船舶直流電網(wǎng)固態(tài)母聯(lián)開關(guān)優(yōu)化設(shè)計(jì)與性能分析

錢正彥，董小偉，侯海波,盛俊

(1.株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001；2.招商局郵輪制造有限公司，江蘇 海門 226116；3.中國(guó)船級(jí)社武漢分社，武漢 430000)

隨著船舶節(jié)能減排和新能源動(dòng)力應(yīng)用的發(fā)展，一種基于直流電網(wǎng)技術(shù)的電力推進(jìn)系統(tǒng)方案成為研究的熱點(diǎn)，其主要優(yōu)勢(shì)在于直流電網(wǎng)無(wú)頻率、相位同步等要求，柴油機(jī)組可以根據(jù)實(shí)時(shí)負(fù)載變化實(shí)現(xiàn)變速發(fā)電以提高推進(jìn)系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟(jì)性，便于新能源接入，可實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)、混合動(dòng)力、柴油發(fā)電模式隨意組合，助力船舶低碳運(yùn)營(yíng)。直流組網(wǎng)技術(shù)在提高系統(tǒng)效率、減小系統(tǒng)體積的同時(shí)也帶來(lái)了電網(wǎng)諧振、直流短路檢測(cè)與關(guān)斷等關(guān)鍵技術(shù)難題。直流母聯(lián)開關(guān)是連接多段有源直流母線并實(shí)現(xiàn)部分電網(wǎng)故障切除的核心裝置，目前多采用陸用電網(wǎng)直流斷路器拓?fù)?，存在著體積大、成本高等劣勢(shì)。國(guó)內(nèi)外對(duì)船舶直流微網(wǎng)斷路器的研究較少，主要集中在直流斷路器種類及其在船舶上的應(yīng)用特性分析、電氣性能建模仿真等，較少針對(duì)船舶電網(wǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究?？紤]到船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)體積、可靠性、成本、過(guò)電壓，以及可移植性等綜合要求，擬從低壓直流組網(wǎng)電力推進(jìn)系統(tǒng)特點(diǎn)、固態(tài)斷路器在船舶直流系統(tǒng)短路故障時(shí)的關(guān)斷特性出發(fā)，以船舶特定需求為導(dǎo)向分析設(shè)計(jì)低壓直流母聯(lián)開關(guān)拓?fù)?，借助?guó)內(nèi)外相關(guān)研究思路，仿真分析短路關(guān)斷電流、短路關(guān)斷時(shí)間、關(guān)斷過(guò)電壓抑制、關(guān)斷震蕩抑制，逐一分析對(duì)比，提出優(yōu)化的母聯(lián)拓?fù)洳Ⅱ?yàn)證拓?fù)鋮?shù)。

1 船舶直流組網(wǎng)電力推進(jìn)系統(tǒng)分析

船舶交流電力推進(jìn)系統(tǒng)與直流電力推進(jìn)系統(tǒng)如圖1和圖2所示。

圖1 交流電力推進(jìn)系統(tǒng)典型拓?fù)?/p>

圖2 直流電力推進(jìn)系統(tǒng)典型拓?fù)?/p>

交流電力推進(jìn)系統(tǒng)是把各發(fā)電機(jī)輸出端集成并入交流電網(wǎng)，交流推進(jìn)負(fù)載通過(guò)推進(jìn)變頻器掛在交流電網(wǎng)；而直流電力系統(tǒng)將各發(fā)電機(jī)輸出端整流后并入直流電網(wǎng)，推進(jìn)、日用負(fù)載通過(guò)逆變單元接入直流電網(wǎng)。

船舶直流組網(wǎng)電力推進(jìn)系統(tǒng)相比交流系統(tǒng)在效率、成本等應(yīng)用方面上有巨大優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也提高了技術(shù)門檻，需有良好的電網(wǎng)穩(wěn)定性控制技術(shù)和選擇性保護(hù)技術(shù)等核心關(guān)鍵技術(shù)做支撐。為詳細(xì)分析直流電網(wǎng)特性，指導(dǎo)設(shè)計(jì)優(yōu)化的短路保護(hù)裝置，以圖2所示的典型拓?fù)錇槔?，開展低壓直流電網(wǎng)(1 000 V)短路故障仿真分析，拓?fù)湓敿?xì)參數(shù)見表1。

表1 船舶直流電網(wǎng)基本參數(shù)

