混合動(dòng)力船舶直流組網(wǎng)變頻控制配電系統(tǒng)測(cè)試流程分析

蔡佳慧

(福建省馬尾造船股份有限公司,福建 福州 350501)

0 引言

為應(yīng)對(duì)氣候變化,近年來(lái)對(duì)于航運(yùn)排放的要求日趨嚴(yán)格,中國(guó)海事局、歐盟、國(guó)際海事組織等均對(duì)減緩溫室氣體排放和提高能效提出要求,節(jié)能減排已經(jīng)成為硬指標(biāo)。與此同時(shí),依托扎實(shí)的船舶工業(yè)基礎(chǔ)和不斷壯大的新能源動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè),我國(guó)在電動(dòng)船舶、混合動(dòng)力船舶領(lǐng)域快速發(fā)展。

本文以對(duì)國(guó)內(nèi)首艘新能源混合動(dòng)力港作拖輪——5000馬力綠色智能型新能源混合動(dòng)力拖輪(以下簡(jiǎn)稱(chēng)5000馬力混合動(dòng)力拖輪)直流組網(wǎng)變頻控制配電系統(tǒng)調(diào)試試驗(yàn)為例,總結(jié)出一套針對(duì)混合動(dòng)力船舶特有的直流組網(wǎng)變頻控制配電系統(tǒng)的測(cè)試流程。

1 5000馬力混合動(dòng)力拖輪直流電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)與組成

5000馬力混合動(dòng)力拖輪直流電網(wǎng)單線(xiàn)圖如圖1所示,動(dòng)力系統(tǒng)由3臺(tái)1400 kW交流發(fā)電機(jī)組,以及2組鋰電池組成,共計(jì)容量為1960 kW·h,分別經(jīng)過(guò)可控整流器及DC/DC變流器接入直流母排。

圖1 5000馬力混合動(dòng)力拖輪直流電網(wǎng)單線(xiàn)圖

直流組網(wǎng)變頻控制配電柜技術(shù)參數(shù)如表1所示,柜內(nèi)配置發(fā)電機(jī)整流模塊、DC/DC變流器模塊、主推進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊、日用電源供電模塊、水冷屏、能量管理控制器(EMS)、推進(jìn)控制器、直流母排、固態(tài)斷路器及直流開(kāi)關(guān)、熔斷器等,其主要參數(shù)等信息如表2所示。其中,固態(tài)斷路器選用瑞士ASTROL公司直流固態(tài)斷路器,其具有快速斷開(kāi)的特點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)故障的微秒級(jí)保護(hù)響應(yīng),限制故障電流,使故障電流不會(huì)達(dá)到損壞器件的能量等級(jí),把故障對(duì)負(fù)載的影響降至最低,并且在斷開(kāi)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生電弧。能量管理控制器選用奧地利B&R公司先進(jìn)的X20系列船用控制產(chǎn)品,控制系統(tǒng)采用冗余控制器,實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通訊,從而保障了5000馬力混合動(dòng)力拖船的安全性、先進(jìn)性和可拓展性。

表1 直流組網(wǎng)變頻控制配電柜的主要技術(shù)參數(shù)

表2 直流組網(wǎng)變頻控制配電柜的主要元器件產(chǎn)品明細(xì)

2 直流組網(wǎng)變頻控制配電柜測(cè)試流程及方法

2.1 結(jié)構(gòu)及外觀(guān)檢查

直流組網(wǎng)變頻控制配電柜的結(jié)構(gòu)和外觀(guān)應(yīng)符合國(guó)際電工委員會(huì)IEC 61800-5-1的要求。檢查配電柜表面是否完整,無(wú)污損、裂痕、磕碰等現(xiàn)象,門(mén)鎖緊固,可以靈活轉(zhuǎn)動(dòng)和開(kāi)關(guān)。

