鋰電池動力船直流配電系統設計及選擇性保護分析

杜 睿，孫蘇悅，周祎隆

(中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011)

0 引 言

鋰電池動力船舶是以鋰電池作為主推進動力源的一類船舶總稱。作為一種新型能源船舶，基本上可以實現零排放，符合航運業積極推動新能源動力應用的大趨勢。鋰電池動力船均采用直流配電系統，和常規交流配電系統差別較大。而且針對直流配電系統，目前尚無船級社出臺統一的短路電流計算軟件和選擇性保護校核標準。本文針對某磷酸鐵鋰電池動力內河工作船，就鋰電池動力船配電系統設計特點和直流配電系統短路、選擇性保護等方面開展研究，并利用Matlab仿真軟件對目標船的直流配電網絡短路電流和系統選擇性保護進行分析。

1 鋰電池動力船配電系統特點

鋰電池動力系統主要由動力鋰電池組，直流配電系統和電力推進系統組成。基于規范法規、成本等因素，目前鋰電池動力船多配備變速柴油發電機組作為備用電源。鋰電池組作為全船能量源，輸出為直流，有采用直流配電網的先天優勢。與交流配電網相比，鋰電池動力船采用直流配電網有明顯優點：

1）設備體積重量減少。使用功率密度更大的整流器替代體積和重量較大的變壓器，提高了設備的集成度。設備間接口和連接電纜數量減少。根據某小水線面科考船對比數據，電力和推進系統減重約50%[1]。

2）系統效率提高。相比交流電力推進，直流電力推進減少了變壓器和交流配電環節，能耗減少約3%[2]。另外交流電網受限于頻率，柴油機均采用恒速機組，工作點無法在等功率線上移動，在負荷變動時無法選擇經濟點，油耗相對較高。而直流電網選用變速柴油機組，負荷變化時，可選用油耗最低的轉速匹配，在工況多變情況下，節能明顯。

3）電網接口簡單，方便多種儲能設備接入。未來新能源種類多樣，在交流電制與主網并網時較復雜。直流組網避免了并網時頻率、相位、同步等問題，方便新能源利用[3]。

直流配電網目前劣勢：

1）目前直流斷路器設計制造相比交流斷路器更為困難，短路分斷能力受限，成本較高。

2）直流電網中大量電力電子設備應用，對系統穩定性要求提高[4]。

3）控制系統相對復雜，鋰電池動力船采用能量管理系統。這是根據綜合電力推進船舶實際需求而產生的對船舶能量進行管理、監控并對全船能量產生、供給、分配進行管理的一種新型控制管理系統[5]。除了監測控制鋰電池系統，還要管理變速發電機組，和常規交流電站功率管理系統有很大不同。

2 配電系統設計

各布置1套推進逆變器、推進電機以及1套日用逆變器。

我們課題組前期多次發現苦參素可抑肝癌細胞增長，促其凋亡[17]，增強化療藥作用[18]。但確切機制尚未明確。我們研究發現苦參素能夠下調ABCB1蛋白表達來改變HepG2/ADM抗藥性[19]。另外，胥雄陽等[20]發現，苦參堿可在QGY/CDDP株通過下調MRP蛋白，加強順鉑作用，逆轉耐藥。以上研究表明苦參素可以下調ABCB1及MRP蛋白表達而逆轉耐藥，那么在本研究苦參素同樣可以調控ABCG2低表達，提高阿霉素抗人肝癌耐藥裸鼠移植瘤的療效，部分逆轉多藥耐藥，從而為臨床治療提供依據。

動力電池分成2個域[6]，每個域由4個120 kWh的電池柜和1個高壓箱組成，每個域電池容量為480 kWh，總容量960 kWh。4個電池柜通過高壓箱并聯，通過DC/DC和直流母排連接。2組電池獨立或并聯為船用負載供電。高壓配電箱為鋰電池系統對外供電、通信、對內電池管理的單元，主要包括電池控制單元、充放電回路控制、應急保護系統等。

