船舶直流电网固态母联开关优化设计与性能分析

钱正彦，董小伟，侯海波,盛俊

(1.株洲中车时代电气股份有限公司，湖南 株洲 412001；2.招商局邮轮制造有限公司，江苏 海门 226116；3.中国船级社武汉分社，武汉 430000)

随着船舶节能减排和新能源动力应用的发展，一种基于直流电网技术的电力推进系统方案成为研究的热点，其主要优势在于直流电网无频率、相位同步等要求，柴油机组可以根据实时负载变化实现变速发电以提高推进系统的燃油经济性，便于新能源接入，可实现纯电动、混合动力、柴油发电模式随意组合，助力船舶低碳运营。直流组网技术在提高系统效率、减小系统体积的同时也带来了电网谐振、直流短路检测与关断等关键技术难题。直流母联开关是连接多段有源直流母线并实现部分电网故障切除的核心装置，目前多采用陆用电网直流断路器拓扑，存在着体积大、成本高等劣势。国内外对船舶直流微网断路器的研究较少，主要集中在直流断路器种类及其在船舶上的应用特性分析、电气性能建模仿真等，较少针对船舶电网进行设计与研究。考虑到船舶电力推进系统对体积、可靠性、成本、过电压，以及可移植性等综合要求，拟从低压直流组网电力推进系统特点、固态断路器在船舶直流系统短路故障时的关断特性出发，以船舶特定需求为导向分析设计低压直流母联开关拓扑，借助国内外相关研究思路，仿真分析短路关断电流、短路关断时间、关断过电压抑制、关断震荡抑制，逐一分析对比，提出优化的母联拓扑并验证拓扑参数。

1 船舶直流组网电力推进系统分析

船舶交流电力推进系统与直流电力推进系统如图1和图2所示。

图1 交流电力推进系统典型拓扑

图2 直流电力推进系统典型拓扑

交流电力推进系统是把各发电机输出端集成并入交流电网，交流推进负载通过推进变频器挂在交流电网；而直流电力系统将各发电机输出端整流后并入直流电网，推进、日用负载通过逆变单元接入直流电网。

船舶直流组网电力推进系统相比交流系统在效率、成本等应用方面上有巨大优势，但同时也提高了技术门槛，需有良好的电网稳定性控制技术和选择性保护技术等核心关键技术做支撑。为详细分析直流电网特性，指导设计优化的短路保护装置，以图2所示的典型拓扑为例，开展低压直流电网(1 000 V)短路故障仿真分析，拓扑详细参数见表1。

表1 船舶直流电网基本参数

根据船舶直流电网的实际工程特点，设置直流母联开关远端、中间和附近三种短路故障(分别位于图2中标号SC1/SC2/SC3处)，计算短路故障下母联开关的电压、电流特征。为研究船舶直流电网故障关断的基本特征，仿真计算时将母联开关视为一个半导体开关和导线连接的通路(此处不考虑故障保护关断)，以研究不同点短路且无保护动作情况下，一段时间内直流母线的电气特征参数变化规律。

计算得到在直流系统母线短路故障情况下，母联开关通过电流的变化规律，见图3;正常侧DCBUS A近短路点端的电压跌落规律，见图4。

图3 直流电网短路电流变化规律

图4 直流电网短路电压变化规律

图3所示的短路电流变化规律可为短路保护器件电流参数选择和短路关断时间提供理论指导。图3a)表明，短路发生后几ms内变化规律基本一致，即短路电流上升到一定极值后开始下降并最终趋于稳定，整个过程持续约8 ms。图3b)表明：短路发生初期电流变化情况与短路点距母联开关位置有关，SC2和SC3的短路电流变化率基本一致，而SC1的短路延迟大且电流变化率与后2种情况差异巨大(短路点等间距设置)，短路点离母联开关越远则短路初期的电流上升率越低。

图4证实线路电压跌落率与短路位置相关，较大的杂散会抑制初期的电压跌落同时会导致后期线路电压的震荡，短路发生后约4 ms支撑电容电量释放完毕。母联开关关断响应时间受到电压跌落时间和器件关断电流上限限制，一侧发生短路后正常侧电压跌落100 V需约600 μs(图4)，而600 μs时母联开关的短路电流已经超过8 kA，这表明短路关断时间选择主要受短路电流限制。根据电压等级和持续工作电流等特征，相对应IGBT和IGCT电气参数分别为1 700 V/3 600 A和4 500 V/4 000 A。

由图3b可知，在近保护装置侧SC3处短路后约200 μs达到器件的关断电流上限，因此需在短路发生后200 μs内完成检测与关断保护。去除约50 μs控制响应时间，剩余150 μs的关断时间符合保护关断需要，也证实了母联开关内部需配置不小于9 μH的电感以保证SC3类恶劣短路时母联开关的正常关断。因此，以短路发生后150 μs关断为基础，开展保护关断的性能预测与电路拓扑优化，计算得到短路故障关断后的电气特征参数见图5。

图5 无吸收回路的短路关断电气特征

图5a)所示为SC3处短路时，150 μs关断电流最大，约为3.2 kA，满足系统和保护装置器件的极限要求。实际中，不同短路情况下的关断时间可由控制系统根据短路电流或电流变化率综合判定，150 μs关断仅为最恶劣短路条件下的关断要求，远端短路时关断时间可以大于150 μs。故障关断后会在正负极母线上产生峰值近10 kV的高压脉冲(见图5b))，持续时间约2 μs。同样也会在母联开关两端产生一个2 μs的电压脉冲(见图5c))，峰值约100 kV。图5b)与图5c)表明，短路故障导致母联开关关断后会在正常侧正负极、母联开关两端产生瞬时的高压脉冲，其特点是电压高、持续时间短，且母联开关两端的电压峰值约为正常侧正负极母线峰值电压的10倍。图5表明直流电网故障时固态断路器瞬态关断会在断路器两端激起高电压脉冲，因此必须给断路器配备相应的能量吸收电路保证关断瞬间固态开关不被损坏。