2.2 電氣連接檢查

電氣連接應(yīng)與電氣原理圖紙保持一致,無(wú)短路、斷路現(xiàn)象,應(yīng)能看到柜內(nèi)器件標(biāo)簽,并與圖紙一致。直流組網(wǎng)變頻控制配電柜內(nèi)部接線(xiàn)應(yīng)該緊固、整齊,強(qiáng)電弱電保持足夠距離。 直流組網(wǎng)變頻控制配電柜中的儀表、指示燈及顯示屏等運(yùn)行正常,按鈕可以正常按動(dòng)。

2.3 電氣間隙及爬電距離

根據(jù)《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范(2021)》[1]要求,裸主匯流排的最小電氣間隙和最小爬電距離要求如表3所示。

表3 裸主匯流排的最小電氣間隙和爬電距離要求

5000馬力混合動(dòng)力拖船交流額定電壓為 690 V,則其交流裸主匯流排的電氣間隙應(yīng)不小于20 mm,爬電距離應(yīng)不小于 25 mm;直流額定電壓為1000 V,則其直流裸主匯流排的電氣間隙應(yīng)不小于25 mm,爬電距離應(yīng)不小于35 mm。

2.4 絕緣電阻測(cè)量

絕緣電阻的測(cè)量應(yīng)由設(shè)備制造商負(fù)責(zé)短接(或拆除)電容器等電子元器件和耐壓小于兆歐表電壓的元器件。絕緣電阻檢查儀表為500 V/1000 V兆歐表;絕緣電阻檢查對(duì)象為各設(shè)備的主電路不同極帶電部件之間絕緣電阻、各電路帶電部件與地之間絕緣電阻;環(huán)境溫度為0～45 ℃,相對(duì)濕度為小于 95%;絕緣電阻最低不小于 1 MΩ。測(cè)試限值應(yīng)符合《機(jī)械電氣系統(tǒng)安全需求(2006)》(EN 60204-1)。

在耐壓試驗(yàn)之后,應(yīng)再次用直流高阻計(jì)測(cè)量其所有載流部分對(duì)地及載流部分的極間或相間的絕緣電阻,其值應(yīng)不低于1 MΩ。

2.5 耐壓測(cè)試

使用耐壓測(cè)試儀分別對(duì)A、B兩段直流正負(fù)母排及三相交流輸出銅排進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)過(guò)程中將斷開(kāi)直流開(kāi)關(guān)、電子電路、直流熔斷器及儀表。直流部分施加50 Hz、3500 V的交流電壓,持續(xù)60 s;交流部分施加50 Hz、3000 V的交流電壓,持續(xù)60 s。

若無(wú)擊穿閃絡(luò)及損壞現(xiàn)象、漏電流未明顯增加,則判定為合格。

2.6 直流母排溫升試驗(yàn)

銅排溫升試驗(yàn)采用銅排短接的方式進(jìn)行,試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)關(guān)閉柜門(mén)、頂蓋及側(cè)板,如圖2所示。

圖2 直流母排溫升試驗(yàn)原理

保證直流銅排運(yùn)行在額定電流狀態(tài),觀(guān)測(cè)并記錄銅排的溫度,等到銅排的溫升穩(wěn)定后(1 h內(nèi)低于1 K)試驗(yàn)停止,試驗(yàn)驗(yàn)證銅排的溫升范圍是否符合正常工作范圍,直流母線(xiàn)測(cè)試電流為2200 A。

對(duì)于直流母排溫升測(cè)試,建議測(cè)量溫度的位置應(yīng)包括正母排與分支母排連接處、正母排與斷路器連接處、負(fù)母排與母排連接處、負(fù)母排與隔離開(kāi)關(guān)連接處、柜外環(huán)境溫度。根據(jù)《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范(2021)》要求,母線(xiàn)的最大溫升不應(yīng)超過(guò)45 K。設(shè)定最大溫升為45 K,則最大溫度為90 ℃。直流母線(xiàn)的溫升等于直流母線(xiàn)的最大溫度減去柜外空氣溫度(即時(shí)值)。測(cè)量方法如表4所示。

表4 直流母排的溫度限值及測(cè)量方法

2.7 冷卻管路保壓試驗(yàn)

