2024, Vol. 46
伴随着新能源技术在船舶行业的应用，混合动力系统因其具有动力来源多样，可适应船舶类型广泛的特点而备受青睐[1]。直流组网技术因其电网稳定性好、对多样电源兼容性好的特点，成为混合动力系统优先选择的配电方式。但直流电网无法像交流电网一样，利用电网电流过零点的特性，通过断路器去实现电网分级保护[2]。本文结合某混合动力直流组网电力推进拖轮，介绍电力系统特点，设计选择性保护方案，构建故障仿真模型进行短路电流计算，确定设备选型实现对船舶电力系统的选择性保护。
1 概 述 1.1 系统介绍本船为油电混合动力电力推进拖轮，配电方式采用直流组网。该船配电系统包含2套锂电池组、2台交流发电机组、直流配电板和岸电充电装置。每套电池组通过双向DC-DC变换器连接直流母排，实现电池组充、放电；每台交流发电机组利用整流器将交流电压转换为直流电压输送至直流母排；直流配电板通过逆变器将直流电压转换为交流电压，为轴带电动/发电机和交流配电板供电；停泊时，本船通过岸电装置供电全船，并为电池组充电。该船动力推进系统配置了2台轴带电动/发电机，当锂电池组和发电机组作为本船动力源时，该设备即为推进电机；当主柴油机作为本船动力源时，该设备可作为轴带发电机为蓄电池组充电并提供日用负荷。图1为该拖轮综合电力推进系统单线图。
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图 1 综合电力推进系统单线图 Fig. 1 Integrated electric propulsion system single line diagram |
依据中国船级社《钢制海船入级规范》《船舶直流综合电力系统检验指南》要求，直流配电系统的选择性保护分析，应逐一分析直流配电系统发生下列3种故障时系统保护电器动作情况和系统受影响范围。应基于短路电流计算和保护装置选择，对故障切除、非故障支路运行、母线是否失电、母线电压波动等情况进行分析，确认符合短路保护原则[3 − 4]。
1）多段直流母排中一段母排发生短路。故障应不损坏电源装置和负载装置；保护装置应具备就地复位功能；采用集中式拓扑的系统，在断开母联保护装置时不应引起邻段母排上各支路保护装置动作和设备停运，若无法避免，应能在母联保护装置断开后快速自动恢复邻段母排上的供电和设备运行；采用分布式拓扑的系统，故障母排上所有在网电源装置配电支路的保护装置应动作，非故障母排供电应不受影响。
2）任一电源装置（含变流器）输出端发生短路。应设置单独短路保护以限制故障对设备或系统的影响；故障支路电源装置作为本段母排唯一在网电源时，因短路导致本段母排失电，应在失电后30 s内，自动启动备用电源或由相邻母排恢复供电，时长不超45 s；除故障电源所在支路保护装置动作，不应导致其他支路保护装置动作；短路对故障母排和相邻母排的影响时间及影响程度应被限制。
3）任一负载（含变流器）输入端发生短路。应设置单独短路保护以限制故障对设备或系统的影响；除本负载支路保护装置动作，不应导致其他支路保护装置动作；短路对本段和邻段母排的影响时间和影响程度应被限制。
1.3 选择性保护设计在船舶交流电力系统中，通过计算不同工况下系统各级支路短路电流进行断路器或熔断器的参数选定，最终凭借各级支路、断路器或熔断器的性能差异，完成电力系统的选择性保护。由于大量电子元件应用于直流电力系统，使得短路电流计算方法与传统的交流系统区别较大。另外，直流电力系统对于短路故障的切断速度要求极高，所以本船直流母线系统分别在直流母排上采用固态开关，各支路上采用快速熔断器作为保护措施[5 − 6]。由此，本船电力系统选择性保护设计步骤如下：
1）针对关键元件建模。构建全船电力系统模型；
2）确定系统短路故障类型，并分析不同故障情况下系统保护响应动作；
3）通过仿真试验计算短路电流，确定系统熔断器和固态开关参数型号；
4）在船舶建造中进行试验，验证系统选择性保护最终效果。
2 元件建模及系统仿真本船电力系统发生短路时，双向DC-DC变换器、逆变器和整流器监测到过流后瞬时关断IGBT。但由于电池组、发电机电压无法下降缓慢，双向DC-DC变换器和整流器的支撑电容经母排向故障点释放电流，电流高低与支撑电容参数呈正比例相关；在支撑电容电流释放完毕后，整流器前端电压继续经母排向故障点释放电流。直流母线的拓扑结构导致短路故障点不同时，通过快速熔断器的电流也不同[7 − 9]。
综上分析，直流侧任意一点出现极间短路时的等效电路如图2所示。其中，C为支撑电容；RL和LL分别为线路电阻和电感；RF为故障点电阻；QF为快速熔断器。基于此基础电路，在Matlab中搭建Simulink模型，如图3所示。由于系统两侧基本对称，因此同类型短路只需考虑任意一侧的短路情况即可。
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图 2 直流短路故障的等效电路 Fig. 2 Equivalent circuit of DC short circuit fault |
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图 3 直流电网短路故障选择性保护分析模型 Fig. 3 Analysis model for selective protection of short-circuit faults in DC power grids |
