锂电池动力船直流配电系统设计及选择性保护分析

杜 睿，孙苏悦，周祎隆

(中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011)

0 引 言

锂电池动力船舶是以锂电池作为主推进动力源的一类船舶总称。作为一种新型能源船舶，基本上可以实现零排放，符合航运业积极推动新能源动力应用的大趋势。锂电池动力船均采用直流配电系统，和常规交流配电系统差别较大。而且针对直流配电系统，目前尚无船级社出台统一的短路电流计算软件和选择性保护校核标准。本文针对某磷酸铁锂电池动力内河工作船，就锂电池动力船配电系统设计特点和直流配电系统短路、选择性保护等方面开展研究，并利用Matlab仿真软件对目标船的直流配电网络短路电流和系统选择性保护进行分析。

1 锂电池动力船配电系统特点

锂电池动力系统主要由动力锂电池组，直流配电系统和电力推进系统组成。基于规范法规、成本等因素，目前锂电池动力船多配备变速柴油发电机组作为备用电源。锂电池组作为全船能量源，输出为直流，有采用直流配电网的先天优势。与交流配电网相比，锂电池动力船采用直流配电网有明显优点：

1）设备体积重量减少。使用功率密度更大的整流器替代体积和重量较大的变压器，提高了设备的集成度。设备间接口和连接电缆数量减少。根据某小水线面科考船对比数据，电力和推进系统减重约50%[1]。

2）系统效率提高。相比交流电力推进，直流电力推进减少了变压器和交流配电环节，能耗减少约3%[2]。另外交流电网受限于频率，柴油机均采用恒速机组，工作点无法在等功率线上移动，在负荷变动时无法选择经济点，油耗相对较高。而直流电网选用变速柴油机组，负荷变化时，可选用油耗最低的转速匹配，在工况多变情况下，节能明显。

3）电网接口简单，方便多种储能设备接入。未来新能源种类多样，在交流电制与主网并网时较复杂。直流组网避免了并网时频率、相位、同步等问题，方便新能源利用[3]。

直流配电网目前劣势：

1）目前直流断路器设计制造相比交流断路器更为困难，短路分断能力受限，成本较高。

2）直流电网中大量电力电子设备应用，对系统稳定性要求提高[4]。

3）控制系统相对复杂，锂电池动力船采用能量管理系统。这是根据综合电力推进船舶实际需求而产生的对船舶能量进行管理、监控并对全船能量产生、供给、分配进行管理的一种新型控制管理系统[5]。除了监测控制锂电池系统，还要管理变速发电机组，和常规交流电站功率管理系统有很大不同。

2 配电系统设计

各布置1套推进逆变器、推进电机以及1套日用逆变器。

我们课题组前期多次发现苦参素可抑肝癌细胞增长，促其凋亡[17]，增强化疗药作用[18]。但确切机制尚未明确。我们研究发现苦参素能够下调ABCB1蛋白表达来改变HepG2/ADM抗药性[19]。另外，胥雄阳等[20]发现，苦参碱可在QGY/CDDP株通过下调MRP蛋白，加强顺铂作用，逆转耐药。以上研究表明苦参素可以下调ABCB1及MRP蛋白表达而逆转耐药，那么在本研究苦参素同样可以调控ABCG2低表达，提高阿霉素抗人肝癌耐药裸鼠移植瘤的疗效，部分逆转多药耐药，从而为临床治疗提供依据。

动力电池分成2个域[6]，每个域由4个120 kWh的电池柜和1个高压箱组成，每个域电池容量为480 kWh，总容量960 kWh。4个电池柜通过高压箱并联，通过DC/DC和直流母排连接。2组电池独立或并联为船用负载供电。高压配电箱为锂电池系统对外供电、通信、对内电池管理的单元，主要包括电池控制单元、充放电回路控制、应急保护系统等。

电池管理系统主要由电池控制单元和采样单元组成。每个电池柜配置1个采样单元，1个二级电池控制单元，每个电池域配置1个一级电池控制单元。2个一级电池控制单元分别与电池充电器和电站管理系统通信，实现电池的充放电控制和保护。

备用电源为1台280 kW永磁同步发电机，由变速柴油发电机驱动，经整流装置与直流母排连接。

3 直流配电系统的短路分析

根据设计要求，目标船配备磷酸铁锂电池组作为主电源，另外配备1台柴油发电机组作为备用电源，如图1所示。电池组与柴油发电机组分列母排两端，母排中间用直流断路器加2个熔断器连接，左右母排

与常规交流电网保护不同，交流发电机按照船舶设计建造规范要求必须在稳态短路时可提供至少维持3倍额定电流并保持2 s以上，以保证下游线路的选择性保护[7]。但在直流电网中，整流器为IGBT型全控整流器，双向DC也是基于IGBT的双向DC变换器。短路发生时，检测到故障IGBT迅速关断后，短路电流通过续流二极管向故障点供电，续流二极管一般仅有额定值2倍的极限电流，且积累一定热量后会烧毁。这个过程在短路时往往仅有十到几十毫秒，只有快速熔断器能达到保护的快速性要求。而且直流侧短路故障时形成的短路电流比交流系统大很多，若使用空气开关进行保护，则需要成倍加大开关额定电流及瞬动值[8]。因此，直流电网大多采用快速熔断器作为保护措施。

在目标船直流配电系统中，同时有多个整流器/逆变器/双向DC通过快速熔断器并联在直流母线上，且直流母线上挂了2组直流支撑电容。在直流系统中出现短路故障后，整流器/逆变器/双向DC在几微秒内检测到过电流，瞬间关闭IGBT。但是电池与永磁同步电机的电压均无法快速下降，整流器/双向DC的支撑电容及前端电压通过母排向故障点放电，放电电流大小与支撑电容的数值成正比关系，即越大的支撑电容在故障时向故障点放出的电流越大。另外，直流配电系统的拓扑结构决定了不同位置故障时，快速熔断器上流过的电流是不同的。

