鄢 倫，吳大立，李興東，汪永茂

（武漢第二船舶設計研究所，武漢 430205）

0 引言

近年來，隨著節(jié)能減排要求的不斷提高和電力電子技術的快速發(fā)展，便于變速運行的發(fā)電機接入電網以經濟運行和便于儲能設備接入以提高船舶電力系統(tǒng)供電連續(xù)性和動力靈活操控性成為船舶直流電力系統(tǒng)發(fā)展的核心推動力之一，直流全電力推進成為船舶電力系統(tǒng)發(fā)展的重要方向[1]。然而，缺乏完備的短路故障管控技術實施的手段和指導原則成為設計直流全電力推進船舶電力系統(tǒng)的主要障礙。短路故障管控技術包括故障檢測、故障隔離和網絡重構三個方面；故障檢測和故障隔離要求將故障區(qū)域從船舶直流電網中隔離開，以保證正常區(qū)域負載供配電不受影響；網絡重構則要求船舶電力系統(tǒng)根據故障情形改變網絡拓撲以保證重要負載的連續(xù)供電。完備的短路故障管控是直流全電力推進船舶高供電可靠性和生命力的基礎。

直流全電力推進船舶電網與陸上直流電網在負荷類型和特征上有明顯不同，具有與任務強關聯和難以預測的特征，且高達總發(fā)電容量80%甚至以上的電力推進負載的大范圍波動也使船舶直流電網的網絡重構能力受到推進負荷的顯著影響[2]，導致直流全電力推進船舶電網短路故障管控不僅面臨陸上直流電網同樣巨大的挑戰(zhàn)，且相關研究成果也無法直接遷移應用。直流全電力推進船舶電網短路故障管控的技術難題已經引起學術界和工業(yè)界多個研究機構的關注。位于美國的電力艦船研究和發(fā)展協會（Electric Ship Research and Development Consortium，ESRDC）是其中的突出代表[3]。

本文將當前國外直流電力系統(tǒng)短路故障管控技術上的研究成果分析整合，結合船舶直流電網短路故障特性和保護需求，分析了直流電網短路故障管控技術的研究進展，指出了直流全電力推進船舶短路故障管控技術未來發(fā)展和需求研究的重點。

1 船舶直流電網短路故障特性和保護需求

1.1 船舶直流電網短路故障特性

在船舶直流電網中，同步發(fā)電機采用兩電平電壓源變換器接入的方案較多，其拓撲如圖1所示。

圖1 同步發(fā)電機通過兩電平電壓源變換器接入電網拓撲

當同步整流發(fā)電機外部短路時，短路電流由兩個響應決定，一是變換器直流側電容暫態(tài)放電電流，二是發(fā)電機饋送的短路電流。同步整流發(fā)電機短路響應為典型的4階段過程，如圖2所示。圖2（a）表示直流側電容快速暫態(tài)放電，直流電壓降低；圖2（b）表示直流母線電壓低于發(fā)電機交流側電壓峰值后，IGBT反并聯續(xù)流二極管導通，交流發(fā)電機開始通過續(xù)流二極管向短路點饋送短路電流，IGBT過電流保護關斷；圖2（c）表示所有IGBT反并聯續(xù)流二極管均導通，發(fā)電機處于完全短路狀態(tài)；圖2（d）表示形成發(fā)電機穩(wěn)態(tài)饋送短路電流。某一同步整流發(fā)電機典型外部短路電流曲線如圖3所示。

圖2 不同階段整流發(fā)電機短路故障電流響應

圖3 整流發(fā)電機典型短路故障電流曲線

從圖3中可知，整流發(fā)電機短路電流無過零點，并在約2～3 ms內就迅速升高到約額定電流15倍的峰值。此特征短路電流不僅可能導致直流側電容和二極管等熱損毀或過電壓損壞，同時巨大的電磁力也可能導致元件機械損壞。此外，由于船舶直流電網短路阻抗很小，短路時整個直流電網短路電流也幾乎一樣大。

1.2 船舶直流電網短路保護需求

針對船舶直流電網短路特性，為實現電網快速選擇性保護，其基本要求如下：

1）電流傳感器要求

為測量直流短路電流，分流器、電流互感器、霍爾傳感器或羅氏線圈等是當前幾種應用較多的測量方案，不同方案的優(yōu)缺點對比如表1所示[4-5]。

表1 不同電流傳感器優(yōu)缺點對比

2）故障隔離時間要求

由于短路阻抗小，直流電網短路電流上升率和幅值比交流電網大得多，傳統(tǒng)交流電網基于穩(wěn)態(tài)短路電流來進行保護設計和配合的思路在直流電網中無法應用。為避免直流電網快速上升且峰值巨大的短路電流造成變換器等損壞，一般要求故障檢測和隔離時間在10 ms以內。

