MMC情況下直流側(cè)電流控制的沖突問題，給出了對應(yīng)控制方法。還分析了新結(jié)構(gòu)下直流側(cè)短路故障的信號特征提取問題，給出了系統(tǒng)的故障處理策略。

本文編自《電氣技術(shù)》，標題為“基于模塊化多電平變換器的無電容設(shè)計型船舶中壓直流電網(wǎng)控制與故障保護”，作者為楊榮峰、于雁南 等。