錢正彥，董小偉，侯海波,盛俊

(1.株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001；2.招商局郵輪制造有限公司，江蘇 海門 226116；3.中國船級社武漢分社，武漢 430000)

隨著船舶節(jié)能減排和新能源動力應用的發(fā)展，一種基于直流電網技術的電力推進系統(tǒng)方案成為研究的熱點，其主要優(yōu)勢在于直流電網無頻率、相位同步等要求，柴油機組可以根據(jù)實時負載變化實現(xiàn)變速發(fā)電以提高推進系統(tǒng)的燃油經濟性，便于新能源接入，可實現(xiàn)純電動、混合動力、柴油發(fā)電模式隨意組合，助力船舶低碳運營。直流組網技術在提高系統(tǒng)效率、減小系統(tǒng)體積的同時也帶來了電網諧振、直流短路檢測與關斷等關鍵技術難題。直流母聯(lián)開關是連接多段有源直流母線并實現(xiàn)部分電網故障切除的核心裝置，目前多采用陸用電網直流斷路器拓撲，存在著體積大、成本高等劣勢。國內外對船舶直流微網斷路器的研究較少，主要集中在直流斷路器種類及其在船舶上的應用特性分析、電氣性能建模仿真等，較少針對船舶電網進行設計與研究?？紤]到船舶電力推進系統(tǒng)對體積、可靠性、成本、過電壓，以及可移植性等綜合要求，擬從低壓直流組網電力推進系統(tǒng)特點、固態(tài)斷路器在船舶直流系統(tǒng)短路故障時的關斷特性出發(fā)，以船舶特定需求為導向分析設計低壓直流母聯(lián)開關拓撲，借助國內外相關研究思路，仿真分析短路關斷電流、短路關斷時間、關斷過電壓抑制、關斷震蕩抑制，逐一分析對比，提出優(yōu)化的母聯(lián)拓撲并驗證拓撲參數(shù)。

1 船舶直流組網電力推進系統(tǒng)分析

船舶交流電力推進系統(tǒng)與直流電力推進系統(tǒng)如圖1和圖2所示。

圖1 交流電力推進系統(tǒng)典型拓撲

圖2 直流電力推進系統(tǒng)典型拓撲

交流電力推進系統(tǒng)是把各發(fā)電機輸出端集成并入交流電網，交流推進負載通過推進變頻器掛在交流電網；而直流電力系統(tǒng)將各發(fā)電機輸出端整流后并入直流電網，推進、日用負載通過逆變單元接入直流電網。

船舶直流組網電力推進系統(tǒng)相比交流系統(tǒng)在效率、成本等應用方面上有巨大優(yōu)勢，但同時也提高了技術門檻，需有良好的電網穩(wěn)定性控制技術和選擇性保護技術等核心關鍵技術做支撐。為詳細分析直流電網特性，指導設計優(yōu)化的短路保護裝置，以圖2所示的典型拓撲為例，開展低壓直流電網(1 000 V)短路故障仿真分析，拓撲詳細參數(shù)見表1。

表1 船舶直流電網基本參數(shù)

根據(jù)船舶直流電網的實際工程特點，設置直流母聯(lián)開關遠端、中間和附近三種短路故障(分別位于圖2中標號SC1/SC2/SC3處)，計算短路故障下母聯(lián)開關的電壓、電流特征。為研究船舶直流電網故障關斷的基本特征，仿真計算時將母聯(lián)開關視為一個半導體開關和導線連接的通路(此處不考慮故障保護關斷)，以研究不同點短路且無保護動作情況下，一段時間內直流母線的電氣特征參數(shù)變化規(guī)律。

計算得到在直流系統(tǒng)母線短路故障情況下，母聯(lián)開關通過電流的變化規(guī)律，見圖3;正常側DCBUS A近短路點端的電壓跌落規(guī)律，見圖4。

圖3 直流電網短路電流變化規(guī)律

圖4 直流電網短路電壓變化規(guī)律

圖3所示的短路電流變化規(guī)律可為短路保護器件電流參數(shù)選擇和短路關斷時間提供理論指導。圖3a)表明，短路發(fā)生后幾ms內變化規(guī)律基本一致，即短路電流上升到一定極值后開始下降并最終趨于穩(wěn)定，整個過程持續(xù)約8 ms。圖3b)表明：短路發(fā)生初期電流變化情況與短路點距母聯(lián)開關位置有關，SC2和SC3的短路電流變化率基本一致，而SC1的短路延遲大且電流變化率與后2種情況差異巨大(短路點等間距設置)，短路點離母聯(lián)開關越遠則短路初期的電流上升率越低。

