杜 睿，孫蘇悅，周祎隆

(中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011)

0 引 言

鋰電池動(dòng)力船舶是以鋰電池作為主推進(jìn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)零排放，符合航運(yùn)業(yè)積極推動(dòng)新能源動(dòng)力應(yīng)用的大趨勢(shì)。鋰電池動(dòng)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(duì)直流配電系統(tǒng)，目前尚無(wú)船級(jí)社出臺(tái)統(tǒng)一的短路電流計(jì)算軟件和選擇性保護(hù)校核標(biāo)準(zhǔn)。本文針對(duì)某磷酸鐵鋰電池動(dòng)力內(nèi)河工作船，就鋰電池動(dòng)力船配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)和直流配電系統(tǒng)短路、選擇性保護(hù)等方面開(kāi)展研究，并利用Matlab仿真軟件對(duì)目標(biāo)船的直流配電網(wǎng)絡(luò)短路電流和系統(tǒng)選擇性保護(hù)進(jìn)行分析。

1 鋰電池動(dòng)力船配電系統(tǒng)特點(diǎn)

鋰電池動(dòng)力系統(tǒng)主要由動(dòng)力鋰電池組，直流配電系統(tǒng)和電力推進(jìn)系統(tǒng)組成?；谝?guī)范法規(guī)、成本等因素，目前鋰電池動(dòng)力船多配備變速柴油發(fā)電機(jī)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(shì)。與交流配電網(wǎng)相比，鋰電池動(dòng)力船采用直流配電網(wǎng)有明顯優(yōu)點(diǎn)：

1）設(shè)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(shè)備的集成度。設(shè)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(duì)比數(shù)據(jù)，電力和推進(jìn)系統(tǒng)減重約50%[1]。

2）系統(tǒng)效率提高。相比交流電力推進(jìn)，直流電力推進(jìn)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(jī)均采用恒速機(jī)組，工作點(diǎn)無(wú)法在等功率線上移動(dòng)，在負(fù)荷變動(dòng)時(shí)無(wú)法選擇經(jīng)濟(jì)點(diǎn)，油耗相對(duì)較高。而直流電網(wǎng)選用變速柴油機(jī)組，負(fù)荷變化時(shí)，可選用油耗最低的轉(zhuǎn)速匹配，在工況多變情況下，節(jié)能明顯。

3）電網(wǎng)接口簡(jiǎn)單，方便多種儲(chǔ)能設(shè)備接入。未來(lái)新能源種類多樣，在交流電制與主網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)較復(fù)雜。直流組網(wǎng)避免了并網(wǎng)時(shí)頻率、相位、同步等問(wèn)題，方便新能源利用[3]。

直流配電網(wǎng)目前劣勢(shì)：

1）目前直流斷路器設(shè)計(jì)制造相比交流斷路器更為困難，短路分?jǐn)嗄芰κ芟?，成本較高。

2）直流電網(wǎng)中大量電力電子設(shè)備應(yīng)用，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性要求提高[4]。

3）控制系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，鋰電池動(dòng)力船采用能量管理系統(tǒng)。這是根據(jù)綜合電力推進(jìn)船舶實(shí)際需求而產(chǎn)生的對(duì)船舶能量進(jìn)行管理、監(jiān)控并對(duì)全船能量產(chǎn)生、供給、分配進(jìn)行管理的一種新型控制管理系統(tǒng)[5]。除了監(jiān)測(cè)控制鋰電池系統(tǒng)，還要管理變速發(fā)電機(jī)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(shè)計(jì)

