CN113629695A - 船舶直流综合电力系统及其短路保护设计方法 - Google Patents

船舶直流综合电力系统及其短路保护设计方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113629695A
CN113629695A CN202111177415.2A CN202111177415A CN113629695A CN 113629695 A CN113629695 A CN 113629695A CN 202111177415 A CN202111177415 A CN 202111177415A CN 113629695 A CN113629695 A CN 113629695A
Authority
CN
China
Prior art keywords
branch
current
circuit
short
maximum
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202111177415.2A
Other languages
English (en)
Inventor
马凡
付立军
刘路辉
纪锋
张彦
胡祺
黄河
吴优
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hubei Donghu Laboratory
Naval University of Engineering PLA
Original Assignee
Hubei Donghu Laboratory
Naval University of Engineering PLA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hubei Donghu Laboratory, Naval University of Engineering PLA filed Critical Hubei Donghu Laboratory
Priority to CN202111177415.2A priority Critical patent/CN113629695A/zh
Publication of CN113629695A publication Critical patent/CN113629695A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J1/00—Circuit arrangements for dc mains or dc distribution networks
    • H02J1/10—Parallel operation of dc sources
    • H02J1/102—Parallel operation of dc sources being switching converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/26—Sectionalised protection of cable or line systems, e.g. for disconnecting a section on which a short-circuit, earth fault, or arc discharge has occured
    • H02H7/268—Sectionalised protection of cable or line systems, e.g. for disconnecting a section on which a short-circuit, earth fault, or arc discharge has occured for dc systems
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J1/00—Circuit arrangements for dc mains or dc distribution networks
    • H02J1/10—Parallel operation of dc sources
    • H02J1/109—Scheduling or re-scheduling the operation of the DC sources in a particular order, e.g. connecting or disconnecting the sources in sequential, alternating or in subsets, to meet a given demand

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

本发明涉及电力系统技术领域，具体涉及一种船舶直流综合电力系统及其短路保护设计方法。根据系统工作电压范围和各支路最大工作电流，进行各支路接触器选型；根据系统配置和运行模式设计，开展最大和最小运行方式下典型短路故障下系统短路电流仿真计算；按最大工作电流与接触器相同，短路电流峰值在熔断器分断能力范围内，短路弧前I2t值能兼顾最大、最小运行方式下上下级熔断器的选择性保护要求，进行各支路快速熔断器选型；分别针对最大和最小运行方式，对比典型位置短路时各支路短路电流I2t值的波形，验证是否满足故障点支路快速熔断器最先达到弧前I2t。能实现短路保护的选择性、快速性、灵敏性、可靠性。

Description

船舶直流综合电力系统及其短路保护设计方法
技术领域
本发明涉及电力系统技术领域，具体涉及一种船舶直流综合电力系统及其短路保护设计方法。
背景技术
近年来，低压直流综合电力系统因功率密度高、燃油经济性好、便于储能接入、组网控制简单灵活等优点，已逐渐推广应用于观光游览船、客货渡船、中短程运输船等民用船舶。系统保护设计是电力系统安全运行的关键内容。合理的系统保护设计方案，应具备全系统各支路及母线短路的选择性保护能力，且保护速度快、灵敏性和可靠性高等特点。