電池管理系統主要由電池控制單元和采樣單元組成。每個電池柜配置1個采樣單元，1個二級電池控制單元，每個電池域配置1個一級電池控制單元。2個一級電池控制單元分別與電池充電器和電站管理系統通信，實現電池的充放電控制和保護。

備用電源為1臺280 kW永磁同步發電機，由變速柴油發電機驅動，經整流裝置與直流母排連接。

3 直流配電系統的短路分析

根據設計要求，目標船配備磷酸鐵鋰電池組作為主電源，另外配備1臺柴油發電機組作為備用電源，如圖1所示。電池組與柴油發電機組分列母排兩端，母排中間用直流斷路器加2個熔斷器連接，左右母排

與常規交流電網保護不同，交流發電機按照船舶設計建造規范要求必須在穩態短路時可提供至少維持3倍額定電流并保持2 s以上，以保證下游線路的選擇性保護[7]。但在直流電網中，整流器為IGBT型全控整流器，雙向DC也是基于IGBT的雙向DC變換器。短路發生時，檢測到故障IGBT迅速關斷后，短路電流通過續流二極管向故障點供電，續流二極管一般僅有額定值2倍的極限電流，且積累一定熱量后會燒毀。這個過程在短路時往往僅有十到幾十毫秒，只有快速熔斷器能達到保護的快速性要求。而且直流側短路故障時形成的短路電流比交流系統大很多，若使用空氣開關進行保護，則需要成倍加大開關額定電流及瞬動值[8]。因此，直流電網大多采用快速熔斷器作為保護措施。

在目標船直流配電系統中，同時有多個整流器/逆變器/雙向DC通過快速熔斷器并聯在直流母線上，且直流母線上掛了2組直流支撐電容。在直流系統中出現短路故障后，整流器/逆變器/雙向DC在幾微秒內檢測到過電流，瞬間關閉IGBT。但是電池與永磁同步電機的電壓均無法快速下降，整流器/雙向DC的支撐電容及前端電壓通過母排向故障點放電，放電電流大小與支撐電容的數值成正比關系，即越大的支撐電容在故障時向故障點放出的電流越大。另外，直流配電系統的拓撲結構決定了不同位置故障時，快速熔斷器上流過的電流是不同的。

直流配電系統中主要存在兩類短路故障：饋線短路和母線短路。因此在接下來的分析主要考慮這2種故障電流。即左母排的電池組與右母排的永磁同步發電機組并聯運行時，饋線短路電流，母線短路電流。

3.1 饋線短路電流分布

左右母排同時供電時，左饋線短路故障的極端情況可用圖2中①點短路故障為例進行分析。①位置發生短路故障時，2個電池組雙向DC、永磁同步發電機整流器、日用逆變、2組支撐電容均向其提供短路電流，且遠端饋線短路故障對于母聯熔斷器F8的沖擊比近端饋線反饋對于母聯熔斷器F8的沖擊更大，而對于網絡上其他熔斷器的沖擊不變化，因此分析遠端饋線短路故障情況。

圖2 左饋線短路情況Fig. 2 Short circuit of left feed line

左右母排同時供電時，右饋線短路故障的極端情況可用圖3中2點短路故障為例進行分析。2位置發生短路故障時，電池組雙向DC、永磁同步發電機整流器、日用逆變、2組支撐電容均向其提供短路電流，且遠端饋線短路故障對于母聯熔斷器F8的沖擊比近端饋線反饋對于母聯熔斷器F8的沖擊更大，而對于網絡上其他熔斷器的沖擊不變化，因此分析遠端饋線短路故障情況。

圖3 右饋線短路情況Fig. 3 Short circuit of right feed line

3.2 母線短路電流分布

左母線短路故障的極端情況可用圖4中3點短路故障為例進行分析。3位置發生短路故障時，電池組、永磁同步發電機整流器、日用逆變、2組支撐電容均向其提供短路電流，且近端母線短路故障對于母聯熔斷器F8的沖擊比遠端饋線反饋對于母聯熔斷器F8的沖擊更弱，而對于網絡上其他熔斷器的沖擊不變化，因此分析近端母線短路故障情況。