連接熱交換柜與直流組網(wǎng)變頻控制配電柜之間的冷卻水管,用外部注水泵通過(guò)熱交換柜注水口往直流組網(wǎng)變頻控制配電柜內(nèi)部冷卻管路內(nèi)注水,內(nèi)部管路水管壓力達(dá)到指定值后停止注水,靜置并觀(guān)察熱交換柜水冷單元壓力表1 h。若內(nèi)部管路壓力仍保持不變,則判定為合格。

2.8 直流母排短路試驗(yàn)

2.8.1 短路電流計(jì)算

使用MATLAB中的Simulink仿真軟件,搭建系統(tǒng)等效電路模型,參照《船舶直流電力系統(tǒng)短路電流計(jì)算方法》(GB/T 35715—2017)進(jìn)行短路電流計(jì)算[2]。

對(duì)直流配電系統(tǒng)來(lái)說(shuō),短路電流主要來(lái)源于配電板內(nèi)各個(gè)功率模塊內(nèi)支撐電容的放電,保護(hù)器件的動(dòng)作時(shí)間一般在幾十至幾百微妙量級(jí)?？紤]到發(fā)電機(jī)組或蓄電池組的響應(yīng)速度,提供保護(hù)器件動(dòng)作的能量主要來(lái)自母線(xiàn)電容,電源端及負(fù)載端對(duì)系統(tǒng)短路電流和保護(hù)器件動(dòng)作的影響基本可以忽略。同時(shí),參考《船舶直流綜合電力系統(tǒng)檢驗(yàn)指南(2023)》[3]中的動(dòng)力電池儲(chǔ)能裝置的等效電路建模方法。在搭建系統(tǒng)等效模型時(shí)遵循以下基本等效原則:

①故障時(shí)刻的變頻模塊等效成電容。

②故障時(shí)刻的導(dǎo)線(xiàn)和銅排等效成電阻和電感。

③故障時(shí)刻的直流熔斷器等效成電阻。

④主要考慮來(lái)自電容的放電電流,忽略了來(lái)自電動(dòng)機(jī)的電流回饋。

將5000馬力混合動(dòng)力拖輪直流組網(wǎng)變頻控制配電系統(tǒng)故障模型進(jìn)行等效轉(zhuǎn)換,如圖3所示。

圖3 5000馬力混合動(dòng)力拖輪直流組網(wǎng)變頻控制配電系統(tǒng)故障模型等效圖

2.8.2 驗(yàn)證性試驗(yàn)項(xiàng)目

基于仿真軟件計(jì)算結(jié)果,選取2～3個(gè)短路點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn),如圖4所示。

圖4 5000馬力混合動(dòng)力拖輪直流電網(wǎng)短路點(diǎn)示意圖

測(cè)試儀器數(shù)字包括示波器、萬(wàn)用表、交直流探頭、差分電壓探頭、羅氏線(xiàn)圈(變比為1 mV/A)、羅氏線(xiàn)圈(變比為100 kA/V)等。

2.8.2.1 電源或負(fù)載側(cè)短路試驗(yàn)方法

①利用外部開(kāi)關(guān)控制實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)短路,將所選取的短路點(diǎn)接入母排的支路(熔斷器前),正負(fù)極銅排接線(xiàn)端分別用電纜接到外部開(kāi)關(guān)兩極,開(kāi)關(guān)保持?jǐn)嚅_(kāi)狀態(tài)。

②通過(guò)一套AFE整流器將直流母排電壓提升至1100 V,其余非故障點(diǎn)AFE整流器、 DC/DC直流變換器、主推進(jìn)逆變器、日用逆變器均處于停機(jī)狀態(tài),分?jǐn)嘈铍姵亟M高壓柜內(nèi)接觸器(如選取DC/DC直流變換器作為短路故障點(diǎn),則無(wú)需分?jǐn)嘣摴收宵c(diǎn)對(duì)應(yīng)的蓄電池組高壓柜內(nèi)接觸器)。

③停止充電整流器運(yùn)行并斷開(kāi)前端進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān),直流母排開(kāi)始自然放電。

④在直流母排放電至1000 V(母排額定電壓)時(shí),將外部開(kāi)關(guān)接通,觸發(fā)短路開(kāi)關(guān),實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)短路,觀(guān)察各支路熔斷器狀態(tài),用示波器測(cè)量該母排電壓及短路點(diǎn)短路電流。