传统基于直流断路器的直流保护方案，其系统存在直流配电板尺寸重量大、成本高（大容量直流断路器造价高）、保护动作慢（低压直流断路器瞬动时间最快约20ms）等缺点。目前仅应用于装机容量较大、运行工况多、维修性要求高的大吨位船舶。
近年来，随着民船综合电力系统经济性要求越来越高，在一些中小吨位、维修性要求不高的民船低压直流综合电力系统中，也采用了基于熔断器的保护方案，该方案通过熔断器弧前熔断特性的匹配设计，来满足系统选择性保护需求。但这种方法在实际应用存在以下问题，如：正常情况下各直流配电支路缺少分合闸开关、故障设备在线检修困难、短路情况下熔断器的选型设计缺少定量计算方法支撑等问题，导致实际使用时存在诸多不便。
因此，在基于直流断路器的保护方案和基于熔断器的保护方案均存在缺陷而无法满足使用需求的前提下，针对低压船舶直流综合电力系统，需要提出一种更为有效的保护措施。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种船舶直流综合电力系统及其短路保护设计方法，利用接触器和快速熔断器组合，结合精确定量计算和选型设计，使船舶直流综合电力系统具有选择性、快速性、灵敏性、可靠性，以及便于设备在线检修的优点，提高了低压直流综合电力系统的技术性能和工程实用性。
本发明一种船舶直流综合电力系统，其技术方案为：包括m段直流母排、交流母排、电池组、DC/DC变流器、DC/AC逆变器、推进模块，每段所述直流母排均通过n个DC/DC变流器分别连接至n个电池组，每个所述DC/DC变流器输出端与直流母排之间均分别连接有一个第一直流开关组件，所述直流母排通过第二直流开关组件连接至推进模块，所述直流母排通过第三直流开关组件连接至DC/AC逆变器，所述DC/AC逆变器通过第一交流母排连接至日用负载，所述直流母排之间通过第四直流开关组件连接；
其中，所述第一直流开关组件~第四直流开关组件均为直流接触器与直流快速熔断器串联形成的一体化直流开关组件。
本发明一种船舶直流综合电力系统的短路保护设计方法，其技术方案为：所述方法应用于采用辐射状供配电网络结构配置而成的船舶直流综合电力系统，所述船舶直流综合电力系统的DC/DC变流器输出支路、推进支路、DC/AC逆变器供电支路、母排之间均设有由接触器与快速熔断器串联形成的直流开关组件，所述方法包括：
根据系统工作电压范围和各支路最大工作电流，进行各支路接触器选型；
计算最大运行方式下典型位置短路时各支路的短路电流瞬时值及其I2t值的波形，以及最小运行方式下典型位置短路时各支路的短路电流瞬时值及其I2t值的波形；
以额定电压不低于系统最高电压、考虑使用条件降额后额定工作电流不低于支路最大工作电流、短路电流峰值在熔断器分断能力范围内、短路弧前I2t值能兼顾最大、最小运行方式下上下级熔断器的选择性保护要求、短路熔断时间电流特性曲线在接触器时间电流耐受曲线范围内为目标，进行各支路快速熔断器选型；
所述支路包括DC/DC变流器输出支路、推进支路、DC/AC逆变器供电支路、母联支路；
所述最大运行方式下系统所有电源全部投入运行，所述最小运行方式下系统最少电源投入运行。
较为优选的，所述根据系统工作电压范围和各支路最大工作电流，进行各支路接触器选型包括：
根据直流系统额定电压U dc_N，以及系统突加负载瞬态电压变化率δu-、突卸负载瞬态电压变化率δu+、稳态电压调整率δu，计算系统瞬态最高电压U dc+、瞬态最低电压U dc-、稳态最高电压U dc_max、稳态最低电压U dc_min，并将计算得到的系统瞬态最高运行电压U dc+和稳态最高电压U dc_max分别作为各支路接触器的最低绝缘电压和最低工作电压；
根据第i个支路额定功率P i_N，以及计算得到的稳态最低电压U dc_min，计算第i个支路的稳态最大电流I i_max，并将计算得到的第i个支路的稳态最大电流I i_max，作为该支路接触器的额定通流能力，i=1,2,…M+N+K，M为推进支路数量，N为DC/DC变流器输出支路数量，K为DC/AC逆变器供电支路数量；
根据各支路接触器的最低绝缘电压、最低工作电压、额定通流能力，选择各支路接触器的型号。
较为优选的，所述计算最大运行方式下典型位置短路时各支路的短路电流瞬时值及其I2t值的波形，以及最小运行方式下典型位置短路时各支路的短路电流瞬时值及其I2t值的波形包括：
针对最大运行方式和最小运行方式，分别建立系统仿真模型；
分别针对最大和最小运行方式下的推进支路短路故障，进行系统各支路短路电流瞬时值及其I2t值的仿真计算；
分别针对最大和最小运行方式下的母排短路故障，进行系统各支路短路电流瞬时值及其I2t值的仿真计算；
分别针对最大和最小运行方式下的DC/DC变流器输出支路短路故障，进行系统各支路短路电流瞬时值及其I2t值的仿真计算；
分别针对最大和最小运行方式下的DC/AC逆变器供电支路短路故障，进行系统各支路短路电流瞬时值及其I2t值的仿真计算。
较为优选的，所述以额定电压不低于系统最高电压、考虑使用条件降额后额定工作电流不低于支路最大工作电流、短路电流峰值在熔断器分断能力范围内、短路弧前I2t值能兼顾最大、最小运行方式下上下级熔断器的选择性保护要求、短路熔断时间电流特性曲线在接触器时间电流耐受曲线范围内为目标，进行各支路快速熔断器选型包括：
将计算得到的系统瞬态最高运行电压U dc+和稳态最高电压U dc_max，分别作为各支路快速熔断器的最低绝缘电压和最低工作电压；
将计算得到的第i个支路的稳态最大电流I i_max，作为第i个支路快速熔断器的最大工作电流；
将第i个支路的短路电流峰值I i_maxf，作为第i个支路快速熔断器的分断能力选择依据；
根据最大/最小运行方式下各典型故障下短路电流仿真计算结果，将故障支路熔断器达到弧前I2t值时非故障支路熔断器尚未达到弧前I2t、弧前时间电流特性曲线在接触器时间电流耐受曲线范围内，作为快速熔断器弧前I2t阈值及时间电流特性曲线的要求；
根据各支路快速熔断器的最低绝缘电压、最低工作电压、最大工作电流、短路峰值电流、弧前I2t阈值及时间电流特性曲线要求，进行各支路快速熔断器的型号选择。