依据1.2节原则分析图4系统可能发生的5类短路故障，F1～F10为快速熔断器，选择性保护分析如下：
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图 4 系统短路故障位置示意图 Fig. 4 Schematic diagram of system short circuit fault location |
1）短路故障1。指在发电机与整流器之间或者锂电池组与双向DC-DC变换器之间，整流器或者双向DC-DC变换器发生短路故障。该故障将导致IGBT瞬间断开，时间小于10 μs，迅速切断故障电路，将锂电池组或发电机隔离于直流母排，不干扰其他系统，实现了直流系统的保护选择性。
2）短路故障2。指电源端馈线短路，包括整流器故障或馈线处短路，所有变流装置的直流母线支撑电容向故障点放电，当达到该馈线支路上熔断器的弧前熔断值（弧前I2t）时，熔断器熔断，实现故障隔离，其他非故障支路熔断器未达到弧前I2t则不熔断，实现选择性保护。此类短路故障存在时间很短，永磁电机馈送能量可忽略，电源端非故障变流器电容放电阶段基本可以达到故障支路熔断器烧断条件。
3）短路故障3。指在母排上直接短路，固态开关最先动作，保证非故障母排侧不会有损伤，经过处理后能及时恢复正常工作。母联处设置快速熔断器的目的为用来保护固态开关的正常工作，固态开关正常工作时，母联处的快速熔断器不会损坏，当固态开关出现故障时，快速熔断器会迅速保护，确保故障控制在最小范围。对于故障母排而言，由于故障点无法切除，故障段母排最终失电。短路时间及故障效果与发电机和电机的状态有关，由于永磁电机馈送的能量较大，在设计时，永磁电机（推进电机）与推进逆变之间加了断路器，当推进逆变故障停机后，断路器将迅速切断，防止永磁电机的能量向故障点馈送；电池支路与发电机组支路，双向DC-DC变换器和整流器迅速停止工作，但仍存在通过续流二极管向故障点馈送能量的情况，在计算中给予考虑，故障母排上电池支路与发电机组支路的快速熔断器可能会熔断。
4）短路故障4。指负载馈线端发生短路，包括逆变模块故障及馈线处短路。发生故障的母排段所有变流装置的支撑电容向故障点放电，当达到该馈线支路上熔断器的弧前I2t时，熔断器熔断，实现故障隔离，其他非故障支路熔断器未达到弧前I2t不熔断，实现选择性保护。此类短路故障存在时间很短，负载侧非故障变流器电容放电阶段基本可以达到故障支路熔断器熔断条件，若故障发生在推进负载逆变馈线处，负载侧故障变流器迅速停机，永磁电机与推进逆变之间的开关迅速断开，防止永磁电机的能量向故障点馈送。
5）短路故障5。指负载电机内部短路或者连接电缆短路，此时逆变器的IGBT可瞬时保护，迅速切断电路，不影响其他系统，实现选择性保护。
综上分析可知，短路故障1和短路故障5不涉及熔断器的动作，下面直接就短路故障2、短路故障4可能涉及的10个故障点进行短路电流分析及选择性保护分析，以确定熔断器型号及验证其选择性。
3.2 短路电流计算分析本船计算最大短路电流时，假定锂电池组充电至满容量；计算最小短路电流时，假定锂电池组为放电终止电压。
3.2.1 电源端馈线短路电流以熔断器F2前端发生短路故障2为例，各熔断器处的预期最大短路电流如图5所示、最小短路电流如图6所示。仿真结果显示，故障时流经F2的最大、最小短路电流尖峰值分别为56.37 kA和56.24 kA，流经其他熔断器处电流值远小于该值。由于电源设备相似性，熔断器F4、F6、F7、F9前端发生短路故障2时，情况与F2处基本一致。
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图 5 电源馈线端短路时最大短路电流波形示意图 Fig. 5 Schematic diagram of the maximum short-circuit current waveform when the power supply feeder terminal is short circuited |
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图 6 电源馈线端短路时最小短路电流波形示意图 Fig. 6 Schematic diagram of the minimum short-circuit current waveform when the power supply feeder terminal is short circuited |
以熔断器F1后端发生短路故障4为例，各熔断器处的预期最大、最小短路电流分别如图7和图8所示。仿真结果显示，故障发生时，流经F1的最大、最小短路电流尖峰值分别为56.59 kA和56.42 kA，流经其他熔断器处电流值远小于该值。由于电源设备相似性，F3、F8、F10后端发生短路故障4时情况与F1处基本一致。
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图 7 负载馈线端短路时最大短路电流波形示意图 Fig. 7 Schematic diagram of the maximum short-circuit current waveform when the load feeder terminal is short circuited |
