純電動船舶直流并網(wǎng)短路保護(hù)功能設(shè)計及仿真分析

王 偉，張瀚宸

（中車永濟(jì)電機(jī)有限公司，山西 永濟(jì) 044502；2. 西交利物浦大學(xué)，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

近年來，純電動船舶以其零污染、零排放、低噪音及低振動等諸多優(yōu)點得以在公務(wù)船、游覽船等船型上試點推廣。直流并網(wǎng)技術(shù)是純電動船舶的核心技術(shù)。對于船舶直流并網(wǎng)配電系統(tǒng)，中國船級社（CCS）在短路電流計算、協(xié)調(diào)性保護(hù)分析等方面有著更加嚴(yán)格的要求[1]，即當(dāng)系統(tǒng)中某一支路發(fā)生短路故障時，該支路需被切除，而其余支路被保留且正常工作。因此，在設(shè)計系統(tǒng)的短路保護(hù)功能時，需要通過仿真分析對短路保護(hù)方案及保護(hù)器件的選型進(jìn)行校核驗證。

目前，國內(nèi)外對純電動船舶短路保護(hù)方案設(shè)計及仿真分析研究較少，或進(jìn)行部件級的短路分析[2-5]，或進(jìn)行短路保護(hù)熔斷器的計算選型[6]，相關(guān)的CCS規(guī)范及國家標(biāo)準(zhǔn)[7]中亦無純電動船舶直流系統(tǒng)模型或短路電流計算方法。本文在Matlab/Simulink 2016a中搭建純電動船舶直流系統(tǒng)仿真模型，對系統(tǒng)支路的短路情形進(jìn)行仿真分析，以于指導(dǎo)系統(tǒng)短路保護(hù)的協(xié)調(diào)性分析和保護(hù)熔斷器的選型[8]。

1 純電動船舶動力系統(tǒng)主電路拓?fù)浼岸搪繁Ｗo(hù)功能設(shè)計

圖1所示是某一純電動航道快艇的直流并網(wǎng)配電系統(tǒng)的主電路單線圖。該系統(tǒng)由兩組動力鋰電池組通過DC-DC變流裝置（U1/1和U1/2）穩(wěn)壓后并網(wǎng)，直流匯流排（母排）提供整船DC 750 V直流電源，AC 380 V岸電通過船載的AC-DC變流裝置（U2/1和U2/2）對兩組電池組進(jìn)行充電，整船負(fù)載由兩套推進(jìn)裝置（U4/1和U4/2）和一備一用的兩套輔助供電裝置（U3/1和U3/2）組成。系統(tǒng)的短路保護(hù)方案如下：在每條支路和母排連接處、兩段母排之間均設(shè)計參數(shù)適當(dāng)?shù)娜蹟嗥?；并要求系統(tǒng)中某一支路發(fā)生短路故障時，僅該短路支路的熔斷器熔斷，其他支路的熔斷器不熔斷，從而達(dá)到短路支路被切除、其余支路被保留且正常工作的目的。

圖1 純電動船舶直流并網(wǎng)配電系統(tǒng)單線圖Fig. 1 Single line diagram of the DC grid-connected distribution system for electric ship

2 純電動船舶動力系統(tǒng)主電路仿真模型的建立

為了分析直流并網(wǎng)配電系統(tǒng)主電路短路故障時刻鋰電池組、變頻器、導(dǎo)線、母排、熔斷器、IGBT等關(guān)鍵設(shè)備或元器件工作狀態(tài)，在Matlab/Simulink 2016a仿真軟件中搭建相應(yīng)的等效模型[9]。根據(jù)系統(tǒng)單線圖建立的系統(tǒng)整體仿真模型如圖2所示，仿真模型包括各設(shè)備和元器件模型，支路電流、電壓、焦耳積分(I2t)數(shù)據(jù)顯示模型以及短路故障點模型。通過設(shè)置仿真環(huán)境參數(shù)、短路故障點電阻、故障啟動時間和結(jié)束時間，對短路故障的短路電流、熔斷器的弧前容量、熔斷器熔斷容量進(jìn)行仿真分析。各設(shè)備及線路的參數(shù)見表1。

圖2 直流并網(wǎng)配電系統(tǒng)短路保護(hù)仿真整體模型Fig. 2 Simulation model of short-circuit protection in DC grid-connected distribution system

