CN103457259B - 中压直流区域配电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于船舶电力系统领域，具体涉及一种适用于采用中压直流电制船舶综合电力系统的中压直流区域配电系统。本发明包括若干个配电分区和能量管理系统，每个配电分区内设置有DC/DC变流器，DC/DC变流器的输出端通过隔离互锁开关分别与左右舷低压直流母线相连接，左右舷直流母线联络屏分别与左右舷低压直流母线相连接，左右舷直流母线联络屏的输出端分别与各电力电子设备的输入端相连接，能量管理系统通过通讯总线和各配电分区内的电力电子设备相连接。本发明有效减少电缆用量，减少电缆穿舱孔数量和面积，缩短电缆敷设时间，降低配电系统尺寸、重量，降低了配电系统整体的经济、体积、重量等成本。
Description
技术领域
本发明属于船舶电力系统领域，具体涉及一种适用于采用中压直流电制船舶综合电力系统的中压直流区域配电系统。
背景技术
经过二十多年的探索和实践，船舶行业已经达成共识：未来船舶电力系统的发展方向是综合电力系统。综合电力系统主要包括发电、配电、变电、推进、储能、监控/管理六个模块。对于发电模块，由于在功率密度、体积重量、电磁兼容、振动噪声等方面的优势，中压直流(4～35kVDC)将逐渐取代中压交流(4～13.8kVAC)成为发电模块的标准形式。作为船舶综合电力系统的重要组成部分之一，配电模块将电能从发电机输送到负载，其主要任务就是合理分配电能，以保证全船电力负荷得到规定品质的电力供应，确保电网发生故障时，维持最大范围内的供电连续性；在各种紧急状态下，向保证船舶安全所需要的重要电气设备供电。
以辐射式配电系统和交流电机组成的电力是目前船舶电力系统的主流。传统机械式推进难以满足现代游轮、渡轮在经济性及舒适性等方面的要求，操锚船和其他近海支持船舶在动态定位(DP)作业中通常需要同时运行几台柴油发电机以作后备，燃油效率低的问题难以解决。电力系统的负载有船上少数几个集中式配电中心通过电缆馈送，这样造成全船数十根电缆在船上个部位穿插，使得穿插电缆布置困难，不利于提高船舶电力系统的可靠性。同时电缆数量的增加，使得船舶建造成本上升，随着船舶电力系统容量的日趋增大，集中式配电逐渐成为船舶设计和建造成本中一个十分突出的问题，局部的电气隔离变得很困难，同时在出现故障的时候，也很难隔离故障，局部故障有可能直接影响整个电力系统。
上世纪九十年代，为了降低船舶的采购和建造费用，美国学者提出一种新型配电结构：区域配电。区域配电采用模块化建造思想，按功能、位置等因素将全船日用负荷划分至相对独立的区域，各区域由贯穿全船的低压配电母线统一供电，区域内部不同电制的交流、直流日用负荷独立组网。根据低压配电母线电制的不同，区域配电可以分为交流区域配电和直流区域配电。交流区域配电已在船舶领域取得一定应用。但交流区域配电网络结构是一个相对复杂的网络结构，其对船舶电力系统的规划和安全运行是一种挑战。设备故障、大功率设备的起停、误操作等都会使故障处理、电能调度等变得更加困难。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种中压直流区域配电系统，进一步降低未来船舶的采购和运行、维护费用。
本发明提供了一种中压直流区域配电系统，包括若干个配电分区和能量管理系统，每个配电分区内设置有DC/DC变流器，DC/DC变流器的输出端通过隔离互锁开关分别与左舷低压直流母线和右舷低压直流母线相连接，左舷直流母线联络屏与左舷低压直流母线相连接，右舷直流母线联络屏与右舷低压直流母线相连接，左舷直流母线联络屏和右舷直流母线联络屏的输出端分别与DC/AC逆变器、DC/DC斩波器、DC/AC变频器、输入自动选择模块和附属设备的输入端相连接，能量管理系统通过通讯总线和各配电分区内的DC/DC变流器、左舷直流母线联络屏、右舷直流母线联络屏、DC/AC逆变器、DC/DC斩波器、DC/AC变频器、输入自动选择模块相连接，DC/DC变流器的输入端为配电分区的中压直流输入端，DC/AC逆变器的输出端为配电分区的日用交流输出端，DC/DC斩波器的输出端为配电分区的日用直流输出端，DC/AC变频器的输出端与电动机相连接，输入自动选择模块为配电分区的低压直流输出端。