根據(jù)船舶直流電網(wǎng)的實(shí)際工程特點(diǎn)，設(shè)置直流母聯(lián)開關(guān)遠(yuǎn)端、中間和附近三種短路故障(分別位于圖2中標(biāo)號(hào)SC1/SC2/SC3處)，計(jì)算短路故障下母聯(lián)開關(guān)的電壓、電流特征。為研究船舶直流電網(wǎng)故障關(guān)斷的基本特征，仿真計(jì)算時(shí)將母聯(lián)開關(guān)視為一個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)和導(dǎo)線連接的通路(此處不考慮故障保護(hù)關(guān)斷)，以研究不同點(diǎn)短路且無(wú)保護(hù)動(dòng)作情況下，一段時(shí)間內(nèi)直流母線的電氣特征參數(shù)變化規(guī)律。

計(jì)算得到在直流系統(tǒng)母線短路故障情況下，母聯(lián)開關(guān)通過(guò)電流的變化規(guī)律，見圖3;正常側(cè)DCBUS A近短路點(diǎn)端的電壓跌落規(guī)律，見圖4。

圖3 直流電網(wǎng)短路電流變化規(guī)律

圖4 直流電網(wǎng)短路電壓變化規(guī)律

圖3所示的短路電流變化規(guī)律可為短路保護(hù)器件電流參數(shù)選擇和短路關(guān)斷時(shí)間提供理論指導(dǎo)。圖3a)表明，短路發(fā)生后幾ms內(nèi)變化規(guī)律基本一致，即短路電流上升到一定極值后開始下降并最終趨于穩(wěn)定，整個(gè)過(guò)程持續(xù)約8 ms。圖3b)表明：短路發(fā)生初期電流變化情況與短路點(diǎn)距母聯(lián)開關(guān)位置有關(guān)，SC2和SC3的短路電流變化率基本一致，而SC1的短路延遲大且電流變化率與后2種情況差異巨大(短路點(diǎn)等間距設(shè)置)，短路點(diǎn)離母聯(lián)開關(guān)越遠(yuǎn)則短路初期的電流上升率越低。

圖4證實(shí)線路電壓跌落率與短路位置相關(guān)，較大的雜散會(huì)抑制初期的電壓跌落同時(shí)會(huì)導(dǎo)致后期線路電壓的震蕩，短路發(fā)生后約4 ms支撐電容電量釋放完畢。母聯(lián)開關(guān)關(guān)斷響應(yīng)時(shí)間受到電壓跌落時(shí)間和器件關(guān)斷電流上限限制，一側(cè)發(fā)生短路后正常側(cè)電壓跌落100 V需約600 μs(圖4)，而600 μs時(shí)母聯(lián)開關(guān)的短路電流已經(jīng)超過(guò)8 kA，這表明短路關(guān)斷時(shí)間選擇主要受短路電流限制。根據(jù)電壓等級(jí)和持續(xù)工作電流等特征，相對(duì)應(yīng)IGBT和IGCT電氣參數(shù)分別為1 700 V/3 600 A和4 500 V/4 000 A。

由圖3b可知，在近保護(hù)裝置側(cè)SC3處短路后約200 μs達(dá)到器件的關(guān)斷電流上限，因此需在短路發(fā)生后200 μs內(nèi)完成檢測(cè)與關(guān)斷保護(hù)。去除約50 μs控制響應(yīng)時(shí)間，剩余150 μs的關(guān)斷時(shí)間符合保護(hù)關(guān)斷需要，也證實(shí)了母聯(lián)開關(guān)內(nèi)部需配置不小于9 μH的電感以保證SC3類惡劣短路時(shí)母聯(lián)開關(guān)的正常關(guān)斷。因此，以短路發(fā)生后150 μs關(guān)斷為基礎(chǔ)，開展保護(hù)關(guān)斷的性能預(yù)測(cè)與電路拓?fù)鋬?yōu)化，計(jì)算得到短路故障關(guān)斷后的電氣特征參數(shù)見圖5。