表1 系統(tǒng)設(shè)備及線路參數(shù)Tab. 1 System devices & line parameters

仿真模型中使用跨接在母排或支路正負(fù)端的IGBT作為短路開關(guān)，在系統(tǒng)啟動仿真1 s時刻觸發(fā)IGBT接通，用于模擬母排或支路短路情況。短路時刻，動力鋰電池組作為最大容量的電源向短路點放電，其他裝備諸如雙向DC-DC變流裝置、AC-DC整流裝置、推進(jìn)裝置及輔助DC-AC電能變換器的內(nèi)部直流環(huán)節(jié)支撐電容等亦作為短路電源同時向短路點放電，短路點的電力保護(hù)熔斷器在各短路電源饋送電流的共同作用下最終熔斷，將短路母排或支路從系統(tǒng)中隔離。

3 仿真結(jié)果分析

利用圖2所示仿真模型分別對圖1中10個短路點（①～⑩）采用變步長5階龍格庫塔算法進(jìn)行仿真分析，設(shè)置仿真參數(shù)如下：總仿真時間為10 s，短路故障啟動時刻為1s，結(jié)束時刻為1.5s，短路點阻值為0.001 Ω。觀察各短路點的短路電流、各熔斷器的熔斷容量和焦耳積分I2t值、各熔斷器的熔斷狀態(tài)和熔斷時序、母線電壓的變化趨勢，分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并適配熔斷器參數(shù)，以保證系統(tǒng)協(xié)調(diào)性保護(hù)的實現(xiàn)。

下面以圖1中①點（DC-DC模塊輸出端）為例進(jìn)行短路故障仿真分析。當(dāng)①點短路時，仿真模型電流的時間特性曲線如圖3所示，①點處短路仿真電流最大值達(dá)到68 kA。

圖3 ①點短路時的①點電流及FU2/1電流仿真波形Fig. 3 Simulation waveforms of short-circuit current at point① and FU2 / 1 current

3.1 短路電流耐受分析

由圖3可知，仿真中流經(jīng)母排的短路電流峰值為45 kA，未超過母排的峰值短路電流80 kA；也未超過各變頻器母排側(cè)熔斷器的峰值短路電流150 kA。

3.2 熔斷器熔斷動作分析

熔斷器短路電流焦耳積分與電流波形、電流峰值及電流持續(xù)時間均相關(guān)[10]。短路時刻，流經(jīng)短路點的電流由阻性的動力鋰電池組支路電流、容性的電能變換器電容器支路電流共同匯集而成，短路電流波形如圖4所示。

圖4 熔斷器短路電流波形Fig. 4 Short-circuit current waveform of fuse

短路電流焦耳積分的計算與短路電流波形相關(guān)，圖4所示短路電流的焦耳積分計算如式(1)所示。

式中：Q—弧前焦耳積分；IP—峰值短路電流；t—短路持續(xù)時間。

根據(jù)圖3中的預(yù)期短路電流，計算得出短路時刻U1/1母排側(cè)熔斷器FU2/1、左母排 FU5/1的I2t曲線，如圖5所示。

圖5 ①點短路時FU2/1、FU5/1的I2t仿真波形Fig. 5 I2t simulation waveform of FU2 / 1 and FU5 / 1 in case of short circuit at point①

快速熔斷器的弧前容量約為其熔斷容量的0.2倍，由圖5可知，F(xiàn)U2的最終熔斷容量為100 kA2·s，估算其弧前容量為20 kA2·s，對應(yīng)FU2/1的I2t曲線可知其弧前時間約為35 μs（仿真環(huán)境設(shè)置1.0000 s時啟動短路仿真），且FU2/1最終在400 μs左右熱量累積到100 kA2·s；同樣的，母線隔離熔斷器FU5/1弧前時間約為 10 μs，最終經(jīng)過 45 μs左右熱量累積到 50 kA2·s。

3.3 功率器件的安全性分析

電池支路的短路回路如圖6所示。放電回路細(xì)分為3個回路：回路Ⅰ為電池通過熔斷器和DC-DC變換器的反并聯(lián)二極管的放電回路；回路Ⅱ為DC-DC模塊的電容通過線纜回路和短路點的放電回路；回路III為其他支路的短路電流路徑?；芈发蟮碾娏髯畲螅鋵⑷蹟嗥鱂U2迅速熔斷，回路Ⅲ被切斷；回路Ⅱ的電容電壓由電池箝位，與電池電壓相近。電池通過回路Ⅰ持續(xù)對短路點放電，直到FU1熔斷器熔斷。在此過程中應(yīng)保證二極管不會損壞。根據(jù)IGBT的技術(shù)手冊，IGBT反并聯(lián)二極管的I2t值等效為3×139.5 kA2·s（三管并聯(lián)），而熔斷器的熔斷I2t為250 kA2·s，因此電池出口端的熔斷器FU1會先熔斷,從而保護(hù)開關(guān)器件不會損傷。

