纯电动船舶直流并网短路保护功能设计及仿真分析

王 伟，张瀚宸

（中车永济电机有限公司，山西 永济 044502；2. 西交利物浦大学，江苏 苏州 215000）

0 引言

近年来，纯电动船舶以其零污染、零排放、低噪音及低振动等诸多优点得以在公务船、游览船等船型上试点推广。直流并网技术是纯电动船舶的核心技术。对于船舶直流并网配电系统，中国船级社（CCS）在短路电流计算、协调性保护分析等方面有着更加严格的要求[1]，即当系统中某一支路发生短路故障时，该支路需被切除，而其余支路被保留且正常工作。因此，在设计系统的短路保护功能时，需要通过仿真分析对短路保护方案及保护器件的选型进行校核验证。

目前，国内外对纯电动船舶短路保护方案设计及仿真分析研究较少，或进行部件级的短路分析[2-5]，或进行短路保护熔断器的计算选型[6]，相关的CCS规范及国家标准[7]中亦无纯电动船舶直流系统模型或短路电流计算方法。本文在Matlab/Simulink 2016a中搭建纯电动船舶直流系统仿真模型，对系统支路的短路情形进行仿真分析，以于指导系统短路保护的协调性分析和保护熔断器的选型[8]。

1 纯电动船舶动力系统主电路拓扑及短路保护功能设计

图1所示是某一纯电动航道快艇的直流并网配电系统的主电路单线图。该系统由两组动力锂电池组通过DC-DC变流装置（U1/1和U1/2）稳压后并网，直流汇流排（母排）提供整船DC 750 V直流电源，AC 380 V岸电通过船载的AC-DC变流装置（U2/1和U2/2）对两组电池组进行充电，整船负载由两套推进装置（U4/1和U4/2）和一备一用的两套辅助供电装置（U3/1和U3/2）组成。系统的短路保护方案如下：在每条支路和母排连接处、两段母排之间均设计参数适当的熔断器；并要求系统中某一支路发生短路故障时，仅该短路支路的熔断器熔断，其他支路的熔断器不熔断，从而达到短路支路被切除、其余支路被保留且正常工作的目的。

图1 纯电动船舶直流并网配电系统单线图Fig. 1 Single line diagram of the DC grid-connected distribution system for electric ship

2 纯电动船舶动力系统主电路仿真模型的建立

为了分析直流并网配电系统主电路短路故障时刻锂电池组、变频器、导线、母排、熔断器、IGBT等关键设备或元器件工作状态，在Matlab/Simulink 2016a仿真软件中搭建相应的等效模型[9]。根据系统单线图建立的系统整体仿真模型如图2所示，仿真模型包括各设备和元器件模型，支路电流、电压、焦耳积分(I2t)数据显示模型以及短路故障点模型。通过设置仿真环境参数、短路故障点电阻、故障启动时间和结束时间，对短路故障的短路电流、熔断器的弧前容量、熔断器熔断容量进行仿真分析。各设备及线路的参数见表1。

图2 直流并网配电系统短路保护仿真整体模型Fig. 2 Simulation model of short-circuit protection in DC grid-connected distribution system

表1 系统设备及线路参数Tab. 1 System devices & line parameters

仿真模型中使用跨接在母排或支路正负端的IGBT作为短路开关，在系统启动仿真1 s时刻触发IGBT接通，用于模拟母排或支路短路情况。短路时刻，动力锂电池组作为最大容量的电源向短路点放电，其他装备诸如双向DC-DC变流装置、AC-DC整流装置、推进装置及辅助DC-AC电能变换器的内部直流环节支撑电容等亦作为短路电源同时向短路点放电，短路点的电力保护熔断器在各短路电源馈送电流的共同作用下最终熔断，将短路母排或支路从系统中隔离。

3 仿真结果分析

利用图2所示仿真模型分别对图1中10个短路点（①～⑩）采用变步长5阶龙格库塔算法进行仿真分析，设置仿真参数如下：总仿真时间为10 s，短路故障启动时刻为1s，结束时刻为1.5s，短路点阻值为0.001 Ω。观察各短路点的短路电流、各熔断器的熔断容量和焦耳积分I2t值、各熔断器的熔断状态和熔断时序、母线电压的变化趋势，分析系统的稳定性，并适配熔断器参数，以保证系统协调性保护的实现。

下面以图1中①点（DC-DC模块输出端）为例进行短路故障仿真分析。当①点短路时，仿真模型电流的时间特性曲线如图3所示，①点处短路仿真电流最大值达到68 kA。

图3 ①点短路时的①点电流及FU2/1电流仿真波形Fig. 3 Simulation waveforms of short-circuit current at point① and FU2 / 1 current

3.1 短路电流耐受分析

由图3可知，仿真中流经母排的短路电流峰值为45 kA，未超过母排的峰值短路电流80 kA；也未超过各变频器母排侧熔断器的峰值短路电流150 kA。

3.2 熔断器熔断动作分析

熔断器短路电流焦耳积分与电流波形、电流峰值及电流持续时间均相关[10]。短路时刻，流经短路点的电流由阻性的动力锂电池组支路电流、容性的电能变换器电容器支路电流共同汇集而成，短路电流波形如图4所示。

