“君旅號”電動船直流母排系統(tǒng)選擇性保護仿真與試驗研究

耿 鵬，賈顏培，李荻薇，楊 光

應用研究

“君旅號”電動船直流母排系統(tǒng)選擇性保護仿真與試驗研究

耿 鵬1，賈顏培2，李荻薇2，楊 光2

(1. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064；2. 大連測控技術(shù)研究所，大連 116013)

電動船直流系統(tǒng)的安全性關(guān)系到電池安全、功率變換裝置安全、日用電的安全以及航行安全，必須保證直流母排系統(tǒng)短路故障時保護的選擇性。本文以電動游船“君旅號”為背景，介紹電動船電力推進系統(tǒng)直流母排系統(tǒng)短路故障選擇性保護設(shè)計的原理、方法和效果，能夠為之后的電動船的研究、設(shè)計、建造提供借鑒。

電動船 直流組網(wǎng) 熔斷器 數(shù)值建模 選擇性保護

0 引言

在我國綠色發(fā)展理念大背景下，發(fā)展純電動船是解決船舶排放尤其是內(nèi)河船舶排放造成的水污染、大氣污染、噪聲污染問題的重要途徑?！熬锰枴?00客位純電動游船，在七家政府主管部門、三家船東公司、四家船舶設(shè)計建造單位以及中國船級社共同見證下，于2018年2月，成功簽約?，F(xiàn)運營于長江水域武漢段。該船采用了船用氫燃料電池系統(tǒng)作為全船動力源。安全性是推動電動船進一步發(fā)展的重要因素。本文結(jié)合該船，探討其直流母排系統(tǒng)選擇性保護，以期對后續(xù)電動船設(shè)計積累經(jīng)驗。

“君旅號”純電動船電力推進系統(tǒng)單線圖如圖1所示。由2套蓄電池組（共12簇，每簇蓄電池配置DC/DC變換單元），2套主推進單元（單套推進功率為200kW，由2臺100kW功率模塊組成）、2套逆變電源單元（單臺容量為100kVA，由1臺100kW功率模塊組成）組成。

蓄電池組通過DC/DC變換裝置后，采用直流負荷開關(guān)和熔斷器接入直流母線，主推單元、逆變電源燈功率單元均采用直流負荷開關(guān)和熔斷器接入直流母線，F(xiàn)U11～FU2B均為直流熔斷器，具備過流、短路保護功能，各級直流熔斷器之間進行配合，實現(xiàn)短路選擇性保護。

圖1 直流電站電力推進系統(tǒng)單線圖

1 直流熔斷器原理

本系統(tǒng)提供完善的安全保護功能，實現(xiàn)對人、船、機的保護，各子系統(tǒng)及設(shè)備均提供保護功能。由于兩段母線分開運行且參數(shù)一致，故在進行短路電流計算和短路分析時，可只考慮單段母線的情況，如圖2所示。

圖2 直流電網(wǎng)保護方案示意圖

圖2的紅色折線箭頭即系統(tǒng)中特征故障短路點，系統(tǒng)對5種特征短路點保護方案分析如下：

1）蓄電池組輸出端短路。如圖2所示的F11點，包含了蓄電池組熔斷器輸出側(cè)、DC/DC變換裝置輸入側(cè)的短路情況。保護要求：蓄電池組提供短路電流，蓄電池組總輸出熔斷器FU01熔斷，每個電池模塊的熔斷器不造成損害。

2）DC/DC變換裝置輸出端短路。如圖2所示F21點，包含DC/DC變換裝置內(nèi)部短路、輸出側(cè)到直流熔斷器短路的情況。保護要求：蓄電池組、DC/DC變換裝置電容、逆變電源和主推單元電容提供短路電流，F(xiàn)U11熔斷，對其它熔斷器不造成損害。熔斷器FU01熔斷，不對電池模塊熔斷器和DC/DC變換裝置反并聯(lián)二極管造成損害。

