【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及船舶与海洋工程领域与新能源，特别是一种氢燃料电池电力推进船舶的短路故障限流系统及方法。
技术介绍
1、海洋运输在交通运输业中起重要作用，然而船舶给环境造成的污染问题也日益严重。新能源对人类社会持续发展、人与自然和谐共生意义非凡，船舶绿色转型发展迅速、日新月异。氢燃料电池以其转化效率高、能量密度高、零碳排放、振动噪声低、寿命长等优点成为船舶电力推进系统的最佳选择。随着燃料应用技术的成熟和配套设施的完善，其应用范围将逐步扩大。氢动力船舶通常用于湖泊、内河、近海等航运场景，主要包括客船、渡船、内河货船、拖轮等类型。而海上工程船、海上滚装船、超级游艇等大型氢动力船舶的研制是当前国际上的趋势，随着氢燃料电池船舶航行距离和时间都逐渐扩大，在复杂工况、海浪冲击和盐雾环境等诸多因素影响下，直流电力推进系统会受到意外干扰和物理损坏，极易发生短路故障，由于船舶电力推进系统中电气组件布局紧密，短路故障引起的电气设备过热可能导致破坏性的后果，甚至造成全船电力系统的瘫痪。因此研究实现其故障的准确检测、快速切断极为重要。
2、《船舶直流综合电力系统检验指南2023》中明确规定，船舶直流配电系统可采用空气式框架或塑壳直流断路器、固态开关、直流熔断器等保护电器，结合保护策略设计，实现系统短路故障的快速分断与隔离。但由于船舶直流电力推进系统具有容量小、线路短和“低惯量”特性，故障发生后故障电流迅速上升且没有自然过零点，越大的故障电流会给断路器造成更大的要求和负担。因此在短路故障后可以通过增加限流设备的方式限制电流的突变，但这种方法增加了
3、因此，针对氢燃料电池电力推进船舶容量小、线路短和“低惯量”特性，在发生短路故障后瞬时输出电流迅速上升的问题，采用一种有效的短路故障限流方法，以降低瞬时输出电流幅值，对优化整个船舶直流电力推进系统稳定运行具有重要意义。
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种氢燃料电池电力推进船舶的短路故障限流系统及方法，实现对船舶直流电力推进系统短路故障时的暂态输出电流及稳态故障电流进行限制，降低了氢燃料电池电力推进船舶的体积和对断路器的要求，拓宽了保护动作时间要求，方便了后续的故障定位，并提高了其运行时的可靠性与稳定性。
2、为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种氢燃料电池电力推进船舶的短路故障限流系统，所述氢燃料电池电力连接船舶电源单元以及经直流母线与所述船舶电源配合的船舶负载：所述船舶电源单元包括氢燃料电池单元、蓄电池单元以及超级电容单元，其中蓄电池单元与超级电容单元共同构成储能系统。
3、在一较佳的实施例中，所述氢燃料电池电力推进船舶包括质子交换膜燃料电池发电单元(1)、蓄电池单元(2)、超级电容单元(3)、船舶直流电力推进单元(4)、负载单元(5)、电阻单元(6)；所述质子交换膜燃料电池发电单元(1)通过隔离升压全桥变换器输出侧接入直流母线；蓄电池单元(2)和超级电容单元(3)通过双向dc-dc功率变换器输出侧接入直流母线，其中双向dc-dc功率变换器使用电压电流双环控制，所述船舶直流电力推进单元(4)的输入侧接入直流母线(7)；所述负载单元(5)的输入侧接入直流母线(7)；所述电阻负载单元(6)接至直流母线(7)。
4、在一较佳的实施例中，所述系统由单元1、单元2……单元n构成；所述单元n是质子交换膜燃料电池发电单元、蓄电池单元、超级电容单元、船舶直流电力推进单元或负载单元；单元n通过母线相互连接构成辐射性单极性直流电力推进系统；所述单元n经过2个断路器并入所述辐射性直流母线。
5、本专利技术还提供了一种氢燃料电池电力推进船舶的短路故障限流方法，采用上述的一种氢燃料电池电力推进船舶的短路故障限流系统，包括以下步骤：