较为优选的，还包括分别针对最大和最小运行方式，对比典型位置短路时各支路短路电流I2t值的波形，验证是否满足故障点支路快速熔断器最先达到弧前I2t、最先熔断，隔离故障点，其它非故障支路快速熔断器不熔断。
较为优选的，所述验证包括：
根据各支路快速熔断器的选型结果，得到各支路快速熔断器的弧前I2t阈值I2ti_set及其弧前时间电流特性曲线；
分别针对最大和最小运行方式，对比推进支路短路故障下流过各支路熔断器的短路电流I2t曲线及熔断器自身的弧前时间电流特性曲线，验证是否满足推进支路熔断器最先达到弧前I2t、最先熔断，隔离故障点，其它非故障支路快速熔断器不熔断；
分别针对最大和最小运行方式，对比母排短路故障下流过各支路熔断器的短路电流I2t曲线及熔断器自身的弧前时间电流特性曲线，验证是否满足母联支路熔断器最先达到弧前I2t、最先熔断，隔离故障点，其它非故障支路快速熔断器不熔断；
分别针对最大和最小运行方式，对比DC/DC变流器输出支路短路故障下流过各支路熔断器的短路电流I2t曲线及熔断器自身的弧前时间电流特性曲线，验证是否满足DC/DC变流器输出支路熔断器最先达到弧前I2t、最先熔断，隔离故障点，其它非故障支路快速熔断器不熔断；
分别针对最大和最小运行方式，对比DC/AC逆变器供电支路短路故障下流过各支路熔断器的短路电流I2t曲线及熔断器自身的弧前时间电流特性曲线，验证是否满足DC/AC逆变器供电支路熔断器最先达到弧前I2t、最先熔断，隔离故障点，其它非故障支路快速熔断器不熔断。
较为优选的，其特征在于，所述系统瞬态最高电压U dc+ =U dc_N×(1+δu+)、瞬态最低电压U dc-=U dc_N×(1-δu-)、稳态最高电压U dc_max=U dc_N× (1+0.5δu)、稳态最低电压U dc_min=U dc_N×(1-0.5δu)、第i个支路的稳态最大电流I i_max=P i_N/U dc_min。
较为优选的，所述第i个支路的短路电流峰值I i_maxf的计算包括：
根据最大和最小运行方式下各典型故障下系统短路电流仿真计算结果，得到不同工况不同故障点下各支路短路电流瞬时值；
将各支路短路电流瞬时值中的最大值作为各个支路短路电流峰值I i_maxf。
本发明的有益效果为：
1、在低压船舶直流综合电力系统的DC/DC变流器输出支路、推进支路、DC/AC逆变器供电支路、母排之间均设置由接触器与快速熔断器串联形成的直流开关组件。通过接触器实现正常情况下各直流配电支路的分合闸、通过快速熔断器选型设计实现系统选择性保护，解决了系统配电与短路保护问题；
2、利用接触器和快速熔断器组合，通过精确定量计算和选型设计，解决了系统短路保护的选择性、快速性和可靠性问题；
3、利用体积重量小的接触器和快速熔断器组合实现系统短路保护，具有适装性高、便于直接工程应用等优势。
附图说明
图1是本发明一种船舶直流综合电力系统的电网结构示意图；
图2是最大运行方式推进支路短路故障下各支路短路电流瞬时值波形图；
图3是最小运行方式推进支路短路故障下各支路短路电流瞬时值波形图；
图4是最大运行方式推进支路短路故障下各支路短路电流I2t值波形图；
图5是最小运行方式推进支路短路故障下各支路短路电流I2t值波形图；
图6是最大运行方式母排短路故障下各支路短路电流瞬时值波形图；
图7是最小运行方式母排短路故障下各支路短路电流瞬时值波形图；
图8是最大运行方式母排短路故障下各支路短路电流I2t值波形图；
图9是最小运行方式母排短路故障下各支路短路电流I2t值波形图；
图10是最大运行方式DC/DC变流器输出支路短路故障下各支路短路电流瞬时值波形图；
图11是最小运行方式DC/DC变流器输出支路短路故障下各支路短路电流瞬时值波形图；
图12是最大运行方式DC/DC变流器输出支路短路故障下各支路短路电流I2t值波形图；
图13是最小运行方式DC/DC变流器输出支路短路故障下各支路短路电流I2t值波形图；
图14是最大运行方式DC/AC逆变器供电支路短路故障下各支路短路电流瞬时值波形图；
图15是最小运行方式DC/AC逆变器供电支路短路故障下各支路短路电流瞬时值波形图；
图16是最大运行方式DC/AC逆变器供电支路短路故障下各支路短路电流I2t值波形图；
图17是最小运行方式DC/AC逆变器供电支路短路故障下各支路短路电流I2t值波形图；
图18为一种船舶直流综合电力系统短路保护设计方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
本发明一种船舶直流综合电力系统，包括m段直流母排、交流母排、电池组、DC/DC变流器、DC/AC逆变器、推进模块每段所述直流母排均通过n个DC/DC变流器分别连接至n个电池组，每个所述DC/DC变流器输出端与直流母排之间均分别连接有一个第一直流开关组件，所述直流母排通过第二直流开关组件连接至推进模块，所述直流母排通过第三直流开关组件连接至DC/AC逆变器，所述DC/AC逆变器通过第一交流母排连接至日用负载，所述直流母排之间通过第四直流开关组件连接；
其中，所述第一直流开关组件~第四直流开关组件均为直流接触器与直流快速熔断器串联形成的一体化直流开关组件。
推进模块可以采用带交流侧电感的三相两电平电压源型PWM变流器结构。
实施例一
图1示出了本申请较佳实施例（图1示出了本申请第一实施例）提供的一种船舶直流综合电力系统的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
该系统采用辐射状配电网络结构，电压等级直流750V，直流母线电压瞬态电压变化范围为-20%～+10%的额定电压、稳态电压调整率为10%的额定电压。系统中包含4套750kWh级锂电池组，经4套100kW DC/DC变流器、4套接触器与快速熔断器组件，接入两段750V直流母排，每段直流母排接入2组锂电池组，两段直流母排之间通过1台接触器与快速熔断器组件连接；两段直流母排经4台接触器与快速熔断器组件，分别向2台30kVA DC/AC逆变器、2套90kW推进模块供电。2台30kVA级DC/AC逆变器一用一备，实现低压供电电源100%冗余配置。DC/AC逆变器因需要具备低电压穿越能力，其直流侧输入端配置有止逆二极管，当直流电网短路时，DC/AC逆变器不会向短路点馈送短路电流，其他所有在网DC/DC变流器、推进模块均会馈送短路电流。根据系统运行模式设计，最大运行方式下，4台DC/DC变流器、2套推进模块、1台DC/AC逆变器投入运行。最小运行方式下，2台DC/DC变流器、2套推进模块、1台DC/AC逆变器投入运行。
