阅读说明：本技术 分析直流电力系统的变频器内熔断器对于短路电流的响应能力的仿真建模分析方法 (Simulation modeling analysis method for analyzing response capability of fuse in frequency converter of direct-current power system to short-circuit current ) 是由 乌云翔 邵诗逸 岳凡 常国梅 武治江 高双建 于 2020-03-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种分析直流电力系统的变频器内熔断器对于短路电流的响应能力的仿真建模分析方法。本方法通过计算模型的建立,可以准确得出变频器直流短路时,各个设备内熔断器的I<Sup>2</Sup>T,可以有效验证直流组网系统故障选择性切除的可靠性,也可为熔断器的设计选型提供依据。(The invention discloses a simulation modeling analysis method for analyzing the response capability of a fuse in a frequency converter of a direct-current power system to a short-circuit current. The method can accurately obtain the I of the fuse in each device when the direct current of the frequency converter is short-circuited by establishing the calculation model 2 And T, the reliability of selective fault removal of the direct-current networking system can be effectively verified, and a basis can be provided for design and type selection of the fuse.)

分析直流电力系统的变频器内熔断器对于短路电流的响应能 力的仿真建模分析方法

技术领域

本发明涉及一种应用于船舶的电气系统，尤其涉及一种分析直流电力系统的变频器内熔断器对于短路电流的响应能力的仿真建模分析方法。

背景技术

C-PP直流组网技术的组网方式为直流网，即船舶上的岸电电源、锂电池组与用电负载通过C-PP变频器组网连接，整个电气功率通过高效、高动态特性的直流母线分配。在C-PP系统中，当某设备发生短路故障时，会在直流母线、变频器或者交流输出端出现明显的过电流，如果没有选择性地对故障设备进行切除，最终可能导致船舶全船失电、船舶丧失操控性，即丧失推进的能力，严重可导致船舶碰撞或船舶失火等。

因此当某设备发生短路故障时，需要尽快地将该故障设备从整个系统中切除，以避免故障的扩大化。根据《船舶电力系统过电流选择性保护指南》，CCS规范对于故障选择性的实现规定电气系统具有自动转换功能，且由不同分配电板供电的双套重要设备情况以外，所有包括重要设备电路的短路保护应是选择性保护。同时，在满足选择性保护的前提下，应尽可能快地切断故障电路，从而减少对电力系统的影响和发生火灾的危险。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种分析直流电力系统的变频器内熔断器对于短路电流的响应能力的仿真建模分析方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种分析直流电力系统的变频器内熔断器对于短路电流的响应能力的仿真建模分析方法，具体如下；

1).建立柜体模型，以建立单个柜体为例，将其中变频器建模成的电容C_M1及其等效直流电阻R_ESRc串联的模型，变频器的输入及输出侧分别连接的两组直流母线的熔断器，每组直流母线的熔断器包括并列设置的两个熔断器单体，将熔断器单体建模成电阻，变频器的输入及输出侧到熔断器之间的电缆或铜排都标记为CO1；两组熔断器到直流母排之间的电缆或铜排都标记为CO2；直流母线上的铜排标记为CO3，由正负两组组成；单个电缆或铜排CO1和CO2简化成电阻与电感串联的模型，单个铜排CO3简化成电阻与电感串联的模型，并将铜排CO3的电容简化成设置在正负直流母线之间的整体电容C_int；；通过计算得出柜体模型的具体参数；具体计算如下：

(a)通过熔断器的稳态直流功耗和额定电流计算出等效直流电阻，见如下公式：

其中：P_{V Fuse}是熔断器的稳态直流功耗；是熔断器的稳态直流电流；R_Fuse是稳态直流电阻；

在短路状态时，仿真模型中熔断器的等效短路电阻R_SCFuse采用对熔断器进行短路测试并采集熔断器的实际熔断波形后进行曲线拟合的方式来建模；

(b)计算电缆或铜排简化成的电阻与直流电感的数值R_co1,R_co2,R_co3,L_co1,L_co2,L_co3,计算铜排CO3的等效电容C_int；

2)、建立柜体简化电路模型，将正负两根直流母线间除电容C_M1及其等效直流电阻R_ESRc外的电阻等效成一个电阻Ra，将正负两根直流母线间除电容C_M1及其等效直流电阻R_ESRc外的电感等效成一个电感La；将正负两根直流母线上的电阻等效成一个电阻Rb,将正负两根直流母线上的电感等效成一个电感Lb,得到简化模型，其中：R_a＝2R_CO1+R_SCFuse+2R_CO2；L₈＝2L_CO1+2L_CO2；R_b＝2R_CO3；L_b＝2L_CO3；

3)、建立系统电路模型，参照上述步骤建立C-PP系统包含所有的柜体的整体电路模型；

4)、使用MATLAB模拟计算，得出某一柜体内变频器直流短路时各个柜体内变频器中熔断器的I²T；

故障回路熔断器的电流和时间的累积迅速达到其熔断I²T，故障回路切除；若在故障回路切除时，其它所有非故障回路熔断器的电流和时间的累积没有超过对应熔断器的弧前I²T，即表明非故障回路没有受到影响；若在故障回路切除时，有非故障回路熔断器的电流和时间的累积超过对应熔断器的弧前I²T，则需将该位置的熔断器更换为弧前I²T更大的熔断器。

