[发明专利]船舶直流综合电力推进系统的保护设计方法

说明书

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。

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。