3）直流母排短路。如圖2所示F3點，包含DC/DC變換裝置熔斷器輸出側(cè)、直流母排、逆變電源單元及主推單元熔斷器輸入側(cè)的短路情況。保護要求：蓄電池組提供短路電流，熔斷器FU11～FU16熔斷，不對DC/DC變換裝置反并聯(lián)二極管造成損害；逆變電源單元及主推單元的電容放電后失電，電容發(fā)電過程中盡量對熔斷器FU17～FU1B不造成損害，即各自電容放電產(chǎn)生的i2t小于熔斷器的弧前焦耳能量，需經(jīng)過計算仿真分析得到。蓄電池組總輸出熔斷器FU01熔斷，但蓄電池組每個模塊熔斷器不造成損害。

直流母排短路是最嚴重的短路故障，會造成該直流母排失電。但由于本船兩段直流母線分開運行，故不會造成全船停電故障。

4）變換器單元熔斷器輸出側(cè)短路。如圖2所示的F41、F42點，包含變換器單元（含逆變電源、主推逆變單元）熔斷器輸出側(cè)的短路情況。保護要求：蓄電池組和非故障側(cè)變換器單元電容提供短路電流，故障支路熔斷器熔斷，且對非故障支路熔斷器不造成損害。對蓄電池組輸出熔斷器不造成損害。

由于蓄電池組提供短路電流，故障側(cè)熔斷器需要較短時間內(nèi)熔斷，且不對蓄電池組輸出熔斷器造成損害，各變換器單元熔斷器和蓄電池組熔斷器需要具備選擇性。若故障側(cè)熔斷器熔斷時間較短，直流母線電壓跌落不嚴重，非故障側(cè)變換器單元不會欠壓停機，可正常工作。

5）變換器輸出側(cè)短路。如圖2所示的F51、F52點，包含各變換器單元（含逆變電源、主推逆變單元）的輸出側(cè)的短路情況。在這種情況下，由變換器單元的限流保護功能實現(xiàn)短路保護，對直流電網(wǎng)系統(tǒng)不構(gòu)成影響。

2 系統(tǒng)選擇性仿真計算

圖3給出了直流母線變頻控制配電系統(tǒng)的總覽圖，包含所有的支撐電容和熔斷器。熔斷器用于連接發(fā)電、推進、登乘系統(tǒng)和日用電源功率模塊和直流母線系統(tǒng)。

短路電流的計算和選擇性分析將基于仿真軟件Matlab進行。在此仿真軟件中需搭建一個等效電路模型。所有的短路故障仿真將會基于該模型來進行。在此等效電路模型中：

故障時刻的變頻器、逆變電源建模成電容；

故障時刻的導線和銅排建模成電阻和直流電感；

故障時刻的直流熔斷器依據(jù)其熔斷特性采用非線性的方法建模；

故障時刻電池等效為帶內(nèi)阻的恒壓源。

圖3 直流母排系統(tǒng)等效圖

2.1 模型搭建

仿真分析按如下原則進行：

1）按照故障點分布進行系統(tǒng)短路的仿真，除推進變頻器和逆變電源后級短路對系統(tǒng)影響較小外，一共對四類16種短路情況執(zhí)行仿真計算；

2）利用直流開關(guān)制造短路點，短路開始時間統(tǒng)一為100μs；

3）故障點的電流波形為總電流波形。

2.2 仿真計算

根據(jù)以上仿真模型和仿真原則，分別對電池出口短路、DC/DC變換器輸入側(cè)短路以及逆變電源輸入側(cè)短路開展仿真計算。仿真結(jié)果如圖4～6所示：

圖4 電池出口短路電流波形

圖5 DC/DC出口短路預期短路電流

圖6 逆變單元輸入側(cè)短路預期短路電流

3 短路試驗

3.1 DC/DC變換裝置母線側(cè)短路

試驗方法：

1）試驗短路點的位置為直流配電板的6#電池支路。

2）利用外部直流斷路器模擬短路，將直流配電板內(nèi)正負極通流排短路試驗接線端分別用電纜連接到直流斷路器的兩極，直流斷路器保持分閘；

3）投入5#、6#電池回路，逆變電源和推進逆變器在網(wǎng)；

4）將直流斷路器合閘，觀察各支路熔斷器狀態(tài)及直流母線狀態(tài)。

合格判據(jù)：故障支路的熔斷器熔斷，直流配電板其他支路熔斷器完好；直流母線電壓波動范圍在各設(shè)備允許范圍（420V～750V）之內(nèi)；電池系統(tǒng)在5s內(nèi)恢復供電。