圖4證實線路電壓跌落率與短路位置相關，較大的雜散會抑制初期的電壓跌落同時會導致后期線路電壓的震蕩，短路發(fā)生后約4 ms支撐電容電量釋放完畢。母聯(lián)開關關斷響應時間受到電壓跌落時間和器件關斷電流上限限制，一側發(fā)生短路后正常側電壓跌落100 V需約600 μs(圖4)，而600 μs時母聯(lián)開關的短路電流已經超過8 kA，這表明短路關斷時間選擇主要受短路電流限制。根據(jù)電壓等級和持續(xù)工作電流等特征，相對應IGBT和IGCT電氣參數(shù)分別為1 700 V/3 600 A和4 500 V/4 000 A。

由圖3b可知，在近保護裝置側SC3處短路后約200 μs達到器件的關斷電流上限，因此需在短路發(fā)生后200 μs內完成檢測與關斷保護。去除約50 μs控制響應時間，剩余150 μs的關斷時間符合保護關斷需要，也證實了母聯(lián)開關內部需配置不小于9 μH的電感以保證SC3類惡劣短路時母聯(lián)開關的正常關斷。因此，以短路發(fā)生后150 μs關斷為基礎，開展保護關斷的性能預測與電路拓撲優(yōu)化，計算得到短路故障關斷后的電氣特征參數(shù)見圖5。

圖5 無吸收回路的短路關斷電氣特征

圖5a)所示為SC3處短路時，150 μs關斷電流最大，約為3.2 kA，滿足系統(tǒng)和保護裝置器件的極限要求。實際中，不同短路情況下的關斷時間可由控制系統(tǒng)根據(jù)短路電流或電流變化率綜合判定，150 μs關斷僅為最惡劣短路條件下的關斷要求，遠端短路時關斷時間可以大于150 μs。故障關斷后會在正負極母線上產生峰值近10 kV的高壓脈沖(見圖5b))，持續(xù)時間約2 μs。同樣也會在母聯(lián)開關兩端產生一個2 μs的電壓脈沖(見圖5c))，峰值約100 kV。圖5b)與圖5c)表明，短路故障導致母聯(lián)開關關斷后會在正常側正負極、母聯(lián)開關兩端產生瞬時的高壓脈沖，其特點是電壓高、持續(xù)時間短，且母聯(lián)開關兩端的電壓峰值約為正常側正負極母線峰值電壓的10倍。圖5表明直流電網故障時固態(tài)斷路器瞬態(tài)關斷會在斷路器兩端激起高電壓脈沖，因此必須給斷路器配備相應的能量吸收電路保證關斷瞬間固態(tài)開關不被損壞。

2 直流母聯(lián)開關拓撲分析與設計

陸地直流電網保護裝置(直流斷路器)的主要特點是混合斷路器形式、不受空間限制、單級關斷、高壓小電流、幾ms內關斷。目前國內外船舶直流電網斷路器主要有兩類形式，一類是通過變流器(DC/DC)實現(xiàn)，特點是能夠實現(xiàn)電網能量的主動調配并實現(xiàn)微秒級關斷，但功率損耗高、成本也高；另一類是從陸地直流電網斷路器衍生過來的斷路器(包括混合式斷路器和不帶機械部分的固態(tài)斷路器)，混合式斷路器優(yōu)點是正常工作損耗低，缺點是體積大、關斷時間只能到ms級、關斷控制繁瑣、成本高；固態(tài)斷路器體積、成本等方面更優(yōu)，且適應船舶滿功率持續(xù)通流概率低的應用工況。因此，從瞬態(tài)關斷速度和成本角度來講，固態(tài)式保護裝置都是最佳選擇。

以前的船舶直流斷路器采用傳統(tǒng)陸用固態(tài)斷路器實現(xiàn)正負極關斷，需采用4個開關管IGBT、2個電阻R、2個電容C和2個壓敏電阻(MOV)，見圖6。其作為船舶直流電網母聯(lián)保護裝置存在體積偏大，電路結構復雜等問題。

圖6 傳統(tǒng)固態(tài)斷路器

為了滿足船舶小體積、對稱型等要求，提出一種新型吸收回路的母聯(lián)開關拓撲結構，見圖7。

圖7 新型吸收回路的母聯(lián)開關拓撲

較之于傳統(tǒng)型固態(tài)斷路器，分體式母聯(lián)開關拓撲僅需4個開關管、2個二極管和2個電容，在元器件數(shù)量、裝置體積及成本方面更具優(yōu)勢。

