CN110504672A - 船舶直流综合电力推进系统及系统的保护设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种船舶直流综合电力推进系统及系统的保护设计方法，解决现有保护方法无法实现直流综合电力系统选择性保护的问题。通过对直流侧母线各变频模块的保护都以熔断器为保护器件，对发电机及其输出侧电缆的保护通过自主研制的发电机保护装置检测相间电流或者相间电压不平衡来实现，对直流母线本身的短路故障，本发明提出了基于熔断器带隔离开关和固态断路器两种保护方案，对推进电机及负载侧设备的保护可以通过逆变单元实现，对接地故障采用绝缘检测配合综合控制系统等方式来实现直流系统保护设计方案，在准确、快速切除短路故障的同时，非故障侧母线可连续供电，实现了系统保护选择性方案，保证了船舶电力系统供电的可靠性和安全性。

Description

船舶直流综合电力推进系统及系统的保护设计方法

技术领域

本发明涉及一种船舶电力系统保护技术，特别涉及一种船舶直流综合电力推进系统及系统的保护设计方法。

背景技术

随着技术的进步，经过多年的探索和实践，特别是随着节能减排、低碳环保日益成为人类发展共识，目前船舶的动力系统开始逐步由交流综合电力推进系统向直流综合电力推进系统过渡，目前国外以ABB、SIEMENSE、EMS为代表的公司均推出了各自的船舶直流综合电力系统解决方案。相对于传统交流综合电力系统，其结构更加简单，除省去了推进用变压器之外，还将配电板与推进变频器合二为一，从而大大减少装船设备数量，进一步节省设备占用的舱室空间，提高船舶空间的利用率，从国外统计数据来看，电力推进系统设备的总重量可以降低20％以上，舱室空间可以节省30％以上，总体效率提升5％～10％；另外，由于直流综合电力系统可将发电机组运行在不同的转速下，节能减排效果突出，并方便多能源接入，使得纯LNG动力发电机、纯电池、柴电混合动力、气电混合动力等不同动力方式在电力推进船舶上的大规模应用成为可能，进一步提升节能减排效果。

但船舶采用直流综合电力系统方案后，面临的一个很大的问题是系统保护问题，由于船舶直流综合电力推进系统采用了大量的电力电子器件，包括电源侧(包括交流供电的变速发电机组、直流供电的蓄电池组、超级电容等不同电源供电方式)通过可控或者不控整流变流器向直流母线供电，负载侧(包括推进电机、日用电源及其他负载型式等)通过逆变模块向用电负载供电；将这些变频模块组成一个直流配电板，当直流母线侧发生短路故障时，对直流系统来说，发生故障情况下的故障电流特征与交流系统有极大的不同，在不考虑排除故障的情况下，短路电流大致要经历两个过程，第一阶段以电容的放电为主，第二阶段以发电机贡献的短路电流为主。

在短路的第一阶段，母线电容在系统发生短路故障的情况下会在极短时间内大量放电，使短路电流在极短时间内(几μs～几百μs)上升到极高的量值，具体量值与电容值和放电时常数相关。第二阶段发生在母线电容电压降至整流侧输入值以下之后，理论上交流发电机在短路发生后的第一个半周期(对采用50Hz的电力系统来说发电机贡献的短路电流为10ms)时达到峰值。

从系统保护的角度来说，为了保证系统的安全，最理想的情况是在电容放电阶段就切除故障，从而保证非故障侧的功率器件正常工作，但是直流综合电力系统由于其固有的短路故障特性，在发生故障的情况下短路电流会在极短的时间内(与回路时常数相关，可能达到μs级)上升至峰值，这对系统保护方案的制定提出了极大的挑战，其最大困难在于母线或功率单元模块故障情况下的短路保护。一是在极短的时间内需要快速判断并隔离故障，既考虑保护模块的动作时间，二是根据船级社对直流母线供电连续性的要求，在可能的情况下需要在故障维持的时间内区分故障区域和非故障区域，主要体现在发生短路故障时非故障侧母线不能失电，即上下级保护装置的动作配合，从而实现系统选择性保护方案。

发明内容

本发明是针对船舶采用直流综合电力推进系统保护选择性难实现的问题，提出了一种船舶直流综合电力推进系统及系统的保护设计方法，只将故障变频模块隔离或将一侧母联隔离，大大减小了故障的影响范围，提高了船舶运行的可靠性和安全性。

本发明的技术方案为：一种船舶直流综合电力推进系统，数台同步发电机组的输出交流电，通过二极管整流模块或IGBT整流模块整流转换为直流电后，直流电通过熔断器后并联在直流母线上，发电机组采用变转速或者恒转速运行方式；蓄电池组或超级电容通过DC/DC变频单元转换直流电压后，通过熔断器并联在直流母线上；直流母线分左舷直流母线和右舷直流母线，左右舷两个直流母线中间通过串联直流固态断路器或熔断器带隔离开关连接；负载包括数台主推进电机和日用负载，分别通过逆变单元和熔断器后接在直流母线上。

