发明内容
本发明针对以上问题的提出,而研制一种结构简单、节约成本、使用和维护方便的智能环保高压岸电电源系统。
本发明的技术手段如下:
一种智能环保高压岸电电源系统,包括:
与三相高压输入端相连接的高压开关柜Ⅰ;
与高压开关柜Ⅰ相连接的高压变频器;
与高压变频器输出端相连接的高压开关柜Ⅱ;
连接高压开关柜Ⅱ和船舶用电设备的高压电缆;
通过高压开关柜Ⅱ连接高压变频器,分别用于检测高压变频器输出电压幅值、频率和相位的电压变送器Ⅱ、频率计Ⅱ和相位检测仪Ⅱ;
通过高压开关柜Ⅱ连接高压变频器,用于检测高压变频器的输出电流的电流变送器Ⅱ;
分别连接电压变送器Ⅱ、频率计Ⅱ、相位检测仪Ⅱ和电流变送器Ⅱ的第二DSP;
分别连接船舶发电机和第二DSP,用于将船舶发电机的输出电压幅值、频率、相位和输出电流传输给第二DSP的通信模块;
所述第二DSP比较电压变送器Ⅱ、频率计Ⅱ、相位检测仪Ⅱ和电流变送器Ⅱ检测到的高压变频器输出电压幅值、频率、相位和输出电流与通过通信模块所传输过来的船用发电机的输出电压幅值、频率、相位、输出电流是否同步,不同步时第二DSP通过控制高压变频器调整其输出与船舶发电机输出同步;
所述高压电缆卷绕在高压电缆车上,该高压电缆车连接电缆车驱动及控制器;
进一步地,还包括连接高压开关柜Ⅰ,分别用于检测输入电压幅值、频率和相位的电压变送器Ⅰ、频率计Ⅰ和相位检测仪Ⅰ;连接高压开关柜Ⅰ,用于检测输入电流的电流变送器Ⅰ;分别连接电压变送器Ⅰ、频率计Ⅰ、相位检测仪Ⅰ和电流变送器Ⅰ的第一DSP;所述第一DSP和第二DSP相互连接,互为备份,构成了冗余控制系统;
进一步地,连接高压开关柜Ⅰ、第一DSP的温度变送器Ⅰ和连接高压开关柜Ⅱ、第二DSP的温度变送器Ⅱ;
进一步地,所述第一DSP、第二DSP与高压变频器之间通过光纤通信模块连接;
进一步地,分别连接第一DSP、第二DSP,用于接收用户操作的设置单元、实时显示高压变频器工作状态的显示单元和当温度变送器Ⅰ、电压变送器Ⅰ、电流变送器Ⅰ、温度变送器Ⅱ、电压变送器Ⅱ、电流变送器Ⅱ检测到的参数异常时进行报警的报警单元;
进一步地,所述高压变频器包括三相变压器和若干个变频单元;所述若干个变频单元均分为三组,每组串联构成高压变频器的每一相;每一变频单元包括第一整流电路、第二整流电路和SPWM三电平逆变电路;所述三相变压器的原边绕组通过三角形方式与高压开关柜Ⅰ相连接,该三相变压器具有多个副边绕组,每两个副边绕组的输出端各以三角形和星形方式分别连接第一整流电路和第二整流电路的输入端;所述第一整流电路的输出负端与所述第二整流电路的输出正端相连接;所述SPWM三电平逆变电路的输入端分别连接第一整流电路的输出正端和第二整流电路的输出负端;
进一步地,所述SPWM三电平逆变电路包括由电容C1、电容C2串联组成的分压支路;由依次按照发射极连接集电极的方式串接的功率开关管Q1、Q2、Q3和Q4以及由依次按照发射极连接集电极的方式串接的功率开关管Q5、Q6、Q7和Q8构成的三电平桥臂支路;所述SPWM三电平逆变电路还包括串联的箝位二极管D9、D10和串联的箝位二极管D11、D12;所述箝位二极管D9的阳极连接箝位二极管D10的阴极;所述箝位二极管D11的阳极连接箝位二极管D12的阴极;所述箝位二极管D9的阴极连接功率开关管Q1、Q2的相接点;所述箝位二极管D10的阳极连接功率开关管Q3、Q4的相接点;所述箝位二极管D11的阴极连接功率开关管Q5、Q6的相接点;所述箝位二极管D12的阴极连接功率开关管Q7、Q8的相接点;所述箝位二极管D9、D10的相接点和所述箝位二极管D11、D12的相接点连接电容C1、C2的相接点;
