蔡佳慧

(福建省馬尾造船股份有限公司,福建 福州 350501)

0 引言

為應(yīng)對氣候變化,近年來對于航運排放的要求日趨嚴(yán)格,中國海事局、歐盟、國際海事組織等均對減緩溫室氣體排放和提高能效提出要求,節(jié)能減排已經(jīng)成為硬指標(biāo)。與此同時,依托扎實的船舶工業(yè)基礎(chǔ)和不斷壯大的新能源動力電池產(chǎn)業(yè),我國在電動船舶、混合動力船舶領(lǐng)域快速發(fā)展。

本文以對國內(nèi)首艘新能源混合動力港作拖輪——5000馬力綠色智能型新能源混合動力拖輪(以下簡稱5000馬力混合動力拖輪)直流組網(wǎng)變頻控制配電系統(tǒng)調(diào)試試驗為例,總結(jié)出一套針對混合動力船舶特有的直流組網(wǎng)變頻控制配電系統(tǒng)的測試流程。

1 5000馬力混合動力拖輪直流電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)與組成

5000馬力混合動力拖輪直流電網(wǎng)單線圖如圖1所示,動力系統(tǒng)由3臺1400 kW交流發(fā)電機組,以及2組鋰電池組成,共計容量為1960 kW·h,分別經(jīng)過可控整流器及DC/DC變流器接入直流母排。

圖1 5000馬力混合動力拖輪直流電網(wǎng)單線圖

直流組網(wǎng)變頻控制配電柜技術(shù)參數(shù)如表1所示,柜內(nèi)配置發(fā)電機整流模塊、DC/DC變流器模塊、主推進驅(qū)動模塊、日用電源供電模塊、水冷屏、能量管理控制器(EMS)、推進控制器、直流母排、固態(tài)斷路器及直流開關(guān)、熔斷器等,其主要參數(shù)等信息如表2所示。其中,固態(tài)斷路器選用瑞士ASTROL公司直流固態(tài)斷路器,其具有快速斷開的特點,可以實現(xiàn)故障的微秒級保護響應(yīng),限制故障電流,使故障電流不會達到損壞器件的能量等級,把故障對負(fù)載的影響降至最低,并且在斷開時不會產(chǎn)生電弧。能量管理控制器選用奧地利B&R公司先進的X20系列船用控制產(chǎn)品,控制系統(tǒng)采用冗余控制器,實現(xiàn)以太網(wǎng)通訊,從而保障了5000馬力混合動力拖船的安全性、先進性和可拓展性。

表1 直流組網(wǎng)變頻控制配電柜的主要技術(shù)參數(shù)

表2 直流組網(wǎng)變頻控制配電柜的主要元器件產(chǎn)品明細

2 直流組網(wǎng)變頻控制配電柜測試流程及方法

2.1 結(jié)構(gòu)及外觀檢查

直流組網(wǎng)變頻控制配電柜的結(jié)構(gòu)和外觀應(yīng)符合國際電工委員會IEC 61800-5-1的要求。檢查配電柜表面是否完整,無污損、裂痕、磕碰等現(xiàn)象,門鎖緊固,可以靈活轉(zhuǎn)動和開關(guān)。

2.2 電氣連接檢查

電氣連接應(yīng)與電氣原理圖紙保持一致,無短路、斷路現(xiàn)象,應(yīng)能看到柜內(nèi)器件標(biāo)簽,并與圖紙一致。直流組網(wǎng)變頻控制配電柜內(nèi)部接線應(yīng)該緊固、整齊,強電弱電保持足夠距離。 直流組網(wǎng)變頻控制配電柜中的儀表、指示燈及顯示屏等運行正常,按鈕可以正常按動。

2.3 電氣間隙及爬電距離

根據(jù)《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范(2021)》[1]要求,裸主匯流排的最小電氣間隙和最小爬電距離要求如表3所示。

表3 裸主匯流排的最小電氣間隙和爬電距離要求

5000馬力混合動力拖船交流額定電壓為 690 V,則其交流裸主匯流排的電氣間隙應(yīng)不小于20 mm,爬電距離應(yīng)不小于 25 mm;直流額定電壓為1000 V,則其直流裸主匯流排的電氣間隙應(yīng)不小于25 mm,爬電距離應(yīng)不小于35 mm。