所述船舶直流综合电力推进系统的保护设计方法，首先，对所述船舶直流综合电力推进系统进行短路电流等效计算：将故障时刻的IGBT整流模块、DC/DC变频单元、逆变单元等效成电容、电阻和电感，故障时刻的连接导线和铜排等效成电阻和电感，故障时刻的直流固态断路器、熔断器等效成电阻；在此基础上搭建直流综合电力推进系统等效电路模型，以此等效电路进行仿真，计算整个系统的各短路点在短路时刻的电流；然后，电流的时间特性作为计算短路点对应每个熔断器I²t值的输入参数，为与直流母线连接的各熔断器、左右舷直流母线之间连接的直流固态断路器或熔断器的直流短路故障选择性设计提供选型依据。

所述船舶直流综合电力推进系统的直流母线故障类型分为六类：第一类为发电机内部短路或发电机到整流模块之间的连接电缆损坏故障，第二类为直流母线故障，第三类为接入直流母线的各个模块单元故障，第四类为主推进电机侧故障，第五类为日用负载侧故障，第六类为接地故障；

1)第一类故障设计：针对同步发电机整流模块采用IGBT可控整流和二极管不控整流两种设计方案；

1.1)当整流模块采用IGBT可控整流方案时，在发电机内部或其引出线发生故障的情况下，首先IGBT模块快速检测到短路故障，瞬时保护；此时由于IGBT续流二极管的单向导通特性，故障点的故障电流由发电机本身贡献的故障电流和直流母线电容通过IGBT续流二极管向短路点贡献短路电流两部分组成，此时无论左右舷直流母线之间连接采用的是直流固态断路器还是熔断器带隔离开关，首先，故障发生时直流固态断路器快速分闸或者熔断器快速熔断，发电机保护单元通过发电机侧电流互感器检测到故障电流，以故障发生在发电机和整流器之间的电缆上时检测到三相电流或者三相电压不平衡作为故障判据，同时发电机保护单元检测左右舷直流母线之间连接的熔断器或直流固态断路器已动作后，发电机保护单元通过发送给发电机励磁系统灭磁信号来实现发电机的短路和过载保护动作，同时发电机保护装置检测发电机绕组温度作为后备保护，保证短路故障时只有一侧被影响，实现系统保护选择性方案；

1.2)当整流模块采用二极管不控整流方案时：此时故障点的故障电流只有发电机本身贡献的故障电流，发电机保护单元通过发电机侧电流互感器检测到故障电流，当故障发生在发电机和整流器之间的电缆上时检测到三相电流或者三相电压不平衡作为故障判据，发电机保护单元通过发送给发电机励磁系统灭磁信号来实现发电机的短路和过载保护动作，同时发电机保护装置检测发电机绕组温度作为后备保护，直流母线左右舷连接的熔断器或者直流固态断路器均不动作，实现系统保护选择性方案；

2)第二类故障设计：当直流母线发生短路故障时，提出的两种解决方案，

2.1)左右舷直流母线之间连接采用固态直流断路器，在直流母线短路情况下，固态直流断路器快速动作，此后故障母线侧所有与直流母线连接的熔断器将根据自身动作特性动作，为保证故障可靠物理隔离，综合控制系统将分断直流母线上的机械式隔离开关，从而保证非故障侧系统的正常运行，此后故障侧系统会由于欠压故障所有设备停机；

2.2)左右舷直流母线之间连接采用熔断器带隔离开关，在直流母线短路情况下快速动作，通过对系统各短路点的短路电流计算和对短路电流进行积分计算分析，对与直流母线连接各熔断器选取合理的弧前I²t值，故障发生时，只将连接左右舷直流母线之间的熔断器可靠熔断，而非故障与直流母线连接的各熔断器能躲过故障情况下电容放电的电流峰值不被熔断，从而保证非故障侧系统的正常运行，此后故障侧系统会由于欠压故障所有设备停机，实现直流系统的选择性保护方案；

3)第三类故障设计：当接入直流母线的各个模块单元直流侧发生故障时，此时直流母线侧故障模块单元内部的支撑电容会快速放电，将产生一个峰值高且时常数极小的故障电流，通过对系统各模块单元短路点的短路电流进行等效仿真计算和对短路电流进行积分计算分析，对各模块单元前端与直流母线连接的熔断器选取合理的弧前I²t值，选定不同参数的熔断器；

根据左右舷直流母线之间连接采用的是固态直流断路器还是熔断器带隔离开关进行设计，

如果采用的是固态直流断路器连接，当某个模块发生短路故障时，固态直流断路器先动作，确保非故障侧母线系统不受任何影响，继续可靠运行，而故障侧母线系统只将故障模块前端与直流母线连接的熔断器可靠熔断，此时该段母线的非故障变频模块前端与直流母线连接的熔断器能躲过故障情况下电容放电的电流峰值不被熔断，保证系统的选择性保护方案；

