杜 睿，孫蘇悅，周祎隆

(中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011)

0 引 言

鋰電池動力船舶是以鋰電池作為主推進動力源的一類船舶總稱。作為一種新型能源船舶，基本上可以實現(xiàn)零排放，符合航運業(yè)積極推動新能源動力應用的大趨勢。鋰電池動力船均采用直流配電系統(tǒng)，和常規(guī)交流配電系統(tǒng)差別較大。而且針對直流配電系統(tǒng)，目前尚無船級社出臺統(tǒng)一的短路電流計算軟件和選擇性保護校核標準。本文針對某磷酸鐵鋰電池動力內河工作船，就鋰電池動力船配電系統(tǒng)設計特點和直流配電系統(tǒng)短路、選擇性保護等方面開展研究，并利用Matlab仿真軟件對目標船的直流配電網(wǎng)絡短路電流和系統(tǒng)選擇性保護進行分析。

1 鋰電池動力船配電系統(tǒng)特點

鋰電池動力系統(tǒng)主要由動力鋰電池組，直流配電系統(tǒng)和電力推進系統(tǒng)組成?；谝?guī)范法規(guī)、成本等因素，目前鋰電池動力船多配備變速柴油發(fā)電機組作為備用電源。鋰電池組作為全船能量源，輸出為直流，有采用直流配電網(wǎng)的先天優(yōu)勢。與交流配電網(wǎng)相比，鋰電池動力船采用直流配電網(wǎng)有明顯優(yōu)點：

1）設備體積重量減少。使用功率密度更大的整流器替代體積和重量較大的變壓器，提高了設備的集成度。設備間接口和連接電纜數(shù)量減少。根據(jù)某小水線面科考船對比數(shù)據(jù)，電力和推進系統(tǒng)減重約50%[1]。

2）系統(tǒng)效率提高。相比交流電力推進，直流電力推進減少了變壓器和交流配電環(huán)節(jié)，能耗減少約3%[2]。另外交流電網(wǎng)受限于頻率，柴油機均采用恒速機組，工作點無法在等功率線上移動，在負荷變動時無法選擇經(jīng)濟點，油耗相對較高。而直流電網(wǎng)選用變速柴油機組，負荷變化時，可選用油耗最低的轉速匹配，在工況多變情況下，節(jié)能明顯。

3）電網(wǎng)接口簡單，方便多種儲能設備接入。未來新能源種類多樣，在交流電制與主網(wǎng)并網(wǎng)時較復雜。直流組網(wǎng)避免了并網(wǎng)時頻率、相位、同步等問題，方便新能源利用[3]。

直流配電網(wǎng)目前劣勢：

1）目前直流斷路器設計制造相比交流斷路器更為困難，短路分斷能力受限，成本較高。

2）直流電網(wǎng)中大量電力電子設備應用，對系統(tǒng)穩(wěn)定性要求提高[4]。

3）控制系統(tǒng)相對復雜，鋰電池動力船采用能量管理系統(tǒng)。這是根據(jù)綜合電力推進船舶實際需求而產(chǎn)生的對船舶能量進行管理、監(jiān)控并對全船能量產(chǎn)生、供給、分配進行管理的一種新型控制管理系統(tǒng)[5]。除了監(jiān)測控制鋰電池系統(tǒng)，還要管理變速發(fā)電機組，和常規(guī)交流電站功率管理系統(tǒng)有很大不同。

2 配電系統(tǒng)設計

各布置1套推進逆變器、推進電機以及1套日用逆變器。

我們課題組前期多次發(fā)現(xiàn)苦參素可抑肝癌細胞增長，促其凋亡[17]，增強化療藥作用[18]。但確切機制尚未明確。我們研究發(fā)現(xiàn)苦參素能夠下調ABCB1蛋白表達來改變HepG2/ADM抗藥性[19]。另外，胥雄陽等[20]發(fā)現(xiàn)，苦參堿可在QGY/CDDP株通過下調MRP蛋白，加強順鉑作用，逆轉耐藥。以上研究表明苦參素可以下調ABCB1及MRP蛋白表達而逆轉耐藥，那么在本研究苦參素同樣可以調控ABCG2低表達，提高阿霉素抗人肝癌耐藥裸鼠移植瘤的療效，部分逆轉多藥耐藥，從而為臨床治療提供依據(jù)。

動力電池分成2個域[6]，每個域由4個120 kWh的電池柜和1個高壓箱組成，每個域電池容量為480 kWh，總容量960 kWh。4個電池柜通過高壓箱并聯(lián)，通過DC/DC和直流母排連接。2組電池獨立或并聯(lián)為船用負載供電。高壓配電箱為鋰電池系統(tǒng)對外供電、通信、對內電池管理的單元，主要包括電池控制單元、充放電回路控制、應急保護系統(tǒng)等。