2.4 絕緣電阻測量

絕緣電阻的測量應(yīng)由設(shè)備制造商負(fù)責(zé)短接(或拆除)電容器等電子元器件和耐壓小于兆歐表電壓的元器件。絕緣電阻檢查儀表為500 V/1000 V兆歐表;絕緣電阻檢查對象為各設(shè)備的主電路不同極帶電部件之間絕緣電阻、各電路帶電部件與地之間絕緣電阻;環(huán)境溫度為0～45 ℃,相對濕度為小于 95%;絕緣電阻最低不小于 1 MΩ。測試限值應(yīng)符合《機械電氣系統(tǒng)安全需求(2006)》(EN 60204-1)。

在耐壓試驗之后,應(yīng)再次用直流高阻計測量其所有載流部分對地及載流部分的極間或相間的絕緣電阻,其值應(yīng)不低于1 MΩ。

2.5 耐壓測試

使用耐壓測試儀分別對A、B兩段直流正負(fù)母排及三相交流輸出銅排進行試驗,試驗過程中將斷開直流開關(guān)、電子電路、直流熔斷器及儀表。直流部分施加50 Hz、3500 V的交流電壓,持續(xù)60 s;交流部分施加50 Hz、3000 V的交流電壓,持續(xù)60 s。

若無擊穿閃絡(luò)及損壞現(xiàn)象、漏電流未明顯增加,則判定為合格。

2.6 直流母排溫升試驗

銅排溫升試驗采用銅排短接的方式進行,試驗過程中應(yīng)關(guān)閉柜門、頂蓋及側(cè)板,如圖2所示。

圖2 直流母排溫升試驗原理

保證直流銅排運行在額定電流狀態(tài),觀測并記錄銅排的溫度,等到銅排的溫升穩(wěn)定后(1 h內(nèi)低于1 K)試驗停止,試驗驗證銅排的溫升范圍是否符合正常工作范圍,直流母線測試電流為2200 A。

對于直流母排溫升測試,建議測量溫度的位置應(yīng)包括正母排與分支母排連接處、正母排與斷路器連接處、負(fù)母排與母排連接處、負(fù)母排與隔離開關(guān)連接處、柜外環(huán)境溫度。根據(jù)《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范(2021)》要求,母線的最大溫升不應(yīng)超過45 K。設(shè)定最大溫升為45 K,則最大溫度為90 ℃。直流母線的溫升等于直流母線的最大溫度減去柜外空氣溫度(即時值)。測量方法如表4所示。

表4 直流母排的溫度限值及測量方法

2.7 冷卻管路保壓試驗

連接熱交換柜與直流組網(wǎng)變頻控制配電柜之間的冷卻水管,用外部注水泵通過熱交換柜注水口往直流組網(wǎng)變頻控制配電柜內(nèi)部冷卻管路內(nèi)注水,內(nèi)部管路水管壓力達到指定值后停止注水,靜置并觀察熱交換柜水冷單元壓力表1 h。若內(nèi)部管路壓力仍保持不變,則判定為合格。

2.8 直流母排短路試驗

2.8.1 短路電流計算

使用MATLAB中的Simulink仿真軟件,搭建系統(tǒng)等效電路模型,參照《船舶直流電力系統(tǒng)短路電流計算方法》(GB/T 35715—2017)進行短路電流計算[2]。

對直流配電系統(tǒng)來說,短路電流主要來源于配電板內(nèi)各個功率模塊內(nèi)支撐電容的放電,保護器件的動作時間一般在幾十至幾百微妙量級。考慮到發(fā)電機組或蓄電池組的響應(yīng)速度,提供保護器件動作的能量主要來自母線電容,電源端及負(fù)載端對系統(tǒng)短路電流和保護器件動作的影響基本可以忽略。同時,參考《船舶直流綜合電力系統(tǒng)檢驗指南(2023)》[3]中的動力電池儲能裝置的等效電路建模方法。在搭建系統(tǒng)等效模型時遵循以下基本等效原則:

