CN102255517A - 一种船舶用岸电电源 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种船舶用岸电电源，属于船舶供电电源技术领域。它解决了现有技术中无法远距离或大型船舶供电，和无法实现船舶不间断的并网运行等问题。本船舶用岸电电源，包括开关柜，还包括置于岸上与开关柜连接的高压变频装置、置于船上的电压降压装置和同步并网装置，高压变频装置和电压降压装置的高压侧之间通过高压电缆连接，电压降压装置的低压侧与同步并网装置连接，高压变频装置能够将三相高压交流电进行切分移相并进行整流和逆变得到需要的频率，同步并网装置能够将变频降压后的三相交流电无缝并入到船舶电网中并切断船舶自身电源。本发明不仅能给远距离或大型船舶供电，同时实现自动并网，使船舶不间断工作，不影响正常的生产运作。

Description

一种船舶用岸电电源

技术领域

本发明属于船舶供电电源技术领域，涉及一种船舶用岸电电源。

背景技术

大型船舶特别是油船和集装箱船靠港时通常使用燃油制品(多为重油和柴油)发电，来满足船舶停泊靠岸后的船上的供电系统用电需求，这样就需要大量的燃油来给船舶提供电力。而重油和柴油等燃油制品在燃烧过程中产生大量硫化物和氮氧化物，对周边环境造成严重污染。目前国内电网供电为50HZ，而国外船舶供电电源均为60HZ，如果采用陆地电网直接供电，港口和船舶供电电制的不同势必对船舶电气设备造成严重影响。在这样一个环境下一种船用岸电电源应运而生。岸电电源的通用做法是以变频器为核心，系统的配置采用：输入滤波器+变频器+输出变压器+正弦滤波器的设备配置形式。除变频器外，其它部件均为无源器件，具有非常高的可靠性和稳定性。

为满足陆地电网对靠港船舶的供电需求，目前有两种可行性比较高的大功率岸电电源方案：一种低压逆变大功率岸电电源方案，其原理是把电网三相50HZ的高压电先采用变压器降压至380V/50HZ，然后输入低压岸电电源，经低压逆变系统整流逆变为60HZ输出，然后再经电力变压器升压至60HZ后，给靠港船舶供电，这种低压岸电供电技术存在以下不足：1、在低压逆变岸电技术中，对于容量过高的岸电电源要求并联的逆变模块纵多，对于船舶负载复杂需用大功率电机直接启动的，低压逆变可靠性大大降低；2、低压逆变脉冲采用的是6脉冲整流，输入功率低也对电网形成较大的污染。

随后公开了申请号为2008101581340的一种大功率船舶岸电电源方案，其原理是高压逆变系统将电网三相交流电经降压为440V的高压电直接进行整流和逆变，并输出高压三相交流电，从而减少中间变换环节但相同的逆变电路。此高压逆变岸电技术确实弥补了上述低压逆变技术的部分不足，但其本身也存在着一些缺点：1、在电源传输问题中，现实的船舶靠岸时与岸的距离仍然较远，船越大与岸的距离就越远，有时达到500米以上，如果采用低压440VAC电源与船上驳接，连接线的电流大、电压降高，线损很多，从而不能进行大功率电源传输供电给船用负载，只能做些小于200米的近距离的和小于400KVA的船用负载，对于供给远距离或负载较大的船舶供电输送设计不合理。2、该系统电源转换不够理想，在船舶靠岸后，要用岸电电源进行切换时，会有几分钟的切换时间船上的设备会失电，而船上有些设备用电是不能停电的，这样会给船舶作业带来不便。3、控制方式和电路保护上不够完美，性能不够稳定，在电路设计上没有使用模块化设计，给电路维护及维修带来不便。4、高压电网三相电流直接转变成直流电的功率单元模块所需元件数目较多，输入功率低对电网形成较大的污染。

