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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(jī)，通過AC/DC得到直流電，負(fù)載電機(jī)也通過DC/AC變換器驅(qū)動(dòng)，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(jī)不必工作于額定頻率，為提高燃油效率提供了可能。據(jù)報(bào)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(jī)的油耗降低可達(dá)20%。

盡管直流電網(wǎng)有這些好處，當(dāng)前直流電網(wǎng)的故障處理能力仍是制約直流電網(wǎng)實(shí)際應(yīng)用的主要障礙。直流電網(wǎng)要求故障處理時(shí)間短，斷流能力強(qiáng)，對(duì)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(gè)區(qū)，每個(gè)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(gè)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(jiǎn)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，成為船舶直流電網(wǎng)實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)難點(diǎn)，需要綜合考慮變換器結(jié)構(gòu)和故障保護(hù)等多個(gè)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(shí)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(dāng)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(shí)，對(duì)于半橋結(jié)構(gòu)的MMC，當(dāng)直流側(cè)短路時(shí)，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(jìn)行保護(hù)，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(jiǎn)單，可靠性高，具有較強(qiáng)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(dāng)直流側(cè)短路時(shí)，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(fù)擔(dān)。

為了降低直流短路時(shí)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(shí)，直流電網(wǎng)中分散配置的電容造成直流側(cè)短路時(shí)電流流向復(fù)雜，為故障點(diǎn)的確定增加了難度。

從負(fù)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(fù)載。船舶負(fù)載中最主要的是推進(jìn)電機(jī)負(fù)載，可占到船舶用電的70%以上，進(jìn)行中壓變頻驅(qū)動(dòng)時(shí)，可直接由MMC實(shí)現(xiàn)。

其他的甲板機(jī)械、風(fēng)機(jī)、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(jìn)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(shí)際上減少了對(duì)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(gè)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(jiǎn)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(dòng)對(duì)其控制過程也不會(huì)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(dāng)直流電網(wǎng)短路時(shí)，將不會(huì)出現(xiàn)故障的第一階段，直接進(jìn)入第二階段，減少了直流短路故障的影響。

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

考慮到二極管或晶閘管的耐流能力較強(qiáng)，同時(shí)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(jìn)行整流，簡(jiǎn)化整流電路，增強(qiáng)設(shè)備過流能力，為短路控制爭(zhēng)取時(shí)間，這也避免了采用PWM整流直流側(cè)短路故障時(shí)變換器必須快速保護(hù)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(duì)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(dòng)較大時(shí)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(duì)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(hào)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(biāo)題為“基于模塊化多電平變換器的無電容設(shè)計(jì)型船舶中壓直流電網(wǎng)控制與故障保護(hù)”，作者為楊榮峰、于雁南 等。