混合动力船舶直流组网变频控制配电系统测试流程分析

蔡佳慧

(福建省马尾造船股份有限公司,福建 福州 350501)

0 引言

为应对气候变化,近年来对于航运排放的要求日趋严格,中国海事局、欧盟、国际海事组织等均对减缓温室气体排放和提高能效提出要求,节能减排已经成为硬指标。与此同时,依托扎实的船舶工业基础和不断壮大的新能源动力电池产业,我国在电动船舶、混合动力船舶领域快速发展。

本文以对国内首艘新能源混合动力港作拖轮——5000马力绿色智能型新能源混合动力拖轮(以下简称5000马力混合动力拖轮)直流组网变频控制配电系统调试试验为例,总结出一套针对混合动力船舶特有的直流组网变频控制配电系统的测试流程。

1 5000马力混合动力拖轮直流电网系统架构与组成

5000马力混合动力拖轮直流电网单线图如图1所示,动力系统由3台1400 kW交流发电机组,以及2组锂电池组成,共计容量为1960 kW·h,分别经过可控整流器及DC/DC变流器接入直流母排。

图1 5000马力混合动力拖轮直流电网单线图

直流组网变频控制配电柜技术参数如表1所示,柜内配置发电机整流模块、DC/DC变流器模块、主推进驱动模块、日用电源供电模块、水冷屏、能量管理控制器(EMS)、推进控制器、直流母排、固态断路器及直流开关、熔断器等,其主要参数等信息如表2所示。其中,固态断路器选用瑞士ASTROL公司直流固态断路器,其具有快速断开的特点,可以实现故障的微秒级保护响应,限制故障电流,使故障电流不会达到损坏器件的能量等级,把故障对负载的影响降至最低,并且在断开时不会产生电弧。能量管理控制器选用奥地利B&R公司先进的X20系列船用控制产品,控制系统采用冗余控制器,实现以太网通讯,从而保障了5000马力混合动力拖船的安全性、先进性和可拓展性。

表1 直流组网变频控制配电柜的主要技术参数

表2 直流组网变频控制配电柜的主要元器件产品明细

2 直流组网变频控制配电柜测试流程及方法

2.1 结构及外观检查

直流组网变频控制配电柜的结构和外观应符合国际电工委员会IEC 61800-5-1的要求。检查配电柜表面是否完整,无污损、裂痕、磕碰等现象,门锁紧固,可以灵活转动和开关。

2.2 电气连接检查

电气连接应与电气原理图纸保持一致,无短路、断路现象,应能看到柜内器件标签,并与图纸一致。直流组网变频控制配电柜内部接线应该紧固、整齐,强电弱电保持足够距离。 直流组网变频控制配电柜中的仪表、指示灯及显示屏等运行正常,按钮可以正常按动。

2.3 电气间隙及爬电距离

根据《钢质海船入级规范(2021)》[1]要求,裸主汇流排的最小电气间隙和最小爬电距离要求如表3所示。

表3 裸主汇流排的最小电气间隙和爬电距离要求

5000马力混合动力拖船交流额定电压为 690 V,则其交流裸主汇流排的电气间隙应不小于20 mm,爬电距离应不小于 25 mm;直流额定电压为1000 V,则其直流裸主汇流排的电气间隙应不小于25 mm,爬电距离应不小于35 mm。

2.4 绝缘电阻测量

绝缘电阻的测量应由设备制造商负责短接(或拆除)电容器等电子元器件和耐压小于兆欧表电压的元器件。绝缘电阻检查仪表为500 V/1000 V兆欧表;绝缘电阻检查对象为各设备的主电路不同极带电部件之间绝缘电阻、各电路带电部件与地之间绝缘电阻;环境温度为0～45 ℃,相对湿度为小于 95%;绝缘电阻最低不小于 1 MΩ。测试限值应符合《机械电气系统安全需求(2006)》(EN 60204-1)。

在耐压试验之后,应再次用直流高阻计测量其所有载流部分对地及载流部分的极间或相间的绝缘电阻,其值应不低于1 MΩ。

2.5 耐压测试

使用耐压测试仪分别对A、B两段直流正负母排及三相交流输出铜排进行试验,试验过程中将断开直流开关、电子电路、直流熔断器及仪表。直流部分施加50 Hz、3500 V的交流电压,持续60 s;交流部分施加50 Hz、3000 V的交流电压,持续60 s。