如果采用的是熔断器带隔离开关连接，当某个模块发生短路故障时，只将故障模块前端与直流母线连接的熔断器可靠熔断，而非故障模块前端与直流母线连接的熔断器能躲过本模块故障情况下电容放电的电流峰值不被熔断；考虑各模块直流侧发生短路故障时，其效果实质上等价于母线短路，此时直流母线电压会快速跌落，需保证故障模块前端与直流母线连接的熔断器熔断时，直流母线电压不会跌落到各变频模块的欠压保护值，实现直流系统的选择性保护方案的同时，船舶不会出现失电现象发生,保证了船舶电力系统的可靠运行；

4)第四类故障设计：推进电机内部短路或推进电机连接电缆短路，由于逆变单元采用了IGBT逆变单元，可瞬时保护，不影响其它系统；

5)第五类故障设计：日用电网侧的配电板的交流电路发生短路时，在设计时日用电源逆变模块作为止电源模块，会持续提供最大的无功电流维持5s，以切断下级短路故障支路的断路器及大负载启动时可能带来的冲击电流，不会导致直流配电板日用逆变模块跳闸，此时直流母线不会产生任何短路电流，直流母线和交流日用配电板的故障协调性分析互相独立；

6)第六类故障设计：直流系统的接地故障保护由安装在直流配电板内两侧的绝缘监测仪和综合控制系统共同实现，绝缘监测仪将监测绝缘电阻值分级发送给综合控制系统，左右舷直流母线之间连接是固态直流断路器，综合控制系统报警或发出左右舷固态断路器分闸信号；如果左右舷直流母线之间连接的是熔断器带隔离开关，综合控制系统报警或发出左右舷熔断器带隔离开关分闸信号；待故障排除后，由综合控制系统发出左右舷直流母线之间连接固态直流断路器或熔断器带隔离开关合闸信号，回复原工作状态；推进电机侧的接地故障保护由相应逆变模块完成，日用配电板安装有绝缘监测仪，用于完成对交流侧日用电网的绝缘监测。

本发明的有益效果在于：本发明船舶直流综合电力推进系统及系统的保护设计方法，以实现直流各变频模块直流侧或直流母线出现故障时系统非故障侧直流母线可靠供电为主要目标，其设计宗旨就是通过对系统各短路点的准确短路电流计算和对短路电流进行积分计算分析，通过深入掌握固态断路器和熔断器的工作特性，确保当各变频模块直流侧或直流母线出现故障时，尽快仅切除故障回路，使故障涉及范围最小化，同时不但兼顾系统的选择性又最大限度地保证非故障回路连续供电，从而提高整个电力系统的安全可靠运行。

附图说明

图1为本发明船舶直流综合电力推进系统单线图；

图2为本发明船舶直流综合电力推进系统典型故障点示意图；

图3为本发明船舶直流综合电力推进系统短路电流计算系统故障等效图；

图4为本发明船舶直流综合电力推进系统短路电流计算左舷母线仿真计算模型。

具体实施方式

如图1所示船舶直流综合电力推进系统单线图，同步发电机组的输出交流电，通过二极管整流模块或IGBT整流模块整流转换为直流电后，直流电通过熔断器后并联在直流母线上，发电机组可采用变转速者恒转速运行方式；蓄电池组或超级电容通过DC/DC变频单元转换直流电压后，通过熔断器并联在直流母线上；直流母线分左舷直流母线和右舷直流母线，左右舷两个直流母线中间通过串联直流固态断路器或熔断器带隔离开关两种方案连接；负载包括数台主推进电机和日用负载，通过分别通过逆变单元和熔断器后接在直流母线上；

如图2所示船舶直流综合电力系统典型故障点示意图，下面对故障点一一进行分析，

如图2中故障点(1)发电机内部短路或发电机至整流模块连接电缆保护方案：

本发明针对同步发电机整流模块采用IGBT可控整流和二极管不控整流两种设计方案；当整流模块采用IGBT可控整流方案时，在发电机内部或其引出线发生故障的情况下，首先IGBT模块会快速检测到短路故障，可瞬时保护；但此时由于IGBT续流二极管的单向导通特性，此时故障点的故障电流由发电机本身贡献的故障电流和直流母线电容通过IGBT续流二极管向短路点贡献短路电流两部分组成，此时无论直流母线左右舷采用的是直流固态断路器连接方案还是熔断器带隔离开关方案，首先当故障发生时直流固态断路器会快速分闸或者熔断器会快速熔断，而此时自主研发的发电机保护单元也会通过发电机侧电流互感器检测到故障电流，以故障发生在发电机和整流器之间的电缆上时检测到三相电流不平衡(或者三相电压不平衡)作为故障判据，发电机保护单元通过发送给发电机励磁系统灭磁信号来实现发电机的短路和过载保护动作，同时发电机保护装置检测发电机绕组温度作为后备保护，此处发电机保护装置还需检测到直流母线左右舷连接的熔断器或者直流固态断路器动作后才能发出发电机灭磁信号，保证短路故障时只有一侧被影响，实现系统保护选择性方案；当整流模块采用二极管不控整流方案时：此时故障点的故障电流只有发电机本身贡献的故障电流，该故障由自主研发的发电机保护单元通过发电机侧电流互感器检测到故障电流，当故障发生在发电机和整流器之间的电缆上时检测到三相电流不平衡(或者三相电压不平衡)作为故障判据，发电机保护单元通过发送给发电机励磁系统灭磁信号来实现发电机的短路和过载保护动作，同时发电机保护装置检测发电机绕组温度作为后备保护，而直流母线左右舷连接的熔断器或者直流固态断路器均不动作，实现系统保护选择性方案；