圖4 左母線短路情況Fig. 4 Short circuit of left busbar

右母線短路故障的極端情況可用圖5中4點短路故障為例進行分析。4位置發生短路故障時，電池組、永磁同步電機、日用逆變、2組支撐電容均向其提供短路電流，且近端母線短路故障對于母聯熔斷器F8的沖擊比遠端饋線反饋對于母聯熔斷器F8的沖擊更弱，而對于網絡上其他熔斷器的沖擊不變化，因此分析近端母線短路故障情況。

圖5 右母線短路情況Fig. 5 Short circuit of right busbar

3.3 直流系統短路保護選擇性分析

根據bussmann的快速熔斷器使用指南，快速熔斷器上流經的能量達到pre-arc能量才能熔斷。依據系統設計，選用快速熔斷器型號如表1所示。

表1 快速熔斷器選用列表Tab. 1 Slection of fast acting fuse

3.3.1 左饋線短路保護選擇性分析

通過Matlab仿真分析，左饋線短路情況下，流經各個熔斷器的A2s曲線如圖6所示。故障點位于熔斷器F6下端，流經F6的短路電流尖峰值達233 kA。流經F6的A2s曲線上升最快，F6將首先被熔斷，故障切除。實現了選擇性保護。

3.3.2 右饋線短路保護選擇性分析

圖6 左饋線短路保護選擇性分析Fig. 6 Short circuit and protection selectively analysisof leftfeedline

圖7 右饋線短路保護選擇性分析Fig. 7 Short circuit and protection selectively analysis of right feedline

右饋線短路情況下，流經各個熔斷器的A2s曲線如圖7所示。故障點位于熔斷器F7下端，流經F7的短路電流尖峰值達286 kA。流經F7的A2s曲線上升最快，F7將首先被熔斷，故障切除。實現了選擇性保護。

3.3.3 左母線短路保護選擇性分析

左母線短路情況下，流經各個熔斷器的A2s曲線如圖8所示。故障點位于左母排上，短路瞬間直流母線的短路電流尖峰最大達到40.81 kA。流經F8的A2s曲線上升最快，流經F1，F2的曲線，由于雙向DC保護后，電池端不能瞬時切斷，電池端電源將通過雙向DC的續流二極管為母排提供能量，但由于雙向DC與電池之間存在EC-LTS電抗器，電流上升的較慢，因此流經F1，F2的曲線也將上升，但上升略慢。因此，在短路后，在0.1 ms左右快速熔斷器F8熔斷，而由于故障未排除，快速熔斷器F1，F2也將在1.7 ms左右后熔斷。實現了選擇性保護。

圖8 左母線短路保護選擇性分析Fig. 8 Short circuit and protection selectively analysis of left busbar

3.3.4 右母線短路保護選擇性分析

右母線短路情況下，流經各個熔斷器的A2s曲線如圖9所示。故障點位于右母排上，短路瞬間直流母線的短路電流尖峰最大達到68.69 kA。流經F8的A2s曲線上升最快，快速熔斷器F8熔斷，切除故障。由于永磁同步發電機無法快速消磁，永磁同步發電機后端熔斷器F3也將熔斷。實現了選擇性保護。

4 結 語

圖9 右母線短路保護選擇性分析Fig. 9 Short circuit and protection selectively analysis of right busbar

鋰電池動力船目前在國內還屬于起步階段，可借鑒項目較少。本文通過一型內河鋰電池動力船，分析了此類船舶配電系統設計特點，并著重介紹了直流配電系統的選擇性保護分析方法，采用快速熔斷器進行選擇性保護，通過正確選取熔斷器的型號，在出現短路故障時，可以實現快速切斷故障端，最大限度保證非故障端正常運行，完成對系統的選擇性保護。

此外，直流配電系統的提升空間很大，新型直流斷路器、能量管理系統的研發，直流系統相關規范法規制定都將是重要的研究方向。