所述输入自动选择模块包括四只功率二极管，输入选择模块的左舷低压直流输入端依次与相互串联的正极功率二极管D1和负极功率二极管D3相连接，输入选择模块的右舷低压直流输入端依次与相互串联的正极功率二极管D2和负极功率二极管D4相连接，正极功率二极管D1、D2的输出端为输入选择模块的输出端。每个配电分区内，其他低压直流负载通过输入自动选择模块从低压直流母线取电；正常工作时低压直流负载由左右舷低压直流母线共同供电，若某一舷故障，输入自动选择模块可自动切换至另一舷供电。
所述DC/AC逆变器由输入自动选择模块和多个DC/AC逆变子模块并联组成。每个配电分区内，DC/AC逆变器将低压直流变换为日用交流，正常工作时DC/AC逆变器由左右舷低压直流母线共同供电，若某一舷故障，可自动切换至另一舷供电。
所述DC/DC斩波器器由输入自动选择模块和多个DC/DC斩波子模块并联组成。每个配电分区内，DC/DC斩波器将低压直流变换为日用直流，正常工作时DC/DC斩波器由左右舷低压直流母线共同供电，若某一舷故障，可自动切换至另一舷供电。
所述DC/AC变频器的输入侧设置有输入选择模块。每个配电分区内，DC/AC变频器驱动交流电机，为吊车、风机、水泵等设备提供机械功率；输入侧配置自动选择模块，正常工作时DC/AC变频器由左右舷低压直流母线共同供电，若某一舷故障，可自动切换至另一舷供电。
所述DC/DC变流器由多个DC/DC变流子模块并联组成。DC/DC变流器将中压直流(1～35kV)母线电压转换为低压直流(小于1kV)，通过互锁的两个隔离开关向左舷或右舷低压直流母线供电，船上每个配电分区各布置一台，具备电气隔离功能。
所述的附属设备种类包括交流负载屏、直流负载屏、交流跨接屏、直流跨接屏。不同区域的相同电制日用交流或直流网络可以通过交流或直流跨接屏并联，增加日用负载的供电路径，提高其供电连续性。
所述的左舷低压直流母线和右舷低压直流母线均采用母线槽形式，便于舱体模块化制造，所述的左舷低压直流母线和右舷低压直流母线的绝缘线制为直流双线制。低压直流母线通过直流母线联络屏向各配电分区供电。
所述左舷直流母线联络屏和右舷直流母线联络屏分别通过前后向隔离开关挂接在左舷低压直流母线和右舷低压直流母线上，左舷直流母线联络屏和右舷直流母线联络屏通过直流断路器与配电分区内的DC/AC逆变器、DC/DC斩波器、DC/AC变频器、输入自动选择模块和附属设备相连接，为其供电。
所述DC/AC逆变器的输出电压包括三相或单相50Hz，380V，220V，115V，48V，24V电压，三相或单相400Hz，380V，220V，115V电压，绝缘线制单相双线制、三相三线制、三相四线制或其它交流电制电压。
所述DC/DC斩波器的输出电压包括175～320V直流幅压，350～640V直流幅压，220V、115V、48V、24V直流恒压，绝缘线制直流双线制或其它直流电制电压。
所述DC/AC逆变器、DC/DC斩波器、DC/AC变频器、输入自动选择模块和附属设备均具备故障限流功能，输出发生短路故障时能够将短路电流限制在一定范围内；均具备仪表、开关、按钮、触摸屏等人机接口，可在机旁控制及远程遥控两种控制方式下切换。所述能量管理系统通过通讯总线(包括Devicenet、Profibus、CAN、Ethernet等)与各变流装置及其输出端负载通信，实现直流区域配电系统状态监测、潮流调配、保护重构等功能，保证安全、稳定供电。