图4 熔断器短路电流波形Fig. 4 Short-circuit current waveform of fuse

短路电流焦耳积分的计算与短路电流波形相关，图4所示短路电流的焦耳积分计算如式(1)所示。

式中：Q—弧前焦耳积分；IP—峰值短路电流；t—短路持续时间。

根据图3中的预期短路电流，计算得出短路时刻U1/1母排侧熔断器FU2/1、左母排 FU5/1的I2t曲线，如图5所示。

图5 ①点短路时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

快速熔断器的弧前容量约为其熔断容量的0.2倍，由图5可知，FU2的最终熔断容量为100 kA2·s，估算其弧前容量为20 kA2·s，对应FU2/1的I2t曲线可知其弧前时间约为35 μs（仿真环境设置1.0000 s时启动短路仿真），且FU2/1最终在400 μs左右热量累积到100 kA2·s；同样的，母线隔离熔断器FU5/1弧前时间约为 10 μs，最终经过 45 μs左右热量累积到 50 kA2·s。

3.3 功率器件的安全性分析

电池支路的短路回路如图6所示。放电回路细分为3个回路：回路Ⅰ为电池通过熔断器和DC-DC变换器的反并联二极管的放电回路；回路Ⅱ为DC-DC模块的电容通过线缆回路和短路点的放电回路；回路III为其他支路的短路电流路径。回路Ⅲ的电流最大，其将熔断器FU2迅速熔断，回路Ⅲ被切断；回路Ⅱ的电容电压由电池箝位，与电池电压相近。电池通过回路Ⅰ持续对短路点放电，直到FU1熔断器熔断。在此过程中应保证二极管不会损坏。根据IGBT的技术手册，IGBT反并联二极管的I2t值等效为3×139.5 kA2·s（三管并联），而熔断器的熔断I2t为250 kA2·s，因此电池出口端的熔断器FU1会先熔断,从而保护开关器件不会损伤。

图6 电池支路放电回路Fig. 6 Battery branch discharge circuit

3.4 各支路的熔断器选型分析

当系统某个支路发生短路故障时，根据设计要求仅短路支路的熔断器熔断，而其他各支路的熔断器均不熔断，这需要熔断器的熔断具有针对性和选择性。对DC-DC模块输出端进行短路故障仿真实验，得到①点短路时各熔断器的动作时序，如图7所示。①点短路时各支路短路情况汇总及各熔断器选型参数如表2所示。表2示出从短路故障发生到系统恢复平衡期间各个熔断器的I2t值，其中故障支路上的该值为熔断器熔断时刻的I2t值；非故障支路上该值应远小于对应熔断器的弧前I2t，以保证非故障支路的熔断器不损坏。

图7 ①点短路时各熔断器动作时序图Fig. 7 Sequence diagram of each fuse in case of short circuit at point ①

表2 ①点短路时各支路I2t及熔断器选型Tab. 2 I2t and fuse selection of each branch in case of short circuit at point ①

由表2可以看出，当图1中①短路点（U1/1 DC-DC模块输出端）短路时，1#锂电池组输出口FU1/1熔断器和母线隔离FU5/1熔断器熔断，仅左侧锂电池从系统中被切除，而右侧锂电池保持正常工作，整船仍保留部分动力系统有效。

采用上述方法和步骤分别进行图1中其他9个短路点故障时的短路电流耐受分析、熔断器熔断动作分析、短路对系统中功率器件的影响分析以及短路保护选择性分析，并综合各熔断器的仿真选型参数，折中调整相应熔断器的最终选型参数，使得主电路的短路保护方案和器件参数选型满足设计要求。

3.5 结论

根据上述仿真结果可知，在系统中发生某一单点短路故障时，系统电路有以下表现：

（1）发生单点故障时，其余各回路均向短路点馈送短路电流，故障回路上熔断器承受其他所有支路上的短路电流，能够很快熔断。

（2）发生母排短路故障时，其余各支路馈送短路电流，因系统支路熔断器各参数均大于母线隔离熔断器，因此母线隔离熔断器优先熔断，从而切除故障侧整个母线供电。在此过程中，故障侧母排上各变换器的支撑电容器通过其直流侧熔断器馈送母排短路电流，此时支路熔断器虽未完全熔断，但已经起弧，需要更换支路熔断器。

（3）故障回路切除前，其他正常支路上I2t值很低，都未达到弧前I2t水平；故障支路切除后，由于线路分布参数作用，系统需要经过一段时间才重新稳定，在这段时间内其他正常支路上的熔断器仍在流通电流，I2t值持续增加，但仍达不到熔断器的弧前I2t水平。可见，这类故障不会对其他支路熔断器造成损伤。

4 结语

本文通过对纯电动船用直流并网电力系统的短路故障建模，对短路电流进行了仿真计算及波形显示，直观体现了母排及各支路的短路电流，为系统短路保护协调性分析及短路保护熔断器设计、选型提供了关键指导作用。该仿真方法具有较强的通用性，后续将对各电能变换器短路时的软关断过程进行动态模拟，以进一步提高仿真精度[11]。

由于仿真线路较多，各线路的阻抗参数对短路仿真电流的计算具有一定的影响，后续将开展不同倍率下线路阻抗对仿真电流计算的影响分析，以确认线路参数对短路仿真电流计算的影响程度。此外，由于熔断器为一次性损耗器件，其熔断或起弧后须进行手动更换，后续将对选用高速、可控、可重复使用的电力电子型短路保护装置进行研究。