直流电网能够综合多种能源类型，避免交流电网互联出现的同步、谐波等问题，同时有利于减少中间设备和能源的多次变换，在直流输电、配电网及新能源利用等场合体现出诸多优势，因此近年来成为研究的热点。在船舶电站中，采用直流电网、交流发电机可以改变其运行转速，有利于提高机组运行效率，引起研究者广泛关注。

在诸如船舶直流电网的应用中，电能由交流发电机产生，并通过整流变换器转换成直流电，对能量转换的效率和可靠性提出了很高要求。整流变换器类型包括二极管整流、晶闸管整流和脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation, PWM）整流。

其中PWM整流能够对交流侧电流进行控制，直流侧电压控制快速灵敏，是一种比较好的整流方案，但也存在开关器件功耗大，以及直流侧出现短路故障时将引起与IGBT反并联的二极管直通问题，需要通过交流侧连接双向晶闸管等电路进行保护。同时，在中压应用中，需要采用模块化多电平变换器（Modular Multilevel Converter, MMC）、双有源桥（Dual Active Bridge, DAB）等复杂结构，功耗、体积与成本均较高。

采用二极管或者晶闸管整流，优点是结构简单，器件功耗小，有利于提高系统效率，且器件耐流特性优于IGBT，但也存在整流后直流电压波动大，需要大容量滤波装置等问题。

事实上，通常电压源型变换器（Voltage Source Converter, VSC）和二极管/晶闸管整流方式，均需要大容量电感/电容滤波，在中高压场合，装置体积和成本都很高。采用多脉冲整流电路也可明显降低直流电压谐波，但需要额外的大容量的工频移相变压器。直流电网中配置大容量电容不仅增加体积，降低设备可靠性，在直流侧出现短路故障时还将引起巨大的放电电流，需要保护装置动作时间更短，增加了故障隔离难度。

为了优化整流电路的功耗、体积和成本，同时兼顾系统的可靠性，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提出了一种新型的带电压补偿的整流电路，如图1所示。该电路适用于中压整流场合，其中二极管/晶闸管承受高电压，调压电路承受低电压。该电路的特点在于低压侧的调压电路补偿了高压侧中的谐波电压，从而使中压直流电网中无需滤波电容。同时，由于调压电路部分电压低，降低了系统体积和开关器件功耗。

图1 本文所提出的电压补偿电路

目前也有学者采用二极管整流和PWM整流串联的方式，利用VSC对直流电压的灵活控制改善直流侧电压的稳定性，同时也有机会改善交流侧的无功与谐波性能。本研究与之不同之处在于，该结构VSC部分仅保证直流侧电压的稳定，或者进行潮流控制，而不是滤除直流电网中的电压谐波，因此直流电网仍然需要电容滤波，其次该结构需要额外引入工频变压器。

本整流方案无需变压器，直流电网中无需额外增加电容，降低了整流系统成本和体积。但该串联电压补偿电路存在独立电容，其电容电压需要通过特殊设计的控制器进行调整，以保持稳定。另外，研究人员还分析了该串联电路在多端直流电网中对潮流的控制作用，并对该电路及其控制方法进行了全面分析和论证。

研究人员指出该电路的优点为：

1）在中压场合，如交流3300V实现整流时，补偿电路并不需要同等工作电压而是工作于低压，大大减小了器件体积、成本和功耗。并且，如果电压等级足够高，也可以通过补偿电路模块级联方式解决耐压问题。

2）由于直流电网中不存在大容量的滤波电容，当直流侧出现短路故障时，直流侧不会出现电容放电过程，降低了直流电网的保护压力。

3）当直流侧出现短路故障时，通过调压电路的晶闸管旁路，直流侧电路免受过电流影响，此时在交流侧可通过闭锁晶闸管整流桥或断开交流断路器实现整流电路的整体保护。

4）该整流方案同样适用于低压场合，如AC 380V变频器设备中，按电压等比计算，则H桥模块电容电压低于100V，此时H桥模块可用低压MOSFET器件实现，补偿电路功耗小。由于不需要在整流输出端加直流滤波电容，电容成本和体积都能大大降低。

5）该电路加入多端DC-DC电路后可用于多端直流电网中的潮流控制，而无需使用VSC。

研究人员在分析补偿电路控制框图基础上，提出了针对该电路的两种控制方法，即PI双环控制和滑模变结构控制。两种方案下的控制结果表明，都能够保证H桥模块自身电容电压的稳定，同时可以将不控整流方式得到的直流电压中的谐波限制在一个较小的值。在将电网负载电流反馈引入PI双环控制后，即使负载电流变化较为剧烈，直流电网电压、模块电容电压及调压电路输出电压都与滑模控制方案极为相似。考虑到工程实用性，PI双环控制实现难度更低。

此外，本课题针对潮流控制应用场合，提出了主从结构的控制策略，通过合理的任务分配，使得各电路在进行电容能量控制、电容电压均衡控制、谐波电压补偿及潮流控制时，各控制环节任务分开，避免了不同控制间的相互干扰。

本文编自2021年《电工技术学报》增刊2，论文标题为“一种直流电压的串联有源补偿电路及其在多端直流电网中的应用”，作者杨荣峰、于雁南 等。