圖5 無(wú)吸收回路的短路關(guān)斷電氣特征

圖5a)所示為SC3處短路時(shí)，150 μs關(guān)斷電流最大，約為3.2 kA，滿足系統(tǒng)和保護(hù)裝置器件的極限要求。實(shí)際中，不同短路情況下的關(guān)斷時(shí)間可由控制系統(tǒng)根據(jù)短路電流或電流變化率綜合判定，150 μs關(guān)斷僅為最惡劣短路條件下的關(guān)斷要求，遠(yuǎn)端短路時(shí)關(guān)斷時(shí)間可以大于150 μs。故障關(guān)斷后會(huì)在正負(fù)極母線上產(chǎn)生峰值近10 kV的高壓脈沖(見圖5b))，持續(xù)時(shí)間約2 μs。同樣也會(huì)在母聯(lián)開關(guān)兩端產(chǎn)生一個(gè)2 μs的電壓脈沖(見圖5c))，峰值約100 kV。圖5b)與圖5c)表明，短路故障導(dǎo)致母聯(lián)開關(guān)關(guān)斷后會(huì)在正常側(cè)正負(fù)極、母聯(lián)開關(guān)兩端產(chǎn)生瞬時(shí)的高壓脈沖，其特點(diǎn)是電壓高、持續(xù)時(shí)間短，且母聯(lián)開關(guān)兩端的電壓峰值約為正常側(cè)正負(fù)極母線峰值電壓的10倍。圖5表明直流電網(wǎng)故障時(shí)固態(tài)斷路器瞬態(tài)關(guān)斷會(huì)在斷路器兩端激起高電壓脈沖，因此必須給斷路器配備相應(yīng)的能量吸收電路保證關(guān)斷瞬間固態(tài)開關(guān)不被損壞。

2 直流母聯(lián)開關(guān)拓?fù)浞治雠c設(shè)計(jì)

陸地直流電網(wǎng)保護(hù)裝置(直流斷路器)的主要特點(diǎn)是混合斷路器形式、不受空間限制、單級(jí)關(guān)斷、高壓小電流、幾ms內(nèi)關(guān)斷。目前國(guó)內(nèi)外船舶直流電網(wǎng)斷路器主要有兩類形式，一類是通過(guò)變流器(DC/DC)實(shí)現(xiàn)，特點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)能量的主動(dòng)調(diào)配并實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)關(guān)斷，但功率損耗高、成本也高；另一類是從陸地直流電網(wǎng)斷路器衍生過(guò)來(lái)的斷路器(包括混合式斷路器和不帶機(jī)械部分的固態(tài)斷路器)，混合式斷路器優(yōu)點(diǎn)是正常工作損耗低，缺點(diǎn)是體積大、關(guān)斷時(shí)間只能到ms級(jí)、關(guān)斷控制繁瑣、成本高；固態(tài)斷路器體積、成本等方面更優(yōu)，且適應(yīng)船舶滿功率持續(xù)通流概率低的應(yīng)用工況。因此，從瞬態(tài)關(guān)斷速度和成本角度來(lái)講，固態(tài)式保護(hù)裝置都是最佳選擇。

以前的船舶直流斷路器采用傳統(tǒng)陸用固態(tài)斷路器實(shí)現(xiàn)正負(fù)極關(guān)斷，需采用4個(gè)開關(guān)管IGBT、2個(gè)電阻R、2個(gè)電容C和2個(gè)壓敏電阻(MOV)，見圖6。其作為船舶直流電網(wǎng)母聯(lián)保護(hù)裝置存在體積偏大，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問(wèn)題。

圖6 傳統(tǒng)固態(tài)斷路器

為了滿足船舶小體積、對(duì)稱型等要求，提出一種新型吸收回路的母聯(lián)開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，見圖7。

圖7 新型吸收回路的母聯(lián)開關(guān)拓?fù)?/p>

較之于傳統(tǒng)型固態(tài)斷路器，分體式母聯(lián)開關(guān)拓?fù)鋬H需4個(gè)開關(guān)管、2個(gè)二極管和2個(gè)電容，在元器件數(shù)量、裝置體積及成本方面更具優(yōu)勢(shì)。

3 母聯(lián)開關(guān)故障關(guān)斷特性分析與優(yōu)化

為驗(yàn)證圖7所示新型吸收回路的母聯(lián)開關(guān)拓?fù)湫阅埽詧D2所示的系統(tǒng)為基礎(chǔ)，驗(yàn)證其電氣特性及該新型拓?fù)涞倪m用性。

根據(jù)前述短路故障分析情況可知，需分析保護(hù)裝置發(fā)生短路故障關(guān)斷后二極管的續(xù)流特征、正常側(cè)正負(fù)極母線電壓波動(dòng)特征和母聯(lián)開關(guān)兩側(cè)電壓波動(dòng)特征，以評(píng)估新型保護(hù)裝置電路關(guān)斷過(guò)電壓的抑制特性?？紤]到保護(hù)裝置關(guān)斷和吸收性能僅受極限情況限制，因此只分析SC3處短路(極限短路)的電氣特征，見圖8。