故障点(2)整流器模块故障保护方案：

本系统设计的保护方案为：当整流单元直流侧发生故障时，此时直流母线侧各变频模块内部的支撑电容会快速放电，将产生一个峰值高且时常数极小的故障电流，通过对系统各变频模块短路点的短路电流进行等效仿真计算和对短路电流进行积分计算分析，对各变频模块前端与直流母线连接的熔断器选取合理的弧前I²t值，选定不同参数的熔断器，此时要考虑左右舷母线采用的是固态断路器连接方案还是熔断器方案，如果采用的是固态断路器连接方案；当整流模块发生短路故障时，母线固态断路器会先动作，确保非故障侧母线系统不受任何影响，继续可靠运行，而故障侧母线系统只将整流模块前端与直流母线连接的熔断器可靠熔断，此时该段母线的非故障变频模块前端与直流母线连接的熔断器能躲过本模块故障情况下电容放电的电流峰值不会熔断，保证系统的选择性保护方案；如果采用的是熔断器带隔离开关连接方案，当整流模块发生短路故障时，只将该故障模块前端与直流母线连接的熔断器可靠熔断，而非故障变频模块前端与直流母线连接的熔断器能躲过本模块故障情况下电容放电的电流峰值不会熔断；此时还需考虑整流模块直流侧发生短路故障时，其效果实质上等价于母线短路，此时直流母线电压会快速跌落，本设计方案会充分考虑熔断器的熔断时间，即熔断器熔断时，直流母线电压不会跌落到各变频模块的欠压保护值，实现直流系统的选择性保护方案的同时，船舶不会出现失电现象发生,保证了船舶电力系统的可靠运行；

故障点(3)直流母线故障保护方案：

本系统设计的保护方案为：当直流母线发生短路故障时，故障点的故障电流主要有两部分组成，一是所有在网逆变模块和DC/DC内的支撑电容的放电，其时常数极小，短路电流峰值可以在数十us内达到极大的量值；二是在网发电机组反馈的短路电流，该电流相对电容放电来说时常数大得多，一般在电机的第一个半周时达到峰值(ms级)，其过渡过程也分为两个阶段。通过对系统各短路点的短路电流计算和对短路电流进行积分计算分析，本保护方案针对直流母线故障保护考虑两种保护设计方法，分别是直流固态断路器或者熔断器带隔离开关。

针对本发明提出的两种解决方案，第一种方案是采用左舷直流母线和右舷直流母线之间串联的快速响应固态直流断路器，在短路情况下快速动作(根据系统时间常数的大小，分断时间在20us-40us内)，此后故障母线侧所有连接的功率模块熔断器将根据自身动作特性动作，为保证故障可靠物理隔离，综合控制系统将分断直流母线上的左舷直流母线和右舷直流母线之间的机械式隔离开关，从而保证非故障侧(图中右侧)系统的正常运行，此后左侧系统会由于欠压故障所有设备停机；第二种方案是采用左舷直流母线和右舷直流母线之间串联的熔断器带隔离开关，在短路情况下快速动作(根据系统时间常数的大小，分断时间在30-300us内)，熔断器通过对系统各短路点的短路电流计算和对短路电流进行积分计算分析，对各变频模块前端的熔断器选取合理的弧前I²t值来选定参数，故障发生时，只将连接左右舷的快速熔断器可靠熔断，而非故障变频模块前端的熔断器能躲过本模块故障情况下电容放电的电流峰值；从而保证非故障侧(图中右侧)系统的正常运行，此后左侧由于欠压故障所有设备停机；实现母联熔断器与各模块熔断器之间的配合，实现直流系统的选择性保护方案。