各布置1套推進(jìn)逆變器、推進(jìn)電機(jī)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(xì)胞增長(zhǎng)，促其凋亡[17]，增強(qiáng)化療藥作用[18]。但確切機(jī)制尚未明確。我們研究發(fā)現(xiàn)苦參素能夠下調(diào)ABCB1蛋白表達(dá)來(lái)改變HepG2/ADM抗藥性[19]。另外，胥雄陽(yáng)等[20]發(fā)現(xiàn)，苦參堿可在QGY/CDDP株通過(guò)下調(diào)MRP蛋白，加強(qiáng)順鉑作用，逆轉(zhuǎn)耐藥。以上研究表明苦參素可以下調(diào)ABCB1及MRP蛋白表達(dá)而逆轉(zhuǎn)耐藥，那么在本研究苦參素同樣可以調(diào)控ABCG2低表達(dá)，提高阿霉素抗人肝癌耐藥裸鼠移植瘤的療效，部分逆轉(zhuǎn)多藥耐藥，從而為臨床治療提供依據(jù)。

動(dòng)力電池分成2個(gè)域[6]，每個(gè)域由4個(gè)120 kWh的電池柜和1個(gè)高壓箱組成，每個(gè)域電池容量為480 kWh，總?cè)萘?60 kWh。4個(gè)電池柜通過(guò)高壓箱并聯(lián)，通過(guò)DC/DC和直流母排連接。2組電池獨(dú)立或并聯(lián)為船用負(fù)載供電。高壓配電箱為鋰電池系統(tǒng)對(duì)外供電、通信、對(duì)內(nèi)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(yīng)急保護(hù)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(gè)電池柜配置1個(gè)采樣單元，1個(gè)二級(jí)電池控制單元，每個(gè)電池域配置1個(gè)一級(jí)電池控制單元。2個(gè)一級(jí)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(shí)現(xiàn)電池的充放電控制和保護(hù)。

備用電源為1臺(tái)280 kW永磁同步發(fā)電機(jī)，由變速柴油發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，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(shè)計(jì)要求，目標(biāo)船配備磷酸鐵鋰電池組作為主電源，另外配備1臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源，如圖1所示。電池組與柴油發(fā)電機(jī)組分列母排兩端，母排中間用直流斷路器加2個(gè)熔斷器連接，左右母排

與常規(guī)交流電網(wǎng)保護(hù)不同，交流發(fā)電機(jī)按照船舶設(shè)計(jì)建造規(guī)范要求必須在穩(wěn)態(tài)短路時(shí)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(hù)[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(shí)，檢測(cè)到故障IGBT迅速關(guān)斷后，短路電流通過(guò)續(xù)流二極管向故障點(diǎn)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(huì)燒毀。這個(gè)過(guò)程在短路時(shí)往往僅有十到幾十毫秒，只有快速熔斷器能達(dá)到保護(hù)的快速性要求。而且直流側(cè)短路故障時(shí)形成的短路電流比交流系統(tǒng)大很多，若使用空氣開(kāi)關(guān)進(jìn)行保護(hù)，則需要成倍加大開(kāi)關(guān)額定電流及瞬動(dòng)值[8]。因此，直流電網(wǎng)大多采用快速熔斷器作為保護(hù)措施。