所述功率开关管Q1、Q5的集电极连接第一整流电路的输出正端;所述功率开关管Q4、Q8的发射极连接第二整流电路的输出负端;所述功率开关管Q2、Q3的相接点和所述功率开关管Q6、Q7的相接点分别引线作为变频单元的输出端;所述电容C1的一端连接电容C2,电容C1的另一端连接第一整流电路的输出正端,所述电容C2的另一端连接第二整流电路的输出负端;所述电容C1、C2的相接点连接所述第一整流电路、第二整流电路的相接点;所述功率开关管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7和Q8的集电极与发射极之间分别反向并联有续流二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7和D8;
进一步地,所述第一DSP、第二DSP分别采用Concerto F28M35X系列芯片和TMS320C28X系列芯片,或者同时采用Concerto F28M35X系列芯片和TMS320C28X系列芯片的任一种;
进一步地,所述通信模块为无线通信模块。
由于采用了上述技术方案,本发明提供的智能环保高压岸电电源系统,通过第二DSP比较电压变送器Ⅱ、频率计Ⅱ和相位检测仪Ⅱ检测到的高压变频器输出电压幅值、频率、相位和输出电流与通过通信模块所传输过来的船用发电机的输出电压幅值、频率、相位、输出电流是否同步,且高压变频器包括三相变压器和若干个变频单元;所述若干个变频单元均分为三组,每组串联构成高压变频器的每一相,变频单元包括第一整流电路、第二整流电路和SPWM三电平逆变电路,当高压变频器输出与船舶发电机输出不同步时第二DSP通过控制高压变频器实现同步,进而能够根据船舶发电机的输出参数来调整和控制高压变频器的输出,不仅能够适时的提供船舶电网需要的50Hz或60Hz电源,还可以随时监测船舶电网并控制岸电电源与其同步运行,可靠实用,由于采用多电平SPWM控制方式,不仅便于第二DSP通过正弦波脉冲宽度调制来改变高压变频器输出,随时产生所需的电源,且能够有效抑制和消除谐波,降低了高次谐波损耗;另外双DSP互为备份,构成冗余控制系统,不仅控制精度和运算速度大有提高,且因冗余备份而更加安全可靠,另外驱动信号由光纤通信模块传递,安全可靠;本发明结构简单,不仅便于生产,而且成本非常低廉适于广泛推广。
具体实施方式
如图1所示的一种智能环保高压岸电电源系统,其特征在于包括:与三相高压输入端相连接的高压开关柜Ⅰ;与高压开关柜Ⅰ相连接的高压变频器;与高压变频器输出端相连接的高压开关柜Ⅱ;连接高压开关柜Ⅱ和船舶用电设备的高压电缆;通过高压开关柜Ⅱ连接高压变频器,分别用于检测高压变频器输出电压幅值、频率和相位的电压变送器Ⅱ、频率计Ⅱ和相位检测仪Ⅱ;通过高压开关柜Ⅱ连接高压变频器,用于检测高压变频器的输出电流的电流变送器Ⅱ;分别连接电压变送器Ⅱ、频率计Ⅱ、相位检测仪Ⅱ和电流变送器Ⅱ的第二DSP;分别连接船舶发电机和第二DSP,用于将船舶发电机的输出电压幅值、频率、相位和输出电流传输给第二DSP的通信模块;所述第二DSP比较电压变送器Ⅱ、频率计Ⅱ、相位检测仪Ⅱ和电流变送器Ⅱ检测到的高压变频器输出电压幅值、频率、相位和输出电流与通过通信模块所传输过来的船用发电机的输出电压幅值、频率、相位、输出电流是否同步,不同步时第二DSP通过控制高压变频器调整其输出与船舶发电机输出同步;所述高压电缆卷绕在高压电缆车上,该高压电缆车连接电缆车驱动及控制器;进一步地,还包括连接高压开关柜Ⅰ,分别用于检测输入电压幅值、频率和相位的电压变送器Ⅰ、频率计Ⅰ和相位检测仪Ⅰ;连接高压开关柜Ⅰ,用于检测输入电流的电流变送器Ⅰ;分别连接电压变送器Ⅰ、频率计Ⅰ、相位检测仪Ⅰ和电流变送器Ⅰ的第一DSP;所述第一DSP和第二DSP相互连接,互为备份,构成了冗余控制系统;进一步地,还包括连接高压开关柜Ⅰ、第一DSP的温度变送器Ⅰ和连接高压开关柜Ⅱ、第二DSP的温度变送器Ⅱ;进一步地,所述第一DSP、第二DSP与高压变频器之间通过光纤通信模块连接;进一步地,还包括分别连接第一DSP、第二DSP,用于接收用户操作的设置单元、实时显示高压变频器工作状态的显示单元和当温度变送器Ⅰ、电压变送器Ⅰ、电流变送器Ⅰ、温度变送器Ⅱ、电压变送器Ⅱ、电流变送器Ⅱ检测到的参数异常时进行报警的报警单元;进一步地,所述高压变频器包括三相变压器和若干个变频单元;所述若干个变频单元均