船舶直流电网的新结构：无电容器设计，解决直流侧短路问题

船舶直流电网中通常存在大容量的电容，不仅占用空间，而且在直流侧短路故障时产生巨大的放电电流，不利于故障保护，针对此问题，集美大学轮机工程学院船舶电气教研室、桂林理工大学机械与控制工程学院的研究人员杨荣峰、于雁南、王国玲、吴德烽、俞万能，在2020年第10期《电气技术》杂志上撰文，提出了一种无电容器设计的船舶中压直流电网结构，以避免直流侧短路时的电容放电过程。

近年来，直流电网在船舶中的应用得到了人们的重视。不同于传统船舶直流电网，新型直流电网采用交流电机，通过AC/DC得到直流电，负载电机也通过DC/AC变换器驱动，具有较高的可靠性。相较于交流电网，直流电网情况下，发电机不必工作于额定频率，为提高燃油效率提供了可能。据报道，ABB的船舶直流电网应用表明，采用直流电网后，发电机的油耗降低可达20%。

尽管直流电网有这些好处，当前直流电网的故障处理能力仍是制约直流电网实际应用的主要障碍。直流电网要求故障处理时间短，断流能力强，对直流断路器提出了极高要求。

IEEE推荐了一种船舶中压直流电网结构，该结构下电网被分成多个区，每个分区通过变换器与公共直流电网相连，可以看到该直流电网中存在多个直流断路器，大大增加了船舶电网的成本和体积。因此如何简化电网结构，成为船舶直流电网实际应用的一个难点，需要综合考虑变换器结构和故障保护等多个方面。

从整流侧考虑，船舶直流电网中，交流电变换为直流电通过整流变换器实现。整流变换器主要分为二极管整流，晶闸管整流及脉冲宽度调制（pulse width modulation, PWM）整流等。

当前研究中，PWM整流由于其控制的灵活性得到了人们的广泛关注，采用PWM整流，交/直流侧电网电压谐波小，可以减少直流侧滤波电容，但变换器结构复杂，且功耗较大。

另外在中压直流应用中，模块化多电平变换器（modular multilevel converter, MMC）用于整流时，对于半桥结构的MMC，当直流侧短路时，由于功率器件并联二极管的直通，器件将承受较大电流，通常其过流能力差，容易损坏器件，需要增加旁路单元进行保护，增加了设备的复杂性。

采用全桥结构的MMC没有直流侧短路问题，但器件数目更多，且增加功耗。也有研究采用全桥与半桥结构的混连，减少器件的数目。另一方面，如果采用二极管或者晶闸管构成的整流电路，其结构简单，可靠性高，具有较强的过流能力，但直流电压存在较大谐波，需要增加大容量的电容或电感设备。

不管采用何种整流方式，现有直流电网中往往存在大容量电容，以保证直流电网电压的稳定性。但是当直流侧短路时，电容放电将引起极大的故障电流，成为直流短路故障的第一阶段，增加了直流断路器的负担。

为了降低直流短路时电流的变化，可以通过串联电感，或者增加限流设备的方式限制电流的突变，但增加了设备体积与成本。同时，直流电网中分散配置的电容造成直流侧短路时电流流向复杂，为故障点的确定增加了难度。

从负载角度考虑，船舶直流电网通过电力电子设备连接各种类型负载。船舶负载中最主要的是推进电机负载，可占到船舶用电的70%以上，进行中压变频驱动时，可直接由MMC实现。

其他的甲板机械、风机、油泵等设备则由低压交流系统供电，可通过直流变压器降压再进行逆变得到，即DC/DC/ AC，其降压部分仍然可以通过MMC得到。值得注意的是，由于各子模块中存在大量电容，MMC实际上减少了对电网电压稳定性的依赖。

通过分析上述船舶直流电网的各个组成部分，考虑到其中大量使用的MMC，集美大学等单位的研究人员提出了一种简化可靠的结构，如图1所示。

图1  本文所提无电容直流电网结构

由于MMC内部子模块电容电压能够保证调制的稳定性，即使直流电网电压波动对其控制过程也不会产生影响，因此船舶直流电网电压可以省略直流侧电容，当直流电网短路时，将不会出现故障的第一阶段，直接进入第二阶段，减少了直流短路故障的影响。

图2  实验平台

考虑到二极管或晶闸管的耐流能力较强，同时无需保持直流侧电压平稳，可以采用二极管或者晶闸管进行整流，简化整流电路，增强设备过流能力，为短路控制争取时间，这也避免了采用PWM整流直流侧短路故障时变换器必须快速保护的问题。采用这种结构，中压直流侧可以不需要快速直流断路器，通过交流侧及变换器的限流能力能够实现直流侧短路故障的隔离。

此外，针对该电网结构科研人员还研究了直流侧电容电压波动较大时MMC的控制方法，特别是克服直流电压下降带来的过调制问题，以及多MMC情况下直流侧电流控制的冲突问题，给出了对应控制方法。还分析了新结构下直流侧短路故障的信号特征提取问题，给出了系统的故障处理策略。

本文编自《电气技术》，标题为“基于模块化多电平变换器的无电容设计型船舶中压直流电网控制与故障保护”，作者为杨荣峰、于雁南 等。