在目標(biāo)船直流配電系統(tǒng)中，同時(shí)有多個(gè)整流器/逆變器/雙向DC通過(guò)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(nèi)檢測(cè)到過(guò)電流，瞬間關(guān)閉IGBT。但是電池與永磁同步電機(jī)的電壓均無(wú)法快速下降，整流器/雙向DC的支撐電容及前端電壓通過(guò)母排向故障點(diǎn)放電，放電電流大小與支撐電容的數(shù)值成正比關(guān)系，即越大的支撐電容在故障時(shí)向故障點(diǎn)放出的電流越大。另外，直流配電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定了不同位置故障時(shí)，快速熔斷器上流過(guò)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(lái)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(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，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(shí)供電時(shí)，左饋線短路故障的極端情況可用圖2中①點(diǎn)短路故障為例進(jìn)行分析。①位置發(fā)生短路故障時(shí)，2個(gè)電池組雙向DC、永磁同步發(fā)電機(jī)整流器、日用逆變、2組支撐電容均向其提供短路電流，且遠(yuǎn)端饋線短路故障對(duì)于母聯(lián)熔斷器F8的沖擊比近端饋線反饋對(duì)于母聯(lián)熔斷器F8的沖擊更大，而對(duì)于網(wǎng)絡(luò)上其他熔斷器的沖擊不變化，因此分析遠(yuǎn)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(shí)供電時(shí)，右饋線短路故障的極端情況可用圖3中2點(diǎn)短路故障為例進(jìn)行分析。2位置發(fā)生短路故障時(shí)，電池組雙向DC、永磁同步發(fā)電機(jī)整流器、日用逆變、2組支撐電容均向其提供短路電流，且遠(yuǎn)端饋線短路故障對(duì)于母聯(lián)熔斷器F8的沖擊比近端饋線反饋對(duì)于母聯(lián)熔斷器F8的沖擊更大，而對(duì)于網(wǎng)絡(luò)上其他熔斷器的沖擊不變化，因此分析遠(yuǎn)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(diǎn)短路故障為例進(jìn)行分析。3位置發(fā)生短路故障時(shí)，電池組、永磁同步發(fā)電機(jī)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(duì)于母聯(lián)熔斷器F8的沖擊比遠(yuǎn)端饋線反饋對(duì)于母聯(lián)熔斷器F8的沖擊更弱，而對(duì)于網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)短路故障為例進(jìn)行分析。4位置發(fā)生短路故障時(shí)，電池組、永磁同步電機(jī)、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(duì)于母聯(lián)熔斷器F8的沖擊比遠(yuǎn)端饋線反饋對(duì)于母聯(lián)熔斷器F8的沖擊更弱，而對(duì)于網(wǎng)絡(luò)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(hù)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(dá)到pre-arc能量才能熔斷。依據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，選用快速熔斷器型號(hào)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(hù)選擇性分析

通過(guò)Matlab仿真分析，左饋線短路情況下，流經(jīng)各個(gè)熔斷器的A2s曲線如圖6所示。故障點(diǎn)位于熔斷器F6下端，流經(jīng)F6的短路電流尖峰值達(dá)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(shí)現(xiàn)了選擇性保護(hù)。

3.3.2 右饋線短路保護(hù)選擇性分析

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

圖7 右饋線短路保護(hù)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(gè)熔斷器的A2s曲線如圖7所示。故障點(diǎn)位于熔斷器F7下端，流經(jīng)F7的短路電流尖峰值達(dá)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(shí)現(xiàn)了選擇性保護(hù)。

3.3.3 左母線短路保護(hù)選擇性分析

左母線短路情況下，流經(jīng)各個(gè)熔斷器的A2s曲線如圖8所示。故障點(diǎn)位于左母排上，短路瞬間直流母線的短路電流尖峰最大達(dá)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(hù)后，電池端不能瞬時(shí)切斷，電池端電源將通過(guò)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(shí)現(xiàn)了選擇性保護(hù)。

圖8 左母線短路保護(hù)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(hù)選擇性分析

右母線短路情況下，流經(jīng)各個(gè)熔斷器的A2s曲線如圖9所示。故障點(diǎn)位于右母排上，短路瞬間直流母線的短路電流尖峰最大達(dá)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(jī)無(wú)法快速消磁，永磁同步發(fā)電機(jī)后端熔斷器F3也將熔斷。實(shí)現(xiàn)了選擇性保護(hù)。

4 結(jié) 語(yǔ)

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

鋰電池動(dòng)力船目前在國(guó)內(nèi)還屬于起步階段，可借鑒項(xiàng)目較少。本文通過(guò)一型內(nèi)河鋰電池動(dòng)力船，分析了此類船舶配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，并著重介紹了直流配電系統(tǒng)的選擇性保護(hù)分析方法，采用快速熔斷器進(jìn)行選擇性保護(hù)，通過(guò)正確選取熔斷器的型號(hào)，在出現(xiàn)短路故障時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)快速切斷故障端，最大限度保證非故障端正常運(yùn)行，完成對(duì)系統(tǒng)的選擇性保護(hù)。

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(guān)規(guī)范法規(guī)制定都將是重要的研究方向。