[发明专利]一种基于能量弱存储的低压船舶直流电网结构及控制方法

说明书

本发明涉及一种基于能量弱存储的低压船舶直流电网结构及控制方法。通过采用普通断路器替代具有快速关断能力的直流断路器的直流电网结构；该结构主要特点是直流链路上取消了大容量的起电压支撑作用的电容，直流电网呈能量弱存储状态，在出现故障时能迅速失电保护；电网结构为，通过具备直流短路故障穿越能力的前端变换器进行可控整流，并通过超级电容的高开关频率的接口变换器抑制直流电网电压波动。采用本发明这种电网结构，在直流侧短路故障时能够自动限流，无需采用专门的直流断路器，从而简化电路，利于船舶直流电网的推广。

技术领域

本发明属于船舶电网技术领域，具体涉及一种基于能量弱存储的低压船舶直流电网结构及控制方法，通过减小直流链路上的电容，利于故障处理，并通过电网中的多种变换器联合控制实现电压稳定。

背景技术

船舶电力系统传统上采用交流电制，优点是变压、保护及故障处理容易，但其局限性也很明显。由于柴油发电机输出电压直接与电网相连，为了使得电网电压频率稳定，要求柴油发电机工作于固定转速，使得柴油发电机常常不能工作于最佳能效点。同时，交流电网存在多种电能质量问题，如谐波、无功、同步等问题，在船舶电网这种高渗透率微网中问题尤其突出。此外，交流系统采用工频变压器进行隔离与变压，笨重且体积庞大，会占用更多的设备空间。

相对于交流电网，直流电网近年来得到人们的重视。采用直流电网，柴油发电机不必工作于额定频率，为提高机组的燃油效率提供了额外的自由度。ABB公司2013年在实船中的运行数据表明，采用船舶直流电网，效率能提高20％以上。同时，直流电网不存在交流电网中由于同步带来的电能质量问题，而且更容易接入新能源，有利于减少设备。基于上述优点，船舶直流电网近年来得到研究人员的重视。

但是，直流电网现有构架中，往往在直流链路上接入大电容以抑制直流电网中的电压波动。大电容造成直流侧短路时，交流阻抗小，短路电流大，因此直流电网对故障保护的要求高。现有直流电网结构中，各支路均通过直流断路器实现故障保护，直流断路器技术指标要求远高于交流断路器，要求在几毫秒内要实现可靠关断。由于直流电路中没有电压过零点，灭弧困难，因此关断难度大，断路器结构和交流断路器相比存在很大差异。目前市场上的直流断路器，均为机械式直流断路器，具备电流关断能力，但关断速度慢，难以满足直流电网保护需求。

考虑到变换器本身具有极强的限流能力，如果能够结合变换器合理设计电网结构，减少甚至不使用直流断路器则能够简化直流电网结构，减少成本并提高系统的可靠性。为此，本申请研究一种低压船舶直流电网结构，通过减少直流链路上的支撑电容，减小直流电网中不可控的能量存储，使得短路故障情况下直流电网迅速放能量以实现自我保护，同时通过特殊设计的变换器及其快速能量控制，可抑制由于支撑电容减小带来的直流电压波动问题。采用本发明所提出的方案，最终可实现无快速直流断路器的船舶直流电网设计。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于能量弱存储的低压船舶直流电网结构及控制方法，该直流电网结构及控制方法在直流侧短路故障时能够自动限流，无需采用专门的直流断路器，从而简化电路，利于船舶直流电网的推广。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于能量弱存储的低压船舶直流电网结构，所述直流电网结构，在直流链路上取消大电容存储能量，柴油发电机生成的交流能量通过可控整流变换为直流能量，并通过高开关频率变换器及超级电容来抑制电网侧直流电压波动。

在本发明一实施例中，所述直流电网结构，其供电能源通过变换器接入直流电网；其中，柴油发电机端采用MMC(模块化多电平)变换器，超级电容侧采用交错并联变换器，MMC变换器、交错并联变换器在直流链路出现短路故障时，不会与开关器件并联的二极管构成导电通路，具有故障穿越能力。

在本发明一实施例中，所述供电能源还包括蓄电池组，蓄电池组通过低开关频率(10kHz)变换器接入直流电网。