纯电动船电力系统保护原理和方法

牟照欣，杨 光，赵天赐

应用研究

纯电动船电力系统保护原理和方法

牟照欣，杨 光，赵天赐

（大连测控技术研究所，大连 116013）

作为纯电动船电力系统的核心，直流系统的保护直接关系到设备安全、人员安全和航行安全。本文以工程实践为基础，提炼了纯电动船直流系统的特点、保护原理和设计方法，为后续研究和设计工作提供了参考。

电动船 电池动力 直流系统 熔断器 选择性保护

0 引言

纯电动船使用电池作为船舶主要电源，其主要负载推进电机和日用电都采用交流电制。在纯电动船舶综合电力系统中，以直流电为主要电制，包含多种电能变换装置完成直流电和交流电的变换，执行这种变换的核心设备为直流主配电板。本文介绍以直流配电板为主的直流系统保护原理和方法，以便在发生单点短路故障时，系统能够最大限度的保持正常功能，实现选择性和快速性。

1 纯电动船综合电力系统特点

纯电动船以电池为主电源，所以其主要电制为直流。电池容量比较大、并联数比较多时，电池需要经过DC/DC变换器接入直流主干网，以稳定母线电压，并且在各个支路上做到均流。船上日用负载仍然使用单相交流220 V或者三相交流380 V电制，所以船上还须配备逆变电源将主干网上的直流电逆变为日用配电板上的交流电。主推进电机带动螺旋桨转动作为船舶的主推进装置，在一些高端船舶上使用吊舱推进以优化艉部线型、减少振动噪声和提高机动性能。所以船上主要的电能变换装置为DC/DC变换器、逆变电源和推进变频器，这些功率变换装置可以集成到直流主配电板上，也可以分散到各个设备舱室，如图1。

图1 纯电动船综合电力系统拓扑

2 纯电动船直流系统选择性保护原理

图2中的红色折线箭头即系统中特征故障短路点，系统对6种特征短路点保护方案分析如下。

图2 纯电动船直流系统短路故障点

2.1 电池系统内部短路

如图2所示的Fault-1点，包含了电池系统内部线缆短路、内部电芯短路的情况。该短路条件下，由电池系统内部的短路保护机制保护，防止故障扩散。

2.2 电池系统输出端短路

如图2所示的Fault-2点，包含了电池组熔断器输出侧、DC/DC变换装置输入侧及两者之间的线缆短路。

该短路条件下，该支路的DC/DC变换装置第一时间通过欠压保护停机，防止系统其他部分对短路点馈送短路电流；电池系统持续对短路点馈送短路电流，直到出口熔断器熔断。

保护要求：电池组输出熔断器熔断，系统内部电芯不损坏；系统其他部分持续运行。

2.3 DC/DC变换装置输出端短路

如图2所示的Fault-3点。包含DC/DC变换器内部短路、DC/DC变换器到直流熔断器之间的线缆或者铜排短路。

该短路条件下，支路的DC/DC变换装置第一时间通过过流保护封锁驱动脉冲；该支路电池通过DC/DC变换器中的反并联二极管向故障点馈送短路电流，如下图中回路I；系统其他部分经过该支路的直流熔断器向短路点馈送短路电流，如下图回路III。

保护要求：电池出口熔断器FU11熔断，DC/DC出口熔断器FU12熔断。电池系统、DC/DC变换器、系统其他部分完好，系统持续运行或在故障消除后立刻恢复运行。

图3 DC/DC出口短路时的等效电路

2.4 直流母排短路

如图2所示的Fault-4点，包含了DC/DC变换装置熔断器输出侧、直流母排、逆变电源单元及主推单元熔断器输入侧短路。

该短路条件下，系统中在网设备的支撑电容和电池都向故障点馈送短路电流，对侧舷通过母联熔断器向故障点馈送短路电流。

本舷电池系统经过DC/DC变换器反并联二极管和支路直流熔断器持续馈送短路电流、DC/DC变换器通过支路直流熔断器向短路点馈送短路电流直到直流熔断器熔断。该过程中要保证电池出口熔断器与支路直流熔断器的选择性。