发明内容

本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种船舶用岸电电源，该岸电电源自动代替在停掉船用主机辅机后的动力电源，使船舶可以连续运行工作，不影响正常的生产运作。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种船舶用岸电电源，包括置于岸上与三相高压母线连接的开关柜，其特征在于，该船舶用岸电电源还包括置于岸上与开关柜连接的高压变频装置、置于船上的电压降压装置和同步并网装置，高压变频装置和电压降压装置的高压侧之间通过高压电缆连接，电压降压装置的低压侧与同步并网装置连接，所述的高压变频装置能够将三相高压交流电进行切分移相并进行整流和逆变得到需要的频率，所述的同步并网装置能够将变频降压后的三相交流电无缝并入到船舶电网中并切断船舶自身电源。

电网三相高压50HZ交流电经高压母线直接接入开关柜内，进行统一开关管理，三相高压50HZ交流电流经高压变频装置进行切分移相并进行整流和逆变得到三相高压60HZ交流电。三相高压60HZ交流电通过高压电缆输送到电压降压装置中，由于是采用高压交流输送，输送距离达到200至2000米远，输送的负载能够达到400KVA至2000KVA，因此能够适用于大型的船舶。而将电压降压装置和同步并网装置设置于船上，能够将变频降压后的三相交流电无缝并入到船舶电网中并切断船舶自身供电电源，在断开船用发电机后船上的所有设备都不会停机，也不会有任何冲击电流，当船再次出航时可反向重复操作一次即可恢复船用发电机供电，收回高压电缆，达到船舶在停靠岸期间关闭船用发电机组，降低能耗，减少空气环境和噪声污染的目的。

在上述的船舶用岸电电源中，所述的高压变频装置包括主控单元、高压切分移相变压器、高压串联频率变换装置和高压滤波装置，所述的高压切分移相变压器的初级线圈与上述的开关柜连接，次级线圈与上述的串联频率变换装置连接，串联频率变换装置与高压滤波装置连接，所述的主控单元能够向高压串联频率变换装置发送SPWM控制波形进行脉宽调制得到所需频率的正弦波交流电。

高压电网中的三相高压50HZ交流电通过高压高压切分移相变压器将高压电以不同的角度进行切分，供给高压串联频率变换装置进行整流、滤波和逆变，完成交-直-交的高压交流变频。主控单元向高压串联频率变换装置发送SPWM控制波形进行脉宽调制，调制成所需的频率的高压60Hz正弦交流电。这种变频方式能够使输出电流的波形好、抗干扰强、耐冲击负载能力强、电压稳定性好、谐波少对电网无污染。

在上述的船舶用岸电电源中，所述的高压串联频率变换装置包括若干个功率单元，每个功率单元由整流滤波单元和逆变单元通过复合母铜排连接为一个整体，所述的次级线圈具有若干个且分别于相应的整流滤波单元连接，每个所述的整流滤波单元和相应的逆变单元连接，所述的逆变单元串联并通过高压变送器与电压降压装置连接。

功率单元是基本的交-直-交单项逆变电路，功率单元的电路拓扑结构相同，并实行模块化的设计，功率单元六个一组的形式分别对应高压回路的三相，功率单元由移相切分变压器进行供电，由于功率单元提供电源的变压器副边绕组间有一定的相位差，从而消除了大部分由单个功率单元引起的谐波电流，同时能保持很高的输入功率因数。高压串联频率变换装置通过整流滤波单元把三相高压50HZ交流电整流滤波成稳定的高压直流电，高压直流电通过逆变单元逆变成所需频率的高压60HZ交流电。

在上述的船舶用岸电电源中，所述的高压变送器包括依次连接的滤波器、高压电抗器、零序CT和综保电路，在高压电抗器的输出端连接有电压电流取样电路，该电压电流取样电路与上述的高压变频装置连接形成反馈电路。高压变送器内的滤波器一端连接高压变频装置的输出端，另一端连接高压电抗器，高压电抗器具有防止变频器产生的高次谐波通过电源输入回路返回到电网的作用，60HZ高压交流电通过滤波器和高压电抗器进行滤波使60Hz频率的高压交流电达到完美的正弦高压交流电输出，滤波后输出的高压交流电路上连接有电压电流取样电路，电压电流取样电路形成闭环反馈，可根据负载来调节电网稳定的实际电压输出，以免造成对负载电器的影响和损坏。