故障点(4)DC/DC变频模块故障保护方案：

本系统设计的保护方案是当DC/DC变频模块输出直流侧发生故障时，此时直流母线侧各变频模块内部的支撑电容会快速放电，将产生一个峰值高且时常数极小的故障电流，通过对系统各短路点的短路电流计算和对短路电流进行积分计算分析，对各变频模块前端的熔断器选取合理的弧前I²t值，选定不同参数的熔断器，此时要考虑左右舷母线采用的是固态断路器连接方案还是熔断器方案，如果采用的是固态断路器连接方案；当DC/DC变频模块发生短路故障时，母线固态断路器会先动作，确保非故障侧母线系统不受任何影响，继续可靠运行，而故障侧母线系统只将DC/DC变频模块前端与直流母线连接的熔断器可靠熔断，此时该段母线的非故障变频模块前端与直流母线连接的熔断器能躲过本模块故障情况下电容放电的电流峰值不会熔断，保证系统的选择性保护方案；如果采用的是熔断器带隔离开关连接方案，当DC/DC变频模块发生短路故障时，只将该故障模块前端与直流母线连接的熔断器可靠熔断，而非故障变频模块前端与直流母线连接的熔断器能躲过本模块故障情况下电容放电的电流峰值不会熔断；此时还需考虑DC/DC变频模块直流侧发生短路故障时，其效果实质上等价于母线短路，此时直流母线电压会快速跌落，本设计方案会充分考虑熔断器的熔断时间，即熔断器熔断时，直流母线电压不会跌落到各变频模块的欠压保护值，实现直流系统的选择性保护方案的同时，船舶不会出现失电现象发生，保证了船舶电力系统的可靠运行；

故障点(5)主推进逆变模块故障保护方案：

本系统设计的保护方案是当主推进逆变模块直流侧发生故障时，此时直流母线侧各变频模块内部的支撑电容会快速放电，将产生一个峰值高且时常数极小的故障电流，通过对系统各短路点的短路电流计算和对短路电流进行积分计算分析，对各变频模块前端的熔断器选取合理的弧前I²t值，此时要考虑左右舷母线采用的是固态断路器连接方案还是熔断器方案，如果采用的是固态断路器连接方案；当主推进逆变模块发生短路故障时，母线固态断路器会先动作，确保非故障侧母线系统不受任何影响，继续可靠运行，而故障侧母线系统只将主推进逆变模块前端与直流母线连接的熔断器可靠熔断，此时该段母线的非故障变频模块前端与直流母线连接的熔断器能躲过本模块故障情况下电容放电的电流峰值不会熔断，保证系统的选择性保护方案；如果采用的是熔断器带隔离开关连接方案，当主推进逆变模块发生短路故障时，只将该故障模块前端与直流母线连接的熔断器可靠熔断，而非故障变频模块前端与直流母线连接的熔断器能躲过本模块故障情况下电容放电的电流峰值不会熔断；此时还需考虑主推进逆变模块直流侧发生短路故障时，其效果实质上等价于母线短路，此时直流母线电压会快速跌落，本设计方案会充分考虑熔断器的熔断时间，即熔断器熔断时，直流母线电压不会跌落到各变频模块的欠压保护值，实现直流系统的选择性保护方案的同时，船舶不会出现失电现象发生，保证了船舶电力系统的可靠运行；

故障点(6)主推进电机侧故障保护方案：

推进电机内部短路或推进电机连接电缆短路，由于逆变模块采用了IGBT逆变单元，可瞬时保护，不影响其它系统，实现保护的选择性。

故障点(7)日用负载侧故障保护方案：

针对日用电网选择性保护方案，当直流母线发生短路时，日用电网交流侧不会承受任何短路电流；当日用电网交流配电板发生短路时，日用电源功率模块产生无功电流支撑，能够将输出短路电流限制在一定范围内并维持一段时间，为下级交流断路器切断短路故障提供必要的短路电流及动作时间，此时直流母线不会产生任何短路电流，直流母线和交流日用配电板的故障协调性分析互相独立。

故障点(8)接地故障保护：

直流系统的接地故障保护由安装在直流配电板内的绝缘监测仪和综合控制系统共同实现，推进电机侧的接地故障保护由相应逆变模块完成，日用配电板安装有绝缘监测仪，用于完成对交流侧日用电网的绝缘监测。

直流综合电力系统故障模型等效方法：

图3给出了本发明针对船舶直流综合电力推进系统提出的短路电流计算方法的系统等效图，包括直流母线侧所有的支撑电容和熔断器，其熔断器用于连接电池组、推进和日用电源功率模块及直流母线系统。此处搭建一个直流系统的等效电路模型，所有的短路电流计算基于该模型进行。在此等效电路模型中：

故障时刻的各变频模块等效成电容、电阻和电感；

故障时刻的导线和铜排等效成电阻和电感；

故障时刻的直流固态断路器、熔断器等效成电阻；

本项目系统直流配电板分为两个独立的分段，所有模块通过熔断器分别连接至两段母线，两段母线所有设备配置完全相同。下文以2#发电机组AC/DC模块直流侧发生短路故障为例，说明等效建模方法与过程。

1)整流单元、DC/DC单元、逆变单元：

整流单元、DC/DC单元、逆变单元：将各变频模块等效为一个串联RLC电路，其中R为模块内部电阻，L为各模块内部电感值，C为各模块电容值，另外还需考虑各熔断器电阻值。