①故障時刻的變頻模塊等效成電容。

②故障時刻的導(dǎo)線和銅排等效成電阻和電感。

③故障時刻的直流熔斷器等效成電阻。

④主要考慮來自電容的放電電流,忽略了來自電動機的電流回饋。

將5000馬力混合動力拖輪直流組網(wǎng)變頻控制配電系統(tǒng)故障模型進行等效轉(zhuǎn)換,如圖3所示。

圖3 5000馬力混合動力拖輪直流組網(wǎng)變頻控制配電系統(tǒng)故障模型等效圖

2.8.2 驗證性試驗項目

基于仿真軟件計算結(jié)果,選取2～3個短路點進行驗證性試驗,如圖4所示。

圖4 5000馬力混合動力拖輪直流電網(wǎng)短路點示意圖

測試儀器數(shù)字包括示波器、萬用表、交直流探頭、差分電壓探頭、羅氏線圈(變比為1 mV/A)、羅氏線圈(變比為100 kA/V)等。

2.8.2.1 電源或負(fù)載側(cè)短路試驗方法

①利用外部開關(guān)控制實現(xiàn)故障點短路,將所選取的短路點接入母排的支路(熔斷器前),正負(fù)極銅排接線端分別用電纜接到外部開關(guān)兩極,開關(guān)保持?jǐn)嚅_狀態(tài)。

②通過一套AFE整流器將直流母排電壓提升至1100 V,其余非故障點AFE整流器、 DC/DC直流變換器、主推進逆變器、日用逆變器均處于停機狀態(tài),分?jǐn)嘈铍姵亟M高壓柜內(nèi)接觸器(如選取DC/DC直流變換器作為短路故障點,則無需分?jǐn)嘣摴收宵c對應(yīng)的蓄電池組高壓柜內(nèi)接觸器)。

③停止充電整流器運行并斷開前端進線開關(guān),直流母排開始自然放電。

④在直流母排放電至1000 V(母排額定電壓)時,將外部開關(guān)接通,觸發(fā)短路開關(guān),實現(xiàn)故障點短路,觀察各支路熔斷器狀態(tài),用示波器測量該母排電壓及短路點短路電流。

⑤合格依據(jù):所選取的故障短路點熔斷器保護動作(熔斷),其余熔斷器未動作。

⑥記錄6 kA羅氏線圈測量的主回路短路電流的分流器電流,記錄換算后的實際短路電流值。

2.8.2.2 直流母排上短路試驗方法

①利用外部開關(guān)控制實現(xiàn)故障點短路,將直流母排遠端正負(fù)極銅排接線端分別用電纜接到外部開關(guān)兩極,開關(guān)保持?jǐn)嚅_狀態(tài)。

②通過一套AFE整流器將直流母排電壓提升至1100 V,其余AFE整流器、 DC/DC直流變換器、主推進逆變器、日用逆變器均處于停機狀態(tài),分?jǐn)嘈铍姵亟M高壓柜內(nèi)接觸器。

③停止充電整流器運行并斷開前端進線開關(guān),直流母排開始自然放電。

④在直流母排放電至1000 V(母排額定電壓)時,將外部開關(guān)接通,觸發(fā)短路開關(guān),實現(xiàn)故障點短路。觀察各支路熔斷器狀態(tài),用示波器測量該母排電壓及短路點短路電流。

⑤合格依據(jù):故障側(cè)母排的母聯(lián)開關(guān)保護動作、DC/DC變換器母排側(cè)熔斷器、發(fā)電機AFE整流器母排側(cè)熔斷器、主推進逆變器母排側(cè)熔斷器、日用逆變器母排側(cè)熔斷器均保護動作(熔斷),非故障側(cè)母排熔斷器未動作。

⑥記錄6 kA羅氏線圈測量的主回路短路電流的分流器電流,記錄換算后的實際短路電流值。

2.9 直流組網(wǎng)變頻控制柜功能試驗

直流組網(wǎng)變頻控制柜內(nèi)置能量管理控制器,主要包含異步發(fā)電機控制、日用電源控制、儲能系統(tǒng)控制及預(yù)充電等功能。其中,發(fā)電機系統(tǒng)的控制、發(fā)電機系統(tǒng)的監(jiān)測和報警、發(fā)電機的保護、推進系統(tǒng)的控制、推進系統(tǒng)的監(jiān)測和報警、負(fù)載分配功能、自動起停發(fā)電機功能等試驗與普通交流配電系統(tǒng)的功率管理系統(tǒng)(PMS)功能試驗相似,不再贅述。以下針對直流組網(wǎng)變頻控制系統(tǒng)特有的儲能系統(tǒng)和岸電充電功能測試流程進行闡述。