3）選擇性要求和保護配合挑戰(zhàn)

在傳統(tǒng)交流系統(tǒng)中，單端或多端保護被用于實現選擇性保護。單端保護只檢測末端電壓和電流，且一般通過電流或時間原則來實現選擇性保護，而多端保護則同時采集首末端電壓和電流。對于船舶直流電網而言，由于快速上升的故障電流和嚴苛的時間配合要求，難以再采用這樣的原則。此外，距離保護也難以直接在緊湊的船舶直流電網中應用。

2 船舶直流電網短路故障管控研究現狀

2.1 短路故障管控技術研究框架

故障檢測、故障隔離和網絡重構作為船舶直流電網短路故障管控的重要內容，其研究不可互相割裂，本文基于的統(tǒng)一分析研究框架如圖4所示。

圖4 船舶直流電網短路故障管控技術研究框架

2.2 故障檢測

故障檢測是船舶直流電網短路故障管控實施的首要環(huán)節(jié)，當前主要研究思路和手段包括如下。

1）檢測交流側電流實現保護

基于交流保護方案，通過檢測整流發(fā)電機交流側電流以實現直流側短路保護是最簡單的方法，但其主要問題在于交流斷路器一般需要一到兩個周波的時間才能分斷，難以滿足直流電網快速性保護的時間要求，且采用這一方法會導致系統(tǒng)失電。

2）檢測直流過電流和電流上升率實現保護

過流保護在交流系統(tǒng)中較多采用，但由于船舶直流電網短時路各處短路電流幾乎相同而難以適用，其更適合點對點的直流系統(tǒng)以及作為多端直流系統(tǒng)的后備保護[6]。此外，電流上升率di/dt在直流電網故障檢測中也經常被采用。同時測量di/dt和端電壓值，還可估計保護區(qū)段的電抗，從而進行故障定位，但該方案的主要不足在于需要高帶寬傳感器和快速計算故障后的線路電抗[7]。

3）電流差動和方向檢測實現保護

直流電網通過檢測判斷電流方向實現方向保護與交流電網類似，但這一保護需有合適的直流斷路器來隔離故障。此外，基于流入和流出節(jié)點電流不同的差動保護也可用于直流電網，但由于直流短路故障電流上升率很大，實現差動保護需要有速度極快和高可靠的電流傳感器及通信手段[8]。

4）基于信號處理的方法

信號處理方法，如小波變換、短時傅里葉變換和人工神經網絡的故障檢測算法在直流電力系統(tǒng)中已有應用。盡管這些方法提供了準確的結果，但實際應用時還需進一步深入研究。

2.3 故障隔離

直流電網故障隔離有基于開關隔離和無開關隔離兩大方向。在傳統(tǒng)交流系統(tǒng)中，交流斷路器通過電壓和電流的自然過零點來熄滅分斷短路時產生的電弧。而在直流系統(tǒng)中，由于沒有自然過零點，若要采用直流斷路器來隔離故障，則直流斷路器必須采取附加手段來熄滅短路時產生的電弧。

2.3.1 基于開關隔離直流短路故障

1）諧振換向直流斷路器

通過加裝換向元件以及過電壓吸收部件來改造交流斷路器以分斷直流故障電流是當前實現直流斷路器的思路之一。主動和被動諧振換向均能使交流斷路器被改造為直流斷路器。然而，被動諧振換向直流斷路器只能分斷較小的直流短路電流，且分斷時間也較長[9]；主動諧振斷路器則性能更優(yōu)，可更快的分斷更大的短路電流[10]，如圖5所示。

圖5 被動（a）和主動（b）諧振換向直流斷路器拓撲

正常工作時，直流電流從圖5所示的“主通路”流過，故障時，跳閘指令發(fā)送到“主通路”的開關上，開關電弧產生，并同時在換向電路RLCres和開關電弧間產生電流振蕩，這一過程將在主開關上產生人為過零點，從而熄滅電弧以及分斷電路。主動諧振換向直流斷路器需額外控制開關S1、S2的通斷。S2閉合后可對換向回路的電容預充電，正常工作時一般處于閉合狀態(tài)。接收到跳閘指令后，S2分斷，S1閉合，激活主動諧振電路。

當前基于被動諧振換向的直流斷路器已經在點對點直流系統(tǒng)中進行了測試，可在20 ms內分斷高達5.3 kA的短路電流；而基于主動諧振換向的直流斷路器則能在5～8 ms內分斷10.5～16 kA的短路電流[10]。