该系统中，B1, B2, B3, B4为4组锂电池组；C1, C2, C3, C4为用于4组锂电池组接入的4台DC/DC变流器；K1, K2, K3, K4为用于4台DC/DC变流器接入直流母排的直流开关组件，KB为连接2段直流母排的直流开关组件，KD1和KD2为用于直流母排向2台推进变频器供电的直流开关组件，KI1和KI2为用于直流母排向2台DC/ AC逆变器供电的直流开关组件；D1和D2为2台推进变频器，用于驱动推进电机M1和M；L1和L2为2台DC/AC逆变器、T1和T2为2台隔离变压器，它们用于将直流电逆变、隔离变压为390V/50Hz三相四线制交流电，两台DC/AC逆变器一用一备，实现低压交流系统100%冗余供电。I1, I2, I3, I4为4台DC/DC变流器输出支路电流；I5, I6为2台推进变频器输入支路电流；I7为在网DC/AC逆变器输入支路电流；I8为流过连接2段直流母排的接触器与快速熔断器组件KB的电流。
其中，本系统的支路包括：DC/DC变流器输出支路、推进支路、DC/AC逆变器供电支路、母联支路。
本系统的典型故障包括：推进支路短路故障（即Fault1）、母排短路故障（即Fault2）、DC/DC变流器输出支路短路故障（即Fault3）； DC/AC逆变器供电支路短路故障（即Fault4）。
实施例二
本实施例针对实施例一的系统，提供了一种较佳的短路保护设计方法，如图18所示，其包括以下步骤：
步骤1，开展各支路接触器选型设计：根据系统工作电压范围和各支路最大工作电流，进行各支路接触器选型；
步骤2，开展最大和最小运行方式下系统短路电流计算：最大运行方式对应系统所有电源全部投入运行，计算典型位置短路时各支路的短路电流瞬时值及其I2t值的波形；最小运行方式对应系统最少电源投入运行，计算典型位置短路时各支路的短路电流瞬时值及其I2t值的波形；
步骤3，开展各支路快速熔断器选型设计：按额定电压不低于系统最高电压，考虑使用条件降额后额定工作电流不低于支路最大工作电流，短路电流峰值在熔断器分断能力范围内，短路弧前I2t值能兼顾最大、最小运行方式下上下级熔断器的选择性保护要求，短路熔断时间电流特性曲线在接触器时间电流耐受曲线范围内，进行各支路快速熔断器选型；
步骤4，开展典型故障下系统选择性保护校核：分别针对最大和最小运行方式，对比典型位置短路时各支路短路电流I2t值的波形，验证故障点支路快速熔断器最先达到弧前I2t，最先熔断，隔离故障点，其它非故障支路快速熔断器不熔断，以此校核系统故障保护选择性。
对于步骤1的开展各支路接触器选型设计，具体实现过程包括：
a1）根据直流系统额定电压Udc_N，以及系统突加负载瞬态电压变化率δu-、突卸负载瞬态电压变化率δu+、稳态电压调整率δu，计算系统瞬态最高电压Udc+=Udc_N×(1+δu+)、瞬态最低电压Udc-=Udc_N×(1-δu-)、稳态最高电压Udc_max=Udc_N× (1+0.5δu)、稳态最低电压Udc_min=Udc_N×(1-0.5δu)。将计算得到的系统瞬态最高运行电压Udc+、稳态最高电压Udc_max，作为各支路接触器的最低绝缘电压、最低工作电压要求。
以图1所示的纯电池动力船舶综合电力系统为例，系统电压等级直流750V，直流母线电压瞬态电压变化范围为-20%～+10%的额定电压、稳态电压调整率为10%的额定电压，计算可得瞬态最高电压Udc+=825V、瞬态最低电压Udc-=600V、稳态最高电压Udc_max=787.5V、稳态最低电压Udc_min=712.5V,则各支路接触器的最低绝缘电压要求为825V、最低工作电压要求为787.5V。
a2）根据第i个支路额定功率Pi_N（这里i=1,2,…M+N+K），以及计算得到的系统稳态最低电压Udc_min，计算第i个支路的稳态最大电流Ii_max=Pi_N/Udc_min。将计算得到的第i个支路的稳态最大电流Ii_max，作为该支路接触器的额定通流能力要求。
以图1所示的纯电池动力船舶综合电力系统为例，系统稳态最低电压Udc_min=712.5V，DC/DC变流器额定功率100kW，计算可得DC/DC变流器输出支路稳态最大电流Ii_max≈140A，即DC/DC变流器输出支路接触器额定通流要求不低于140A；推进模块额定功率90kW，计算可得推进模块输入支路稳态最大电流Ii_max≈126A，即推进模块输入支路接触器额定通流要求不低于126A；DC/AC逆变器额定容量30kVA，考虑功率因数为0.8，计算可得DC/AC逆变器输入支路稳态最大电流Ii_max≈34A，即DC/AC逆变器输入支路接触器额定通流要求不低于34A；母联支路最大功率100kW，计算可得母联支路稳态最大电流Ii_max≈140A，即母联支路接触器额定通流要求不低于140A；
a3）根据各支路接触器的最低绝缘电压、最低工作电压、最大工作电流，对照接触器厂家提供的产品手册，选择各支路接触器的型号。
以图1所示的纯电池动力船舶综合电力系统为例，DC/DC变流器输出支路、推进模块、DC/AC逆变器输入支路、母联支路接触器的最低绝缘电压、最低工作电压要求相同，最低绝缘电压要求为825V，最低工作电压要求为787.5V。针对接触器的额定通流能力，DC/DC变流器输出支路、推进模块输入支路、DC/AC逆变器输入支路、母联支路接触器额定通流能力要求分别不低于140A、126A、34A和140A，根据以上要求，对照接触器厂家提供的产品手册，可进行各支路接触器的型号选择。
对于步骤2的开展最大和最小运行方式下系统短路电流计算，其具体实现过程包括：
b1）最大运行方式对应系统所有电源全部投入运行工况，针对最大运行方式，建立系统仿真模型；最小运行方式对应系统最少电源投入运行工况，针对最小运行方式，建立系统仿真模型。