直流配电系统中主要存在两类短路故障：馈线短路和母线短路。因此在接下来的分析主要考虑这2种故障电流。即左母排的电池组与右母排的永磁同步发电机组并联运行时，馈线短路电流，母线短路电流。

3.1 馈线短路电流分布

左右母排同时供电时，左馈线短路故障的极端情况可用图2中①点短路故障为例进行分析。①位置发生短路故障时，2个电池组双向DC、永磁同步发电机整流器、日用逆变、2组支撑电容均向其提供短路电流，且远端馈线短路故障对于母联熔断器F8的冲击比近端馈线反馈对于母联熔断器F8的冲击更大，而对于网络上其他熔断器的冲击不变化，因此分析远端馈线短路故障情况。

图2 左馈线短路情况Fig. 2 Short circuit of left feed line

左右母排同时供电时，右馈线短路故障的极端情况可用图3中2点短路故障为例进行分析。2位置发生短路故障时，电池组双向DC、永磁同步发电机整流器、日用逆变、2组支撑电容均向其提供短路电流，且远端馈线短路故障对于母联熔断器F8的冲击比近端馈线反馈对于母联熔断器F8的冲击更大，而对于网络上其他熔断器的冲击不变化，因此分析远端馈线短路故障情况。

图3 右馈线短路情况Fig. 3 Short circuit of right feed line

3.2 母线短路电流分布

左母线短路故障的极端情况可用图4中3点短路故障为例进行分析。3位置发生短路故障时，电池组、永磁同步发电机整流器、日用逆变、2组支撑电容均向其提供短路电流，且近端母线短路故障对于母联熔断器F8的冲击比远端馈线反馈对于母联熔断器F8的冲击更弱，而对于网络上其他熔断器的冲击不变化，因此分析近端母线短路故障情况。

图4 左母线短路情况Fig. 4 Short circuit of left busbar

右母线短路故障的极端情况可用图5中4点短路故障为例进行分析。4位置发生短路故障时，电池组、永磁同步电机、日用逆变、2组支撑电容均向其提供短路电流，且近端母线短路故障对于母联熔断器F8的冲击比远端馈线反馈对于母联熔断器F8的冲击更弱，而对于网络上其他熔断器的冲击不变化，因此分析近端母线短路故障情况。

图5 右母线短路情况Fig. 5 Short circuit of right busbar

3.3 直流系统短路保护选择性分析

根据bussmann的快速熔断器使用指南，快速熔断器上流经的能量达到pre-arc能量才能熔断。依据系统设计，选用快速熔断器型号如表1所示。

表1 快速熔断器选用列表Tab. 1 Slection of fast acting fuse

3.3.1 左馈线短路保护选择性分析

通过Matlab仿真分析，左馈线短路情况下，流经各个熔断器的A2s曲线如图6所示。故障点位于熔断器F6下端，流经F6的短路电流尖峰值达233 kA。流经F6的A2s曲线上升最快，F6将首先被熔断，故障切除。实现了选择性保护。

3.3.2 右馈线短路保护选择性分析

图6 左馈线短路保护选择性分析Fig. 6 Short circuit and protection selectively analysisof leftfeedline

图7 右馈线短路保护选择性分析Fig. 7 Short circuit and protection selectively analysis of right feedline

右馈线短路情况下，流经各个熔断器的A2s曲线如图7所示。故障点位于熔断器F7下端，流经F7的短路电流尖峰值达286 kA。流经F7的A2s曲线上升最快，F7将首先被熔断，故障切除。实现了选择性保护。

3.3.3 左母线短路保护选择性分析

左母线短路情况下，流经各个熔断器的A2s曲线如图8所示。故障点位于左母排上，短路瞬间直流母线的短路电流尖峰最大达到40.81 kA。流经F8的A2s曲线上升最快，流经F1，F2的曲线，由于双向DC保护后，电池端不能瞬时切断，电池端电源将通过双向DC的续流二极管为母排提供能量，但由于双向DC与电池之间存在EC-LTS电抗器，电流上升的较慢，因此流经F1，F2的曲线也将上升，但上升略慢。因此，在短路后，在0.1 ms左右快速熔断器F8熔断，而由于故障未排除，快速熔断器F1，F2也将在1.7 ms左右后熔断。实现了选择性保护。

图8 左母线短路保护选择性分析Fig. 8 Short circuit and protection selectively analysis of left busbar

3.3.4 右母线短路保护选择性分析

右母线短路情况下，流经各个熔断器的A2s曲线如图9所示。故障点位于右母排上，短路瞬间直流母线的短路电流尖峰最大达到68.69 kA。流经F8的A2s曲线上升最快，快速熔断器F8熔断，切除故障。由于永磁同步发电机无法快速消磁，永磁同步发电机后端熔断器F3也将熔断。实现了选择性保护。

4 结 语

图9 右母线短路保护选择性分析Fig. 9 Short circuit and protection selectively analysis of right busbar

锂电池动力船目前在国内还属于起步阶段，可借鉴项目较少。本文通过一型内河锂电池动力船，分析了此类船舶配电系统设计特点，并着重介绍了直流配电系统的选择性保护分析方法，采用快速熔断器进行选择性保护，通过正确选取熔断器的型号，在出现短路故障时，可以实现快速切断故障端，最大限度保证非故障端正常运行，完成对系统的选择性保护。

此外，直流配电系统的提升空间很大，新型直流断路器、能量管理系统的研发，直流系统相关规范法规制定都将是重要的研究方向。