直流全電力推進(jìn)船舶短路故障管控技術(shù)研究

鄢 倫，吳大立，李興東，汪永茂

（武漢第二船舶設(shè)計研究所，武漢 430205）

0 引言

近年來，隨著節(jié)能減排要求的不斷提高和電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，便于變速運(yùn)行的發(fā)電機(jī)接入電網(wǎng)以經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和便于儲能設(shè)備接入以提高船舶電力系統(tǒng)供電連續(xù)性和動力靈活操控性成為船舶直流電力系統(tǒng)發(fā)展的核心推動力之一，直流全電力推進(jìn)成為船舶電力系統(tǒng)發(fā)展的重要方向[1]。然而，缺乏完備的短路故障管控技術(shù)實施的手段和指導(dǎo)原則成為設(shè)計直流全電力推進(jìn)船舶電力系統(tǒng)的主要障礙。短路故障管控技術(shù)包括故障檢測、故障隔離和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)三個方面；故障檢測和故障隔離要求將故障區(qū)域從船舶直流電網(wǎng)中隔離開，以保證正常區(qū)域負(fù)載供配電不受影響；網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)則要求船舶電力系統(tǒng)根據(jù)故障情形改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟员ＷC重要負(fù)載的連續(xù)供電。完備的短路故障管控是直流全電力推進(jìn)船舶高供電可靠性和生命力的基礎(chǔ)。

直流全電力推進(jìn)船舶電網(wǎng)與陸上直流電網(wǎng)在負(fù)荷類型和特征上有明顯不同，具有與任務(wù)強(qiáng)關(guān)聯(lián)和難以預(yù)測的特征，且高達(dá)總發(fā)電容量80%甚至以上的電力推進(jìn)負(fù)載的大范圍波動也使船舶直流電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)能力受到推進(jìn)負(fù)荷的顯著影響[2]，導(dǎo)致直流全電力推進(jìn)船舶電網(wǎng)短路故障管控不僅面臨陸上直流電網(wǎng)同樣巨大的挑戰(zhàn)，且相關(guān)研究成果也無法直接遷移應(yīng)用。直流全電力推進(jìn)船舶電網(wǎng)短路故障管控的技術(shù)難題已經(jīng)引起學(xué)術(shù)界和工業(yè)界多個研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注。位于美國的電力艦船研究和發(fā)展協(xié)會（Electric Ship Research and Development Consortium，ESRDC）是其中的突出代表[3]。

本文將當(dāng)前國外直流電力系統(tǒng)短路故障管控技術(shù)上的研究成果分析整合，結(jié)合船舶直流電網(wǎng)短路故障特性和保護(hù)需求，分析了直流電網(wǎng)短路故障管控技術(shù)的研究進(jìn)展，指出了直流全電力推進(jìn)船舶短路故障管控技術(shù)未來發(fā)展和需求研究的重點(diǎn)。

1 船舶直流電網(wǎng)短路故障特性和保護(hù)需求

1.1 船舶直流電網(wǎng)短路故障特性

在船舶直流電網(wǎng)中，同步發(fā)電機(jī)采用兩電平電壓源變換器接入的方案較多，其拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 同步發(fā)電機(jī)通過兩電平電壓源變換器接入電網(wǎng)拓?fù)?/p>

當(dāng)同步整流發(fā)電機(jī)外部短路時，短路電流由兩個響應(yīng)決定，一是變換器直流側(cè)電容暫態(tài)放電電流，二是發(fā)電機(jī)饋送的短路電流。同步整流發(fā)電機(jī)短路響應(yīng)為典型的4階段過程，如圖2所示。圖2（a）表示直流側(cè)電容快速暫態(tài)放電，直流電壓降低；圖2（b）表示直流母線電壓低于發(fā)電機(jī)交流側(cè)電壓峰值后，IGBT反并聯(lián)續(xù)流二極管導(dǎo)通，交流發(fā)電機(jī)開始通過續(xù)流二極管向短路點(diǎn)饋送短路電流，IGBT過電流保護(hù)關(guān)斷；圖2（c）表示所有IGBT反并聯(lián)續(xù)流二極管均導(dǎo)通，發(fā)電機(jī)處于完全短路狀態(tài)；圖2（d）表示形成發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)饋送短路電流。某一同步整流發(fā)電機(jī)典型外部短路電流曲線如圖3所示。