2.9.1 儲能系統(tǒng)試驗

2.9.1.1 儲能系統(tǒng)啟停試驗方法

①將儲能系統(tǒng)屏的旋鈕切換至“本地”,儲能系統(tǒng)屏的“充電就緒”或者“放電就緒”指示燈常亮。

②按下“啟動”按鈕,指示燈閃爍,儲能系統(tǒng)啟動完畢,指示燈由閃爍變成常亮。

③按下 “停止”按鈕,指示燈閃爍,儲能系統(tǒng)停止完畢,指示燈由閃爍變成常亮。

④觀察并記錄試驗結(jié)果。

2.9.1.2 儲能系統(tǒng)急停試驗方法

5000馬力混合動力拖船設(shè)有3個儲能系統(tǒng)應(yīng)急停止按鈕,分別位于直流組網(wǎng)變頻控制柜DC/DC屏、駕控室和監(jiān)控室,任意一個按鈕被按下都將觸發(fā)變頻器的應(yīng)急停止。

①按下任意一個“應(yīng)急停止”按鈕,“報警”指示燈閃爍,蜂鳴器響動,觸摸屏上顯示相應(yīng)信息。

②按下“復(fù)位”按鈕,“故障”指示燈變?yōu)槠焦?按下“消聲”按鈕,蜂鳴器停止響動;復(fù)位“應(yīng)急停止”按鈕,“故障”指示燈熄滅。

③觀察并記錄試驗結(jié)果。

2.9.1.3 儲能系統(tǒng)過載保護試驗方法

①通過軟件設(shè)定儲能系統(tǒng)的實際電流超過瞬時過載電流設(shè)定值后,儲能系統(tǒng)應(yīng)能發(fā)出瞬時過載報警。

②通過軟件設(shè)定儲能系統(tǒng)的實際電流超過延時過載電流設(shè)定值后,延時一定時間后,儲能系統(tǒng)應(yīng)能發(fā)出電流延時過載報警。

③觀察并記錄試驗結(jié)果。

2.9.2 岸電充電裝置試驗

2.9.2.1 岸電充電裝置啟停試驗方法

①將充電樁的旋鈕切換至“遙控”且處于就緒狀態(tài)。

②按下觸摸屏“充電啟動”按鈕,直流組網(wǎng)變頻控制柜岸電屏“合閘”指示燈變成常亮;按下電池“啟動”按鈕,指示燈閃爍,電池系統(tǒng)啟動完畢,指示燈由閃爍變成常亮。

③在觸摸屏設(shè)置不同的充電電流值,觀察駕控臺顯示屏電池系統(tǒng)的充電電流。

④觸摸屏按下 “充電停止”按鈕,直流組網(wǎng)變頻控制柜岸電屏“分閘”指示燈變成常亮。

⑤觀察并記錄試驗結(jié)果。

2.9.2.2 岸電充電裝置急停試驗方法

5000馬力混合動力拖船設(shè)置有2個岸電充電裝置應(yīng)急停止按鈕,分別位于充電樁、直流組網(wǎng)變頻控制柜岸電屏,任意一個應(yīng)急停止按鈕被按下將觸發(fā)岸電充電裝置的應(yīng)急停止,分?jǐn)喟峨婇_關(guān)。

①按下其中任意一個“應(yīng)急停止”按鈕,岸電開關(guān)分閘,“報警”指示燈閃爍,蜂鳴器響動,觸摸屏上顯示相應(yīng)信息。

②按下“復(fù)位”按鈕,“故障”指示燈變?yōu)槠焦?按下“消聲”按鈕,蜂鳴器停止響動;復(fù)位“應(yīng)急停止”按鈕,“故障”指示燈熄滅。

③觀察并記錄試驗結(jié)果。

3 結(jié)束語

配電系統(tǒng)對電動船舶、混動船舶的重要性不言而喻。通過嚴(yán)格的測試,可以檢測出潛在的故障和問題,從而避免在船舶運營的過程中出現(xiàn)故障,同時,還可以通過測試,評估配電柜的性能指標(biāo),為優(yōu)化船舶電力系統(tǒng)提供依據(jù)。本文針對5000馬力混合動力拖船的直流組網(wǎng)變頻控制配電柜的測試做了簡要分析、闡述和總結(jié),該測試方案和流程可以作為采用直流組網(wǎng)變頻控制配電系統(tǒng)的船舶做系統(tǒng)測試時參考。