2）直流固態(tài)斷路器和固態(tài)限流器

隨著半導體器件的快速發(fā)展，固態(tài)開關也逐漸被用于故障隔離，發(fā)展形成直流固態(tài)斷路器，近年來在船舶直流電網領域也有相關應用報道[11]。直流固態(tài)斷路器大多基于IGBT或IGCT的控制來實現隔離功能。圖6（a）中表示了一種可關斷雙向短路電流的固態(tài)斷路器結構[12]。該固態(tài)斷路器內串聯的半導體開關管數量決定了斷路器短路電流分斷能力和電壓耐受水平。除了固態(tài)斷路器，基于LC諧振回路分斷短路電流的固態(tài)限流器也被提出[13]。固態(tài)限流器的工作原理與保險絲類似，都是一次性產品，此外也不適用于較高的電壓場合。

圖6 直流固態(tài)斷路器(a)和混合斷路器(b)拓撲

3）混合斷路器

基于諧振原理的直流斷路器相對需要更長時間來分斷故障電流，而固態(tài)斷路器則分斷時間更短，但固態(tài)斷路器的一大劣勢在于穩(wěn)態(tài)通流損耗大，會導致系統(tǒng)效率降低。為解決這一問題，將兩者結合的混合斷路器應運而生[14]，其一般結構如圖6（b）所示。采用碳化硅發(fā)射極關斷晶閘管和快速晶閘管作為主斷路器的混合斷路器已分別在船舶中壓直流電網以及陸上直流電網中應用。

2.3.2 無開關隔離直流短路故障

無開關隔離直流短路故障包括發(fā)電機采用改進變換器接入電網和短路時發(fā)電機進行緊急去磁。

1）兩電平改進變換器

兩電平改進變換器拓撲結構如圖7所示。

圖7 兩電平改進變換器拓撲結構

圖7（a）中晶閘管與續(xù)流二極管并聯以分流故障電流，減小二極管I2t值，但故障時開關經受的dv/dt很高；圖7（b）中采用了撬棒保護（crowbar），但是該方案需要配備有冷卻設備，且保護控制與發(fā)電機交流開關動作密切相關；圖7（c）中交流側串聯大電感可顯著減小故障電流但增大了變換器的體積和尺寸；圖7（d）中交流側增加LCL濾波器可在限制故障電流的同時保持單位功率因數，但又受體積龐大的L和C的限制且控制復雜。

2）接入發(fā)電機選擇

由于感應發(fā)電機需要較大的勵磁功率，永磁同步發(fā)電機短路時會產生巨大的短路電流，權衡考慮優(yōu)缺點，采用外部勵磁的繞線式轉子同步發(fā)電機成為船舶直流電網的主要選擇。繞線式轉子同步發(fā)電機對外饋送的短路電流取決于發(fā)電機內電勢，而內電勢與勵磁系統(tǒng)密切相關，選用合適的去磁系統(tǒng)可減小發(fā)電機內電勢，進而減小對外饋送的短路電流。恒定電阻去磁系統(tǒng)在工業(yè)界被廣泛采用[15]，如圖8（a）所示。由于過大的Rd可能產生過電壓問題，Rd阻值必須慎重選擇。為避免恒定電阻去磁可能導致的過電壓問題，圖8（b）所示的可限制勵磁繞組電壓的非線性壓控電阻（VDR）被提出。

圖8 不同發(fā)電機去磁系統(tǒng)

此外，將恒定電阻和非線性壓控電阻并聯的去磁系統(tǒng)也被提出，如圖8（c）所示。發(fā)電機短路時，開關S1分斷，電阻Rd使勵磁電流迅速減小，從而使發(fā)電機對外饋送短路電流減??；當勵磁電壓超過限制值后，開關S2閉合，非線性壓控電阻投入運行，限制勵磁電壓不超過限值。

2.4 網絡重構

在故障檢測和故障隔離之外，網絡重構是船舶直流電網故障管控的另一重要問題，通過網絡重構可確保重要負載供電連續(xù)性，而重構能力則取決于高可靠的母線結構和負載切除及綜合優(yōu)化策略。

1）船舶直流電網母線結構

共直流母線是船舶直流電網最簡單的拓撲結構，這種母線結構形式中所有的發(fā)電機和負載都接入同一母線，采用的是饋線配電方式。其他母線拓撲包括從船頭整個穿過到船尾的環(huán)形母線結構等。近年來，直流區(qū)域配電的構思被提出[16]，如圖9所示，即船舶被分為幾個供電區(qū)域，每個供電區(qū)域通過電纜和斷路器與直流母線連接，直流母線傳輸的直流電在每個供電區(qū)域被變換成所需的三相交流電和直流電。緊急和重要負載通過自動轉換裝置與左右兩舷直流母線同時連接，并通過變換器實現供電區(qū)域內故障隔離。與交流配電系統(tǒng)相比，直流區(qū)域配電系統(tǒng)可不間斷保持重要負載的連續(xù)供電。