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图 8 负载馈线端短路时最小短路电流波形示意图 Fig. 8 Schematic diagram of the minimum short-circuit current waveform when the load feeder terminal is short circuited |
以熔断器F5发生短路故障3为例，各熔断器处的预期最大、最小短路电流分别如图9和图10所示。仿真结果显示，发生故障时，流经F5的最大、最小短路电流尖峰值分别为46.54 kA和45.63 kA，远大于流经其他熔断器处电流值。
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图 9 母线短路时最大短路电流波形示意图 Fig. 9 Schematic diagram of the maximum short-circuit current waveform when bus short circuit |
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图 10 母线短路时最小短路电流波形示意图 Fig. 10 Schematic diagram of the minimum short-circuit current waveform when bus short circuit |
综上所述，本船直流系统短路电流计算结果见表1。
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表 1 系统最大、最小短路电流值 Tab.1 Maximum and minimum short-circuit current values of the system |
本系统依据最大、最小短路电流计算值选定熔断器，以实现短路故障处熔断器熔断而其他位置熔断器不熔断，进而实现系统的选择性保护。本船选用的Bussmann的170M系列快速熔断器，170M6496和170M6495的分断容量为100 kA，均可承受以上短路电流。
3.3 系统选择保护性分析在快速熔断器组成的直流保护系统中，选择性具体表现为熔断器断开时间的不同。这要求针对故障分析每个熔断器断开的精确时间。快速熔断器QF的分断时间由流过的故障电流决定，数值上，由快速熔断器的弧前能量Earc决定，定量表述为：
| $ {E_{arc}} = \int\limits\nolimits_{0 + }^T {i_{{{Q_F}}}^2\left( t \right)t{\text d}t} 。$ | (1) |
式中：积分下限0+为故障起始时刻；积分上限T为快熔分断时刻；
| $ {E_{{{arc}}}} = f\left( {T,C} \right)。$ | (2) |
对于某个整流器或逆变器来说，当直流系统内出现短路故障时，一定时间T后，串联的快速熔断器中积累了足够热量，即Earc达到熔断器的熔断值，熔断器即断开，故障切除。在直流系统中，T值对于任何一个快速熔断器来说是相同的，可见C的数值直接决定了Earc的数值。可以根据C的不同，适当选择不同Earc的快速熔断器以实现保护的选择性，这是基于快速熔断器的直流系统选择性保护理论基础。
本系统选用2种型号熔断器170M6495、170M6496，流经能量需到达pre-arc能量才能熔断，其pre-arc能量分别为
1）电池组支路处短路
由图11和图12可知，当熔断器F2处发生短路时固态开关快速断开，熔断器F2在1 ms后断开，其他熔断器均正常，其他设备可正常恢复工作。考虑系统对称性，熔断器F9处发生短路的情况应与上述一致。
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图 11 短路保护时各熔断器状态 Fig. 11 Status of each fuse during short-circuit protection |
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图 12 短路保护时各熔断器承受的I2t值 Fig. 12 The I2t value borne by each fuse during short-circuit protection |
2）发电机组支路处短路
从图13和图14中可知，当熔断器F7处发生短路时固态开关快速断开，且熔断器 F7在0.8 ms后断开，其他熔断器均正常，其他设备可正常恢复工作。考虑系统对称性，熔断器F4处发生短路的情况应与上述一致。
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图 13 短路保护时各熔断器状态 Fig. 13 Status of each fuse during short-circuit protection |
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图 14 短路保护时各熔断器承受的I2t值 Fig. 14 The I2t value borne by each fuse during short-circuit protection |
3）岸电支路处短路
从图15和图16中可知，当熔断器F6处发生短路时固态开关快速断开，且熔断器F6在0.8 ms后断开，其他熔断器均正常，其他设备可正常恢复工作。