在上述的船舶用岸电电源中，所述的电压降压装置为降压变压器。降压变压器设置与船上。

在上述的船舶用岸电电源中，所述的电压降压装置和同步并网装置之间依次连接的滤波器和电抗器。降压变压器输出端连接滤波器和电抗器，电抗器能抑制长电缆对地耦合电容的影响。滤波器输出完美的船舶电器所需的440V/60HZ电源。

在上述的船舶用岸电电源中，所述的同步并网装置包括同步检测器、并网断路器、分别与上述的同步检测器连接的电网同相位显示屏、相位同步信号反馈装置和并网按钮，相位同步信号反馈装置与并网断路器连接，所述的同步检测器能够对岸电电源和船舶自身电源的相位进行检测并输出信号给相位同步信号反馈装置，所述的相位同步信号反馈装置能够控制上述的并网断路器工作与否。按下并网按钮，同步检测器能够电压降压装置输出的交流电和船舶电网的交流电相位进行实时跟踪，并在两者交流电的相违通过为零时由相位同步信号反馈装置发出控制信号控制并网断路器断开，使岸电电源无缝接入船舶电网，而船舶自身发动机停止发电，实现自动并网。

在上述的船舶用岸电电源中，所述的船舶用岸电电源还包括设置在高压变频装置上的就地操作面板、与所述高压变频装置内的主控单元连接的远控箱和上位机。就地控制是通过就地操作面板对高压变频器的运行、停机、复位、升降等功能进行控制；远程控制是通过远程箱内的PLC编程与高压变频器的端口进行连接实现远程控制；与高压变频器接口连接的下位机通过DCS等系统的连接实现上位机控制。三种控制方式使得电路的控制功能更加强大、全面。

与现有技术相比，现有技术相比，本船舶用岸电电源具有以下优点：

1、本船舶用岸电电源通过高压变频器变频再降压把高压电网中的高压电变成船舶所需的特定频率的低压交流电，实现高压变频的船舶岸电源供电方案，高压电网三相电流直接转变成直流电的功率单元模块所需元件数目少，输出性能稳定、谐波含量少，由此降低负载电器设备的噪音和发热量，同时延长了负载机器的使用寿命。同时本发明采用高压10KVAC电源传输方式，可进行大于200至2000米的远距离和大于400至2000KVA的船用负载。

2、本船舶用岸电电源通过同步并网装置，对船上原有电源相位、电压、频率进行自动跟踪并并机，并机后等船上负载电流完全转移到岸电电源后，再断开船用发电机，从而达到，在断开船用发电机时，船上的所有设备都不停机，也不会有任何冲击电流，当船再次出航时可反向重复一次即可恢复船用发电机供电，由此来实现无缝切换，让负载持续不间断的运行工作，不影响船舶的正常的生产运作，同时达到了节能降耗，经济环保的目的。

3、本船舶用岸电电源采用三种不同的控制方式和外加综保电路和零序CT两个保护电路使电路更加完美，输出性能稳定，谐波含量少。同时电路采用模块化设计，电路维护及维修更加简单方便。

附图说明

图1是船舶用岸电电源电气原理示意图；

图2是船舶用岸电电源的高压变频结构示意图

图3是船舶用岸电电源的并网同期结构示意图。

图中，1、开关柜；2、高压变频装置；021、主控单元；022、高压切分移相变压器；023、高压串联频率变换装置；024、高压滤波装置；3、高压变送器；031、滤波器；032、高压电抗器；033、电压电流取样电路；034、综保电路；035、零序CT；4、电压降压装置；051、滤波器；052、电抗器；6、同步并网装置；061、同步检测器；062、并网断路器；063、电网同相位显示屏；064、相位同步信号反馈装置；065、并网按钮；7、负载；8、控制装置；081、就地操作面板；082、远控箱；083、上位机；9、高压电缆。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