以图1所示的纯电池动力船舶综合电力系统为例，最大运行方式下，4台DC/DC变流器、2套推进模块、1台DC/AC逆变器投入运行，建立该系统仿真模型；最小运行方式下，2台DC/DC变流器、2套推进模块、1台DC/AC逆变器投入运行，建立该系统仿真模型。短路故障下，只有在网DC/DC变流器、推进模块会向短路点馈送短路电流，而DC/AC逆变器由于为实现低电压穿越配置有止逆二极管，其不会向短路点馈送短路电流。短路电流由电容放电过程主导，峰值及峰值时间与各支路直流母线电容及限流电感有关。仿真模型中，100kW DC/DC变流器直流母线电容值为4mF、限流电感值为13uH，90kW 推进模块直流母线电容值为6.8mF、限流电感值为23uH。
b2）针对推进支路短路故障，分别开展最大和最小运行方式下系统各支路短路电流瞬时值及其I2t值的仿真计算。
以图1所示的纯电池动力船舶综合电力系统为例，最大运行方式推进支路短路故障下，系统各支路短路电流瞬时值及其I2t值的仿真计算结果如图2和图4所示；最小运行方式推进支路短路故障下，系统各支路短路电流瞬时值及其I2t值的仿真计算结果如图3和图5所示。
b3）分别针对最大和最小运行方式母排短路故障，开展系统各支路短路电流瞬时值及其I2t值的仿真计算。
以图1所示的纯电池动力船舶综合电力系统为例，最大运行方式母排短路故障下，系统各支路短路电流瞬时值及其I2t值的仿真计算结果如图6和图8所示；最小运行方式母排短路故障下，系统各支路短路电流瞬时值及其I2t值的仿真计算结果如图7和图9所示。
b4）分别针对最大和最小运行方式DC/DC变流器输出支路短路故障，开展系统各支路短路电流瞬时值及其I2t值的仿真计算。
以图1所示的纯电池动力船舶综合电力系统为例，最大运行方式DC/DC变流器输出支路短路故障下，系统各支路短路电流瞬时值及其I2t值的仿真计算结果如图10和图12所示；最小运行方式DC/DC变流器输出支路短路故障下，系统各支路短路电流瞬时值及其I2t值的仿真计算结果如图11和图13所示。
b5）分别针对最大和最小运行方式DC/AC逆变器供电支路短路故障，开展系统各支路短路电流瞬时值及其I2t值的仿真计算。
以图1所示的纯电池动力船舶综合电力系统为例，最大运行方式DC/AC逆变器供电支路短路故障下，系统各支路短路电流瞬时值及其I2t值的仿真计算结果如图14和图16所示；最小运行方式DC/AC逆变器供电支路短路故障下，系统各支路短路电流瞬时值及其I2t值的仿真计算结果如图15和图17所示。
对于步骤3的开展各支路快速熔断器选型设计，其具体实现过程包括：
c1）将计算得到的系统瞬态最高运行电压Udc+、稳态最高电压Udc_max，作为各支路快速熔断器的最低绝缘电压、最低工作电压要求。
以图1所示的纯电池动力船舶综合电力系统为例，DC/DC变流器输出支路、推进模块和DC/AC逆变器输入支路、母联支路快速熔断器的最低绝缘电压、最低工作电压要求相同，最低绝缘电压要求为825V，最低工作电压要求为787.5V。
c2）将计算得到的第i个支路的稳态最大电流Ii_max（这里i=1,2,…M+N+K），作为第i个支路快速熔断器最大工作电流要求。
以图1所示的纯电池动力船舶综合电力系统为例，根据计算结果，DC/DC变流器输出支路、推进模块输入支路、DC/AC逆变器输入支路、母联支路快速熔断器的最大工作电流分别不低于140A、126A、34A和140A，考虑熔断器的降额系数1.5-2左右，则DC/DC变流器输出支路、推进模块输入支路、DC/AC逆变器输入支路、母联支路快速熔断器的额定工作电流可分别约取为250A、250A、70A和250A。
c3）将计算得到的第i个支路的短路电流峰值Ii_maxf（这里i=1,2,…M+N+K），作为第i个支路快速熔断器的分断能力选择依据。根据最大和最小运行方式下各典型故障下系统短路电流仿真计算结果，求取不同工况不同故障点下各个支路短路电流峰值，以此作为对应支路快速熔断器的分断能力选择依据。
c4）根据最大/最小运行方式下各典型故障下短路电流仿真计算结果，将故障支路熔断器达到弧前I2t值时非故障支路熔断器尚未达到弧前I2t、弧前时间电流特性曲线在接触器时间电流耐受曲线范围内，作为快速熔断器弧前I2t阈值及时间电流特性曲线的要求。
c5）根据各支路快速熔断器的最低绝缘电压、最低工作电压、最大工作电流、短路峰值电流、弧前I2t阈值及时间电流特性曲线要求，对照快速熔断器厂家提供的产品手册，进行各支路快速熔断器的型号选择。
以图1所示的纯电池动力船舶综合电力系统为例，根据分析结果，DC/DC变流器输出支路、推进模块输入支路、母联支路快速熔断器可选额定电压为DC1000V、额定电流为DC250A的同一规格产品，DC/AC逆变器支路可选额定电压为DC1000V、额定电流为DC70A的产品。
对于步骤4的开展典型故障下系统选择性保护校核，其具体实现过程包括：
d1）根据各支路快速熔断器的选型结果，给出各支路快速熔断器的弧前I2t阈值I2ti_set及其弧前时间电流特性曲线；
d2）分别针对最大和最小运行方式，对比推进支路短路故障下流过各支路熔断器的短路电流I2t曲线及熔断器自身的弧前时间电流特性曲线，验证是否满足推进支路熔断器最先达到弧前I2t，最先熔断，隔离故障点，其它非故障支路快速熔断器不熔断，以此完成推进支路短路故障下系统保护的选择性校核。
以图1所示的纯电池动力船舶综合电力系统为例，最大和最小运行方式下推进支路短路故障下，系统各支路短路电流瞬时值及其I2t值的仿真计算结果如图4和图5所示，可知故障支路流过的短路电流最大，短路电流I2t上升最快，最先达到弧前I2t熔断，隔离故障，非故障支路未达到弧前I2t阈值，不熔断，即推进支路短路故障下，系统保护具有选择性。
d3）分别针对最大和最小运行方式，对比母排短路故障下流过各支路熔断器的短路电流I2t曲线及熔断器自身的弧前时间电流特性曲线，验证母联支路熔断器最先达到弧前I2t，最先熔断，隔离故障点，其它非故障支路快速熔断器不熔断，以此完成母排短路故障下系统保护的选择性校核。
以图1所示的纯电池动力船舶综合电力系统为例，最大和最小运行方式下母排短路故障下，系统各支路短路电流瞬时值及其I2t值的仿真计算结果如图8和图9所示，可知故障支路流过的短路电流最大，短路电流I2t上升最快，最先达到弧前I2t熔断，隔离故障，非故障支路未达到弧前I2t阈值，不熔断，即母排短路故障下，系统保护具有选择性。
