“君旅号”电动船直流母排系统选择性保护仿真与试验研究

耿 鹏，贾颜培，李荻薇，杨 光

应用研究

“君旅号”电动船直流母排系统选择性保护仿真与试验研究

耿 鹏1，贾颜培2，李荻薇2，杨 光2

(1. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064；2. 大连测控技术研究所，大连 116013)

电动船直流系统的安全性关系到电池安全、功率变换装置安全、日用电的安全以及航行安全，必须保证直流母排系统短路故障时保护的选择性。本文以电动游船“君旅号”为背景，介绍电动船电力推进系统直流母排系统短路故障选择性保护设计的原理、方法和效果，能够为之后的电动船的研究、设计、建造提供借鉴。

电动船 直流组网 熔断器 数值建模 选择性保护

0 引言

在我国绿色发展理念大背景下，发展纯电动船是解决船舶排放尤其是内河船舶排放造成的水污染、大气污染、噪声污染问题的重要途径。“君旅号”300客位纯电动游船，在七家政府主管部门、三家船东公司、四家船舶设计建造单位以及中国船级社共同见证下，于2018年2月，成功签约。现运营于长江水域武汉段。该船采用了船用氢燃料电池系统作为全船动力源。安全性是推动电动船进一步发展的重要因素。本文结合该船，探讨其直流母排系统选择性保护，以期对后续电动船设计积累经验。

“君旅号”纯电动船电力推进系统单线图如图1所示。由2套蓄电池组（共12簇，每簇蓄电池配置DC/DC变换单元），2套主推进单元（单套推进功率为200kW，由2台100kW功率模块组成）、2套逆变电源单元（单台容量为100kVA，由1台100kW功率模块组成）组成。

蓄电池组通过DC/DC变换装置后，采用直流负荷开关和熔断器接入直流母线，主推单元、逆变电源灯功率单元均采用直流负荷开关和熔断器接入直流母线，FU11～FU2B均为直流熔断器，具备过流、短路保护功能，各级直流熔断器之间进行配合，实现短路选择性保护。

图1 直流电站电力推进系统单线图

1 直流熔断器原理

本系统提供完善的安全保护功能，实现对人、船、机的保护，各子系统及设备均提供保护功能。由于两段母线分开运行且参数一致，故在进行短路电流计算和短路分析时，可只考虑单段母线的情况，如图2所示。

图2 直流电网保护方案示意图

图2的红色折线箭头即系统中特征故障短路点，系统对5种特征短路点保护方案分析如下：

1）蓄电池组输出端短路。如图2所示的F11点，包含了蓄电池组熔断器输出侧、DC/DC变换装置输入侧的短路情况。保护要求：蓄电池组提供短路电流，蓄电池组总输出熔断器FU01熔断，每个电池模块的熔断器不造成损害。

2）DC/DC变换装置输出端短路。如图2所示F21点，包含DC/DC变换装置内部短路、输出侧到直流熔断器短路的情况。保护要求：蓄电池组、DC/DC变换装置电容、逆变电源和主推单元电容提供短路电流，FU11熔断，对其它熔断器不造成损害。熔断器FU01熔断，不对电池模块熔断器和DC/DC变换装置反并联二极管造成损害。

3）直流母排短路。如图2所示F3点，包含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的短路情况。保护要求：蓄电池组提供短路电流，熔断器FU11～FU16熔断，不对DC/DC变换装置反并联二极管造成损害；逆变电源单元及主推单元的电容放电后失电，电容发电过程中尽量对熔断器FU17～FU1B不造成损害，即各自电容放电产生的i2t小于熔断器的弧前焦耳能量，需经过计算仿真分析得到。蓄电池组总输出熔断器FU01熔断，但蓄电池组每个模块熔断器不造成损害。

直流母排短路是最严重的短路故障，会造成该直流母排失电。但由于本船两段直流母线分开运行，故不会造成全船停电故障。

4）变换器单元熔断器输出侧短路。如图2所示的F41、F42点，包含变换器单元（含逆变电源、主推逆变单元）熔断器输出侧的短路情况。保护要求：蓄电池组和非故障侧变换器单元电容提供短路电流，故障支路熔断器熔断，且对非故障支路熔断器不造成损害。对蓄电池组输出熔断器不造成损害。

由于蓄电池组提供短路电流，故障侧熔断器需要较短时间内熔断，且不对蓄电池组输出熔断器造成损害，各变换器单元熔断器和蓄电池组熔断器需要具备选择性。若故障侧熔断器熔断时间较短，直流母线电压跌落不严重，非故障侧变换器单元不会欠压停机，可正常工作。

5）变换器输出侧短路。如图2所示的F51、F52点，包含各变换器单元（含逆变电源、主推逆变单元）的输出侧的短路情况。在这种情况下，由变换器单元的限流保护功能实现短路保护，对直流电网系统不构成影响。