圖8 新型吸收回路母聯(lián)開關(guān)關(guān)斷特性

如圖8a)所示，短路故障發(fā)生150 μs后(短路電流約3.2 kA)保護(hù)裝置關(guān)斷，流過(guò)開關(guān)管的電流BTSA由3.2 kA變?yōu)?，同時(shí)關(guān)斷開關(guān)管附近的二極管電流FWD1瞬間抬升到3.2 kA并保持600 μs的線性下降，直至下降至0。圖8a)表明，母聯(lián)開關(guān)關(guān)斷后二極管承受短路關(guān)斷的瞬時(shí)續(xù)流保持回路暢通，避免了短路側(cè)母線雜散電感對(duì)關(guān)斷側(cè)的負(fù)壓影響。如圖8b)所示，采取二極管續(xù)流和電容吸收優(yōu)化后，短路故障關(guān)斷后正常側(cè)電壓BusbarV波動(dòng)由優(yōu)化前(見圖5b))約10 kV降至約1 250 V，波動(dòng)時(shí)間由約2 μs變?yōu)槌掷m(xù)震蕩；母聯(lián)開關(guān)兩端電壓BTSV由極值約100 kV、5.5 kV短時(shí)持續(xù)降至約550 V。圖8b)表明，通過(guò)二極管續(xù)流和電容吸收在減少裝置復(fù)雜度和體積的同時(shí)，極大的優(yōu)化了關(guān)斷過(guò)電壓?jiǎn)栴}，過(guò)電壓抑制在250 V以內(nèi)，保證了器件的絕對(duì)安全。圖8b)所示的關(guān)斷電壓保證了器件的安全，但也引發(fā)電壓震蕩問(wèn)題，震蕩時(shí)間由優(yōu)化前的高電壓、2 μs變成了低電壓、持續(xù)震蕩，正常側(cè)的電壓波動(dòng)會(huì)影響整流、逆變單元的正常工作。上述震蕩是關(guān)斷瞬間過(guò)電壓產(chǎn)生的激蕩能量在吸收電容中充放電，并通過(guò)線路雜散電感與各模塊電容產(chǎn)生的諧振，如果在短路關(guān)斷產(chǎn)生激蕩電能后能夠迅速通過(guò)吸收電容釋放，則可以使得電壓震蕩迅速衰減。

針對(duì)上述問(wèn)題，提出一種制動(dòng)單元與母聯(lián)開關(guān)融合的斬波復(fù)用母聯(lián)開關(guān)拓?fù)洌礊榉煮w式斬波復(fù)用母聯(lián)開關(guān)拓?fù)?，見圖9。

圖9 分體式斬波復(fù)用母聯(lián)開關(guān)拓?fù)?/p>

分體式斬波復(fù)用母聯(lián)開關(guān)形成船舶推進(jìn)系統(tǒng)獨(dú)特的保護(hù)裝置形式，在實(shí)現(xiàn)電壓波動(dòng)抑制的同時(shí)減少系統(tǒng)體積和成本。為驗(yàn)證斬波功能復(fù)用母聯(lián)開關(guān)拓?fù)鋵?duì)故障關(guān)斷電壓波動(dòng)抑制的可行性，計(jì)算短路發(fā)生后開關(guān)關(guān)斷同時(shí)開啟斬波的特性，計(jì)算結(jié)果見圖10。

圖10 分體式斬波復(fù)用母聯(lián)開關(guān)短路關(guān)斷特性

如圖10所示，短路故障關(guān)斷時(shí)開啟斬波放電回路削弱了關(guān)斷初期電壓峰值(減少約50 V)；對(duì)電壓震蕩抑制作用良好，直流電壓在故障關(guān)斷后約5 ms進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，即保護(hù)裝置與斬波一體化布置保障在短路關(guān)斷時(shí)電壓波動(dòng)快速收斂。圖10表明，分體式斬波復(fù)用母聯(lián)開關(guān)是集對(duì)稱性、體積、成本、性能為一體的高性能船舶直流微電網(wǎng)固態(tài)斷路器。

4 結(jié)論

1)低壓直流電網(wǎng)合適的關(guān)斷器件可選IGBT-1 700 V/3 600 A和IGCT-4500 V/4 000 A，關(guān)斷時(shí)間配置可在150 μs以內(nèi)，母聯(lián)開關(guān)電感值保證不小于9 μH。

2)設(shè)計(jì)的分體式母聯(lián)開關(guān)適應(yīng)船舶體積要求和靈活組合需求，通過(guò)二極管續(xù)流和斬波回路布置實(shí)現(xiàn)了短路關(guān)斷過(guò)電壓和電壓震蕩抑制，其過(guò)電壓抑制效果優(yōu)于傳統(tǒng)斷路器，震蕩時(shí)間劣于傳統(tǒng)斷路器，震蕩時(shí)間控制在5 ms內(nèi)，過(guò)電壓控制在1 300 V內(nèi)。