3 母聯(lián)開關故障關斷特性分析與優(yōu)化

為驗證圖7所示新型吸收回路的母聯(lián)開關拓撲性能，以圖2所示的系統(tǒng)為基礎，驗證其電氣特性及該新型拓撲的適用性。

根據(jù)前述短路故障分析情況可知，需分析保護裝置發(fā)生短路故障關斷后二極管的續(xù)流特征、正常側正負極母線電壓波動特征和母聯(lián)開關兩側電壓波動特征，以評估新型保護裝置電路關斷過電壓的抑制特性?？紤]到保護裝置關斷和吸收性能僅受極限情況限制，因此只分析SC3處短路(極限短路)的電氣特征，見圖8。

圖8 新型吸收回路母聯(lián)開關關斷特性

如圖8a)所示，短路故障發(fā)生150 μs后(短路電流約3.2 kA)保護裝置關斷，流過開關管的電流BTSA由3.2 kA變?yōu)?，同時關斷開關管附近的二極管電流FWD1瞬間抬升到3.2 kA并保持600 μs的線性下降，直至下降至0。圖8a)表明，母聯(lián)開關關斷后二極管承受短路關斷的瞬時續(xù)流保持回路暢通，避免了短路側母線雜散電感對關斷側的負壓影響。如圖8b)所示，采取二極管續(xù)流和電容吸收優(yōu)化后，短路故障關斷后正常側電壓BusbarV波動由優(yōu)化前(見圖5b))約10 kV降至約1 250 V，波動時間由約2 μs變?yōu)槌掷m(xù)震蕩；母聯(lián)開關兩端電壓BTSV由極值約100 kV、5.5 kV短時持續(xù)降至約550 V。圖8b)表明，通過二極管續(xù)流和電容吸收在減少裝置復雜度和體積的同時，極大的優(yōu)化了關斷過電壓問題，過電壓抑制在250 V以內，保證了器件的絕對安全。圖8b)所示的關斷電壓保證了器件的安全，但也引發(fā)電壓震蕩問題，震蕩時間由優(yōu)化前的高電壓、2 μs變成了低電壓、持續(xù)震蕩，正常側的電壓波動會影響整流、逆變單元的正常工作。上述震蕩是關斷瞬間過電壓產生的激蕩能量在吸收電容中充放電，并通過線路雜散電感與各模塊電容產生的諧振，如果在短路關斷產生激蕩電能后能夠迅速通過吸收電容釋放，則可以使得電壓震蕩迅速衰減。

針對上述問題，提出一種制動單元與母聯(lián)開關融合的斬波復用母聯(lián)開關拓撲，即為分體式斬波復用母聯(lián)開關拓撲，見圖9。

圖9 分體式斬波復用母聯(lián)開關拓撲

分體式斬波復用母聯(lián)開關形成船舶推進系統(tǒng)獨特的保護裝置形式，在實現(xiàn)電壓波動抑制的同時減少系統(tǒng)體積和成本。為驗證斬波功能復用母聯(lián)開關拓撲對故障關斷電壓波動抑制的可行性，計算短路發(fā)生后開關關斷同時開啟斬波的特性，計算結果見圖10。

圖10 分體式斬波復用母聯(lián)開關短路關斷特性

如圖10所示，短路故障關斷時開啟斬波放電回路削弱了關斷初期電壓峰值(減少約50 V)；對電壓震蕩抑制作用良好，直流電壓在故障關斷后約5 ms進入穩(wěn)定狀態(tài)，即保護裝置與斬波一體化布置保障在短路關斷時電壓波動快速收斂。圖10表明，分體式斬波復用母聯(lián)開關是集對稱性、體積、成本、性能為一體的高性能船舶直流微電網固態(tài)斷路器。

4 結論

1)低壓直流電網合適的關斷器件可選IGBT-1 700 V/3 600 A和IGCT-4500 V/4 000 A，關斷時間配置可在150 μs以內，母聯(lián)開關電感值保證不小于9 μH。

2)設計的分體式母聯(lián)開關適應船舶體積要求和靈活組合需求，通過二極管續(xù)流和斬波回路布置實現(xiàn)了短路關斷過電壓和電壓震蕩抑制，其過電壓抑制效果優(yōu)于傳統(tǒng)斷路器，震蕩時間劣于傳統(tǒng)斷路器，震蕩時間控制在5 ms內，過電壓控制在1 300 V內。