王 偉，張瀚宸

（中車永濟電機有限公司，山西 永濟 044502；2. 西交利物浦大學，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

近年來，純電動船舶以其零污染、零排放、低噪音及低振動等諸多優(yōu)點得以在公務船、游覽船等船型上試點推廣。直流并網(wǎng)技術是純電動船舶的核心技術。對于船舶直流并網(wǎng)配電系統(tǒng)，中國船級社（CCS）在短路電流計算、協(xié)調性保護分析等方面有著更加嚴格的要求[1]，即當系統(tǒng)中某一支路發(fā)生短路故障時，該支路需被切除，而其余支路被保留且正常工作。因此，在設計系統(tǒng)的短路保護功能時，需要通過仿真分析對短路保護方案及保護器件的選型進行校核驗證。

目前，國內(nèi)外對純電動船舶短路保護方案設計及仿真分析研究較少，或進行部件級的短路分析[2-5]，或進行短路保護熔斷器的計算選型[6]，相關的CCS規(guī)范及國家標準[7]中亦無純電動船舶直流系統(tǒng)模型或短路電流計算方法。本文在Matlab/Simulink 2016a中搭建純電動船舶直流系統(tǒng)仿真模型，對系統(tǒng)支路的短路情形進行仿真分析，以于指導系統(tǒng)短路保護的協(xié)調性分析和保護熔斷器的選型[8]。

1 純電動船舶動力系統(tǒng)主電路拓撲及短路保護功能設計

圖1所示是某一純電動航道快艇的直流并網(wǎng)配電系統(tǒng)的主電路單線圖。該系統(tǒng)由兩組動力鋰電池組通過DC-DC變流裝置（U1/1和U1/2）穩(wěn)壓后并網(wǎng)，直流匯流排（母排）提供整船DC 750 V直流電源，AC 380 V岸電通過船載的AC-DC變流裝置（U2/1和U2/2）對兩組電池組進行充電，整船負載由兩套推進裝置（U4/1和U4/2）和一備一用的兩套輔助供電裝置（U3/1和U3/2）組成。系統(tǒng)的短路保護方案如下：在每條支路和母排連接處、兩段母排之間均設計參數(shù)適當?shù)娜蹟嗥鳎徊⒁笙到y(tǒng)中某一支路發(fā)生短路故障時，僅該短路支路的熔斷器熔斷，其他支路的熔斷器不熔斷，從而達到短路支路被切除、其余支路被保留且正常工作的目的。

圖1 純電動船舶直流并網(wǎng)配電系統(tǒng)單線圖Fig. 1 Single line diagram of the DC grid-connected distribution system for electric ship

2 純電動船舶動力系統(tǒng)主電路仿真模型的建立

為了分析直流并網(wǎng)配電系統(tǒng)主電路短路故障時刻鋰電池組、變頻器、導線、母排、熔斷器、IGBT等關鍵設備或元器件工作狀態(tài)，在Matlab/Simulink 2016a仿真軟件中搭建相應的等效模型[9]。根據(jù)系統(tǒng)單線圖建立的系統(tǒng)整體仿真模型如圖2所示，仿真模型包括各設備和元器件模型，支路電流、電壓、焦耳積分(I2t)數(shù)據(jù)顯示模型以及短路故障點模型。通過設置仿真環(huán)境參數(shù)、短路故障點電阻、故障啟動時間和結束時間，對短路故障的短路電流、熔斷器的弧前容量、熔斷器熔斷容量進行仿真分析。各設備及線路的參數(shù)見表1。

圖2 直流并網(wǎng)配電系統(tǒng)短路保護仿真整體模型Fig. 2 Simulation model of short-circuit protection in DC grid-connected distribution system

表1 系統(tǒng)設備及線路參數(shù)Tab. 1 System devices & line parameters

仿真模型中使用跨接在母排或支路正負端的IGBT作為短路開關，在系統(tǒng)啟動仿真1 s時刻觸發(fā)IGBT接通，用于模擬母排或支路短路情況。短路時刻，動力鋰電池組作為最大容量的電源向短路點放電，其他裝備諸如雙向DC-DC變流裝置、AC-DC整流裝置、推進裝置及輔助DC-AC電能變換器的內(nèi)部直流環(huán)節(jié)支撐電容等亦作為短路電源同時向短路點放電，短路點的電力保護熔斷器在各短路電源饋送電流的共同作用下最終熔斷，將短路母排或支路從系統(tǒng)中隔離。