2)直流配电板汇流排阻抗等效模型

根据图1直流综合电力推进系统单线图，根据各模块每屏在直流配电板中铜排布置方式和屏宽以及屏内连接电缆的长度，等效为相应的电感和电阻；

3)直流综合电力系统故障仿真计算模型

图4为示例中2#发电机组AC/DC模块直流侧发生短路的等效电路模型，以此等效电路进行仿真，并计算整个系统的各短路点在短路时刻的电流，电流的时间特性将作为计算每个直流熔断器I2t值的输入参数，为后续各功率模块和母线熔断器的直流短路故障协调性设计提供选型依据。

直流综合电力系统保护配合：

1)短路类型(1)中：针对发电机内部短路或发电机连接电缆短路，当采用IGBT可控整流方案，此时IGBT模块会快速检测到短路故障，控制器在10μs内封锁IGBT输出，同时由于IGBT续流二极管的单向导通特性，此时故障点的故障电流由发电机本身贡献的故障电流和直流母线电容通过IGBT续流二极管向短路点贡献短路电流两部分组成，此时无论直流母线左右舷采用的是直流固态断路器连接方案还是熔断器带隔离开关方案，首先当故障发生时直流固态断路器会快速分闸或者熔断器会快速熔断(直流固态断路器会在20us-40us内分断，熔断器会在30-300us内分断)，而自主研制的发电机保护装置检测到发电机侧电流互感器的短路电流(ISC>ISC,threshold)后，发电机保护装置延时3s发出发电机灭磁信号，当一侧发生短路故障时，左右舷熔断器或者固态断路器会先于发电机保护装置的短路反应时间而立即切断故障侧。这也保证了短路故障时只有一侧被影响，而正常一侧则会继续健康运行，实现了发电机保护和左右舷之间熔断器或者固态断路器之间的选择性；当整流模块采用二极管不控整流方案时：此时故障点的故障电流只有发电机本身贡献的故障电流，此时发电机保护装置检测到发电机侧电流互感器的短路电流(ISC>ISC,threshold)后，发电机保护装置延时3s发出发电机灭磁信号，此时直流母线左右舷连接的熔断器或者直流固态断路器均不动作，实现系统保护选择性方案；

2)短路类型(2)中：通过前面介绍的直流综合电力系统故障模型等效方法，当单个整流模块发生短路故障时，计算该模块的熔断器在短路时刻的电流及对应峰值短路电流的时间，并对对应的短路电流值进行积分作为计算熔断器I2t值的输入参数，作为熔断器弧前I2t值的选择依据；如果左右舷母线采用固态断路器连接时，当该模块发生短路故障，母线固态断路器会先动作，确保无故障右舷电网不同受任何影响，发生故障的左舷所有变流装置内部的母线支撑电容向故障点(2)放电，当左舷总电容量与熔断器的I2t配合恰当时，电容放电电流可以使FU1、FU2熔断，实现故障隔离，熔断器熔断时间约30～300us，过电压不超过1300V；如果左右舷母线采用熔断器连接时，当该模块发生短路故障，此时直流母线所有变流装置内部的母线支撑电容向故障点(2)放电，当总电容量与熔断器的I2t配合恰当时，电容放电电流可以使FU1、FU2熔断，实现故障隔离，熔断器熔断时间约30～300us，过电压不超过1300V，而此时左右舷母线熔断器不会熔断，实现系统保护选择性方案；

3)短路类型(3)中：直流母线短路，如果左右舷母线采用固态断路器连接时，当该模块发生短路故障，母线固态断路器会先动作，确保无故障右舷电网不同受任何影响，对于放电过程中可能出现左舷其余变流器欠压停机，控制软件采取了自动重启动措施，在该情况下使左舷设备自动重启；如果左右舷母线采用熔断器连接时，当左舷直流母线发生短路故障，此时直流母线所有变流装置内部的母线支撑电容向故障点(3)放电，当总电容量与熔断器的I2t配合恰当时，右舷直流母线所有电容放电电流可以母线快速熔断器FU1、FU2熔断，实现故障隔离，熔断器熔断时间约30～300us，过电压不超过1300V；实现系统保护选择性方案；

4)短路类型(4)中：通过前面介绍的直流综合电力系统故障模型等效方法，当单个电池组/超级电容DC/DC模块发生短路故障时，计算该模块的熔断器在短路时刻的电流及对应峰值短路电流的时间，并对对应的短路电流值进行积分作为计算熔断器I2t值的输入参数，作为熔断器弧前I2t值的选择依据；如果左右舷母线采用固态断路器连接时，当该模块发生短路故障，母线固态断路器会先动作，确保无故障右舷电网不同受任何影响，发生故障的左舷所有变流装置内部的母线支撑电容向故障点(4)放电，当左舷总电容量与熔断器的I2t配合恰当时，电容放电电流可以使FU5、FU6熔断，实现故障隔离，熔断器熔断时间约30～300us，过电压不超过1300V；如果左右舷母线采用熔断器连接时，当该模块发生短路故障，此时直流母线所有变流装置内部的母线支撑电容向故障点(4)放电，当总电容量与熔断器的I2t配合恰当时，电容放电电流可以使FU5、FU6熔断，实现故障隔离，熔断器熔断时间约30～300us，过电压不超过1300V，而此时左右舷母线熔断器不会熔断，实现系统保护选择性方案；