圖2 不同階段整流發(fā)電機(jī)短路故障電流響應(yīng)

圖3 整流發(fā)電機(jī)典型短路故障電流曲線

從圖3中可知，整流發(fā)電機(jī)短路電流無過零點(diǎn)，并在約2～3 ms內(nèi)就迅速升高到約額定電流15倍的峰值。此特征短路電流不僅可能導(dǎo)致直流側(cè)電容和二極管等熱損毀或過電壓損壞，同時巨大的電磁力也可能導(dǎo)致元件機(jī)械損壞。此外，由于船舶直流電網(wǎng)短路阻抗很小，短路時整個直流電網(wǎng)短路電流也幾乎一樣大。

1.2 船舶直流電網(wǎng)短路保護(hù)需求

針對船舶直流電網(wǎng)短路特性，為實現(xiàn)電網(wǎng)快速選擇性保護(hù)，其基本要求如下：

1）電流傳感器要求

為測量直流短路電流，分流器、電流互感器、霍爾傳感器或羅氏線圈等是當(dāng)前幾種應(yīng)用較多的測量方案，不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)對比如表1所示[4-5]。

表1 不同電流傳感器優(yōu)缺點(diǎn)對比

2）故障隔離時間要求

由于短路阻抗小，直流電網(wǎng)短路電流上升率和幅值比交流電網(wǎng)大得多，傳統(tǒng)交流電網(wǎng)基于穩(wěn)態(tài)短路電流來進(jìn)行保護(hù)設(shè)計和配合的思路在直流電網(wǎng)中無法應(yīng)用。為避免直流電網(wǎng)快速上升且峰值巨大的短路電流造成變換器等損壞，一般要求故障檢測和隔離時間在10 ms以內(nèi)。

3）選擇性要求和保護(hù)配合挑戰(zhàn)

在傳統(tǒng)交流系統(tǒng)中，單端或多端保護(hù)被用于實現(xiàn)選擇性保護(hù)。單端保護(hù)只檢測末端電壓和電流，且一般通過電流或時間原則來實現(xiàn)選擇性保護(hù)，而多端保護(hù)則同時采集首末端電壓和電流。對于船舶直流電網(wǎng)而言，由于快速上升的故障電流和嚴(yán)苛的時間配合要求，難以再采用這樣的原則。此外，距離保護(hù)也難以直接在緊湊的船舶直流電網(wǎng)中應(yīng)用。

2 船舶直流電網(wǎng)短路故障管控研究現(xiàn)狀

2.1 短路故障管控技術(shù)研究框架

故障檢測、故障隔離和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)作為船舶直流電網(wǎng)短路故障管控的重要內(nèi)容，其研究不可互相割裂，本文基于的統(tǒng)一分析研究框架如圖4所示。

圖4 船舶直流電網(wǎng)短路故障管控技術(shù)研究框架

2.2 故障檢測

故障檢測是船舶直流電網(wǎng)短路故障管控實施的首要環(huán)節(jié)，當(dāng)前主要研究思路和手段包括如下。

1）檢測交流側(cè)電流實現(xiàn)保護(hù)

基于交流保護(hù)方案，通過檢測整流發(fā)電機(jī)交流側(cè)電流以實現(xiàn)直流側(cè)短路保護(hù)是最簡單的方法，但其主要問題在于交流斷路器一般需要一到兩個周波的時間才能分?jǐn)?，難以滿足直流電網(wǎng)快速性保護(hù)的時間要求，且采用這一方法會導(dǎo)致系統(tǒng)失電。