3 仿真結果分析

利用圖2所示仿真模型分別對圖1中10個短路點（①～⑩）采用變步長5階龍格庫塔算法進行仿真分析，設置仿真參數(shù)如下：總仿真時間為10 s，短路故障啟動時刻為1s，結束時刻為1.5s，短路點阻值為0.001 Ω。觀察各短路點的短路電流、各熔斷器的熔斷容量和焦耳積分I2t值、各熔斷器的熔斷狀態(tài)和熔斷時序、母線電壓的變化趨勢，分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并適配熔斷器參數(shù)，以保證系統(tǒng)協(xié)調性保護的實現(xiàn)。

下面以圖1中①點（DC-DC模塊輸出端）為例進行短路故障仿真分析。當①點短路時，仿真模型電流的時間特性曲線如圖3所示，①點處短路仿真電流最大值達到68 kA。

圖3 ①點短路時的①點電流及FU2/1電流仿真波形Fig. 3 Simulation waveforms of short-circuit current at point① and FU2 / 1 current

3.1 短路電流耐受分析

由圖3可知，仿真中流經(jīng)母排的短路電流峰值為45 kA，未超過母排的峰值短路電流80 kA；也未超過各變頻器母排側熔斷器的峰值短路電流150 kA。

3.2 熔斷器熔斷動作分析

熔斷器短路電流焦耳積分與電流波形、電流峰值及電流持續(xù)時間均相關[10]。短路時刻，流經(jīng)短路點的電流由阻性的動力鋰電池組支路電流、容性的電能變換器電容器支路電流共同匯集而成，短路電流波形如圖4所示。

圖4 熔斷器短路電流波形Fig. 4 Short-circuit current waveform of fuse

短路電流焦耳積分的計算與短路電流波形相關，圖4所示短路電流的焦耳積分計算如式(1)所示。

式中：Q—弧前焦耳積分；IP—峰值短路電流；t—短路持續(xù)時間。

根據(jù)圖3中的預期短路電流，計算得出短路時刻U1/1母排側熔斷器FU2/1、左母排 FU5/1的I2t曲線，如圖5所示。

圖5 ①點短路時FU2/1、FU5/1的I2t仿真波形Fig. 5 I2t simulation waveform of FU2 / 1 and FU5 / 1 in case of short circuit at point①

快速熔斷器的弧前容量約為其熔斷容量的0.2倍，由圖5可知，F(xiàn)U2的最終熔斷容量為100 kA2·s，估算其弧前容量為20 kA2·s，對應FU2/1的I2t曲線可知其弧前時間約為35 μs（仿真環(huán)境設置1.0000 s時啟動短路仿真），且FU2/1最終在400 μs左右熱量累積到100 kA2·s；同樣的，母線隔離熔斷器FU5/1弧前時間約為 10 μs，最終經(jīng)過 45 μs左右熱量累積到 50 kA2·s。

3.3 功率器件的安全性分析

電池支路的短路回路如圖6所示。放電回路細分為3個回路：回路Ⅰ為電池通過熔斷器和DC-DC變換器的反并聯(lián)二極管的放電回路；回路Ⅱ為DC-DC模塊的電容通過線纜回路和短路點的放電回路；回路III為其他支路的短路電流路徑。回路Ⅲ的電流最大，其將熔斷器FU2迅速熔斷，回路Ⅲ被切斷；回路Ⅱ的電容電壓由電池箝位，與電池電壓相近。電池通過回路Ⅰ持續(xù)對短路點放電，直到FU1熔斷器熔斷。在此過程中應保證二極管不會損壞。根據(jù)IGBT的技術手冊，IGBT反并聯(lián)二極管的I2t值等效為3×139.5 kA2·s（三管并聯(lián)），而熔斷器的熔斷I2t為250 kA2·s，因此電池出口端的熔斷器FU1會先熔斷,從而保護開關器件不會損傷。