d4）分别针对最大和最小运行方式，对比DC/DC变流器输出支路短路故障下流过各支路熔断器的短路电流I2t曲线及熔断器自身的弧前时间电流特性曲线，验证DC/DC变流器输出支路熔断器最先达到弧前I2t，最先熔断，隔离故障点，其它非故障支路快速熔断器不熔断，以此完成DC/DC变流器输出支路短路故障下系统保护的选择性校核。
以图1所示的纯电池动力船舶综合电力系统为例，最大和最小运行方式下DC/DC变流器输出支路短路故障下，系统各支路短路电流瞬时值及其I2t值的仿真计算结果如图12和图13所示，可知故障支路流过的短路电流最大，短路电流I2t上升最快，最先达到弧前I2t熔断，隔离故障，非故障支路未达到弧前I2t阈值，不熔断，即DC/DC变流器输出支路短路故障下，系统保护具有选择性。
d5）分别针对最大和最小运行方式，对比DC/AC逆变器供电支路短路故障下流过各支路熔断器的短路电流I2t曲线及熔断器自身的弧前时间电流特性曲线，验证DC/AC逆变器供电支路熔断器最先达到弧前I2t，最先熔断，隔离故障点，其它非故障支路快速熔断器不熔断，以此完成DC/AC逆变器供电支路短路故障下系统保护的选择性校核。
以图1所示的纯电池动力船舶综合电力系统为例，最大和最小运行方式下DC/AC逆变器供电支路短路故障下，系统各支路短路电流瞬时值及其I2t值的仿真计算结果如图16和图17所示，可知故障支路流过的短路电流最大，短路电流I2t上升最快，最先达到弧前I2t熔断，隔离故障，非故障支路未达到弧前I2t阈值，不熔断，即DC/AC逆变器供电支路短路故障下，系统保护具有选择性。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种船舶直流综合电力系统，其特征在于：包括m段直流母排、交流母排、电池组、DC/DC变流器、DC/AC逆变器、推进模块，每段所述直流母排均通过n个DC/DC变流器分别连接至n个电池组，每个所述DC/DC变流器输出端与直流母排之间均分别连接有一个第一直流开关组件，所述直流母排通过第二直流开关组件连接至推进模块，所述直流母排通过第三直流开关组件连接至DC/AC逆变器，所述DC/AC逆变器通过交流母排连接至日用负载，所述直流母排之间通过第四直流开关组件连接；
其中，所述第一直流开关组件~第四直流开关组件均为直流接触器与直流快速熔断器串联形成的一体化直流开关组件。
2.一种船舶直流综合电力系统的短路保护设计方法，其特征在于，所述方法应用于采用辐射状供配电网络结构配置而成的船舶直流综合电力系统，所述船舶直流综合电力系统的DC/DC变流器输出支路、推进支路、DC/AC逆变器供电支路、母排之间均设有由接触器与快速熔断器串联形成的直流开关组件，所述方法包括：
根据系统工作电压范围和各支路最大工作电流，进行各支路接触器选型；
计算最大运行方式下典型位置短路时各支路的短路电流瞬时值及其I2t值的波形，以及最小运行方式下典型位置短路时各支路的短路电流瞬时值及其I2t值的波形；
以额定电压不低于系统最高电压、考虑使用条件降额后额定工作电流不低于支路最大工作电流、短路电流峰值在熔断器分断能力范围内、短路弧前I2t值能兼顾最大、最小运行方式下上下级熔断器的选择性保护要求、短路熔断时间电流特性曲线在接触器时间电流耐受曲线范围内为目标，进行各支路快速熔断器选型；
所述支路包括DC/DC变流器输出支路、推进支路、DC/AC逆变器供电支路、母联支路；
所述最大运行方式下系统所有电源全部投入运行，所述最小运行方式下系统最少电源投入运行。
3.根据权利要求2所述的船舶直流综合电力系统的短路保护设计方法，其特征在于，所述根据系统工作电压范围和各支路最大工作电流，进行各支路接触器选型包括：
根据直流系统额定电压U dc_N，以及系统突加负载瞬态电压变化率δu-、突卸负载瞬态电压变化率δu+、稳态电压调整率δu，计算系统瞬态最高电压U dc+、瞬态最低电压U dc-、稳态最高电压U dc_max、稳态最低电压U dc_min，并将计算得到的系统瞬态最高运行电压U dc+和稳态最高电压U dc_max分别作为各支路接触器的最低绝缘电压和最低工作电压；
根据第i个支路额定功率P i_N，以及计算得到的稳态最低电压U dc_min，计算第i个支路的稳态最大电流I i_max，并将计算得到的第i个支路的稳态最大电流I i_max，作为该支路接触器的额定通流能力，i=1,2,…M+N+K，M为推进支路数量，N为DC/DC变流器输出支路数量，K为DC/AC逆变器供电支路数量；
根据各支路接触器的最低绝缘电压、最低工作电压、额定通流能力，选择各支路接触器的型号。
4.根据权利要求2所述的船舶直流综合电力系统的短路保护设计方法，其特征在于，所述计算最大运行方式下典型位置短路时各支路的短路电流瞬时值及其I2t值的波形，以及最小运行方式下典型位置短路时各支路的短路电流瞬时值及其I2t值的波形包括：
针对最大运行方式和最小运行方式，分别建立系统仿真模型；
分别针对最大和最小运行方式下的推进支路短路故障，进行系统各支路短路电流瞬时值及其I2t值的仿真计算；
分别针对最大和最小运行方式下的母排短路故障，进行系统各支路短路电流瞬时值及其I2t值的仿真计算；
分别针对最大和最小运行方式下的DC/DC变流器输出支路短路故障，进行系统各支路短路电流瞬时值及其I2t值的仿真计算；
分别针对最大和最小运行方式下的DC/AC逆变器供电支路短路故障，进行系统各支路短路电流瞬时值及其I2t值的仿真计算。
5.根据权利要求3所述的船舶直流综合电力系统的短路保护设计方法，其特征在于，所述以额定电压不低于系统最高电压、考虑使用条件降额后额定工作电流不低于支路最大工作电流、短路电流峰值在熔断器分断能力范围内、短路弧前I2t值能兼顾最大、最小运行方式下上下级熔断器的选择性保护要求、短路熔断时间电流特性曲线在接触器时间电流耐受曲线范围内为目标，进行各支路快速熔断器选型包括：
将计算得到的系统瞬态最高运行电压U dc+和稳态最高电压U dc_max，分别作为各支路快速熔断器的最低绝缘电压和最低工作电压；
将计算得到的第i个支路的稳态最大电流I i_max，作为第i个支路快速熔断器的最大工作电流；
