純電動船電力系統(tǒng)保護原理和方法

牟照欣，楊 光，趙天賜

應用研究

純電動船電力系統(tǒng)保護原理和方法

牟照欣，楊 光，趙天賜

（大連測控技術(shù)研究所，大連 116013）

作為純電動船電力系統(tǒng)的核心，直流系統(tǒng)的保護直接關(guān)系到設備安全、人員安全和航行安全。本文以工程實踐為基礎，提煉了純電動船直流系統(tǒng)的特點、保護原理和設計方法，為后續(xù)研究和設計工作提供了參考。

電動船 電池動力 直流系統(tǒng) 熔斷器 選擇性保護

0 引言

純電動船使用電池作為船舶主要電源，其主要負載推進電機和日用電都采用交流電制。在純電動船舶綜合電力系統(tǒng)中，以直流電為主要電制，包含多種電能變換裝置完成直流電和交流電的變換，執(zhí)行這種變換的核心設備為直流主配電板。本文介紹以直流配電板為主的直流系統(tǒng)保護原理和方法，以便在發(fā)生單點短路故障時，系統(tǒng)能夠最大限度的保持正常功能，實現(xiàn)選擇性和快速性。

1 純電動船綜合電力系統(tǒng)特點

純電動船以電池為主電源，所以其主要電制為直流。電池容量比較大、并聯(lián)數(shù)比較多時，電池需要經(jīng)過DC/DC變換器接入直流主干網(wǎng)，以穩(wěn)定母線電壓，并且在各個支路上做到均流。船上日用負載仍然使用單相交流220 V或者三相交流380 V電制，所以船上還須配備逆變電源將主干網(wǎng)上的直流電逆變?yōu)槿沼门潆姲迳系慕涣麟?。主推進電機帶動螺旋槳轉(zhuǎn)動作為船舶的主推進裝置，在一些高端船舶上使用吊艙推進以優(yōu)化艉部線型、減少振動噪聲和提高機動性能。所以船上主要的電能變換裝置為DC/DC變換器、逆變電源和推進變頻器，這些功率變換裝置可以集成到直流主配電板上，也可以分散到各個設備艙室，如圖1。

圖1 純電動船綜合電力系統(tǒng)拓撲

2 純電動船直流系統(tǒng)選擇性保護原理

圖2中的紅色折線箭頭即系統(tǒng)中特征故障短路點，系統(tǒng)對6種特征短路點保護方案分析如下。

圖2 純電動船直流系統(tǒng)短路故障點

2.1 電池系統(tǒng)內(nèi)部短路

如圖2所示的Fault-1點，包含了電池系統(tǒng)內(nèi)部線纜短路、內(nèi)部電芯短路的情況。該短路條件下，由電池系統(tǒng)內(nèi)部的短路保護機制保護，防止故障擴散。

2.2 電池系統(tǒng)輸出端短路

如圖2所示的Fault-2點，包含了電池組熔斷器輸出側(cè)、DC/DC變換裝置輸入側(cè)及兩者之間的線纜短路。

該短路條件下，該支路的DC/DC變換裝置第一時間通過欠壓保護停機，防止系統(tǒng)其他部分對短路點饋送短路電流；電池系統(tǒng)持續(xù)對短路點饋送短路電流，直到出口熔斷器熔斷。

保護要求：電池組輸出熔斷器熔斷，系統(tǒng)內(nèi)部電芯不損壞；系統(tǒng)其他部分持續(xù)運行。

2.3 DC/DC變換裝置輸出端短路

如圖2所示的Fault-3點。包含DC/DC變換器內(nèi)部短路、DC/DC變換器到直流熔斷器之間的線纜或者銅排短路。

該短路條件下，支路的DC/DC變換裝置第一時間通過過流保護封鎖驅(qū)動脈沖；該支路電池通過DC/DC變換器中的反并聯(lián)二極管向故障點饋送短路電流，如下圖中回路I；系統(tǒng)其他部分經(jīng)過該支路的直流熔斷器向短路點饋送短路電流，如下圖回路III。

保護要求：電池出口熔斷器FU11熔斷，DC/DC出口熔斷器FU12熔斷。電池系統(tǒng)、DC/DC變換器、系統(tǒng)其他部分完好，系統(tǒng)持續(xù)運行或在故障消除后立刻恢復運行。

圖3 DC/DC出口短路時的等效電路

2.4 直流母排短路

如圖2所示的Fault-4點，包含了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)短路。

該短路條件下，系統(tǒng)中在網(wǎng)設備的支撐電容和電池都向故障點饋送短路電流，對側(cè)舷通過母聯(lián)熔斷器向故障點饋送短路電流。

本舷電池系統(tǒng)經(jīng)過DC/DC變換器反并聯(lián)二極管和支路直流熔斷器持續(xù)饋送短路電流、DC/DC變換器通過支路直流熔斷器向短路點饋送短路電流直到直流熔斷器熔斷。該過程中要保證電池出口熔斷器與支路直流熔斷器的選擇性。