作为一种优选的方案，所述计算电缆或铜排简化成的电阻的数值R_co1,R_co2,R_co3具体计算公式是：其中：电阻值R，单位Ω；电阻率ρ，单位：Ωm²/m；电缆或者铜排的长度l，单位：M；电缆或者铜排的截面积A，单位：m²。

作为一种优选的方案，所述计算电缆简化成的直流电感的数值L_co1,L_co2,L_co3,的计算公式是：其中：真空磁导率μ₀，是常数4π×10^-7；单位H/m；2条圆形电缆的中心距离a，单位M；电缆半径r_L，单位M；单根电缆长度l，单位M。

作为一种优选的方案，所述计算铜排简化成的直流电感的数值L_co1,L_co2,L_co3的计算公式是：其中：正负铜排之间的平均间距a；单位M；单相铜排宽度b，如果是多条铜排，用宽度叠加计算；单位M；铜排高度h；单位M；单相铜排长度l，单位M。

作为一种优选的方案，所述铜排CO3的等效电容计算公式为：

其中ε_di为电容常数，值为8.854×10^-12F/m，a为正负铜牌之间的平均距离，单位m，b为铜排宽度，单位m，h为单相铜排长度，单位m。

本发明的有益效果是：本方法通过计算模型的建立，可以准确得出变频器直流短路时，各个设备内熔断器的I²T，可以有效验证直流组网系统故障选择性切除的可靠性，也可为熔断器的设计选型提供依据。

且当某一段直流母线上的变频器发生直流短路时，电力电子开关会将故障半舷从非故障半舷的直流母线之中切出，所以对于变频器直流短路分析，只需要考虑故障变频器所在的单独一段直流母线上的所有设备，不需要对整舷所有设备进行分析。

附图说明

图1为本发明直流电力系统单线图；

图2为本发明变频器电容外侧直流短路示意图；

图3为本发明变频器电容内侧直流短路示意图；

图4为本发明中M1柜体仿真模型；

图5为本发明中铜排CO3的等效电路模型；

图6为本发明电缆模型；

图7为本发明铜排模型；

图8为本发明M1柜体电路模型；

图9为本发明M1柜简化电路模型；

图10为本发明系统整体模型。

图中：1-岸电电源；2-锂电池；3-C-PP变频器组网；4-发电机组；5-推进电机；6-日用负载；7-电力电子开关；31-变频器；311-功率模块；312-电容；32-熔断器；33-直流母排。

具体实施方式

下面结合附图，详细描述本发明的具体实施方案。

如图1所示，直流电力系统包括船舶上的岸电电源1、锂电池2和发电机组4，三者通过C-PP变频器组网3连接有日用负载4和推进电机5；直流电力系统至少包含两组C-PP变频器组网3，C-PP变频器组网3之间通过电力电子开关7连接；C-PP变频器组网3包括变频器31，熔断器32和直流母排33；变频器31一侧与岸电电源1或锂电池组2连接，另一侧通过熔断器32与直流母排33连接；如图2，图3所示，变频器31包括功率模块311和电容312。

当直流电力系统中连接左右舷的两段直流母排33发生接触而出现短路，或变频器31发生直流短路时，与两段直流母排33连接的电力电子开关7会在15～25μs的时间内跳开，从而将故障半舷从非故障半舷的直流母线之中切出，将短路母排和正常工作的母排在物理上隔离开，保证了剩余直流母线上设备的运行能力，从而实现了故障的选择性保护；

当变频器31发生直流短路时，有两种短路情况，图2为电容312外侧直流短路，图3为电容312内侧直流短路；

两种情况下的短路回路是类似的，当短路发生时，P₁的电容C₁会向短路点放电并输送电流I₁，P₂的电容C₂通过相对较长的回路向短路点放电并输送电流I₂；I₁不会通过熔断器，而I₂会流过熔断器并可能导致熔断器发生熔断；

由于C₁较小，回路的电阻也较小，所以整个回路放电时间常数较短，I₁衰减得很快；由于C₂一般较大(C₂为所有非故障模块的电容)，而且回路较长，且包含了熔断器的阻抗，因此整个回路的放电时间常数较长；

熔断器F₁由于I₂电流的I²T累积而熔断，从而被切除出回路；并且F₂的I²T没有达到其弧前I²T，不会受到任何损伤；从而实现变频器直流短路时的故障选择性切除；

由于第二种短路情况的I₂的放电回路更长，短路电流更小一些，情况相比于第一种情况更为缓和，所以可以认为，第一种情况覆盖了第二种情况，因此在变频器电容外侧直流短路情况下，分析熔断器对于短路电流的响应能力。