如图1、2、3所示，一种船舶用岸电电源，包括置于岸上与三相高压母线连接的开关柜1，其特征在于，该船舶用岸电电源还包括置于岸上与开关柜1连接的高压变频装置2、置于船上的电压降压装置4和同步并网装置6。高压变频装置2包括主控单元021、高压切分移相变压器022、高压串联频率变换装置023和高压滤波装置024，高压切分移相变压器022的初级线圈与开关柜1连接，次级线圈与串联频率变换装置023连接，串联频率变换装置023与高压滤波装置024连接，主控单元021能够向高压串联频率变换装置023发送SPWM控制波形进行脉宽调制得到所需频率的正弦波交流电。高压串联频率变换装置023包括若干个功率单元，每个功率单元由整流滤波单元和逆变单元通过复合母铜排连接为一个整体，次级线圈具有若干个且分别于相应的整流滤波单元连接，每个整流滤波单元和相应的逆变单元连接，逆变单元串联并通过高压变送器3与电压降压装置4的高压侧通过高压电缆9连接。高压变送器3包括依次连接的滤波器0031、高压电抗器032、零序CT035和综保电路034，在高压电抗器032的输出端连接有电压电流取样电路033，该电压电流取样电路033与高压变频装置2连接形成反馈电路。还分别有就地操作面板081、与高压变频装置2内的主控单元连接的远控箱082和上位机083与高压变频装置2连接。高压变频装置2能够将三相高压交流电进行切分移相并进行整流和逆变得到需要的频率。

电压降压装置4为降压变压器，电压降压装置4的低压侧通过依次连接的滤波器051和电抗器052与同步并网装置6连接。同步并网装置6包括同步检测器061、并网断路器062、分别与同步检测器061连接的电网同相位显示屏063、相位同步信号反馈装置064和并网按钮065，相位同步信号反馈装置064与并网断路器062连接，同步检测器061能够对岸电电源和船舶自身电源的相位进行检测并输出信号给相位同步信号反馈装置064，相位同步信号反馈装置064能够控制并网断路器062工作与否。同步并网装置6能够将变频降压后的三相交流电无缝并入到船舶电网中并切断船舶自身电源。

电网三相交流电经高压母线直接接入开关柜1内，进行统一开关管理，三相高压50HZ交流电流经高压变频装置2通过整流成高压直流电后经逆变成所需频率60HZ的高压交流电从而实现高压变频，高压变频装置2上连接有控制装置8，控制装置8可以根据电路所需设定指定的频率来控制高压变频装置2中的逆变成的交流电脉冲频率。开关柜1连接至高压电源移相切分变压器，经移相切分产生的电源连接至高压单元串联频率变换装置，使至产生所需的高压三相60HZ正弦波交流电源，再经高压滤波系统滤波，成为纯净稳定的60HZ正弦波电源，三相高压60HZ交流电通过高压电缆9输送到电压降压装置4中，由于是采用高压交流输送，输送距离达到200至2000米远，输送的负载7能够达到400KVA至2000KVA，因此能够适用于大型的船舶。电压降压装置4对60HZ频率的高压电进行滤波、检测、监控从而输出的完美电流、电压波形的所需60HZ频率的高压交流电，同时具有保护电路的功能。高压变频装置2与所需60HZ频率的高压交流电通过连接在电路上的电压降压装置4降压成船上负载7所需的440V/60HZ低压交流电。同步并网装置6连接在电路的输出端，电压降压装置4和同步并网装置6设置于船上，高压变频产生的电流通过高压电缆9传送至靠岸的船舶进行降压。当负载7接入电路中需要供电时，同步并网装置6对电路的电压、相位进行实时跟踪，当两个电网的电压、相位完全相符时自动并网，然后切断船舶自身供电电源，完成整个由岸电电源供电的过程。同步并网装置6实现将变频降压后的三相低压交流电440V/60HZ无缝并入到船舶电网中并切断船舶自身供电电源，在断开船用发电机后船上的所有设备都不会停机，也不会有任何冲击电流，当船再次出航时可反向重复操作一次即可恢复船用发电机供电，收回高压电缆9，达到船舶在停靠岸期间关闭船用发电机组，降低能耗，减少空气环境和噪声污染的目的。；

