混合動力船舶直流組網變頻控制配電系統測試流程分析

蔡佳慧

(福建省馬尾造船股份有限公司,福建 福州 350501)

0 引言

為應對氣候變化,近年來對于航運排放的要求日趨嚴格,中國海事局、歐盟、國際海事組織等均對減緩溫室氣體排放和提高能效提出要求,節能減排已經成為硬指標。與此同時,依托扎實的船舶工業基礎和不斷壯大的新能源動力電池產業,我國在電動船舶、混合動力船舶領域快速發展。

本文以對國內首艘新能源混合動力港作拖輪——5000馬力綠色智能型新能源混合動力拖輪(以下簡稱5000馬力混合動力拖輪)直流組網變頻控制配電系統調試試驗為例,總結出一套針對混合動力船舶特有的直流組網變頻控制配電系統的測試流程。

1 5000馬力混合動力拖輪直流電網系統架構與組成

5000馬力混合動力拖輪直流電網單線圖如圖1所示,動力系統由3臺1400 kW交流發電機組,以及2組鋰電池組成,共計容量為1960 kW·h,分別經過可控整流器及DC/DC變流器接入直流母排。

圖1 5000馬力混合動力拖輪直流電網單線圖

直流組網變頻控制配電柜技術參數如表1所示,柜內配置發電機整流模塊、DC/DC變流器模塊、主推進驅動模塊、日用電源供電模塊、水冷屏、能量管理控制器(EMS)、推進控制器、直流母排、固態斷路器及直流開關、熔斷器等,其主要參數等信息如表2所示。其中,固態斷路器選用瑞士ASTROL公司直流固態斷路器,其具有快速斷開的特點,可以實現故障的微秒級保護響應,限制故障電流,使故障電流不會達到損壞器件的能量等級,把故障對負載的影響降至最低,并且在斷開時不會產生電弧。能量管理控制器選用奧地利B&R公司先進的X20系列船用控制產品,控制系統采用冗余控制器,實現以太網通訊,從而保障了5000馬力混合動力拖船的安全性、先進性和可拓展性。

表1 直流組網變頻控制配電柜的主要技術參數

表2 直流組網變頻控制配電柜的主要元器件產品明細

2 直流組網變頻控制配電柜測試流程及方法

2.1 結構及外觀檢查

直流組網變頻控制配電柜的結構和外觀應符合國際電工委員會IEC 61800-5-1的要求。檢查配電柜表面是否完整,無污損、裂痕、磕碰等現象,門鎖緊固,可以靈活轉動和開關。

2.2 電氣連接檢查

電氣連接應與電氣原理圖紙保持一致,無短路、斷路現象,應能看到柜內器件標簽,并與圖紙一致。直流組網變頻控制配電柜內部接線應該緊固、整齊,強電弱電保持足夠距離。 直流組網變頻控制配電柜中的儀表、指示燈及顯示屏等運行正常,按鈕可以正常按動。

2.3 電氣間隙及爬電距離

根據《鋼質海船入級規范(2021)》[1]要求,裸主匯流排的最小電氣間隙和最小爬電距離要求如表3所示。

表3 裸主匯流排的最小電氣間隙和爬電距離要求

5000馬力混合動力拖船交流額定電壓為 690 V,則其交流裸主匯流排的電氣間隙應不小于20 mm,爬電距離應不小于 25 mm;直流額定電壓為1000 V,則其直流裸主匯流排的電氣間隙應不小于25 mm,爬電距離應不小于35 mm。

2.4 絕緣電阻測量

絕緣電阻的測量應由設備制造商負責短接(或拆除)電容器等電子元器件和耐壓小于兆歐表電壓的元器件。絕緣電阻檢查儀表為500 V/1000 V兆歐表;絕緣電阻檢查對象為各設備的主電路不同極帶電部件之間絕緣電阻、各電路帶電部件與地之間絕緣電阻;環境溫度為0～45 ℃,相對濕度為小于 95%;絕緣電阻最低不小于 1 MΩ。測試限值應符合《機械電氣系統安全需求(2006)》(EN 60204-1)。

在耐壓試驗之后,應再次用直流高阻計測量其所有載流部分對地及載流部分的極間或相間的絕緣電阻,其值應不低于1 MΩ。

2.5 耐壓測試

使用耐壓測試儀分別對A、B兩段直流正負母排及三相交流輸出銅排進行試驗,試驗過程中將斷開直流開關、電子電路、直流熔斷器及儀表。直流部分施加50 Hz、3500 V的交流電壓,持續60 s;交流部分施加50 Hz、3000 V的交流電壓,持續60 s。