6、步骤s1：采样船舶的各电气量，包括双向dc-dc功率变换器的瞬时输出电流；电感电流il；电源单元输入电压及ui；母线侧输出电压uo；基于母线侧输出电压产生开关管的控制信号pwm波；
7、步骤s2：在双向dc-dc功率变换器的控制中加入自适应虚拟阻抗环节，其虚拟阻抗系数kv由当前故障状态确定，故障越严重虚拟阻抗系数越大；
8、步骤s3：电感电流基准iref与电感电流反馈il作差得到电感电流偏差值δi，其值送入电流控制器gi(s)中，作为调制波进行脉冲宽度调制，产生的高频斩波信号控制双向dc-dc功率变换器中功率开关q1的通断状态，功率开关q2的通断状态为与q1驱动信号互补的pwm波；
9、步骤s4：通过采样双向dc-dc功率变换器的瞬时输出电流io，利用一阶微分求瞬时输出电流变化率dio/dt,判断其值是否大于门槛电流变化率dio/dtth；
10、步骤s5：当瞬时输出电流变化率dio/dt大于门槛电流变化率dio/dtth时，切换控制模式为恒电流限流控制模式，此时电流控制器输出调制波进行脉冲宽度调制，产生的高频斩波信号控制双向dc-dc功率变换器中功率开关q1的通断状态，功率开关q2的通断状态为与q1驱动信号相位差180°的pwm波，切换双向dc-dc功率变换器驱动信号改为移相控制。
11、在一较佳的实施例中，所述步骤2中，虚拟限流阻抗rv与输出电流io相乘产生电压负反馈δuv，所产生电压负反馈与δuv与uref做差得到的电压偏差值δu求和得到实际电压环参考值，其值送入由比例、积分环节构成的电容电压pi控制器gv(s)，gv(s)的输出为双向dc-dc功率变换器电感电流基准iref。
12、在一较佳的实施例中，所述步骤s2中虚拟阻抗系数kv由当前故障状态确定，即虚拟阻抗数kv由式(1)确定；
13、
14、在一较佳的实施例中，所述步骤s4中，所述门槛电流变化率为判断双向dc-dc功率变换器切换控制策略的判断判据。
15、在一较佳的实施例中，所述步骤s5中门槛电流变化率dio/dtth，其瞬时输出电流io值由故障瞬间等效电路求得，此时双向dc-dc功率变换器等效为输出电容c与线路阻抗z的串联rlc电路，求得此时瞬时输出电流io由式(2)确定；
16、
17、在一较佳的实施例中，所述步骤s5中移相控制策略，功率开关q1的驱动信号占空比d<50％。
18、在一较佳的实施例中，所述步骤s5中移相控制策略，在功率开关两侧并联rc吸收电路，其中电容电阻值由式(3)(4)确定；
19、
20、与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
21、投资成本低，相较于在船舶直流电力推进系统中添加限流设备，本专利技术利用了系统中已有电力电子器件，通过数学映射的方本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种氢燃料电池电力推进船舶的短路故障限流系统，其特征在于，所述氢燃料电池电力连接船舶电源单元以及经直流母线与所述船舶电源配合的船舶负载：所述船舶电源单元包括氢燃料电池单元、蓄电池单元以及超级电容单元，其中蓄电池单元与超级电容单元共同构成储能系统。
2.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池电力推进船舶的短路故障限流系统，其特征在于，所述氢燃料电池电力推进船舶包括质子交换膜燃料电池发电单元(1)、蓄电池单元(2)、超级电容单元(3)、船舶直流电力推进单元(4)、负载单元(5)、电阻单元(6)；所述质子交换膜燃料电池发电单元(1)通过隔离升压全桥变换器输出侧接入直流母线；蓄电池单元(2)和超级电容单元(3)通过双向DC-DC功率变换器输出侧接入直流母线，其中双向DC-DC功率变换器使用电压电流双环控制，所述船舶直流电力推进单元(4)的输入侧接入直流母线(7)；所述负载单元(5)的输入侧接入直流母线(7)；所述电阻负载单元(6)接至直流母线(7)。