2）檢測直流過電流和電流上升率實現(xiàn)保護(hù)

過流保護(hù)在交流系統(tǒng)中較多采用，但由于船舶直流電網(wǎng)短時路各處短路電流幾乎相同而難以適用，其更適合點(diǎn)對點(diǎn)的直流系統(tǒng)以及作為多端直流系統(tǒng)的后備保護(hù)[6]。此外，電流上升率di/dt在直流電網(wǎng)故障檢測中也經(jīng)常被采用。同時測量di/dt和端電壓值，還可估計保護(hù)區(qū)段的電抗，從而進(jìn)行故障定位，但該方案的主要不足在于需要高帶寬傳感器和快速計算故障后的線路電抗[7]。

3）電流差動和方向檢測實現(xiàn)保護(hù)

直流電網(wǎng)通過檢測判斷電流方向?qū)崿F(xiàn)方向保護(hù)與交流電網(wǎng)類似，但這一保護(hù)需有合適的直流斷路器來隔離故障。此外，基于流入和流出節(jié)點(diǎn)電流不同的差動保護(hù)也可用于直流電網(wǎng)，但由于直流短路故障電流上升率很大，實現(xiàn)差動保護(hù)需要有速度極快和高可靠的電流傳感器及通信手段[8]。

4）基于信號處理的方法

信號處理方法，如小波變換、短時傅里葉變換和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障檢測算法在直流電力系統(tǒng)中已有應(yīng)用。盡管這些方法提供了準(zhǔn)確的結(jié)果，但實際應(yīng)用時還需進(jìn)一步深入研究。

2.3 故障隔離

直流電網(wǎng)故障隔離有基于開關(guān)隔離和無開關(guān)隔離兩大方向。在傳統(tǒng)交流系統(tǒng)中，交流斷路器通過電壓和電流的自然過零點(diǎn)來熄滅分?jǐn)喽搪窌r產(chǎn)生的電弧。而在直流系統(tǒng)中，由于沒有自然過零點(diǎn)，若要采用直流斷路器來隔離故障，則直流斷路器必須采取附加手段來熄滅短路時產(chǎn)生的電弧。

2.3.1 基于開關(guān)隔離直流短路故障

1）諧振換向直流斷路器

通過加裝換向元件以及過電壓吸收部件來改造交流斷路器以分?jǐn)嘀绷鞴收想娏魇钱?dāng)前實現(xiàn)直流斷路器的思路之一。主動和被動諧振換向均能使交流斷路器被改造為直流斷路器。然而，被動諧振換向直流斷路器只能分?jǐn)噍^小的直流短路電流，且分?jǐn)鄷r間也較長[9]；主動諧振斷路器則性能更優(yōu)，可更快的分?jǐn)喔蟮亩搪冯娏鱗10]，如圖5所示。

圖5 被動（a）和主動（b）諧振換向直流斷路器拓?fù)?/p>

正常工作時，直流電流從圖5所示的“主通路”流過，故障時，跳閘指令發(fā)送到“主通路”的開關(guān)上，開關(guān)電弧產(chǎn)生，并同時在換向電路RLCres和開關(guān)電弧間產(chǎn)生電流振蕩，這一過程將在主開關(guān)上產(chǎn)生人為過零點(diǎn)，從而熄滅電弧以及分?jǐn)嚯娐贰Ｖ鲃又C振換向直流斷路器需額外控制開關(guān)S1、S2的通斷。S2閉合后可對換向回路的電容預(yù)充電，正常工作時一般處于閉合狀態(tài)。接收到跳閘指令后，S2分?jǐn)啵琒1閉合，激活主動諧振電路。

當(dāng)前基于被動諧振換向的直流斷路器已經(jīng)在點(diǎn)對點(diǎn)直流系統(tǒng)中進(jìn)行了測試，可在20 ms內(nèi)分?jǐn)喔哌_(dá)5.3 kA的短路電流；而基于主動諧振換向的直流斷路器則能在5～8 ms內(nèi)分?jǐn)?0.5～16 kA的短路電流[10]。