将第i个支路的短路电流峰值I i_maxf，作为第i个支路快速熔断器的分断能力选择依据；
根据最大/最小运行方式下各典型故障下短路电流仿真计算结果，将故障支路熔断器达到弧前I2t值时非故障支路熔断器尚未达到弧前I2t、弧前时间电流特性曲线在接触器时间电流耐受曲线范围内，作为快速熔断器弧前I2t阈值及时间电流特性曲线的要求；
根据各支路快速熔断器的最低绝缘电压、最低工作电压、最大工作电流、短路峰值电流、弧前I2t阈值及时间电流特性曲线要求，进行各支路快速熔断器的型号选择。
6.根据权利要求2所述的船舶直流综合电力系统的短路保护设计方法，其特征在于，还包括分别针对最大和最小运行方式，对比典型位置短路时各支路短路电流I2t值的波形，验证是否满足故障点支路快速熔断器最先达到弧前I2t、最先熔断，隔离故障点，其它非故障支路快速熔断器不熔断。
7.根据权利要求6所述的船舶直流综合电力系统的短路保护设计方法，其特征在于，所述验证包括：
根据各支路快速熔断器的选型结果，得到各支路快速熔断器的弧前I2t阈值I2ti_set及其弧前时间电流特性曲线；
分别针对最大和最小运行方式，对比推进支路短路故障下流过各支路熔断器的短路电流I2t曲线及熔断器自身的弧前时间电流特性曲线，验证是否满足推进支路熔断器最先达到弧前I2t、最先熔断，隔离故障点，其它非故障支路快速熔断器不熔断；
分别针对最大和最小运行方式，对比母排短路故障下流过各支路熔断器的短路电流I2t曲线及熔断器自身的弧前时间电流特性曲线，验证是否满足母联支路熔断器最先达到弧前I2t、最先熔断，隔离故障点，其它非故障支路快速熔断器不熔断；
分别针对最大和最小运行方式，对比DC/DC变流器输出支路短路故障下流过各支路熔断器的短路电流I2t曲线及熔断器自身的弧前时间电流特性曲线，验证是否满足DC/DC变流器输出支路熔断器最先达到弧前I2t、最先熔断，隔离故障点，其它非故障支路快速熔断器不熔断；
分别针对最大和最小运行方式，对比DC/AC逆变器供电支路短路故障下流过各支路熔断器的短路电流I2t曲线及熔断器自身的弧前时间电流特性曲线，验证是否满足DC/AC逆变器供电支路熔断器最先达到弧前I2t、最先熔断，隔离故障点，其它非故障支路快速熔断器不熔断。
8.根据权利要求3所述的船舶直流综合电力系统的短路保护设计方法，其特征在于，所述系统瞬态最高电压U dc+ =U dc_N×(1+δu+)、瞬态最低电压U dc-=U dc_N×(1-δu-)、稳态最高电压U dc_max=U dc_N× (1+0.5δu)、稳态最低电压U dc_min=U dc_N×(1-0.5δu)、第i个支路的稳态最大电流I i_max=P i_N/U dc_min。
9.根据权利要求3所述的船舶直流综合电力系统的短路保护设计方法，其特征在于，所述第i个支路的短路电流峰值I i_maxf的计算包括：
根据最大和最小运行方式下各典型故障下系统短路电流仿真计算结果，得到不同工况不同故障点下各支路短路电流瞬时值；
将各支路短路电流瞬时值中的最大值作为各个支路短路电流峰值I i_maxf。
CN202111177415.2A 2021-10-09 2021-10-09 船舶直流综合电力系统及其短路保护设计方法 Pending CN113629695A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111177415.2A CN113629695A (zh) 2021-10-09 2021-10-09 船舶直流综合电力系统及其短路保护设计方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111177415.2A CN113629695A (zh) 2021-10-09 2021-10-09 船舶直流综合电力系统及其短路保护设计方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN113629695A true CN113629695A (zh) 2021-11-09

Family

ID=78390898

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111177415.2A Pending CN113629695A (zh) 2021-10-09 2021-10-09 船舶直流综合电力系统及其短路保护设计方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113629695A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114336539A (zh) * 2021-12-31 2022-04-12 苏州汇川控制技术有限公司 短路保护器件确定方法、短路保护电路、设备及存储介质

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004338577A (ja) * 2003-05-16 2004-12-02 Hitachi Ltd 車両用電力供給装置及び電力供給方法
CN106627151A (zh) * 2016-12-27 2017-05-10 广东亿鼎新能源汽车有限公司 一种电动汽车高低压配电系统
CN110504672A (zh) * 2019-09-06 2019-11-26 中国船舶重工集团公司第七0四研究所 船舶直流综合电力推进系统及系统的保护设计方法
CN113364063A (zh) * 2021-08-10 2021-09-07 湖北东湖实验室 纯电池动力船舶综合电力系统辐射状电网结构及控制方法
WO2021185056A1 (zh) * 2020-03-18 2021-09-23 无锡赛思亿电气科技有限公司 船舶直流组网电力系统及其运行和功率优化控制方法
CN113437741A (zh) * 2021-05-17 2021-09-24 交通运输部水运科学研究所 船舶多能源供电系统的能量和健康管控系统、方法和船舶