對側(cè)舷中各支路通過支路直流熔斷器和母聯(lián)熔斷器向故障舷側(cè)提供短路電流。過程中要保證母聯(lián)熔斷器與支路熔斷器的選擇性。

保護要求：本舷電源支路熔斷器熔斷，負載支路熔斷器應完好，即各自電容放電產(chǎn)生的i2t小于熔斷器的弧前焦耳能量；對側(cè)舷所有在網(wǎng)熔斷器完好；母聯(lián)熔斷器熔斷；本舷所有設備停機，對側(cè)舷持續(xù)運行或在故障消除后立刻恢復運行。

直流母排短路是最嚴重的短路故障，會造成單舷失電。需要通過直流母聯(lián)熔斷器或者系統(tǒng)分斷運行避免全船失電風險。

2.5 變換器單元熔斷器輸出側(cè)短路

如圖2所示的Fault-5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)。

該短路情況與Fault-3類似，只是缺少了電池饋送的短路電流。

保護要求：短路故障所在支路熔斷器熔斷，非故障支路熔斷器完好，電池輸出熔斷器完好。系統(tǒng)其他部分完好，系統(tǒng)持續(xù)運行或在故障消除后立刻恢復運行。

2.6 逆變電源后級短路

如圖2所示的Fault-6短路情況。

逆變電源后級通過隔離變壓器接入日用配電板，為了配合日用配電板中各級開關(guān)的選擇性保護，要求逆變電源具備短路電流支撐能力：在后級發(fā)生短路故障時，逆變電源輸出2倍以上的額定電流促使后級開關(guān)動作隔離短路點，短路消除后逆變電源恢復供電。

逆變電源短路支撐能力一般為2倍額定電流持續(xù)3～5 s，超時后報警停機。

2.7 推進驅(qū)動器輸出側(cè)短路

如圖2所示的Fault-7短路情況。

該短路條件下，根據(jù)推進電機類型不同有不同的設計方案。

若推進電機為異步電機，可以直接由變換器單元的限流保護功能實現(xiàn)短路保護，電機失去供電后自然降速停機，對直流電網(wǎng)系統(tǒng)不構(gòu)成影響。

若推進電機為永磁電機，在驅(qū)動器封鎖脈沖后電機的勵磁仍然存在，電機在慣性停機或由螺旋槳拖動時會在電機機端建立感應電壓，造成安全隱患。若電機轉(zhuǎn)速較高，機端線電壓高于直流母線電壓，還會往直流母線反饋電流。所以永磁電機于變頻器之間最好增加隔離開關(guān)。

3 純電動船直流保護設計方法

3.1 直流保護設計原則

在直流母線系統(tǒng)中，當某設備發(fā)生短路故障時，會在直流母線、變頻器或者交流輸出端出現(xiàn)明顯的過電流，對系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊，選擇性保護應在快速隔離故障點的基礎上縮小故障影響范圍。直流系統(tǒng)中保護元件有熔斷器、直流開關(guān)和電力電子開關(guān)。綜合考慮安全性、可靠性和成本因素，使用熔斷器為主要保護元件，必要時可用電力電子開關(guān)配合，該保護策略應遵循以下原則：

1）選擇性原則：單支路短路故障時，除了與故障點相關(guān)的熔斷器熔斷外，其他在網(wǎng)的熔斷器不應損壞；

2）電壓原則：短路及恢復過程中直流母線電壓波動應在合理范圍，不能超過在網(wǎng)設備過壓和欠壓閾值；如果不能保證最低電壓在欠壓閾值以上，則要求在網(wǎng)設備具備低電壓穿越能力；

3）電流原則：短路電流不能超過保護元件分斷能力，不應對在網(wǎng)設備（直流開關(guān)、變頻器、直流母線等）造成損壞。

以上原則可作為短路保護策略的設計指導和考核指標。

3.2 選擇性保護設計方法

直流系統(tǒng)的選擇性保護，采用以下方式實現(xiàn)：

1）針對不同短路點分析選擇性保護原理和動作序列；

2）估算提取系統(tǒng)參數(shù)和運行參數(shù)；

3）按系統(tǒng)和運行參數(shù)選定熔斷器和母聯(lián)斷路器整定值；

4）對關(guān)鍵元件進行建模，通過仿真對保護方案進行校驗；

5）若滿足選擇性保護要求，則按該參數(shù)設計；若達不到保護的選擇性，則修改熔斷器選型和母聯(lián)整定參數(shù)后再進行校驗；

6）必要時在聯(lián)調(diào)試驗中進行最終校驗。

4 總結(jié)

本文介紹了純電動船直流綜合電力系統(tǒng)的特點、直流選擇性保護原理和策略，并總結(jié)了純電動船直流保護設計方法。

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The protection principle and method of electric power system of pure electric boat

Mou Zhaoxin, Yang Guang, Zhao Tianci

(Dalian Institute of measurement and control technology, Dalian 116013, China)

U664.81

A

1003-4862(2022)02-0040-03

2021-05-28

牟照欣（1989-），男，工程師。研究方向：船舶電氣相關(guān)專業(yè)。E-mail: tbkdranix@163.com