2 系统选择性仿真计算

图3给出了直流母线变频控制配电系统的总览图，包含所有的支撑电容和熔断器。熔断器用于连接发电、推进、登乘系统和日用电源功率模块和直流母线系统。

短路电流的计算和选择性分析将基于仿真软件Matlab进行。在此仿真软件中需搭建一个等效电路模型。所有的短路故障仿真将会基于该模型来进行。在此等效电路模型中：

故障时刻的变频器、逆变电源建模成电容；

故障时刻的导线和铜排建模成电阻和直流电感；

故障时刻的直流熔断器依据其熔断特性采用非线性的方法建模；

故障时刻电池等效为带内阻的恒压源。

图3 直流母排系统等效图

2.1 模型搭建

仿真分析按如下原则进行：

1）按照故障点分布进行系统短路的仿真，除推进变频器和逆变电源后级短路对系统影响较小外，一共对四类16种短路情况执行仿真计算；

2）利用直流开关制造短路点，短路开始时间统一为100μs；

3）故障点的电流波形为总电流波形。

2.2 仿真计算

根据以上仿真模型和仿真原则，分别对电池出口短路、DC/DC变换器输入侧短路以及逆变电源输入侧短路开展仿真计算。仿真结果如图4～6所示：

图4 电池出口短路电流波形

图5 DC/DC出口短路预期短路电流

图6 逆变单元输入侧短路预期短路电流

3 短路试验

3.1 DC/DC变换装置母线侧短路

试验方法：

1）试验短路点的位置为直流配电板的6#电池支路。

2）利用外部直流断路器模拟短路，将直流配电板内正负极通流排短路试验接线端分别用电缆连接到直流断路器的两极，直流断路器保持分闸；

3）投入5#、6#电池回路，逆变电源和推进逆变器在网；

4）将直流断路器合闸，观察各支路熔断器状态及直流母线状态。

合格判据：故障支路的熔断器熔断，直流配电板其他支路熔断器完好；直流母线电压波动范围在各设备允许范围（420V～750V）之内；电池系统在5s内恢复供电。

试验结果：6#支路停机，DC-DC母线侧和电池侧熔断器均熔断；5#支路停机，熔断器完好；直流母线电压波动范围在各设备允许范围（420V～750V）之内；系统在5s内恢复供电。

图7 DC/DC变换装置母线侧短路试验波形

（注：CH1：故障支路（6#）附近的直流母线电压； Ch2：逆变电源支路电压；CH3：故障回路（6#）总故障电流；CH4：5#电池支路的短路电流）

3.2 DC/DC变换装置电池侧短路

试验方法：试验短路点的位置为电池充放电控制柜的6#电池簇输出侧。

利用外部直流断路器模拟短路，将电池充放电控制柜内正负极通流排短路试验接线端分别用电缆连接到直流断路器的两极，直流断路器保持分闸；

投入1#、2#、6#电池回路，逆变电源和推进逆变器在网；

将直流断路器合闸，观察各支路熔断器状态及直流母线状态。

合格判据：故障支路的熔断器熔断，直流配电板其他支路熔断器完好；直流母线电压波动范围在各设备允许范围（420V～750V）之内。

试验结果：6#支路停机，DC-DC母线侧熔断器熔断；1#、2#支路正常，熔断器完好。直流母线电压波动范围在各设备允许范围（420V～750V）之内。

图9 4.2 DC/DC变换装置电池侧短路试验波形

（注：CH1：6#支路附近母线电压；CH2：电池出口电流CH3：5#支路电流；CH4：6#支路电流）

4 小结

本文以纯电动游船“君旅号”为背景，介绍了纯电动船电力推进系统中，直流母排系统短路故障选择性保护设计的原理、方法和效果。仿真和试验结果表明，该选择性保护策略和设计方法能够满足纯电动船直流母排系统选择性保护的要求，能够指导之后的工程设计工作。

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Simulation and experimental research on selective protection of DC busbar system of electric boat ‘Junlv’

Geng Peng1, Jia Yanpei1, Li Diwei2, Yang Guang2

(1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 2. Dalian Institute of measurement and control technology, Dalian 116013, China)

The protection for DC power system has an important impact on safety of batteries, power converter, hotel power and voyage. Therefore, selective protection should be made to ensure the entire ship safety in case a short-circuit fault in the DC busbar system occurs. The paper took the electric cruise ship ‘JunLv’ as example and to propose the principle, method and effect of the selective protection design of the DC busbar system the electric boat are introduced. The simulation and test results are presented, which can provide reference for design and construction of the same type of electric boats.

TM611

A

1003-4862（2022）01-0032-04

2021-05-28

耿鹏（1988-），男，工程师，主要从事船舶电气。Email：tbkdranix@163.com