2）直流固態(tài)斷路器和固態(tài)限流器

隨著半導(dǎo)體器件的快速發(fā)展，固態(tài)開關(guān)也逐漸被用于故障隔離，發(fā)展形成直流固態(tài)斷路器，近年來在船舶直流電網(wǎng)領(lǐng)域也有相關(guān)應(yīng)用報道[11]。直流固態(tài)斷路器大多基于IGBT或IGCT的控制來實現(xiàn)隔離功能。圖6（a）中表示了一種可關(guān)斷雙向短路電流的固態(tài)斷路器結(jié)構(gòu)[12]。該固態(tài)斷路器內(nèi)串聯(lián)的半導(dǎo)體開關(guān)管數(shù)量決定了斷路器短路電流分?jǐn)嗄芰碗妷耗褪芩?。除了固態(tài)斷路器，基于LC諧振回路分?jǐn)喽搪冯娏鞯墓虘B(tài)限流器也被提出[13]。固態(tài)限流器的工作原理與保險絲類似，都是一次性產(chǎn)品，此外也不適用于較高的電壓場合。

圖6 直流固態(tài)斷路器(a)和混合斷路器(b)拓?fù)?/p>

3）混合斷路器

基于諧振原理的直流斷路器相對需要更長時間來分?jǐn)喙收想娏?，而固態(tài)斷路器則分?jǐn)鄷r間更短，但固態(tài)斷路器的一大劣勢在于穩(wěn)態(tài)通流損耗大，會導(dǎo)致系統(tǒng)效率降低。為解決這一問題，將兩者結(jié)合的混合斷路器應(yīng)運(yùn)而生[14]，其一般結(jié)構(gòu)如圖6（b）所示。采用碳化硅發(fā)射極關(guān)斷晶閘管和快速晶閘管作為主斷路器的混合斷路器已分別在船舶中壓直流電網(wǎng)以及陸上直流電網(wǎng)中應(yīng)用。

2.3.2 無開關(guān)隔離直流短路故障

無開關(guān)隔離直流短路故障包括發(fā)電機(jī)采用改進(jìn)變換器接入電網(wǎng)和短路時發(fā)電機(jī)進(jìn)行緊急去磁。

1）兩電平改進(jìn)變換器

兩電平改進(jìn)變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 兩電平改進(jìn)變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖7（a）中晶閘管與續(xù)流二極管并聯(lián)以分流故障電流，減小二極管I2t值，但故障時開關(guān)經(jīng)受的dv/dt很高；圖7（b）中采用了撬棒保護(hù)（crowbar），但是該方案需要配備有冷卻設(shè)備，且保護(hù)控制與發(fā)電機(jī)交流開關(guān)動作密切相關(guān)；圖7（c）中交流側(cè)串聯(lián)大電感可顯著減小故障電流但增大了變換器的體積和尺寸；圖7（d）中交流側(cè)增加LCL濾波器可在限制故障電流的同時保持單位功率因數(shù)，但又受體積龐大的L和C的限制且控制復(fù)雜。

2）接入發(fā)電機(jī)選擇

由于感應(yīng)發(fā)電機(jī)需要較大的勵磁功率，永磁同步發(fā)電機(jī)短路時會產(chǎn)生巨大的短路電流，權(quán)衡考慮優(yōu)缺點(diǎn)，采用外部勵磁的繞線式轉(zhuǎn)子同步發(fā)電機(jī)成為船舶直流電網(wǎng)的主要選擇。繞線式轉(zhuǎn)子同步發(fā)電機(jī)對外饋送的短路電流取決于發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢，而內(nèi)電勢與勵磁系統(tǒng)密切相關(guān)，選用合適的去磁系統(tǒng)可減小發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢，進(jìn)而減小對外饋送的短路電流。恒定電阻去磁系統(tǒng)在工業(yè)界被廣泛采用[15]，如圖8（a）所示。由于過大的Rd可能產(chǎn)生過電壓問題，Rd阻值必須慎重選擇。為避免恒定電阻去磁可能導(dǎo)致的過電壓問題，圖8（b）所示的可限制勵磁繞組電壓的非線性壓控電阻（VDR）被提出。