⑤合格依據(jù):所選取的故障短路點(diǎn)熔斷器保護(hù)動(dòng)作(熔斷),其余熔斷器未動(dòng)作。

⑥記錄6 kA羅氏線(xiàn)圈測(cè)量的主回路短路電流的分流器電流,記錄換算后的實(shí)際短路電流值。

2.8.2.2 直流母排上短路試驗(yàn)方法

①利用外部開(kāi)關(guān)控制實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)短路,將直流母排遠(yuǎn)端正負(fù)極銅排接線(xiàn)端分別用電纜接到外部開(kāi)關(guān)兩極,開(kāi)關(guān)保持?jǐn)嚅_(kāi)狀態(tài)。

②通過(guò)一套AFE整流器將直流母排電壓提升至1100 V,其余AFE整流器、 DC/DC直流變換器、主推進(jìn)逆變器、日用逆變器均處于停機(jī)狀態(tài),分?jǐn)嘈铍姵亟M高壓柜內(nèi)接觸器。

③停止充電整流器運(yùn)行并斷開(kāi)前端進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān),直流母排開(kāi)始自然放電。

④在直流母排放電至1000 V(母排額定電壓)時(shí),將外部開(kāi)關(guān)接通,觸發(fā)短路開(kāi)關(guān),實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)短路。觀(guān)察各支路熔斷器狀態(tài),用示波器測(cè)量該母排電壓及短路點(diǎn)短路電流。

⑤合格依據(jù):故障側(cè)母排的母聯(lián)開(kāi)關(guān)保護(hù)動(dòng)作、DC/DC變換器母排側(cè)熔斷器、發(fā)電機(jī)AFE整流器母排側(cè)熔斷器、主推進(jìn)逆變器母排側(cè)熔斷器、日用逆變器母排側(cè)熔斷器均保護(hù)動(dòng)作(熔斷),非故障側(cè)母排熔斷器未動(dòng)作。

⑥記錄6 kA羅氏線(xiàn)圈測(cè)量的主回路短路電流的分流器電流,記錄換算后的實(shí)際短路電流值。

2.9 直流組網(wǎng)變頻控制柜功能試驗(yàn)

直流組網(wǎng)變頻控制柜內(nèi)置能量管理控制器,主要包含異步發(fā)電機(jī)控制、日用電源控制、儲(chǔ)能系統(tǒng)控制及預(yù)充電等功能。其中,發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的控制、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和報(bào)警、發(fā)電機(jī)的保護(hù)、推進(jìn)系統(tǒng)的控制、推進(jìn)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和報(bào)警、負(fù)載分配功能、自動(dòng)起停發(fā)電機(jī)功能等試驗(yàn)與普通交流配電系統(tǒng)的功率管理系統(tǒng)(PMS)功能試驗(yàn)相似,不再贅述。以下針對(duì)直流組網(wǎng)變頻控制系統(tǒng)特有的儲(chǔ)能系統(tǒng)和岸電充電功能測(cè)試流程進(jìn)行闡述。

2.9.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)試驗(yàn)

2.9.1.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)啟停試驗(yàn)方法

①將儲(chǔ)能系統(tǒng)屏的旋鈕切換至“本地”,儲(chǔ)能系統(tǒng)屏的“充電就緒”或者“放電就緒”指示燈常亮。

②按下“啟動(dòng)”按鈕,指示燈閃爍,儲(chǔ)能系統(tǒng)啟動(dòng)完畢,指示燈由閃爍變成常亮。

③按下 “停止”按鈕,指示燈閃爍,儲(chǔ)能系統(tǒng)停止完畢,指示燈由閃爍變成常亮。

④觀(guān)察并記錄試驗(yàn)結(jié)果。

2.9.1.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)急停試驗(yàn)方法

5000馬力混合動(dòng)力拖船設(shè)有3個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)急停止按鈕,分別位于直流組網(wǎng)變頻控制柜DC/DC屏、駕控室和監(jiān)控室,任意一個(gè)按鈕被按下都將觸發(fā)變頻器的應(yīng)急停止。