若无击穿闪络及损坏现象、漏电流未明显增加,则判定为合格。

2.6 直流母排温升试验

铜排温升试验采用铜排短接的方式进行,试验过程中应关闭柜门、顶盖及侧板,如图2所示。

图2 直流母排温升试验原理

保证直流铜排运行在额定电流状态,观测并记录铜排的温度,等到铜排的温升稳定后(1 h内低于1 K)试验停止,试验验证铜排的温升范围是否符合正常工作范围,直流母线测试电流为2200 A。

对于直流母排温升测试,建议测量温度的位置应包括正母排与分支母排连接处、正母排与断路器连接处、负母排与母排连接处、负母排与隔离开关连接处、柜外环境温度。根据《钢质海船入级规范(2021)》要求,母线的最大温升不应超过45 K。设定最大温升为45 K,则最大温度为90 ℃。直流母线的温升等于直流母线的最大温度减去柜外空气温度(即时值)。测量方法如表4所示。

表4 直流母排的温度限值及测量方法

2.7 冷却管路保压试验

连接热交换柜与直流组网变频控制配电柜之间的冷却水管,用外部注水泵通过热交换柜注水口往直流组网变频控制配电柜内部冷却管路内注水,内部管路水管压力达到指定值后停止注水,静置并观察热交换柜水冷单元压力表1 h。若内部管路压力仍保持不变,则判定为合格。

2.8 直流母排短路试验

2.8.1 短路电流计算

使用MATLAB中的Simulink仿真软件,搭建系统等效电路模型,参照《船舶直流电力系统短路电流计算方法》(GB/T 35715—2017)进行短路电流计算[2]。

对直流配电系统来说,短路电流主要来源于配电板内各个功率模块内支撑电容的放电,保护器件的动作时间一般在几十至几百微妙量级。考虑到发电机组或蓄电池组的响应速度,提供保护器件动作的能量主要来自母线电容,电源端及负载端对系统短路电流和保护器件动作的影响基本可以忽略。同时,参考《船舶直流综合电力系统检验指南(2023)》[3]中的动力电池储能装置的等效电路建模方法。在搭建系统等效模型时遵循以下基本等效原则:

①故障时刻的变频模块等效成电容。

②故障时刻的导线和铜排等效成电阻和电感。

③故障时刻的直流熔断器等效成电阻。

④主要考虑来自电容的放电电流,忽略了来自电动机的电流回馈。

将5000马力混合动力拖轮直流组网变频控制配电系统故障模型进行等效转换,如图3所示。

图3 5000马力混合动力拖轮直流组网变频控制配电系统故障模型等效图

2.8.2 验证性试验项目

基于仿真软件计算结果,选取2～3个短路点进行验证性试验,如图4所示。

图4 5000马力混合动力拖轮直流电网短路点示意图

测试仪器数字包括示波器、万用表、交直流探头、差分电压探头、罗氏线圈(变比为1 mV/A)、罗氏线圈(变比为100 kA/V)等。

2.8.2.1 电源或负载侧短路试验方法

①利用外部开关控制实现故障点短路,将所选取的短路点接入母排的支路(熔断器前),正负极铜排接线端分别用电缆接到外部开关两极,开关保持断开状态。

②通过一套AFE整流器将直流母排电压提升至1100 V,其余非故障点AFE整流器、 DC/DC直流变换器、主推进逆变器、日用逆变器均处于停机状态,分断蓄电池组高压柜内接触器(如选取DC/DC直流变换器作为短路故障点,则无需分断该故障点对应的蓄电池组高压柜内接触器)。

③停止充电整流器运行并断开前端进线开关,直流母排开始自然放电。

④在直流母排放电至1000 V(母排额定电压)时,将外部开关接通,触发短路开关,实现故障点短路,观察各支路熔断器状态,用示波器测量该母排电压及短路点短路电流。

⑤合格依据:所选取的故障短路点熔断器保护动作(熔断),其余熔断器未动作。

⑥记录6 kA罗氏线圈测量的主回路短路电流的分流器电流,记录换算后的实际短路电流值。

2.8.2.2 直流母排上短路试验方法

①利用外部开关控制实现故障点短路,将直流母排远端正负极铜排接线端分别用电缆接到外部开关两极,开关保持断开状态。

②通过一套AFE整流器将直流母排电压提升至1100 V,其余AFE整流器、 DC/DC直流变换器、主推进逆变器、日用逆变器均处于停机状态,分断蓄电池组高压柜内接触器。