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004338577A (ja) * 2003-05-16 2004-12-02 Hitachi Ltd 車両用電力供給装置及び電力供給方法
CN106627151A (zh) * 2016-12-27 2017-05-10 广东亿鼎新能源汽车有限公司 一种电动汽车高低压配电系统
CN110504672A (zh) * 2019-09-06 2019-11-26 中国船舶重工集团公司第七0四研究所 船舶直流综合电力推进系统及系统的保护设计方法
WO2021185056A1 (zh) * 2020-03-18 2021-09-23 无锡赛思亿电气科技有限公司 船舶直流组网电力系统及其运行和功率优化控制方法
CN113437741A (zh) * 2021-05-17 2021-09-24 交通运输部水运科学研究所 船舶多能源供电系统的能量和健康管控系统、方法和船舶
CN113364063A (zh) * 2021-08-10 2021-09-07 湖北东湖实验室 纯电池动力船舶综合电力系统辐射状电网结构及控制方法

Non-Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会: "《GB/T 15548-1995》", 30 June 2008 *
刘洪伟: ""粤剧红船全船电力系统设计研究"", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士)》 *
夏天伟: "《电器学》", 31 May 1995, 机械工业出版社 *
张春来: "《船舶电气设备管理与工艺》", 30 April 2016, 大连海事大学出版社 *
羊本勇: "《供用电设备与系统》", 31 August 2007, 中国电力出版社 *
陈家文: "《常用设备的电气安装、调试与检修》", 31 May 2018, 北京理工大学出版社 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114336539A (zh) * 2021-12-31 2022-04-12 苏州汇川控制技术有限公司 短路保护器件确定方法、短路保护电路、设备及存储介质
CN114336539B (zh) * 2021-12-31 2024-02-23 苏州汇川控制技术有限公司 短路保护器件确定方法、短路保护电路、设备及存储介质

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Salomonsson et al. Protection of low-voltage DC microgrids
CN110504672B (zh) 船舶直流综合电力推进系统的保护设计方法
Yang et al. Characteristics and recovery performance of VSC-HVDC DC transmission line fault
Koldby et al. Challenges on the Road to an Offshore HVDC Grid
CN113826302B (zh) 一种光伏发电系统的保护装置、保护方法及光伏发电系统
CN109347134B (zh) 双极柔性直流电网极线电气主接线系统及在线检修方法
CN112383229A (zh) 多端口电力电子变压器拓扑结构及其交直流微电网系统
Li et al. Solid state DC circuit breaker for super uninterruptible power supply
CN115693907A (zh) 无切换不间断铁路信号电源电路
Xu et al. Modular reciprocating HVDC circuit breaker with current-limiting and bi-directional series-parallel branch switching capability
CN113629695A (zh) 船舶直流综合电力系统及其短路保护设计方法
EP2306607A2 (en) Device and method to protect an electric power distribution network against current faults
CN110605979A (zh) 一种新能源汽车高压电气系统
CN213585598U (zh) 多端口电力电子变压器拓扑结构及其交直流微电网系统
CN112003252B (zh) 线路故障切除装置及直流系统
CN110649565B (zh) 一种高铁再生制动能量回馈系统的保护方法
CN209170039U (zh) 一种双直流电源自动冗余零延时切换系统
KR20230087504A (ko) 전기 전력 시스템
CN110535105B (zh) 一种基于交流断路器切除的直流微网故障隔离方法
CN115603287A (zh) 考虑电流速断保护的分布式光伏最大接入容量实现方法
CN106772018B (zh) 一个半主接线变电站死区故障选串的判别方法
Gatta et al. Possible technical solutions for the new Sardinia-Corsica-Italy link
Ramaschi et al. Fuse-based protection system in a DC-microgrid for fast-charging applications: sizing and implications
CN219960166U (zh) 电池供电装置及供电系统
Dali et al. Short-circuit fault analysis and protection of stand-alone AC and DC microgrids

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20211109