分为三组,每组串联构成高压变频器的每一相;如图3所示,每一变频单元包括第一整流电路、第二整流电路和SPWM三电平逆变电路;如图2所示,所述三相变压器的原边绕组通过三角形方式与高压开关柜Ⅰ相连接,该三相变压器具有多个副边绕组,每两个副边绕组的输出端各以三角形和星形方式分别连接第一整流电路和第二整流电路的输入端;所述第一整流电路的输出负端与所述第二整流电路的输出正端相连接;所述SPWM三电平逆变电路的输入端分别连接第一整流电路的输出正端和第二整流电路的输出负端;进一步地,所述SPWM三电平逆变电路包括由电容C1、电容C2串联组成的分压支路;由依次按照发射极连接集电极的方式串接的功率开关管Q1、Q2、Q3和Q4以及由依次按照发射极连接集电极的方式串接的功率开关管Q5、Q6、Q7和Q8构成的三电平桥臂支路;所述SPWM三电平逆变电路还包括串联的箝位二极管D9、D10和串联的箝位二极管D11、D12;所述箝位二极管D9的阳极连接箝位二极管D10的阴极;所述箝位二极管D11的阳极连接箝位二极管D12的阴极;所述箝位二极管D9的阴极连接功率开关管Q1、Q2的相接点;所述箝位二极管D10的阳极连接功率开关管Q3、Q4的相接点;所述箝位二极管D11的阴极连接功率开关管Q5、Q6的相接点;所述箝位二极管D12的阴极连接功率开关管Q7、Q8的相接点;所述箝位二极管D9、D10的相接点和所述箝位二极管D11、D12的相接点连接电容C1、C2的相接点;所述功率开关管Q1、Q5的集电极连接第一整流电路的输出正端;所述功率开关管Q4、Q8的发射极连接第二整流电路的输出负端;所述功率开关管Q2、Q3的相接点和所述功率开关管Q6、Q7的相接点分别引线作为变频单元的输出端;所述电容C1的一端连接电容C2,电容C1的另一端连接第一整流电路的输出正端,所述电容C2的另一端连接第二整流电路的输出负端;所述电容C1、C2的相接点连接所述第一整流电路、第二整流电路的相接点;所述功率开关管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7和Q8的集电极与发射极之间分别反向并联有续流二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7和D8;进一步地,所述第一DSP、第二DSP分别采用Concerto F28M35X系列芯片和TMS320C28X系列芯片,或者同时采用Concerto F28M35X系列芯片和TMS320C28X系列芯片的任一种;进一步地,所述通信模块为无线通信模块;所述高压变频器输出电压和输出电流的相位差cosφ≥0.98。
使用本发明的智能环保高压岸电电源系统时,可以输入6~11kV的高压,高压开关柜Ⅰ内安装有高压熔断器、高压隔离开关、接地开关、高压负荷开关、高压自动重合及分断器、高压操作机构、避雷器、继电器、仪表和进出端子等,上述元件及部件分别装在相应的手车中,以便保证有很高的互换性和提高供电的可靠性,其分别装入隔离手车、断路器手车、PT手车、电容器手车及计量手车,由高压开关柜Ⅰ出来的6~11kV的电压,如图2所示,输入电压馈入至高压变频器所包括的三相变压器,该三相变压器是多重化结构,至少具有15组输出,这样做是为了得到12脉波的整流,目的是抑制和消除谐波,即副边为多个“Y”及“△”绕组,每两个即一个“Y”和一个“△”供给一个变频单元,其中的U1、U2、…、UN、V1、V2、…、VN、W1、W2、…、WN均分别为一变频单元,每N个变频单元串联构成高压变频器的每一相,变频单元串联的个数取决于输入电压和输出功率,如图3所示为变频单元的结构示意图,其任务是将50Hz交流电整流后经过SPWM调制成50Hz或60Hz的正弦交流电,再经过串联叠加消除谐波,传输至高压开关柜Ⅱ中,每一变频单元中包括一SPWM三电平变换电路,其用的元件数量上比两电平多4支功率开关管、4支二级管、1个桥块和1支三相电源线,得到的优点是:每个变频单元的输出电压扩大一倍,故需要的变频