①按下任意一個(gè)“應(yīng)急停止”按鈕,“報(bào)警”指示燈閃爍,蜂鳴器響動(dòng),觸摸屏上顯示相應(yīng)信息。

②按下“復(fù)位”按鈕,“故障”指示燈變?yōu)槠焦?按下“消聲”按鈕,蜂鳴器停止響動(dòng);復(fù)位“應(yīng)急停止”按鈕,“故障”指示燈熄滅。

③觀(guān)察并記錄試驗(yàn)結(jié)果。

2.9.1.3 儲(chǔ)能系統(tǒng)過(guò)載保護(hù)試驗(yàn)方法

①通過(guò)軟件設(shè)定儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)際電流超過(guò)瞬時(shí)過(guò)載電流設(shè)定值后,儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)能發(fā)出瞬時(shí)過(guò)載報(bào)警。

②通過(guò)軟件設(shè)定儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)際電流超過(guò)延時(shí)過(guò)載電流設(shè)定值后,延時(shí)一定時(shí)間后,儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)能發(fā)出電流延時(shí)過(guò)載報(bào)警。

③觀(guān)察并記錄試驗(yàn)結(jié)果。

2.9.2 岸電充電裝置試驗(yàn)

2.9.2.1 岸電充電裝置啟停試驗(yàn)方法

①將充電樁的旋鈕切換至“遙控”且處于就緒狀態(tài)。

②按下觸摸屏“充電啟動(dòng)”按鈕,直流組網(wǎng)變頻控制柜岸電屏“合閘”指示燈變成常亮;按下電池“啟動(dòng)”按鈕,指示燈閃爍,電池系統(tǒng)啟動(dòng)完畢,指示燈由閃爍變成常亮。

③在觸摸屏設(shè)置不同的充電電流值,觀(guān)察駕控臺(tái)顯示屏電池系統(tǒng)的充電電流。

④觸摸屏按下 “充電停止”按鈕,直流組網(wǎng)變頻控制柜岸電屏“分閘”指示燈變成常亮。

⑤觀(guān)察并記錄試驗(yàn)結(jié)果。

2.9.2.2 岸電充電裝置急停試驗(yàn)方法

5000馬力混合動(dòng)力拖船設(shè)置有2個(gè)岸電充電裝置應(yīng)急停止按鈕,分別位于充電樁、直流組網(wǎng)變頻控制柜岸電屏,任意一個(gè)應(yīng)急停止按鈕被按下將觸發(fā)岸電充電裝置的應(yīng)急停止,分?jǐn)喟峨婇_(kāi)關(guān)。

①按下其中任意一個(gè)“應(yīng)急停止”按鈕,岸電開(kāi)關(guān)分閘,“報(bào)警”指示燈閃爍,蜂鳴器響動(dòng),觸摸屏上顯示相應(yīng)信息。

②按下“復(fù)位”按鈕,“故障”指示燈變?yōu)槠焦?按下“消聲”按鈕,蜂鳴器停止響動(dòng);復(fù)位“應(yīng)急停止”按鈕,“故障”指示燈熄滅。

③觀(guān)察并記錄試驗(yàn)結(jié)果。

3 結(jié)束語(yǔ)

配電系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)船舶、混動(dòng)船舶的重要性不言而喻。通過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試,可以檢測(cè)出潛在的故障和問(wèn)題,從而避免在船舶運(yùn)營(yíng)的過(guò)程中出現(xiàn)故障,同時(shí),還可以通過(guò)測(cè)試,評(píng)估配電柜的性能指標(biāo),為優(yōu)化船舶電力系統(tǒng)提供依據(jù)。本文針對(duì)5000馬力混合動(dòng)力拖船的直流組網(wǎng)變頻控制配電柜的測(cè)試做了簡(jiǎn)要分析、闡述和總結(jié),該測(cè)試方案和流程可以作為采用直流組網(wǎng)變頻控制配電系統(tǒng)的船舶做系統(tǒng)測(cè)試時(shí)參考。