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图 15 短路保护时各熔断器状态 Fig. 15 Status of each fuse during short-circuit protection |
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图 16 短路保护时各熔断器承受的I2t值 Fig. 16 The I2t value borne by each fuse during short-circuit protection |
1）日用逆变器支路短路
从图17和图18中可知，当熔断器F1处发生短路时固态开关快速断开，F1在0.7 ms后熔断，其余熔断器均正常，其他设备可正常恢复工作。考虑系统对称性，熔断器F10处发生短路的情况与上述一致。
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图 17 短路保护时各熔断器状态 Fig. 17 Status of each fuse during short-circuit protection |
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图 18 短路保护时各熔断器承受的I2t值 Fig. 18 The I2t value borne by each fuse during short-circuit protection |
2）推进逆变支路短路
从图19和图20中可知，当熔断器F8处发生短路时固态开关快速断开，F8在0.7 ms后熔断，其余熔断器均正常，其他设备可正常恢复工作。考虑系统对称性，熔断器F3处发生短路的情况与上述一致。
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图 19 短路保护时各熔断器状态 Fig. 19 Status of each fuse during short-circuit protection |
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图 20 短路保护时各熔断器承受的I2t值 Fig. 20 The I2t value borne by each fuse during short-circuit protection |
1）左母排短路
从图21和图22中可知，发生短路后大概8～10 μs固态开关最先断开，右侧母排故障切除后，左侧母排故障未切除，由于电池放电熔断器F2在2 ms左右熔断，发电机组由于内部电抗的存在，F4在12 ms后熔断，同时永磁同步电机故障后断路器跳开，不能持续向短路点提供短路电流，因此故障母排其他熔断器并未完全熔断。正常侧母排电压跌落降到880 V左右，固态开关切断后电压迅速恢复，故障侧母排电压最终降为0。
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图 21 短路保护时各熔断器状态 Fig. 21 Status of each fuse during short-circuit protection |
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图 22 短路保护时各熔断器承受的I2t值 Fig. 22 The I2t value borne by each fuse during short-circuit protection |
2）右母排短路
右侧母排相比于左侧母排，多了岸电装置。从图23和图24中可知，考虑系统对称性，发生短路后固态开关和熔断器的动作顺序和时间与右侧故障时一致，熔断器F9、F7动作时间与F2、F4一致，岸电由于没及时切除，熔断器F6在12 ms左右断开。
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图 23 短路保护时各熔断器状态 Fig. 23 Status of each fuse during short-circuit protection |
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图 24 短路保护时各熔断器承受的I2t值 Fig. 24 The I2t value borne by each fuse during short-circuit protection |
通过仿真试验计算短路电流，并以此为参考选定快速熔断器及固态开关的参数，再通过实船试验验证系统选择性保护效果，若效果不佳，则调整快速熔断器及固态开关的参数，重新验证。本船选用快速熔断器型号如表2所示。
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表 2 系统快速熔断器选型 Tab.2 Selection of system fast fuses |
本文通过构建仿真模型，针对直流电力系统的10个短路故障进行仿真，依据最大、最小短路电流选定熔断器参数，最终通过实船试验验证系统选择性保护其有效性、可靠性。目前针对混合动力船舶直流综合电力推进系统的研究较少，本文通过结合某拖轮分析混合动力船舶直流综合电力推进系统的选择性保护设计及验证方案，为同类型船舶的相关工作提供了实践参考。