如图2所示，高压电网中的10KV/50HZ三相高压交流电通过高压切分移相变压器022将高压电以不同的角度进行切分，先供给整流滤波单元进行整流、滤波成10KV/50HZ高压直流电，后经逆变单元进行逆变成所需频率的10KV/60HZ高压交流电，完成交-直-交高压交流电高压变频过程。与高压变频装置2相连接的控制装置8上的主控单元021向所有的功率单元发送SPWM控制波形进行脉宽调制，调制成所需的60Hz频率的正弦高压交流电。控制装置8包括设置在高压变频装置2上的就地操作面板081、与高压变频装置2内的主控单元021连接的远控箱082和上位机083。通过就地操作面板081对高压变频装置2的运行、停机、复位、升降等功能进行就地控制；通过远程箱082内的PLC编程与高压变频装置2的端口进行连接实现远程控制；与高压变频装置2接口连接的下位机通过DCS等系统与上位机083连接实现上位机控制。高压变送器3包括依次连接的滤波器031、高压电抗器032、零序CT035和综保电路034，在高压电抗器032的输出端连接有电压电流取样电路033，电压电流取样电路033与高压变频装置2连接形成反馈电路。高压电抗器032具有防止高压变频装置2产生的高次谐波通过电源输入回路返回到电网的作用，60HZ频率的高压交流电通过滤波器031和高压电抗器032进行滤波使60Hz频率的高压交流电达到完美的正弦高压交流电输出，滤波后输出的高压交流电路上连接有电压电流取样电路033，电压电流取样电路033形成闭环反馈，可根据负载7来调节电网稳定的实际电压输出，以免造成对负载7电器的影响和损坏，同时零序CT035和综保电路034组成的保护电路，零序CT035具有缺相保护功能，综保电路034实现线路短路、漏电、过载保护，并作用于短路器。次电路的输出端高压母线电压为三相10KV/60HZ高压交流电。

如图3所示，10KV/60HZ高压交流电经通过高压电缆9传送至靠岸的船舶，接到船上电压降压装置4，由降压变压器4进行降压成船舶供电所需的440V/60HZ低压交流电，并通过连接的滤波器051和电抗器052完善输出波形，电压、电流波形更平滑，电容电量的衰减小。同步并网装置6包括同步检测器061、并网断路器062、分别与同步检测器061连接的电网同相位显示屏063、相位同步信号反馈装置064和并网按钮065，且相位同步信号反馈装置064与并网断路器062连接。当按下并网按钮065，通过同步检测器061对电压降压装置4输出的交流电和船舶电网的交流电相位进行实时跟踪，并在两者交流电的相违通过为零时由相位同步信号反馈装置064发出控制信号控制并网断路器062断开，使岸电电源无缝接入船舶电网，同时船舶自身发动机停止发电，实现无间隙自动并网操作。同步并网装置6让负载7持续不间断的运行工作，同时达到了节能降耗，经济环保的目的。

本船舶用岸电电源是将高压变频装置2产生的60Hz的高压电通过一根专用的高压电缆9连接到一个固定的转接箱中，转接箱防护的防护做到了防油、防水、防盐雾、防滑落、防震动等五防要求，此转接箱同时具有光纤通讯的功能；再通过高压电缆专用缆车将船舶的配套装置进行可靠连接，连接好后通过并网按钮065同时给总控部分一个信号，进行高压操作；60Hz的高压交流电通过安装在船上的降压变压装置4进行降压，达到船舶所需的额定电压为440V/60Hz的低压电，再通过低压开关柜进行低压送电，同时通过同步并网装置6进行电压、相位的实时跟踪，当两个船舶的电器电网和供给的电源的电压、相位完全相符时，由同期屏进行自动并网，并网后可以将船舶上的主机、辅机完全停掉，从而实现不间断并网，达到船舶在停靠岸期间关闭船用发电机组，降低能耗，减少空气环境和噪声污染的目的。