对侧舷中各支路通过支路直流熔断器和母联熔断器向故障舷侧提供短路电流。过程中要保证母联熔断器与支路熔断器的选择性。

保护要求：本舷电源支路熔断器熔断，负载支路熔断器应完好，即各自电容放电产生的i2t小于熔断器的弧前焦耳能量；对侧舷所有在网熔断器完好；母联熔断器熔断；本舷所有设备停机，对侧舷持续运行或在故障消除后立刻恢复运行。

直流母排短路是最严重的短路故障，会造成单舷失电。需要通过直流母联熔断器或者系统分断运行避免全船失电风险。

2.5 变换器单元熔断器输出侧短路

如图2所示的Fault-5点，包含变换器单元（含逆变电源、主推逆变单元）熔断器输出侧。

该短路情况与Fault-3类似，只是缺少了电池馈送的短路电流。

保护要求：短路故障所在支路熔断器熔断，非故障支路熔断器完好，电池输出熔断器完好。系统其他部分完好，系统持续运行或在故障消除后立刻恢复运行。

2.6 逆变电源后级短路

如图2所示的Fault-6短路情况。

逆变电源后级通过隔离变压器接入日用配电板，为了配合日用配电板中各级开关的选择性保护，要求逆变电源具备短路电流支撑能力：在后级发生短路故障时，逆变电源输出2倍以上的额定电流促使后级开关动作隔离短路点，短路消除后逆变电源恢复供电。

逆变电源短路支撑能力一般为2倍额定电流持续3～5 s，超时后报警停机。

2.7 推进驱动器输出侧短路

如图2所示的Fault-7短路情况。

该短路条件下，根据推进电机类型不同有不同的设计方案。

若推进电机为异步电机，可以直接由变换器单元的限流保护功能实现短路保护，电机失去供电后自然降速停机，对直流电网系统不构成影响。

若推进电机为永磁电机，在驱动器封锁脉冲后电机的励磁仍然存在，电机在惯性停机或由螺旋桨拖动时会在电机机端建立感应电压，造成安全隐患。若电机转速较高，机端线电压高于直流母线电压，还会往直流母线反馈电流。所以永磁电机于变频器之间最好增加隔离开关。

3 纯电动船直流保护设计方法

3.1 直流保护设计原则

在直流母线系统中，当某设备发生短路故障时，会在直流母线、变频器或者交流输出端出现明显的过电流，对系统产生冲击，选择性保护应在快速隔离故障点的基础上缩小故障影响范围。直流系统中保护元件有熔断器、直流开关和电力电子开关。综合考虑安全性、可靠性和成本因素，使用熔断器为主要保护元件，必要时可用电力电子开关配合，该保护策略应遵循以下原则：

1）选择性原则：单支路短路故障时，除了与故障点相关的熔断器熔断外，其他在网的熔断器不应损坏；

2）电压原则：短路及恢复过程中直流母线电压波动应在合理范围，不能超过在网设备过压和欠压阈值；如果不能保证最低电压在欠压阈值以上，则要求在网设备具备低电压穿越能力；

3）电流原则：短路电流不能超过保护元件分断能力，不应对在网设备（直流开关、变频器、直流母线等）造成损坏。

以上原则可作为短路保护策略的设计指导和考核指标。

3.2 选择性保护设计方法

直流系统的选择性保护，采用以下方式实现：

1）针对不同短路点分析选择性保护原理和动作序列；

2）估算提取系统参数和运行参数；

3）按系统和运行参数选定熔断器和母联断路器整定值；

4）对关键元件进行建模，通过仿真对保护方案进行校验；

5）若满足选择性保护要求，则按该参数设计；若达不到保护的选择性，则修改熔断器选型和母联整定参数后再进行校验；

6）必要时在联调试验中进行最终校验。

4 总结

本文介绍了纯电动船直流综合电力系统的特点、直流选择性保护原理和策略，并总结了纯电动船直流保护设计方法。

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The protection principle and method of electric power system of pure electric boat

Mou Zhaoxin, Yang Guang, Zhao Tianci

(Dalian Institute of measurement and control technology, Dalian 116013, China)

U664.81

A

1003-4862(2022)02-0040-03

2021-05-28

牟照欣（1989-），男，工程师。研究方向：船舶电气相关专业。E-mail: tbkdranix@163.com