電池管理系統(tǒng)主要由電池控制單元和采樣單元組成。每個電池柜配置1個采樣單元，1個二級電池控制單元，每個電池域配置1個一級電池控制單元。2個一級電池控制單元分別與電池充電器和電站管理系統(tǒng)通信，實現(xiàn)電池的充放電控制和保護。

備用電源為1臺280 kW永磁同步發(fā)電機，由變速柴油發(fā)電機驅動，經(jīng)整流裝置與直流母排連接。

3 直流配電系統(tǒng)的短路分析

根據(jù)設計要求，目標船配備磷酸鐵鋰電池組作為主電源，另外配備1臺柴油發(fā)電機組作為備用電源，如圖1所示。電池組與柴油發(fā)電機組分列母排兩端，母排中間用直流斷路器加2個熔斷器連接，左右母排

與常規(guī)交流電網(wǎng)保護不同，交流發(fā)電機按照船舶設計建造規(guī)范要求必須在穩(wěn)態(tài)短路時可提供至少維持3倍額定電流并保持2 s以上，以保證下游線路的選擇性保護[7]。但在直流電網(wǎng)中，整流器為IGBT型全控整流器，雙向DC也是基于IGBT的雙向DC變換器。短路發(fā)生時，檢測到故障IGBT迅速關斷后，短路電流通過續(xù)流二極管向故障點供電，續(xù)流二極管一般僅有額定值2倍的極限電流，且積累一定熱量后會燒毀。這個過程在短路時往往僅有十到幾十毫秒，只有快速熔斷器能達到保護的快速性要求。而且直流側短路故障時形成的短路電流比交流系統(tǒng)大很多，若使用空氣開關進行保護，則需要成倍加大開關額定電流及瞬動值[8]。因此，直流電網(wǎng)大多采用快速熔斷器作為保護措施。

在目標船直流配電系統(tǒng)中，同時有多個整流器/逆變器/雙向DC通過快速熔斷器并聯(lián)在直流母線上，且直流母線上掛了2組直流支撐電容。在直流系統(tǒng)中出現(xiàn)短路故障后，整流器/逆變器/雙向DC在幾微秒內檢測到過電流，瞬間關閉IGBT。但是電池與永磁同步電機的電壓均無法快速下降，整流器/雙向DC的支撐電容及前端電壓通過母排向故障點放電，放電電流大小與支撐電容的數(shù)值成正比關系，即越大的支撐電容在故障時向故障點放出的電流越大。另外，直流配電系統(tǒng)的拓撲結構決定了不同位置故障時，快速熔斷器上流過的電流是不同的。

直流配電系統(tǒng)中主要存在兩類短路故障：饋線短路和母線短路。因此在接下來的分析主要考慮這2種故障電流。即左母排的電池組與右母排的永磁同步發(fā)電機組并聯(lián)運行時，饋線短路電流，母線短路電流。

3.1 饋線短路電流分布

左右母排同時供電時，左饋線短路故障的極端情況可用圖2中①點短路故障為例進行分析。①位置發(fā)生短路故障時，2個電池組雙向DC、永磁同步發(fā)電機整流器、日用逆變、2組支撐電容均向其提供短路電流，且遠端饋線短路故障對于母聯(lián)熔斷器F8的沖擊比近端饋線反饋對于母聯(lián)熔斷器F8的沖擊更大，而對于網(wǎng)絡上其他熔斷器的沖擊不變化，因此分析遠端饋線短路故障情況。

圖2 左饋線短路情況Fig. 2 Short circuit of left feed line

左右母排同時供電時，右饋線短路故障的極端情況可用圖3中2點短路故障為例進行分析。2位置發(fā)生短路故障時，電池組雙向DC、永磁同步發(fā)電機整流器、日用逆變、2組支撐電容均向其提供短路電流，且遠端饋線短路故障對于母聯(lián)熔斷器F8的沖擊比近端饋線反饋對于母聯(lián)熔斷器F8的沖擊更大，而對于網(wǎng)絡上其他熔斷器的沖擊不變化，因此分析遠端饋線短路故障情況。

圖3 右饋線短路情況Fig. 3 Short circuit of right feed line

3.2 母線短路電流分布

左母線短路故障的極端情況可用圖4中3點短路故障為例進行分析。3位置發(fā)生短路故障時，電池組、永磁同步發(fā)電機整流器、日用逆變、2組支撐電容均向其提供短路電流，且近端母線短路故障對于母聯(lián)熔斷器F8的沖擊比遠端饋線反饋對于母聯(lián)熔斷器F8的沖擊更弱，而對于網(wǎng)絡上其他熔斷器的沖擊不變化，因此分析近端母線短路故障情況。