2 直流母联开关拓扑分析与设计

陆地直流电网保护装置(直流断路器)的主要特点是混合断路器形式、不受空间限制、单级关断、高压小电流、几ms内关断。目前国内外船舶直流电网断路器主要有两类形式，一类是通过变流器(DC/DC)实现，特点是能够实现电网能量的主动调配并实现微秒级关断，但功率损耗高、成本也高；另一类是从陆地直流电网断路器衍生过来的断路器(包括混合式断路器和不带机械部分的固态断路器)，混合式断路器优点是正常工作损耗低，缺点是体积大、关断时间只能到ms级、关断控制繁琐、成本高；固态断路器体积、成本等方面更优，且适应船舶满功率持续通流概率低的应用工况。因此，从瞬态关断速度和成本角度来讲，固态式保护装置都是最佳选择。

以前的船舶直流断路器采用传统陆用固态断路器实现正负极关断，需采用4个开关管IGBT、2个电阻R、2个电容C和2个压敏电阻(MOV)，见图6。其作为船舶直流电网母联保护装置存在体积偏大，电路结构复杂等问题。

图6 传统固态断路器

为了满足船舶小体积、对称型等要求，提出一种新型吸收回路的母联开关拓扑结构，见图7。

图7 新型吸收回路的母联开关拓扑

较之于传统型固态断路器，分体式母联开关拓扑仅需4个开关管、2个二极管和2个电容，在元器件数量、装置体积及成本方面更具优势。

3 母联开关故障关断特性分析与优化

为验证图7所示新型吸收回路的母联开关拓扑性能，以图2所示的系统为基础，验证其电气特性及该新型拓扑的适用性。

根据前述短路故障分析情况可知，需分析保护装置发生短路故障关断后二极管的续流特征、正常侧正负极母线电压波动特征和母联开关两侧电压波动特征，以评估新型保护装置电路关断过电压的抑制特性。考虑到保护装置关断和吸收性能仅受极限情况限制，因此只分析SC3处短路(极限短路)的电气特征，见图8。

图8 新型吸收回路母联开关关断特性

如图8a)所示，短路故障发生150 μs后(短路电流约3.2 kA)保护装置关断，流过开关管的电流BTSA由3.2 kA变为0，同时关断开关管附近的二极管电流FWD1瞬间抬升到3.2 kA并保持600 μs的线性下降，直至下降至0。图8a)表明，母联开关关断后二极管承受短路关断的瞬时续流保持回路畅通，避免了短路侧母线杂散电感对关断侧的负压影响。如图8b)所示，采取二极管续流和电容吸收优化后，短路故障关断后正常侧电压BusbarV波动由优化前(见图5b))约10 kV降至约1 250 V，波动时间由约2 μs变为持续震荡；母联开关两端电压BTSV由极值约100 kV、5.5 kV短时持续降至约550 V。图8b)表明，通过二极管续流和电容吸收在减少装置复杂度和体积的同时，极大的优化了关断过电压问题，过电压抑制在250 V以内，保证了器件的绝对安全。图8b)所示的关断电压保证了器件的安全，但也引发电压震荡问题，震荡时间由优化前的高电压、2 μs变成了低电压、持续震荡，正常侧的电压波动会影响整流、逆变单元的正常工作。上述震荡是关断瞬间过电压产生的激荡能量在吸收电容中充放电，并通过线路杂散电感与各模块电容产生的谐振，如果在短路关断产生激荡电能后能够迅速通过吸收电容释放，则可以使得电压震荡迅速衰减。

针对上述问题，提出一种制动单元与母联开关融合的斩波复用母联开关拓扑，即为分体式斩波复用母联开关拓扑，见图9。

图9 分体式斩波复用母联开关拓扑

分体式斩波复用母联开关形成船舶推进系统独特的保护装置形式，在实现电压波动抑制的同时减少系统体积和成本。为验证斩波功能复用母联开关拓扑对故障关断电压波动抑制的可行性，计算短路发生后开关关断同时开启斩波的特性，计算结果见图10。

图10 分体式斩波复用母联开关短路关断特性

如图10所示，短路故障关断时开启斩波放电回路削弱了关断初期电压峰值(减少约50 V)；对电压震荡抑制作用良好，直流电压在故障关断后约5 ms进入稳定状态，即保护装置与斩波一体化布置保障在短路关断时电压波动快速收敛。图10表明，分体式斩波复用母联开关是集对称性、体积、成本、性能为一体的高性能船舶直流微电网固态断路器。

4 结论

1)低压直流电网合适的关断器件可选IGBT-1 700 V/3 600 A和IGCT-4500 V/4 000 A，关断时间配置可在150 μs以内，母联开关电感值保证不小于9 μH。

2)设计的分体式母联开关适应船舶体积要求和灵活组合需求，通过二极管续流和斩波回路布置实现了短路关断过电压和电压震荡抑制，其过电压抑制效果优于传统断路器，震荡时间劣于传统断路器，震荡时间控制在5 ms内，过电压控制在1 300 V内。