所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了开关柜1、高压变频装置2、主控单元021、高压切分移相变压器022、高压串联频率变换装置023、高压滤波装置024、高压变送器3、滤波器031、高压电抗器032、电压电流取样电路033、综保电路034、零序CT035、降压变压器4、低压电流变送器5、滤波器051、电抗器052、同步并网装置6、同步检测器061、并网断路器062、电网同相位显示屏063、相位同步信号反馈装置064、并网按钮065、负载7、控制装置8、就地操作面板081、远控箱082、上位机083、高压电缆9等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (8)

1.一种船舶用岸电电源，包括置于岸上与三相高压母线连接的开关柜(1)，其特征在于，该船舶用电岸电电源还包括置于岸上与开关柜(1)连接的高压变频装置(2)、置于船上的电压降压装置(4)和同步并网装置(6)，高压变频装置(2)和电压降压装置(4)的高压侧之间通过高压电缆(9)连接，电压降压装置(4)的低压侧与同步并网装置(6)连接，所述的高压变频装置(2)能够将三相高压交流电进行切分移相并进行整流和逆变得到需要的频率，所述的同步并网装置(6)能够将变频降压后的三相交流电无缝并入到船舶电网中并切断船舶自身电源。

2.根据权利1要求所述的船舶用岸电电源，其特征在于，所述的高压变频装置(2)包括主控单元(021)、高压切分移相变压器(022)、高压串联频率变换装置(023)和高压滤波装置(024)，所述的高压切分移相变压器(022)的初级线圈与上述的开关柜(1)连接，次级线圈与上述的高压串联频率变换装置(023)连接，高压串联频率变换装置(023)与高压滤波装置(024)连接，所述的主控单元(021)能够向高压串联频率变换装置(023)发送SPWM控制波形进行脉宽调制得到所需频率的正弦波交流电。

3.根据权利1或2要求所述的船舶用岸电电源，其特征在于，所述的高压串联频率变换装置(023)包括若干个功率单元，每个功率单元由整流滤波单元和逆变单元通过复合母铜排连接为一个整体，所述的次级线圈具有若干个且分别于相应的整流滤波单元连接，每个所述的整流滤波单元和相应的逆变单元连接，所述的逆变单元串联并通过高压变送器(3)与电压降压装置(4)连接。

4.根据权利1要求所述的船舶用岸电电源，其特征在于，所述的高压变送器(3)包括依次连接的滤波器(031)、高压电抗器(032)、零序CT(035)和综保电路(034)，在高压电抗器(032)的输出端连接有电压电流取样电路(033)，该电压电流取样电路(033)与上述的高压变频装置(2)连接形成反馈电路。

5.根据权利1或4要求所述的船舶用岸电电源，其特征在于，所述的电压降压装置(4)为降压变压器。

6.根据权利1或5要求所述的船舶用岸电电源，其特征在于，所述的电压降压装置(4)和同步并网装置(6)之间依次连接的滤波器(051)和电抗器(052)。

7.根据权利1或2要求所述的船舶用岸电电源，其特征在于，所述的同步并网装置(6)包括同步检测器(061)、并网断路器(062)、分别与上述的同步检测器(061)连接的电网同相位显示屏(063)、相位同步信号反馈装置(064)和并网按钮(065)，相位同步信号反馈装置(064)与并网断路器(062)连接，所述的同步检测器(061)能够对岸电电源和船舶自身电源的相位进行检测并输出信号给相位同步信号反馈装置(064)，所述的相位同步信号反馈装置(064)能够控制上述的并网断路器(062)工作与否。

8.根据权利1或2要求所述的船舶用岸电电源，其特征在于，所述的船舶用岸电电源还包括设置在高压变频装置(2)上的就地操作面板(081)、与所述高压变频装置(2)内的主控单元(021)连接的远控箱(082)和上位机(083)。

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