| [1] |
吴大立, 雷津, 徐正喜, 等. 船舶直流电力系统选择性保护方法研究[J]. 舰船科学技术, 2009, 31(12): 76-79. WU Dali, LEI jin, XU Zhengxi, et al. Study on selectivity protection methods of shipboard DC power system[J]. Ship Science and Technology, 2009, 31(12): 76-79. DOI:10.3404/j.issn.1672-7649.2009.12.020 |
| [2] |
尹文龙, 王军, 葛启桢. 混合动力船舶直流配电系统选择性保护设计[J]. 船电技术, 2023, 43(7): 34-38. YIN Wenlong, WANG Jun, GE Qizhen. Selective protection design of DC power distribution system for hybrid electric ships[J]. Marine Electric and Electronic Engineering, 2023, 43(7): 34-38. DOI:10.13632/j.meee.2023.07.004 |
| [3] |
刘渊, 张优, 杨杰, 等. 科考船直流母排电力系统短路电流的计算与仿真[J]. 船舶工程, 2023, 45(8): 4-15. |
| [4] |
于普贺. 直流组网电力推进系统选择性保护设计与验证[J]. 船舶工程, 2023, 45(S1): 333-340. YU Puhe. Design and verification of selective protection for DC power station electric propulsion system[J]. Ship Engineering, 2023, 45(S1): 333-340. DOI:10.13788/j.cnki.cbgc.2023.S1.067 |
| [5] |
杜睿, 孙苏悦, 周祎隆. 锂电池动力船直流配电系统设计及选择性保护分析[J]. 舰船科学技术, 2020, 42(1): 123-127. DU Rui, SUN Suyue, ZHOU Yilong. Study oflithium battery powered ship's DC power system design and protection selectively analysis[J]. Ship Science and Technology, 2020, 42(1): 123-127. DOI:10.3404/j.issn.1672-7649.2020.01.024 |
| [6] |
丁俊, 王硕丰, 王良秀, 等. 船舶直流母排电感计算及保护建模方法的研究与验证[J]. 船舶工程, 2021, 43(1): 80-86. DING Jun, WANG Shuofeng, WANG Liangxiu, et al. Research and verification of inductance calculation and protection modeling method for ship DC busbar[J]. Ship Engineering, 2021, 43(1): 80-86. DOI:10.13788/j.cnki.cbgc.2021.01.15 |
| [7] |
VU T V, PARAN S, EL-MEZYANI T, et al. Real-time distributed power optimization in the DC microgrids of shipboard power systems[C]// 2015 IEEE Electric Ship Technologies Symposium (ESTS), 2015.
|
| [8] |
李鸿瑞, 熊良胜, 邵诗逸. 直流电力推进系统在小水线面双体科考船上的应用[J]. 舰船科学技术, 2017(8): 86-88. LI Hongrui, XIONG Liangsheng, SHAO Shiyi. Application and research of DC electric propulsion to the SWATH scientific research vessel[J]. Ship Science and Technology, 2017(8): 86-88. DOI:10.3404/j.issn.1672-7649.2017.08.018 |
| [9] |
杨光, 牟照欣, 吴迪, 等. 船舶直流组网电力推进技术发展优势[J]. 舰船科学技术, 2017, 39(13): 8-14. YANG Guang, MU Zhao-xin, WU Di, et al. The development advantages of electricity propulsion technology for ship's DC Network[J]. Ship Science and Technology, 2017, 39(13): 8-14. DOI:10.3404/j.issn.1672-7649.2017.07.002 |