圖8 不同發(fā)電機(jī)去磁系統(tǒng)

此外，將恒定電阻和非線性壓控電阻并聯(lián)的去磁系統(tǒng)也被提出，如圖8（c）所示。發(fā)電機(jī)短路時，開關(guān)S1分?jǐn)?，電阻Rd使勵磁電流迅速減小，從而使發(fā)電機(jī)對外饋送短路電流減??；當(dāng)勵磁電壓超過限制值后，開關(guān)S2閉合，非線性壓控電阻投入運(yùn)行，限制勵磁電壓不超過限值。

2.4 網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)

在故障檢測和故障隔離之外，網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)是船舶直流電網(wǎng)故障管控的另一重要問題，通過網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)可確保重要負(fù)載供電連續(xù)性，而重構(gòu)能力則取決于高可靠的母線結(jié)構(gòu)和負(fù)載切除及綜合優(yōu)化策略。

1）船舶直流電網(wǎng)母線結(jié)構(gòu)

共直流母線是船舶直流電網(wǎng)最簡單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種母線結(jié)構(gòu)形式中所有的發(fā)電機(jī)和負(fù)載都接入同一母線，采用的是饋線配電方式。其他母線拓?fù)浒◤拇^整個穿過到船尾的環(huán)形母線結(jié)構(gòu)等。近年來，直流區(qū)域配電的構(gòu)思被提出[16]，如圖9所示，即船舶被分為幾個供電區(qū)域，每個供電區(qū)域通過電纜和斷路器與直流母線連接，直流母線傳輸?shù)闹绷麟娫诿總€供電區(qū)域被變換成所需的三相交流電和直流電。緊急和重要負(fù)載通過自動轉(zhuǎn)換裝置與左右兩舷直流母線同時連接，并通過變換器實現(xiàn)供電區(qū)域內(nèi)故障隔離。與交流配電系統(tǒng)相比，直流區(qū)域配電系統(tǒng)可不間斷保持重要負(fù)載的連續(xù)供電。

圖9 直流區(qū)域配電系統(tǒng)拓?fù)?/p>

2）負(fù)載切除和綜合優(yōu)化策略

高可靠的母線拓?fù)浯_保了發(fā)電機(jī)可持續(xù)不斷向重要負(fù)載供電。然而，故障時，發(fā)電機(jī)輸出能力與負(fù)載需求之間可能不匹配，且恒功率負(fù)載也可能影響系統(tǒng)直流母線電壓穩(wěn)定，導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。保護(hù)系統(tǒng)避免崩潰的手段之一是采用實時負(fù)載切除策略。不同于陸地直流電網(wǎng)，船舶負(fù)載根據(jù)執(zhí)行任務(wù)的不同有不同的供電優(yōu)先級，一般分為緊急負(fù)載、重要負(fù)載和一般負(fù)載三類。因此網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)在本質(zhì)上是考慮船舶電網(wǎng)發(fā)電機(jī)容量和負(fù)載約束條件下的目標(biāo)綜合優(yōu)化問題。

針對這一優(yōu)化問題，研究者們考慮的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)包括發(fā)電功率損失最小化、系統(tǒng)穩(wěn)定、最小化開關(guān)動作次數(shù)、最大化負(fù)載供電能力等[17]。網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)可被一般化概括如下：