本发明设置多个配电分区，利用低压直流母线实现区域配电，有效减少电缆用量，减少电缆穿舱孔数量和面积，缩短电缆敷设时间，降低配电系统尺寸、重量。本发明的低压直流母线采用直流母线槽，减少了传统电力电缆、配电设备和穿舱接头的数量，便于制造及安装，降低了配电系统整体的经济、体积、重量等成本。本发明利用输入选择模块实现左舷右舷低压直流母线共同供电，某一侧故障时可实现切换，保证配电网络的安全稳定运行，增加了负载供电路径，显著提高电能质量及供电连续性。本发明利用各电力电子装置实现模块化设计，通过DC/AC逆变器、DC/DC斩波器、DC/AC变频器、输入自动选择模块和附属设备实现不同输出的隔离，通过提高设备的通用性，增强了区域配电系统的维护性和灵活性，易于升级改造。本发明利用能量管理系统与各变流装置及其输出端负载通信，实现直流区域配电系统状态监测、潮流调配、保护重构等功能，利用各电力电子设备的快速响应实现能量调控，使本发明高度集成化、层次化，保证安全、稳定供电。本发明采用的电力电子装置均具备故障限流功能，输出发生短路故障时能够将短路电流限制在一定范围内；均具备仪表、开关、按钮、触摸屏等人机接口，可在机旁控制及远程遥控两种控制方式下切换，便于操作人员监控管理。
附图说明
图1是中压直流供电的直流区域配电网络结构示意图；
图2是典型直流区域配电网络结构图；
图3是低压直流负载输入自动选择模块原理图
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步说明：
本发明提供了一种中压直流区域配电系统，包括若干个配电分区和能量管理系统，每个配电分区内设置有DC/DC变流器，DC/DC变流器的输出端通过隔离互锁开关分别与左舷低压直流母线和右舷低压直流母线相连接，左舷直流母线联络屏与左舷低压直流母线相连接，右舷直流母线联络屏与右舷低压直流母线相连接，左舷直流母线联络屏和右舷直流母线联络屏的输出端分别与DC/AC逆变器、DC/DC斩波器、DC/AC变频器、输入自动选择模块和附属设备的输入端相连接，能量管理系统通过通讯总线和各配电分区内的DC/DC变流器、左舷直流母线联络屏、右舷直流母线联络屏、DC/AC逆变器、DC/DC斩波器、DC/AC变频器、输入自动选择模块相连接，DC/DC变流器的输入端为配电分区的中压直流输入端，DC/AC逆变器的输出端为配电分区的日用交流输出端，DC/DC斩波器的输出端为配电分区的日用直流输出端，DC/AC变频器的输出端与电动机相连接，输入自动选择模块为配电分区的低压直流输出端。
上述技术方案中，所述的输入自动选择模块包括四只功率二极管，输入选择模块的左舷低压直流输入端依次与相互串联的正极功率二极管D1和负极功率二极管D3相连接，输入选择模块的右舷低压直流输入端依次与相互串联的正极功率二极管D2和负极功率二极管D4相连接，正极功率二极管D1、D2的输出端为输入选择模块的输出端。
上述技术方案中，所述的DC/AC逆变器由输入自动选择模块和多个DC/AC逆变子模块并联组成。
上述技术方案中，DC/DC斩波器器由输入自动选择模块和多个DC/DC斩波子模块并联组成。
上述技术方案中，所述的DC/AC变频器的输入侧设置有输入选择模块。
上述技术方案中，所述的DC/DC变流器由多个DC/DC变流子模块并联组成。
上述技术方案中，所述的中压直流区域配电系统，其特征在于所述的附属设备种类包括交流负载屏、直流负载屏、交流跨接屏、直流跨接屏。
上述技术方案中，所述的左舷低压直流母线和右舷低压直流母线均采用母线槽形式，所述的左舷低压直流母线和右舷低压直流母线的绝缘线制为直流双线制。
上述技术方案中，所述的左舷直流母线联络屏和右舷直流母线联络屏分别通过前后向隔离开关挂接在左舷低压直流母线和右舷低压直流母线上，左舷直流母线联络屏和右舷直流母线联络屏通过直流断路器与配电分区内的DC/AC逆变器、DC/DC斩波器、DC/AC变频器、输入自动选择模块和附属设备相连接。
上述技术方案中，所述的DC/AC逆变器的输出电压包括三相或单相50Hz，380V，220V，115V，48V，24V电压，三相或单相400Hz，380V，220V，115V电压，绝缘线制单相双线制、三相三线制、三相四线制或其它交流电制电压。