5)短路类型(5)同短路类型(4)；

6)短路类型(6)中：推进电机内部短路或推进电机连接电缆短路，由于采用了IGBT逆变单元，控制器在10μs内封锁IGBT输出，会触发对应的变频器功率模块的瞬时过流保护，变频器会立刻停机，随后电机进入停机状态，由于电机停机的时间足够短，且主要电流都是无功电流，因此不会对直流配电板直流母线电压形成影响，所以进电机交流短路和直流母线短路互相独立，实现了保护的选择性。

7)短路类型(7)中:日用电网侧的配电板的交流电路发生短路时，在设计时日用电源逆变模块作为止电源模块，会持续提供最大的无功电流维持5s，以切断下级短路故障支路的断路器及大负载启动时可能带来的冲击电流，而不会导致直流配电板日用逆变模块跳闸，实现系统的选择性保护方案。

8)故障点(8)接地故障保护：直流系统的接地故障保护由安装在直流配电板内的绝缘监测仪和综合控制系统共同实现，绝缘监测仪分为两级保护，当监测绝缘电阻小于10kOhm时，会输出报警信号给综合控制系统，由综合控制系统发出报警故障信号；当监测绝缘电阻小于1kOhm时，输出接地信号给综合控制系统，综合控制系统会发出左右舷固态断路器分闸，此时左右舷分区运行，不影响系统正常运行；待故障排除后，由综合控制系统会发出左右舷固态断路器合闸，回复原工作状态；推进电机侧的接地故障保护由相应逆变模块完成，日用配电板安装有绝缘监测仪，用于完成对交流侧日用电网的绝缘监测。

Claims (3)

1.一种船舶直流综合电力推进系统，其特征在于，数台同步发电机组的输出交流电，通过二极管整流模块或IGBT整流模块整流转换为直流电后，直流电通过熔断器后并联在直流母线上，发电机组采用变转速或者恒转速运行方式；蓄电池组或超级电容通过DC/DC变频单元转换直流电压后，通过熔断器并联在直流母线上；直流母线分左舷直流母线和右舷直流母线，左右舷两个直流母线中间通过串联直流固态断路器或熔断器带隔离开关连接；负载包括数台主推进电机和日用负载，分别通过逆变单元和熔断器后接在直流母线上。

2.根据权利要求1所述船舶直流综合电力推进系统的保护设计方法，其特征在于，首先，对所述船舶直流综合电力推进系统进行短路电流等效计算：将故障时刻的IGBT整流模块、DC/DC变频单元、逆变单元等效成电容、电阻和电感，故障时刻的连接导线和铜排等效成电阻和电感，故障时刻的直流固态断路器、熔断器等效成电阻；在此基础上搭建直流综合电力推进系统等效电路模型，以此等效电路进行仿真，计算整个系统的各短路点在短路时刻的电流；然后，电流的时间特性作为计算短路点对应每个熔断器I²t值的输入参数，为与直流母线连接的各熔断器、左右舷直流母线之间连接的直流固态断路器或熔断器的直流短路故障选择性设计提供选型依据。

3.根据权利要求2所述船舶直流综合电力推进系统的保护设计方法，其特征在于，所述船舶直流综合电力推进系统的直流母线故障类型分为六类：第一类为发电机内部短路或发电机到整流模块之间的连接电缆损坏故障，第二类为直流母线故障，第三类为接入直流母线的各个模块单元故障，第四类为主推进电机侧故障，第五类为日用负载侧故障，第六类为接地故障；

1)第一类故障设计：针对同步发电机整流模块采用IGBT可控整流和二极管不控整流两种设计方案；

1.1)当整流模块采用IGBT可控整流方案时，在发电机内部或其引出线发生故障的情况下，首先IGBT模块快速检测到短路故障，瞬时保护；此时由于IGBT续流二极管的单向导通特性，故障点的故障电流由发电机本身贡献的故障电流和直流母线电容通过IGBT续流二极管向短路点贡献短路电流两部分组成，此时无论左右舷直流母线之间连接采用的是直流固态断路器还是熔断器带隔离开关，首先，故障发生时直流固态断路器快速分闸或者熔断器快速熔断，发电机保护单元通过发电机侧电流互感器检测到故障电流，以故障发生在发电机和整流器之间的电缆上时检测到三相电流或者三相电压不平衡作为故障判据，同时发电机保护单元检测左右舷直流母线之间连接的熔断器或直流固态断路器已动作后，发电机保护单元通过发送给发电机励磁系统灭磁信号来实现发电机的短路和过载保护动作，同时发电机保护装置检测发电机绕组温度作为后备保护，保证短路故障时只有一侧被影响，实现系统保护选择性方案；