圖6 電池支路放電回路Fig. 6 Battery branch discharge circuit

3.4 各支路的熔斷器選型分析

當(dāng)系統(tǒng)某個支路發(fā)生短路故障時，根據(jù)設(shè)計要求僅短路支路的熔斷器熔斷，而其他各支路的熔斷器均不熔斷，這需要熔斷器的熔斷具有針對性和選擇性。對DC-DC模塊輸出端進(jìn)行短路故障仿真實驗，得到①點短路時各熔斷器的動作時序，如圖7所示。①點短路時各支路短路情況匯總及各熔斷器選型參數(shù)如表2所示。表2示出從短路故障發(fā)生到系統(tǒng)恢復(fù)平衡期間各個熔斷器的I2t值，其中故障支路上的該值為熔斷器熔斷時刻的I2t值；非故障支路上該值應(yīng)遠(yuǎn)小于對應(yīng)熔斷器的弧前I2t，以保證非故障支路的熔斷器不損壞。

圖7 ①點短路時各熔斷器動作時序圖Fig. 7 Sequence diagram of each fuse in case of short circuit at point ①

表2 ①點短路時各支路I2t及熔斷器選型Tab. 2 I2t and fuse selection of each branch in case of short circuit at point ①

由表2可以看出，當(dāng)圖1中①短路點（U1/1 DC-DC模塊輸出端）短路時，1#鋰電池組輸出口FU1/1熔斷器和母線隔離FU5/1熔斷器熔斷，僅左側(cè)鋰電池從系統(tǒng)中被切除，而右側(cè)鋰電池保持正常工作，整船仍保留部分動力系統(tǒng)有效。

采用上述方法和步驟分別進(jìn)行圖1中其他9個短路點故障時的短路電流耐受分析、熔斷器熔斷動作分析、短路對系統(tǒng)中功率器件的影響分析以及短路保護(hù)選擇性分析，并綜合各熔斷器的仿真選型參數(shù)，折中調(diào)整相應(yīng)熔斷器的最終選型參數(shù)，使得主電路的短路保護(hù)方案和器件參數(shù)選型滿足設(shè)計要求。

3.5 結(jié)論

根據(jù)上述仿真結(jié)果可知，在系統(tǒng)中發(fā)生某一單點短路故障時，系統(tǒng)電路有以下表現(xiàn)：

（1）發(fā)生單點故障時，其余各回路均向短路點饋送短路電流，故障回路上熔斷器承受其他所有支路上的短路電流，能夠很快熔斷。

（2）發(fā)生母排短路故障時，其余各支路饋送短路電流，因系統(tǒng)支路熔斷器各參數(shù)均大于母線隔離熔斷器，因此母線隔離熔斷器優(yōu)先熔斷，從而切除故障側(cè)整個母線供電。在此過程中，故障側(cè)母排上各變換器的支撐電容器通過其直流側(cè)熔斷器饋送母排短路電流，此時支路熔斷器雖未完全熔斷，但已經(jīng)起弧，需要更換支路熔斷器。

（3）故障回路切除前，其他正常支路上I2t值很低，都未達(dá)到弧前I2t水平；故障支路切除后，由于線路分布參數(shù)作用，系統(tǒng)需要經(jīng)過一段時間才重新穩(wěn)定，在這段時間內(nèi)其他正常支路上的熔斷器仍在流通電流，I2t值持續(xù)增加，但仍達(dá)不到熔斷器的弧前I2t水平?？梢?，這類故障不會對其他支路熔斷器造成損傷。

4 結(jié)語

本文通過對純電動船用直流并網(wǎng)電力系統(tǒng)的短路故障建模，對短路電流進(jìn)行了仿真計算及波形顯示，直觀體現(xiàn)了母排及各支路的短路電流，為系統(tǒng)短路保護(hù)協(xié)調(diào)性分析及短路保護(hù)熔斷器設(shè)計、選型提供了關(guān)鍵指導(dǎo)作用。該仿真方法具有較強(qiáng)的通用性，后續(xù)將對各電能變換器短路時的軟關(guān)斷過程進(jìn)行動態(tài)模擬，以進(jìn)一步提高仿真精度[11]。

由于仿真線路較多，各線路的阻抗參數(shù)對短路仿真電流的計算具有一定的影響，后續(xù)將開展不同倍率下線路阻抗對仿真電流計算的影響分析，以確認(rèn)線路參數(shù)對短路仿真電流計算的影響程度。此外，由于熔斷器為一次性損耗器件，其熔斷或起弧后須進(jìn)行手動更換，后續(xù)將對選用高速、可控、可重復(fù)使用的電力電子型短路保護(hù)裝置進(jìn)行研究。