圖9 直流區(qū)域配電系統(tǒng)拓撲

2）負載切除和綜合優(yōu)化策略

高可靠的母線拓撲確保了發(fā)電機可持續(xù)不斷向重要負載供電。然而，故障時，發(fā)電機輸出能力與負載需求之間可能不匹配，且恒功率負載也可能影響系統(tǒng)直流母線電壓穩(wěn)定，導致系統(tǒng)崩潰。保護系統(tǒng)避免崩潰的手段之一是采用實時負載切除策略。不同于陸地直流電網，船舶負載根據執(zhí)行任務的不同有不同的供電優(yōu)先級，一般分為緊急負載、重要負載和一般負載三類。因此網絡重構在本質上是考慮船舶電網發(fā)電機容量和負載約束條件下的目標綜合優(yōu)化問題。

針對這一優(yōu)化問題，研究者們考慮的網絡重構優(yōu)化目標包括發(fā)電功率損失最小化、系統(tǒng)穩(wěn)定、最小化開關動作次數、最大化負載供電能力等[17]。網絡重構優(yōu)化目標函數可被一般化概括如下：

約束條件為：

式（1）和（2）中，N和M分別代表負載和發(fā)電機數量；Wi代表第i個負荷ith的負載優(yōu)先級；Pi代表第i個負荷ith的負載大??；Pgen代表第i臺發(fā)電機ith的輸出功率；Xi代表第i個負載的開關狀態(tài)；XGi代表第i臺發(fā)電機的開關狀態(tài)，其可用二進制0和1分別表示斷開和閉合兩種狀態(tài)。

在網絡重構優(yōu)化約束條件中，除了發(fā)電機總輸出功率需比負載需求大外，電壓變化范圍約束、線路容量約束以及儲能設備 SOC約束等也需進行考慮，優(yōu)化函數的求解目標是得到網絡各供電開關的最優(yōu)組合狀態(tài)以實現故障后的網絡重構。

當前，已有多種根據不同負載優(yōu)先級和網絡拓撲等的網絡重構方法，如采用集中式控制的啟發(fā)式搜索分析、基于圖論的分析、基于專家決策系統(tǒng)以及采用分布式控制的多智能體系統(tǒng)等方法被提出，提高了船舶直流電網網絡重構能力。

3 未來發(fā)展和研究建議

完善的短路故障管控需要面向多故障情形下的故障檢測、故障隔離和網絡重構手段的綜合協同配合，并貫穿直流全電力推進船舶設計的全階段。

在故障檢測上，當前研究多假設電流、電壓傳感器為理想傳感器，然而快速上升且峰值巨大的直流電網短路電流可能導致傳感器飽和甚至損壞。因此后續(xù)需對不同傳感器進行詳細建模分析并充分考慮其對于船舶直流電網故障電流檢測的適用性。

在故障隔離上，當前基于開關隔離的各類直流斷路器方案被提出，然而其存在體積與重量較大的問題；基于無開關隔離的容錯發(fā)電系統(tǒng)方案可更好滿足對總體空間和重量要求嚴格的船舶電網，但其短路限流能力有限。因此需深化開展直流斷路器小型化和輕量化改進研究以及容錯發(fā)電系統(tǒng)短路限流能力提升研究。

在網絡重構上，當前為簡化問題的研究，多假設船舶負載在故障前后恒定不變，這一假設僅對負載相對發(fā)電容量小得多的系統(tǒng)合理，然而對船舶電網而言，日常負載和推進負載幾乎與發(fā)電容量相當，故障時可能變化很大。因此后續(xù)研究中必須充分考慮船舶負載的強任務相關性和不確定性，并將其作為負載約束條件之一，開展進一步深入研究。

4 結語

高動力靈活操控性和高供電連續(xù)性成為促進直流全電力推進船舶快速發(fā)展的主要動力，催生了短路故障管控技術研究的迫切性。本文分析了船舶直流電網短路電流故障特性和短路保護需求；并基于統(tǒng)一框架，對國外直流電網短路故障管控技術，包括故障快速檢測、故障隔離和網絡重構等方面的研究進展進行了分析，梳理總結了目前不同技術手段的特點和優(yōu)缺點以及對于直流全電力推進船舶的適用性；最后指出了直流全電力推進船舶短路故障管控技術未來發(fā)展和需求研究的重點。本文的內容期望能夠促進對直流電網短路故障管控技術的認識理解，并為未來研究提供思路和借鑒。