船舶直流综合电力系统及其短路保护设计方法技术方案

本发明专利技术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。可靠性。可靠性。

【技术实现步骤摘要】
船舶直流综合电力系统及其短路保护设计方法


[0001]本专利技术涉及电力系统
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。

技术实现思路

[0006]本专利技术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。
[0007]本专利技术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。
[0008]本专利技术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。
[0009]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δ
u
‑
、突卸负载瞬态电压变化率δ
u+
、稳态电压调整率δ
u
，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。
[0010]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。
[0011]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阈值及本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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δ
u
‑
、突卸负载瞬态电压变化率δ
u+
、稳态电压调整率δ
u
，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、...

【专利技术属性】
技术研发人员：马凡，付立军，刘路辉，纪锋，张彦，胡祺，黄河，吴优，
申请(专利权)人：湖北东湖实验室，
类型：发明
国别省市：