圖6 電池支路放電回路Fig. 6 Battery branch discharge circuit

3.4 各支路的熔斷器選型分析

當系統(tǒng)某個支路發(fā)生短路故障時，根據(jù)設計要求僅短路支路的熔斷器熔斷，而其他各支路的熔斷器均不熔斷，這需要熔斷器的熔斷具有針對性和選擇性。對DC-DC模塊輸出端進行短路故障仿真實驗，得到①點短路時各熔斷器的動作時序，如圖7所示。①點短路時各支路短路情況匯總及各熔斷器選型參數(shù)如表2所示。表2示出從短路故障發(fā)生到系統(tǒng)恢復平衡期間各個熔斷器的I2t值，其中故障支路上的該值為熔斷器熔斷時刻的I2t值；非故障支路上該值應遠小于對應熔斷器的弧前I2t，以保證非故障支路的熔斷器不損壞。

圖7 ①點短路時各熔斷器動作時序圖Fig. 7 Sequence diagram of each fuse in case of short circuit at point ①

表2 ①點短路時各支路I2t及熔斷器選型Tab. 2 I2t and fuse selection of each branch in case of short circuit at point ①

由表2可以看出，當圖1中①短路點（U1/1 DC-DC模塊輸出端）短路時，1#鋰電池組輸出口FU1/1熔斷器和母線隔離FU5/1熔斷器熔斷，僅左側鋰電池從系統(tǒng)中被切除，而右側鋰電池保持正常工作，整船仍保留部分動力系統(tǒng)有效。

采用上述方法和步驟分別進行圖1中其他9個短路點故障時的短路電流耐受分析、熔斷器熔斷動作分析、短路對系統(tǒng)中功率器件的影響分析以及短路保護選擇性分析，并綜合各熔斷器的仿真選型參數(shù)，折中調整相應熔斷器的最終選型參數(shù)，使得主電路的短路保護方案和器件參數(shù)選型滿足設計要求。

3.5 結論

根據(jù)上述仿真結果可知，在系統(tǒng)中發(fā)生某一單點短路故障時，系統(tǒng)電路有以下表現(xiàn)：

（1）發(fā)生單點故障時，其余各回路均向短路點饋送短路電流，故障回路上熔斷器承受其他所有支路上的短路電流，能夠很快熔斷。

（2）發(fā)生母排短路故障時，其余各支路饋送短路電流，因系統(tǒng)支路熔斷器各參數(shù)均大于母線隔離熔斷器，因此母線隔離熔斷器優(yōu)先熔斷，從而切除故障側整個母線供電。在此過程中，故障側母排上各變換器的支撐電容器通過其直流側熔斷器饋送母排短路電流，此時支路熔斷器雖未完全熔斷，但已經(jīng)起弧，需要更換支路熔斷器。

（3）故障回路切除前，其他正常支路上I2t值很低，都未達到弧前I2t水平；故障支路切除后，由于線路分布參數(shù)作用，系統(tǒng)需要經(jīng)過一段時間才重新穩(wěn)定，在這段時間內(nèi)其他正常支路上的熔斷器仍在流通電流，I2t值持續(xù)增加，但仍達不到熔斷器的弧前I2t水平。可見，這類故障不會對其他支路熔斷器造成損傷。

4 結語

本文通過對純電動船用直流并網(wǎng)電力系統(tǒng)的短路故障建模，對短路電流進行了仿真計算及波形顯示，直觀體現(xiàn)了母排及各支路的短路電流，為系統(tǒng)短路保護協(xié)調性分析及短路保護熔斷器設計、選型提供了關鍵指導作用。該仿真方法具有較強的通用性，后續(xù)將對各電能變換器短路時的軟關斷過程進行動態(tài)模擬，以進一步提高仿真精度[11]。

由于仿真線路較多，各線路的阻抗參數(shù)對短路仿真電流的計算具有一定的影響，后續(xù)將開展不同倍率下線路阻抗對仿真電流計算的影響分析，以確認線路參數(shù)對短路仿真電流計算的影響程度。此外，由于熔斷器為一次性損耗器件，其熔斷或起弧后須進行手動更換，后續(xù)將對選用高速、可控、可重復使用的電力電子型短路保護裝置進行研究。