3.根据权利要求1或2所述的一种氢燃料电池电力推进船舶的短路故障限流系统，其特征在于，所述系统由单元1、单元2……
4.一种氢燃料电池电力推进船舶的短路故障限流方法，其特征在于，采用上述权利要求3所述的一种氢燃料电池电力推进船舶的短路故障限流系统，包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的一种氢燃料电池电力推进船舶的短路故障限流方法，其特征在于，所述步骤2中，虚拟限流阻抗RV与输出电流io相乘产生电压负反馈ΔUV，所产生电压负反馈与ΔUV与Uref做差得到的电压偏差值ΔU求和得到实际电压环参考值，其值送入由比例、积分环节构成的电容电压PI控制器Gv(s)，Gv(s)的输出为双向DC-DC功率变换器电感电流基准iref。
6.根据权利要求5中所述的一种氢燃料电池电力推进船舶的短路故障限流方法，其特征在于，所述步骤S2中虚拟阻抗系数kv由当前故障状态确定，即虚拟阻抗数kv由式(1)确定；
7.根据权利要求4所述的一种氢燃料电池电力推进船舶的短路故障限流方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述门槛电流变化率为判断双向DC-DC功率变换器切换控制策略的判断判据。
8.根据权利要求4所述的一种氢燃料电池电力推进船舶的短路故障限流方法，其特征在于，所述步骤S5中门槛电流变化率dio/dtth，其瞬时输出电流io值由故障瞬间等效电路求得，此时双向DC-DC功率变换器等效为输出电容C与线路阻抗Z的串联RLC电路，求得此时瞬时输出电流io由式(2)确定；
9.根据权利要求4所述的一种氢燃料电池电力推进船舶的短路故障限流方法，其特征在于，所述步骤S5中移相控制策略，功率开关Q1的驱动信号占空比D<50％。
10.根据权利要求4所述的一种氢燃料电池电力推进船舶的短路故障限流方法，其特征在于，所述步骤S5中移相控制策略，在功率开关两侧并联RC吸收电路，其中电容电阻值由式(3)(4)确定；
...【技术特征摘要】
1.一种氢燃料电池电力推进船舶的短路故障限流系统，其特征在于，所述氢燃料电池电力连接船舶电源单元以及经直流母线与所述船舶电源配合的船舶负载：所述船舶电源单元包括氢燃料电池单元、蓄电池单元以及超级电容单元，其中蓄电池单元与超级电容单元共同构成储能系统。
2.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池电力推进船舶的短路故障限流系统，其特征在于，所述氢燃料电池电力推进船舶包括质子交换膜燃料电池发电单元(1)、蓄电池单元(2)、超级电容单元(3)、船舶直流电力推进单元(4)、负载单元(5)、电阻单元(6)；所述质子交换膜燃料电池发电单元(1)通过隔离升压全桥变换器输出侧接入直流母线；蓄电池单元(2)和超级电容单元(3)通过双向dc-dc功率变换器输出侧接入直流母线，其中双向dc-dc功率变换器使用电压电流双环控制，所述船舶直流电力推进单元(4)的输入侧接入直流母线(7)；所述负载单元(5)的输入侧接入直流母线(7)；所述电阻负载单元(6)接至直流母线(7)。
3.根据权利要求1或2所述的一种氢燃料电池电力推进船舶的短路故障限流系统，其特征在于，所述系统由单元1、单元2……单元n构成；所述单元n是质子交换膜燃料电池发电单元、蓄电池单元、超级电容单元、船舶直流电力推进单元或负载单元；单元n通过母线相互连接构成辐射性单极性直流电力推进系统；所述单元n经过2个断路器并入所述辐射性直流母线。
4.一种氢燃料电池电力推进船舶的短路故障限流方法，其特征在于，采用上述权利要求3所述的一种氢燃料电池电力推进船舶的短路故障限流系统，包括以下步骤：
5....
【专利技术属性】
技术研发人员：李振宇，隋惠然，王国玲，林华建，林斌，张瑞芳，
申请(专利权)人：集美大学，
类型：发明
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