試驗結(jié)果：6#支路停機，DC-DC母線側(cè)和電池側(cè)熔斷器均熔斷；5#支路停機，熔斷器完好；直流母線電壓波動范圍在各設(shè)備允許范圍（420V～750V）之內(nèi)；系統(tǒng)在5s內(nèi)恢復供電。

圖7 DC/DC變換裝置母線側(cè)短路試驗波形

（注：CH1：故障支路（6#）附近的直流母線電壓； Ch2：逆變電源支路電壓；CH3：故障回路（6#）總故障電流；CH4：5#電池支路的短路電流）

3.2 DC/DC變換裝置電池側(cè)短路

試驗方法：試驗短路點的位置為電池充放電控制柜的6#電池簇輸出側(cè)。

利用外部直流斷路器模擬短路，將電池充放電控制柜內(nèi)正負極通流排短路試驗接線端分別用電纜連接到直流斷路器的兩極，直流斷路器保持分閘；

投入1#、2#、6#電池回路，逆變電源和推進逆變器在網(wǎng)；

將直流斷路器合閘，觀察各支路熔斷器狀態(tài)及直流母線狀態(tài)。

合格判據(jù)：故障支路的熔斷器熔斷，直流配電板其他支路熔斷器完好；直流母線電壓波動范圍在各設(shè)備允許范圍（420V～750V）之內(nèi)。

試驗結(jié)果：6#支路停機，DC-DC母線側(cè)熔斷器熔斷；1#、2#支路正常，熔斷器完好。直流母線電壓波動范圍在各設(shè)備允許范圍（420V～750V）之內(nèi)。

圖9 4.2 DC/DC變換裝置電池側(cè)短路試驗波形

（注：CH1：6#支路附近母線電壓；CH2：電池出口電流CH3：5#支路電流；CH4：6#支路電流）

4 小結(jié)

本文以純電動游船“君旅號”為背景，介紹了純電動船電力推進系統(tǒng)中，直流母排系統(tǒng)短路故障選擇性保護設(shè)計的原理、方法和效果。仿真和試驗結(jié)果表明，該選擇性保護策略和設(shè)計方法能夠滿足純電動船直流母排系統(tǒng)選擇性保護的要求，能夠指導之后的工程設(shè)計工作。

[1] 張鵬, 石媛. 基于直流電網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)仿真研究[J]. 船電技術(shù), 2016, 36(09): 53-56.

[2] T. V. Vu, S. Paran, T. E. Mezyani and C. S. Edrington. Real-time distributed power optimization in the DC microgrids of shipboard power systems[C].2015 IEEE Electric Ship Technologies Symposium (ESTS), 2015, 118-122.

[3] 杜曉牧,光伏系統(tǒng)保護用熔斷器的發(fā)展與應用[J].太陽能技術(shù)產(chǎn)品與工程,2016(08), 21-25.

[4] Z. Jin, G. Sulligoi, R. Cuzner, L. Meng, J. C. Vasquez and J. M. Guerrero. Next-Generation Shipboard DC Power System: Introduction Smart Grid and dc Microgrid Technologies into Maritime Electrical Netowrks[J]. IEEE Electrification Magazine, 2016, 45-57.

Simulation and experimental research on selective protection of DC busbar system of electric boat ‘Junlv’

Geng Peng1, Jia Yanpei1, Li Diwei2, Yang Guang2

(1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 2. Dalian Institute of measurement and control technology, Dalian 116013, China)

The protection for DC power system has an important impact on safety of batteries, power converter, hotel power and voyage. Therefore, selective protection should be made to ensure the entire ship safety in case a short-circuit fault in the DC busbar system occurs. The paper took the electric cruise ship ‘JunLv’ as example and to propose the principle, method and effect of the selective protection design of the DC busbar system the electric boat are introduced. The simulation and test results are presented, which can provide reference for design and construction of the same type of electric boats.

TM611

A

1003-4862（2022）01-0032-04

2021-05-28

耿鵬（1988-），男，工程師，主要從事船舶電氣。Email：tbkdranix@163.com