为了验证故障选择性切除的可靠性，下面提出一种分析直流电力系统的变频器内熔断器对于短路电流的响应能力的仿真建模分析方法，用以计算出变频器31发生直流短路时，直流电力系统中各设备的熔断器32的I²T。

短路故障时，连接两段直流母线的电力电子开关会在15～25μs的时间内跳开，将连接的两段直流母线分开，忽略在此极短时间内的两段直流母线的相互作用，所以对于变频器直流短路分析，只需要考虑故障变频器所在的单独一段直流母线上的所有设备，不需要对整舷所有设备进行分析。

分析直流电力系统的变频器内熔断器对于短路电流的响应能力的仿真建模分析方法，具体如下；

1.建立柜体模型，以建立主推柜体M1为例，如图4所示，将其中变频器建模成的电容C_M1及其等效直流电阻R_ESRc串联的模型，变频器的输入及输出侧分别连接的两组直流母线的熔断器，每组直流母线的熔断器包括并列设置的两个熔断器单体，将熔断器单体建模成电阻，变频器的输入及输出侧到熔断器之间的电缆或铜排都标记为CO1；两组熔断器到直流母排之间的电缆或铜排都标记为CO2；直流母线上的铜排标记为CO3，由正负两组组成；单个电缆或铜排CO1和CO2简化成电阻与电感串联的模型(因为电缆或铜排CO1和电缆或铜排CO2的规格较小，在短路情况下，并联电容可以忽略)，单个铜排CO3简化成电阻与电感串联的模型，并将铜排CO3的电容简化成设置在正负直流母线之间的整体电容C_int(因为在短路情况下，并联电容可以忽略)；通过计算得出柜体模型的具体参数；具体计算如下：

(a)通过熔断器的稳态直流功耗和额定电流计算出等效直流电阻，见如下公式：

其中：P_{V Fuse}是熔断器的稳态直流功耗；是熔断器的稳态直流电流；R_Fuse是熔断器的稳态直流电阻；

在短路状态时，仿真模型中熔断器的等效短路电阻R_SCFuse采用对熔断器进行短路测试并采集熔断器的实际熔断波形后进行曲线拟合的方式来建模；

通常有大量的短路电流流入熔断器，此时会导致熔断器的温度快速上升，等效短路电阻R_SCFuse会随着温度的上升非线性增加，为了更加真实的仿真出熔断器的非线性熔断特性，针对熔断器进行短路测试，并采集熔断器的实际熔断波形；

(b)参见图5、图6；计算铜排简化成的电阻、电感和电容的数值R_co1，R_co2，R_co3,，L_co1，L_co2，L_co3，c_int计算公式如下：

铜排串联电阻计算公式是：

其中：电阻值R，单位Ω；电阻率ρ，单位：Ωm²/m；电缆或者铜排的长度l，单位：M；铜排的截面积A，单位：m²；

如图6所示，如采用的为电缆，其直流电感值的计算公式是：

其中：真空磁导率μ₀，是常数4π×10^-7；单位H/m；2条圆形电缆的中心距离a，单位M；电缆半径r_L，单位M；单根电缆长度l，单位M；

如图7所示，铜排其直流电感值计算公式是：

其中：真空磁导率μ₀，是常数4π×10^-7；单位H/m；正负铜排之间的平均间距a；单位M；单相铜排宽度b，如果是多条铜排，用宽度叠加计算；单位M；铜排高度h；单位M；单相铜排长度1，单位M；

铜排CO3的电容计算公式为：

其中ε_di为电容常数，值为8.854×10^-12F/m，a为正负铜牌之间的平均距离，单位m，b为铜排宽度，单位m，h为单相铜排长度，单位m；

2、建立柜体简化电路模型，如图8、图9所示，将正负两根直流母线间除电容C_M1及其等效直流电阻R_ESRc外的电阻等效成一个电阻R_a，将正负两根直流母线间除电容C_M1及其等效直流电阻R_ESRc外的电感等效成一个电感L_a；将正负两根直流母线上的电阻等效成一个电阻R_b，将正负两根直流母线上的电感等效成一个电感L_b，得到简化模型，

其中：

R_a＝2R_CO1+R_SCFuse+2R_CO2；

L_a＝2L_CO1+2L_CO2；

R_b＝2R_CO3；

L_b＝2L_CO3

3、建立系统电路模型，参照上述步骤建立C-PP系统包含所有的柜体的整体电路模型，如图10所示；

4、使用MATLAB模拟计算，得出某一柜体内变频器直流短路时各个柜体内变频器中熔断器的I²T；

故障回路熔断器的电流和时间的累积迅速达到其熔断I²T，故障回路切除；若在故障回路切除时，其它所有非故障回路熔断器的电流和时间的累积没有超过对应熔断器的弧前I²T，即表明非故障回路没有受到影响；若在故障回路切除时，有非故障回路熔断器的电流和时间的累积超过对应熔断器的弧前I²T，则需将该位置的熔断器更换为弧前I²T更大的熔断器。

上述的实施例仅例示性说明本发明创造的原理及其功效，以及部分运用的实施例，而非用于限制本发明；应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。