若無擊穿閃絡及損壞現象、漏電流未明顯增加,則判定為合格。

2.6 直流母排溫升試驗

銅排溫升試驗采用銅排短接的方式進行,試驗過程中應關閉柜門、頂蓋及側板,如圖2所示。

圖2 直流母排溫升試驗原理

保證直流銅排運行在額定電流狀態,觀測并記錄銅排的溫度,等到銅排的溫升穩定后(1 h內低于1 K)試驗停止,試驗驗證銅排的溫升范圍是否符合正常工作范圍,直流母線測試電流為2200 A。

對于直流母排溫升測試,建議測量溫度的位置應包括正母排與分支母排連接處、正母排與斷路器連接處、負母排與母排連接處、負母排與隔離開關連接處、柜外環境溫度。根據《鋼質海船入級規范(2021)》要求,母線的最大溫升不應超過45 K。設定最大溫升為45 K,則最大溫度為90 ℃。直流母線的溫升等于直流母線的最大溫度減去柜外空氣溫度(即時值)。測量方法如表4所示。

表4 直流母排的溫度限值及測量方法

2.7 冷卻管路保壓試驗

連接熱交換柜與直流組網變頻控制配電柜之間的冷卻水管,用外部注水泵通過熱交換柜注水口往直流組網變頻控制配電柜內部冷卻管路內注水,內部管路水管壓力達到指定值后停止注水,靜置并觀察熱交換柜水冷單元壓力表1 h。若內部管路壓力仍保持不變,則判定為合格。

2.8 直流母排短路試驗

2.8.1 短路電流計算

使用MATLAB中的Simulink仿真軟件,搭建系統等效電路模型,參照《船舶直流電力系統短路電流計算方法》(GB/T 35715—2017)進行短路電流計算[2]。

對直流配電系統來說,短路電流主要來源于配電板內各個功率模塊內支撐電容的放電,保護器件的動作時間一般在幾十至幾百微妙量級?？紤]到發電機組或蓄電池組的響應速度,提供保護器件動作的能量主要來自母線電容,電源端及負載端對系統短路電流和保護器件動作的影響基本可以忽略。同時,參考《船舶直流綜合電力系統檢驗指南(2023)》[3]中的動力電池儲能裝置的等效電路建模方法。在搭建系統等效模型時遵循以下基本等效原則:

①故障時刻的變頻模塊等效成電容。

②故障時刻的導線和銅排等效成電阻和電感。

③故障時刻的直流熔斷器等效成電阻。

④主要考慮來自電容的放電電流,忽略了來自電動機的電流回饋。

將5000馬力混合動力拖輪直流組網變頻控制配電系統故障模型進行等效轉換,如圖3所示。

圖3 5000馬力混合動力拖輪直流組網變頻控制配電系統故障模型等效圖

2.8.2 驗證性試驗項目

基于仿真軟件計算結果,選取2～3個短路點進行驗證性試驗,如圖4所示。

圖4 5000馬力混合動力拖輪直流電網短路點示意圖

測試儀器數字包括示波器、萬用表、交直流探頭、差分電壓探頭、羅氏線圈(變比為1 mV/A)、羅氏線圈(變比為100 kA/V)等。

2.8.2.1 電源或負載側短路試驗方法

①利用外部開關控制實現故障點短路,將所選取的短路點接入母排的支路(熔斷器前),正負極銅排接線端分別用電纜接到外部開關兩極,開關保持斷開狀態。

②通過一套AFE整流器將直流母排電壓提升至1100 V,其余非故障點AFE整流器、 DC/DC直流變換器、主推進逆變器、日用逆變器均處于停機狀態,分斷蓄電池組高壓柜內接觸器(如選取DC/DC直流變換器作為短路故障點,則無需分斷該故障點對應的蓄電池組高壓柜內接觸器)。

③停止充電整流器運行并斷開前端進線開關,直流母排開始自然放電。

④在直流母排放電至1000 V(母排額定電壓)時,將外部開關接通,觸發短路開關,實現故障點短路,觀察各支路熔斷器狀態,用示波器測量該母排電壓及短路點短路電流。

⑤合格依據:所選取的故障短路點熔斷器保護動作(熔斷),其余熔斷器未動作。

⑥記錄6 kA羅氏線圈測量的主回路短路電流的分流器電流,記錄換算后的實際短路電流值。

2.8.2.2 直流母排上短路試驗方法

①利用外部開關控制實現故障點短路,將直流母排遠端正負極銅排接線端分別用電纜接到外部開關兩極,開關保持斷開狀態。

②通過一套AFE整流器將直流母排電壓提升至1100 V,其余AFE整流器、 DC/DC直流變換器、主推進逆變器、日用逆變器均處于停機狀態,分斷蓄電池組高壓柜內接觸器。

