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近年來，直流電網在船舶中的應用得到了人們的重視。不同于傳統船舶直流電網，新型直流電網采用交流電機，通過AC/DC得到直流電，負載電機也通過DC/AC變換器驅動，具有較高的可靠性。相較于交流電網，直流電網情況下，發電機不必工作于額定頻率，為提高燃油效率提供了可能。據報道，ABB的船舶直流電網應用表明，采用直流電網后，發電機的油耗降低可達20%。

盡管直流電網有這些好處，當前直流電網的故障處理能力仍是制約直流電網實際應用的主要障礙。直流電網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結構，該結構下電網被分成多個區，每個分區通過變換器與公共直流電網相連，可以看到該直流電網中存在多個直流斷路器，大大增加了船舶電網的成本和體積。因此如何簡化電網結構，成為船舶直流電網實際應用的一個難點，需要綜合考慮變換器結構和故障保護等多個方面。

從整流側考慮，船舶直流電網中，交流電變換為直流電通過整流變換器實現。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注，采用PWM整流，交/直流側電網電壓諧波小，可以減少直流側濾波電容，但變換器結構復雜，且功耗較大。

另外在中壓直流應用中，模塊化多電平變換器（modular multilevel converter, MMC）用于整流時，對于半橋結構的MMC，當直流側短路時，由于功率器件并聯二極管的直通，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，增加了設備的復雜性。

采用全橋結構的MMC沒有直流側短路問題，但器件數目更多，且增加功耗。也有研究采用全橋與半橋結構的混連，減少器件的數目。另一方面，如果采用二極管或者晶閘管構成的整流電路，其結構簡單，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備。

不管采用何種整流方式，現有直流電網中往往存在大容量電容，以保證直流電網電壓的穩定性。但是當直流側短路時，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，可以通過串聯電感，或者增加限流設備的方式限制電流的突變，但增加了設備體積與成本。同時，直流電網中分散配置的電容造成直流側短路時電流流向復雜，為故障點的確定增加了難度。

從負載角度考慮，船舶直流電網通過電力電子設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，進行中壓變頻驅動時，可直接由MMC實現。

其他的甲板機械、風機、油泵等設備則由低壓交流系統供電，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電壓穩定性的依賴。

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

圖1 本文所提無電容直流電網結構

由于MMC內部子模塊電容電壓能夠保證調制的穩定性，即使直流電網電壓波動對其控制過程也不會產生影響，因此船舶直流電網電壓可以省略直流側電容，當直流電網短路時，將不會出現故障的第一階段，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電壓平穩，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整流直流側短路故障時變換器必須快速保護的問題。采用這種結構，中壓直流側可以不需要快速直流斷路器，通過交流側及變換器的限流能力能夠實現直流側短路故障的隔離。

此外，針對該電網結構科研人員還研究了直流側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制問題，以及多MMC情況下直流側電流控制的沖突問題，給出了對應控制方法。還分析了新結構下直流側短路故障的信號特征提取問題，給出了系統的故障處理策略。

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