1.2)当整流模块采用二极管不控整流方案时：此时故障点的故障电流只有发电机本身贡献的故障电流，发电机保护单元通过发电机侧电流互感器检测到故障电流，当故障发生在发电机和整流器之间的电缆上时检测到三相电流或者三相电压不平衡作为故障判据，发电机保护单元通过发送给发电机励磁系统灭磁信号来实现发电机的短路和过载保护动作，同时发电机保护装置检测发电机绕组温度作为后备保护，直流母线左右舷连接的熔断器或者直流固态断路器均不动作，实现系统保护选择性方案；

2)第二类故障设计：当直流母线发生短路故障时，提出的两种解决方案，

2.1)左右舷直流母线之间连接采用固态直流断路器，在直流母线短路情况下，固态直流断路器快速动作，此后故障母线侧所有与直流母线连接的熔断器将根据自身动作特性动作，为保证故障可靠物理隔离，综合控制系统将分断直流母线上的机械式隔离开关，从而保证非故障侧系统的正常运行，此后故障侧系统会由于欠压故障所有设备停机；

2.2)左右舷直流母线之间连接采用熔断器带隔离开关，在直流母线短路情况下快速动作，通过对系统各短路点的短路电流计算和对短路电流进行积分计算分析，对与直流母线连接各熔断器选取合理的弧前I² t值，故障发生时，只将连接左右舷直流母线之间的熔断器可靠熔断，而非故障与直流母线连接的各熔断器能躲过故障情况下电容放电的电流峰值不被熔断，从而保证非故障侧系统的正常运行，此后故障侧系统会由于欠压故障所有设备停机，实现直流系统的选择性保护方案；

3)第三类故障设计：当接入直流母线的各个模块单元直流侧发生故障时，此时直流母线侧故障模块单元内部的支撑电容会快速放电，将产生一个峰值高且时常数极小的故障电流，通过对系统各模块单元短路点的短路电流进行等效仿真计算和对短路电流进行积分计算分析，对各模块单元前端与直流母线连接的熔断器选取合理的弧前I²t值，选定不同参数的熔断器；

根据左右舷直流母线之间连接采用的是固态直流断路器还是熔断器带隔离开关进行设计，

如果采用的是固态直流断路器连接，当某个模块发生短路故障时，固态直流断路器先动作，确保非故障侧母线系统不受任何影响，继续可靠运行，而故障侧母线系统只将故障模块前端与直流母线连接的熔断器可靠熔断，此时该段母线的非故障变频模块前端与直流母线连接的熔断器能躲过故障情况下电容放电的电流峰值不被熔断，保证系统的选择性保护方案；

如果采用的是熔断器带隔离开关连接，当某个模块发生短路故障时，只将故障模块前端与直流母线连接的熔断器可靠熔断，而非故障模块前端与直流母线连接的熔断器能躲过本模块故障情况下电容放电的电流峰值不被熔断；考虑各模块直流侧发生短路故障时，其效果实质上等价于母线短路，此时直流母线电压会快速跌落，需保证故障模块前端与直流母线连接的熔断器熔断时，直流母线电压不会跌落到各变频模块的欠压保护值，实现直流系统的选择性保护方案的同时，船舶不会出现失电现象发生,保证了船舶电力系统的可靠运行；

4)第四类故障设计：推进电机内部短路或推进电机连接电缆短路，由于逆变单元采用了IGBT逆变单元，可瞬时保护，不影响其它系统；

5)第五类故障设计：日用电网侧的配电板的交流电路发生短路时，在设计时日用电源逆变模块作为止电源模块，会持续提供最大的无功电流维持5s，以切断下级短路故障支路的断路器及大负载启动时可能带来的冲击电流，不会导致直流配电板日用逆变模块跳闸，此时直流母线不会产生任何短路电流，直流母线和交流日用配电板的故障协调性分析互相独立；

6)第六类故障设计：直流系统的接地故障保护由安装在直流配电板内两侧的绝缘监测仪和综合控制系统共同实现，绝缘监测仪将监测绝缘电阻值分级发送给综合控制系统，左右舷直流母线之间连接是固态直流断路器，综合控制系统报警或发出左右舷固态断路器分闸信号；如果左右舷直流母线之间连接的是熔断器带隔离开关，综合控制系统报警或发出左右舷熔断器带隔离开关分闸信号；待故障排除后，由综合控制系统发出左右舷直流母线之间连接固态直流断路器或熔断器带隔离开关合闸信号，回复原工作状态；推进电机侧的接地故障保护由相应逆变模块完成，日用配电板安装有绝缘监测仪，用于完成对交流侧日用电网的绝缘监测。