单元数也几乎少了一倍,最终得到的是噪声大幅度降低,以达到无需任何滤波器,达到了国际上规定的谐波标准,当船舶靠港时,首先通过通信模块检测船舶发电机的输出参数并传输给第二DSP,第二DSP根据电压变送器Ⅱ、频率计Ⅱ、相位检测仪Ⅱ和电流变送器Ⅱ所检测到的高压变频器输出判断是否与船舶发电机的输出参数同步,若不同步则第二DSP调整高压变频器输出,直到电压变送器Ⅱ、频率计Ⅱ、相位检测仪Ⅱ和电流变送器Ⅱ所检测到的高压变频器输出参数与通信模块传输过来的船舶发电机输出参数是同步的,实际使用中通信模块可以与检测船舶发电机输出参数的电压传感器和电流传感器或专门的数据采集系统等相连接,该通信模块可以是无线通信模块也可以通过有线方式连接船舶发电机和第二DSP;延时数秒,则可以停止船舶自身供电,关闭船舶发电机,同时利用电缆车驱动及控制器来控制和驱动高压电缆车,连接高压电缆,完成岸电电源对船舶用电设备的提供,当船舶离岸时,当船舶发电机启动稳定后,通信模块将其输出参数实时传给第二DSP,将高压变频器输出参数自动调整到与船舶发电机同步状态,船舶发电机合闸供电,延时数秒,岸电电源关闭,停止供电,在检测船舶断开电缆头、高压电缆绞车回收电缆完毕后,才可全部停止电气运行;本发明所述第一DSP和第二DSP相互连接,互为备份,构成了冗余控制系统,即在实际使用中若第二DSP出现故障或问题后,第一DSP会替换第二DSP工作,第一DSP和第二DSP的供电电源除了常规市电外,还连接有UPS以防止瞬时断电的失控状态,系统还包括连接高压开关柜Ⅰ,分别用于检测输入电压幅值、频率和相位的电压变送器Ⅰ、频率计Ⅰ和相位检测仪Ⅰ;连接高压开关柜Ⅰ,用于检测输入电流的电流变送器Ⅰ;分别连接电压变送器Ⅰ、频率计Ⅰ、相位检测仪Ⅰ和电流变送器Ⅰ的第一DSP,连接高压开关柜Ⅰ、第一DSP的温度变送器Ⅰ和连接高压开关柜Ⅱ、第二DSP的温度变送器Ⅱ,所述温度变送器Ⅰ用于检测高压开关柜Ⅰ内的电气元件的工作和运行温度,所述温度变送器Ⅱ用于检测高压开关柜Ⅱ内的电气元件的工作和运行温度,如安装在高压开关柜Ⅰ和高压开关柜Ⅱ内的高压熔断器、高压隔离开关、接地开关、高压负荷开关、高压自动重合和分断器、高压操作机构避雷器、继电器、仪表和进出端子等电气元件的工作和运行温度,当温度变送器Ⅰ、电压变送器Ⅰ、电流变送器Ⅰ、温度变送器Ⅱ、电压变送器Ⅱ、电流变送器Ⅱ检测到的参数异常时进行报警的报警单元,不仅便于检测输入电压是否正常,相关连接是否连接好,且能够实现参数异常时进行及时报警,保证设备安全,本发明能够做到实时监控、实时同步,以保证岸电能够与船舶发电机同步,即同频、同幅、同相,则可做到任意时间合闸,而不损坏岸上和船舶上的任何电气设施,本发明提供的智能环保高压岸电电源系统,通过第二DSP比较电压变送器Ⅱ、频率计Ⅱ和相位检测仪Ⅱ检测到的高压变频器输出电压幅值、频率、相位和输出电流与通过通信模块所传输过来的船用发电机的输出电压幅值、频率、相位、输出电流是否同步,且高压变频器包括三相变压器和若干个变频单元;所述若干个变频单元均分为三组,每组串联构成高压变频器的每一相,变频单元包括第一整流电路、第二整流电路和SPWM三电平逆变电路,当高压变频器输出与船舶发电机输出不同步时第二DSP通过控制高压变频器实现同步,进而能够根据船舶发电机的输出参数来调整和控制高压变频器的输出,不仅能够适时的提供船舶电网需要的50Hz或60Hz电源,还可以随时监测船舶电网并控制岸电电源与其同步运行,可靠实用,由于采用多电平SPWM控制方式,不仅便于第二DSP通过正弦波脉冲宽度调制来改变高压变频器输出,随时产生所需的电源,且能够有效抑制和消除谐波,降低了高次谐波损耗;另外双DSP互为备份,构成冗余控制系统,不仅控制精度和运算速度大有提高,且因冗余备份而更加安全可靠,另外驱动信号由光纤通信模块传递,安全可靠;本发明结构简单,不仅便于生产,而且成本非常低廉适于广泛推广。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。