圖4 左母線短路情況Fig. 4 Short circuit of left busbar

右母線短路故障的極端情況可用圖5中4點短路故障為例進行分析。4位置發(fā)生短路故障時，電池組、永磁同步電機、日用逆變、2組支撐電容均向其提供短路電流，且近端母線短路故障對于母聯(lián)熔斷器F8的沖擊比遠端饋線反饋對于母聯(lián)熔斷器F8的沖擊更弱，而對于網(wǎng)絡上其他熔斷器的沖擊不變化，因此分析近端母線短路故障情況。

圖5 右母線短路情況Fig. 5 Short circuit of right busbar

3.3 直流系統(tǒng)短路保護選擇性分析

根據(jù)bussmann的快速熔斷器使用指南，快速熔斷器上流經(jīng)的能量達到pre-arc能量才能熔斷。依據(jù)系統(tǒng)設計，選用快速熔斷器型號如表1所示。

表1 快速熔斷器選用列表Tab. 1 Slection of fast acting fuse

3.3.1 左饋線短路保護選擇性分析

通過Matlab仿真分析，左饋線短路情況下，流經(jīng)各個熔斷器的A2s曲線如圖6所示。故障點位于熔斷器F6下端，流經(jīng)F6的短路電流尖峰值達233 kA。流經(jīng)F6的A2s曲線上升最快，F(xiàn)6將首先被熔斷，故障切除。實現(xiàn)了選擇性保護。

3.3.2 右饋線短路保護選擇性分析

圖6 左饋線短路保護選擇性分析Fig. 6 Short circuit and protection selectively analysisof leftfeedline

圖7 右饋線短路保護選擇性分析Fig. 7 Short circuit and protection selectively analysis of right feedline

右饋線短路情況下，流經(jīng)各個熔斷器的A2s曲線如圖7所示。故障點位于熔斷器F7下端，流經(jīng)F7的短路電流尖峰值達286 kA。流經(jīng)F7的A2s曲線上升最快，F(xiàn)7將首先被熔斷，故障切除。實現(xiàn)了選擇性保護。

3.3.3 左母線短路保護選擇性分析

左母線短路情況下，流經(jīng)各個熔斷器的A2s曲線如圖8所示。故障點位于左母排上，短路瞬間直流母線的短路電流尖峰最大達到40.81 kA。流經(jīng)F8的A2s曲線上升最快，流經(jīng)F1，F(xiàn)2的曲線，由于雙向DC保護后，電池端不能瞬時切斷，電池端電源將通過雙向DC的續(xù)流二極管為母排提供能量，但由于雙向DC與電池之間存在EC-LTS電抗器，電流上升的較慢，因此流經(jīng)F1，F(xiàn)2的曲線也將上升，但上升略慢。因此，在短路后，在0.1 ms左右快速熔斷器F8熔斷，而由于故障未排除，快速熔斷器F1，F(xiàn)2也將在1.7 ms左右后熔斷。實現(xiàn)了選擇性保護。

圖8 左母線短路保護選擇性分析Fig. 8 Short circuit and protection selectively analysis of left busbar

3.3.4 右母線短路保護選擇性分析

右母線短路情況下，流經(jīng)各個熔斷器的A2s曲線如圖9所示。故障點位于右母排上，短路瞬間直流母線的短路電流尖峰最大達到68.69 kA。流經(jīng)F8的A2s曲線上升最快，快速熔斷器F8熔斷，切除故障。由于永磁同步發(fā)電機無法快速消磁，永磁同步發(fā)電機后端熔斷器F3也將熔斷。實現(xiàn)了選擇性保護。

4 結 語

圖9 右母線短路保護選擇性分析Fig. 9 Short circuit and protection selectively analysis of right busbar

鋰電池動力船目前在國內還屬于起步階段，可借鑒項目較少。本文通過一型內河鋰電池動力船，分析了此類船舶配電系統(tǒng)設計特點，并著重介紹了直流配電系統(tǒng)的選擇性保護分析方法，采用快速熔斷器進行選擇性保護，通過正確選取熔斷器的型號，在出現(xiàn)短路故障時，可以實現(xiàn)快速切斷故障端，最大限度保證非故障端正常運行，完成對系統(tǒng)的選擇性保護。

此外，直流配電系統(tǒng)的提升空間很大，新型直流斷路器、能量管理系統(tǒng)的研發(fā)，直流系統(tǒng)相關規(guī)范法規(guī)制定都將是重要的研究方向。