約束條件為：

式（1）和（2）中，N和M分別代表負(fù)載和發(fā)電機(jī)數(shù)量；Wi代表第i個負(fù)荷ith的負(fù)載優(yōu)先級；Pi代表第i個負(fù)荷ith的負(fù)載大?。籔gen代表第i臺發(fā)電機(jī)ith的輸出功率；Xi代表第i個負(fù)載的開關(guān)狀態(tài)；XGi代表第i臺發(fā)電機(jī)的開關(guān)狀態(tài)，其可用二進(jìn)制0和1分別表示斷開和閉合兩種狀態(tài)。

在網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)優(yōu)化約束條件中，除了發(fā)電機(jī)總輸出功率需比負(fù)載需求大外，電壓變化范圍約束、線路容量約束以及儲能設(shè)備 SOC約束等也需進(jìn)行考慮，優(yōu)化函數(shù)的求解目標(biāo)是得到網(wǎng)絡(luò)各供電開關(guān)的最優(yōu)組合狀態(tài)以實現(xiàn)故障后的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)。

當(dāng)前，已有多種根據(jù)不同負(fù)載優(yōu)先級和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞鹊木W(wǎng)絡(luò)重構(gòu)方法，如采用集中式控制的啟發(fā)式搜索分析、基于圖論的分析、基于專家決策系統(tǒng)以及采用分布式控制的多智能體系統(tǒng)等方法被提出，提高了船舶直流電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)能力。

3 未來發(fā)展和研究建議

完善的短路故障管控需要面向多故障情形下的故障檢測、故障隔離和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)手段的綜合協(xié)同配合，并貫穿直流全電力推進(jìn)船舶設(shè)計的全階段。

在故障檢測上，當(dāng)前研究多假設(shè)電流、電壓傳感器為理想傳感器，然而快速上升且峰值巨大的直流電網(wǎng)短路電流可能導(dǎo)致傳感器飽和甚至損壞。因此后續(xù)需對不同傳感器進(jìn)行詳細(xì)建模分析并充分考慮其對于船舶直流電網(wǎng)故障電流檢測的適用性。

在故障隔離上，當(dāng)前基于開關(guān)隔離的各類直流斷路器方案被提出，然而其存在體積與重量較大的問題；基于無開關(guān)隔離的容錯發(fā)電系統(tǒng)方案可更好滿足對總體空間和重量要求嚴(yán)格的船舶電網(wǎng)，但其短路限流能力有限。因此需深化開展直流斷路器小型化和輕量化改進(jìn)研究以及容錯發(fā)電系統(tǒng)短路限流能力提升研究。

在網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)上，當(dāng)前為簡化問題的研究，多假設(shè)船舶負(fù)載在故障前后恒定不變，這一假設(shè)僅對負(fù)載相對發(fā)電容量小得多的系統(tǒng)合理，然而對船舶電網(wǎng)而言，日常負(fù)載和推進(jìn)負(fù)載幾乎與發(fā)電容量相當(dāng)，故障時可能變化很大。因此后續(xù)研究中必須充分考慮船舶負(fù)載的強(qiáng)任務(wù)相關(guān)性和不確定性，并將其作為負(fù)載約束條件之一，開展進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié)語

高動力靈活操控性和高供電連續(xù)性成為促進(jìn)直流全電力推進(jìn)船舶快速發(fā)展的主要動力，催生了短路故障管控技術(shù)研究的迫切性。本文分析了船舶直流電網(wǎng)短路電流故障特性和短路保護(hù)需求；并基于統(tǒng)一框架，對國外直流電網(wǎng)短路故障管控技術(shù)，包括故障快速檢測、故障隔離和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)等方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了分析，梳理總結(jié)了目前不同技術(shù)手段的特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)以及對于直流全電力推進(jìn)船舶的適用性；最后指出了直流全電力推進(jìn)船舶短路故障管控技術(shù)未來發(fā)展和需求研究的重點(diǎn)。本文的內(nèi)容期望能夠促進(jìn)對直流電網(wǎng)短路故障管控技術(shù)的認(rèn)識理解，并為未來研究提供思路和借鑒。