③停止充電整流器運行并斷開前端進線開關,直流母排開始自然放電。

④在直流母排放電至1000 V(母排額定電壓)時,將外部開關接通,觸發短路開關,實現故障點短路。觀察各支路熔斷器狀態,用示波器測量該母排電壓及短路點短路電流。

⑤合格依據:故障側母排的母聯開關保護動作、DC/DC變換器母排側熔斷器、發電機AFE整流器母排側熔斷器、主推進逆變器母排側熔斷器、日用逆變器母排側熔斷器均保護動作(熔斷),非故障側母排熔斷器未動作。

⑥記錄6 kA羅氏線圈測量的主回路短路電流的分流器電流,記錄換算后的實際短路電流值。

2.9 直流組網變頻控制柜功能試驗

直流組網變頻控制柜內置能量管理控制器,主要包含異步發電機控制、日用電源控制、儲能系統控制及預充電等功能。其中,發電機系統的控制、發電機系統的監測和報警、發電機的保護、推進系統的控制、推進系統的監測和報警、負載分配功能、自動起停發電機功能等試驗與普通交流配電系統的功率管理系統(PMS)功能試驗相似,不再贅述。以下針對直流組網變頻控制系統特有的儲能系統和岸電充電功能測試流程進行闡述。

2.9.1 儲能系統試驗

2.9.1.1 儲能系統啟停試驗方法

①將儲能系統屏的旋鈕切換至“本地”,儲能系統屏的“充電就緒”或者“放電就緒”指示燈常亮。

②按下“啟動”按鈕,指示燈閃爍,儲能系統啟動完畢,指示燈由閃爍變成常亮。

③按下 “停止”按鈕,指示燈閃爍,儲能系統停止完畢,指示燈由閃爍變成常亮。

④觀察并記錄試驗結果。

2.9.1.2 儲能系統急停試驗方法

5000馬力混合動力拖船設有3個儲能系統應急停止按鈕,分別位于直流組網變頻控制柜DC/DC屏、駕控室和監控室,任意一個按鈕被按下都將觸發變頻器的應急停止。

①按下任意一個“應急停止”按鈕,“報警”指示燈閃爍,蜂鳴器響動,觸摸屏上顯示相應信息。

②按下“復位”按鈕,“故障”指示燈變為平光,按下“消聲”按鈕,蜂鳴器停止響動;復位“應急停止”按鈕,“故障”指示燈熄滅。

③觀察并記錄試驗結果。

2.9.1.3 儲能系統過載保護試驗方法

①通過軟件設定儲能系統的實際電流超過瞬時過載電流設定值后,儲能系統應能發出瞬時過載報警。

②通過軟件設定儲能系統的實際電流超過延時過載電流設定值后,延時一定時間后,儲能系統應能發出電流延時過載報警。

③觀察并記錄試驗結果。

2.9.2 岸電充電裝置試驗

2.9.2.1 岸電充電裝置啟停試驗方法

①將充電樁的旋鈕切換至“遙控”且處于就緒狀態。

②按下觸摸屏“充電啟動”按鈕,直流組網變頻控制柜岸電屏“合閘”指示燈變成常亮;按下電池“啟動”按鈕,指示燈閃爍,電池系統啟動完畢,指示燈由閃爍變成常亮。

③在觸摸屏設置不同的充電電流值,觀察駕控臺顯示屏電池系統的充電電流。

④觸摸屏按下 “充電停止”按鈕,直流組網變頻控制柜岸電屏“分閘”指示燈變成常亮。

⑤觀察并記錄試驗結果。

2.9.2.2 岸電充電裝置急停試驗方法

5000馬力混合動力拖船設置有2個岸電充電裝置應急停止按鈕,分別位于充電樁、直流組網變頻控制柜岸電屏,任意一個應急停止按鈕被按下將觸發岸電充電裝置的應急停止,分斷岸電開關。

①按下其中任意一個“應急停止”按鈕,岸電開關分閘,“報警”指示燈閃爍,蜂鳴器響動,觸摸屏上顯示相應信息。

②按下“復位”按鈕,“故障”指示燈變為平光,按下“消聲”按鈕,蜂鳴器停止響動;復位“應急停止”按鈕,“故障”指示燈熄滅。

③觀察并記錄試驗結果。

3 結束語

配電系統對電動船舶、混動船舶的重要性不言而喻。通過嚴格的測試,可以檢測出潛在的故障和問題,從而避免在船舶運營的過程中出現故障,同時,還可以通過測試,評估配電柜的性能指標,為優化船舶電力系統提供依據。本文針對5000馬力混合動力拖船的直流組網變頻控制配電柜的測試做了簡要分析、闡述和總結,該測試方案和流程可以作為采用直流組網變頻控制配電系統的船舶做系統測試時參考。