③停止充电整流器运行并断开前端进线开关,直流母排开始自然放电。

④在直流母排放电至1000 V(母排额定电压)时,将外部开关接通,触发短路开关,实现故障点短路。观察各支路熔断器状态,用示波器测量该母排电压及短路点短路电流。

⑤合格依据:故障侧母排的母联开关保护动作、DC/DC变换器母排侧熔断器、发电机AFE整流器母排侧熔断器、主推进逆变器母排侧熔断器、日用逆变器母排侧熔断器均保护动作(熔断),非故障侧母排熔断器未动作。

⑥记录6 kA罗氏线圈测量的主回路短路电流的分流器电流,记录换算后的实际短路电流值。

2.9 直流组网变频控制柜功能试验

直流组网变频控制柜内置能量管理控制器,主要包含异步发电机控制、日用电源控制、储能系统控制及预充电等功能。其中,发电机系统的控制、发电机系统的监测和报警、发电机的保护、推进系统的控制、推进系统的监测和报警、负载分配功能、自动起停发电机功能等试验与普通交流配电系统的功率管理系统(PMS)功能试验相似,不再赘述。以下针对直流组网变频控制系统特有的储能系统和岸电充电功能测试流程进行阐述。

2.9.1 储能系统试验

2.9.1.1 储能系统启停试验方法

①将储能系统屏的旋钮切换至“本地”,储能系统屏的“充电就绪”或者“放电就绪”指示灯常亮。

②按下“启动”按钮,指示灯闪烁,储能系统启动完毕,指示灯由闪烁变成常亮。

③按下 “停止”按钮,指示灯闪烁,储能系统停止完毕,指示灯由闪烁变成常亮。

④观察并记录试验结果。

2.9.1.2 储能系统急停试验方法

5000马力混合动力拖船设有3个储能系统应急停止按钮,分别位于直流组网变频控制柜DC/DC屏、驾控室和监控室,任意一个按钮被按下都将触发变频器的应急停止。

①按下任意一个“应急停止”按钮,“报警”指示灯闪烁,蜂鸣器响动,触摸屏上显示相应信息。

②按下“复位”按钮,“故障”指示灯变为平光,按下“消声”按钮,蜂鸣器停止响动;复位“应急停止”按钮,“故障”指示灯熄灭。

③观察并记录试验结果。

2.9.1.3 储能系统过载保护试验方法

①通过软件设定储能系统的实际电流超过瞬时过载电流设定值后,储能系统应能发出瞬时过载报警。

②通过软件设定储能系统的实际电流超过延时过载电流设定值后,延时一定时间后,储能系统应能发出电流延时过载报警。

③观察并记录试验结果。

2.9.2 岸电充电装置试验

2.9.2.1 岸电充电装置启停试验方法

①将充电桩的旋钮切换至“遥控”且处于就绪状态。

②按下触摸屏“充电启动”按钮,直流组网变频控制柜岸电屏“合闸”指示灯变成常亮;按下电池“启动”按钮,指示灯闪烁,电池系统启动完毕,指示灯由闪烁变成常亮。

③在触摸屏设置不同的充电电流值,观察驾控台显示屏电池系统的充电电流。

④触摸屏按下 “充电停止”按钮,直流组网变频控制柜岸电屏“分闸”指示灯变成常亮。

⑤观察并记录试验结果。

2.9.2.2 岸电充电装置急停试验方法

5000马力混合动力拖船设置有2个岸电充电装置应急停止按钮,分别位于充电桩、直流组网变频控制柜岸电屏,任意一个应急停止按钮被按下将触发岸电充电装置的应急停止,分断岸电开关。

①按下其中任意一个“应急停止”按钮,岸电开关分闸,“报警”指示灯闪烁,蜂鸣器响动,触摸屏上显示相应信息。

②按下“复位”按钮,“故障”指示灯变为平光,按下“消声”按钮,蜂鸣器停止响动;复位“应急停止”按钮,“故障”指示灯熄灭。

③观察并记录试验结果。

3 结束语

配电系统对电动船舶、混动船舶的重要性不言而喻。通过严格的测试,可以检测出潜在的故障和问题,从而避免在船舶运营的过程中出现故障,同时,还可以通过测试,评估配电柜的性能指标,为优化船舶电力系统提供依据。本文针对5000马力混合动力拖船的直流组网变频控制配电柜的测试做了简要分析、阐述和总结,该测试方案和流程可以作为采用直流组网变频控制配电系统的船舶做系统测试时参考。