上述技术方案中，所述的DC/DC斩波器的输出电压包括175～320V直流幅压，350～640V直流幅压，220V、115V、48V、24V直流恒压，绝缘线制直流双线制或其它直流电制电压。
具体实施例1的网络结构图如图2所示，由DC/DC变流器、左右舷直流母线联络屏、DC/AC逆变器、DC/DC斩波器、DC/AC变频器、输入自动选择模块、交流负载屏、直流负载屏、交流跨接屏、直流跨接屏及其附属设备组成。两台DC/DC变流器为左舷或右舷低压直流母线供电，DC/AC逆变器为日用交流负载供电，DC/DC斩波器为日用直流负载供电，DC/AC变频器驱动电动机，输入自动选择模块为低压直流负载供电。若网络中包含三个以上(包含三个)配电分区，正常运行时仅起动其中两个配电分区的两台DC/DC变流器，分别为左舷或右舷低压直流母线供电，其余DC/DC变流器作为备份电源。
本发明工作时，首先由中压直流供电网络为区域1和区域2内的DC/DC变流器提供中压直流电源。DC/DC变流器将中压直流(4～35kV)母线电压转换为低压直流(小于1kV)，通过带互锁的两个隔离开关向左舷或右舷低压直流母线供电。船上每个配电分区各布置一台DC/DC变流器，具备电气隔离功能。左右舷低压直流母线均采用母线槽形式，便于舱体模块化制造，其绝缘线制为直流双线制，左右舷低压直流母线分别通过左右舷直流母线联络屏向各配电分区供电；左舷直流母线联络屏和右舷直流母线联络屏在每个配电分区各布置一台，通过前向、后向隔离开关挂接在对应的低压直流母线上，通过直流断路器向配电分区内的电力电子变流装置及低压直流负载供电。所述电力电子变流装置包括DC/AC逆变器、DC/DC斩波器、DC/AC变频器、输入自动选择模块。
每个配电分区内，DC/AC逆变器将低压直流变换为日用交流，包括但不局限于船舶电力系统中三相或单相50Hz，380V，220V，115V，48V，24V，三相或单相400Hz，380V，220V，115V，绝缘线制单相双线制、三相三线制、三相四线制或其它交流电制。一种通常的做法是低压直流变换为三相交流，再经过变压器后可为单相负载供电；正常工作时DC/AC逆变器由左右舷低压直流母线共同供电，若某一舷故障，可利用DC/AC逆变器中的输入选择模块自动切换至另一舷供电。
每个配电分区内，DC/DC斩波器将低压直流变换为日用直流，包括但不局限于船舶电力系统中直流幅压175～320V，直流幅压350～640V，直流恒压220V，115V，48V，24V，绝缘线制直流双线制或其它直流电制。正常工作时DC/DC斩波器由左右舷低压直流母线共同供电，若某一舷故障，可利用DC/DC斩波器中的输入选择模块自动切换至另一舷供电。
每个配电分区内，DC/AC变频器驱动交流电机，为吊车、风机、水泵等设备提供机械功率；输入侧配置有输入自动选择模块，正常工作时DC/AC变频器由左右舷低压直流母线共同供电，若某一舷故障，可利用输入选择模块自动切换至另一舷供电。
每个配电分区内，其他低压直流负载通过输入自动选择模块从低压直流母线取电；正常工作时低压直流负载由左右舷低压直流母线共同供电，若某一舷故障，可自动切换至另一舷供电。输入自动选择模块主要包含左、右舷正负极功率二极管，其原理图如图3所示。
上述电力电子变流装置均具备故障限流功能，输出发生短路故障时能够将短路电流限制在一定范围内；均具备较完备的自身状态异常保护能力；均具备仪表、开关、按钮、触摸屏等人机接口，可在机旁控制及远程遥控两种控制方式下切换。不同区域的相同电制日用交流或直流网络可以通过交流或直流跨接屏并联，增加日用负载的供电路径，提高其供电连续性。
本发明采用低压配电板实现各电力电子变流装置与负载的连接。低压配电板在正常情况下实现电源至用电设备之间供电网路的接通和开断，指示开关的通断位置；测量监视配电系统电气参数(如电压、电流、频率、功率、功率因素等)，同时控制、调整配电系统电气参数；当配电系统发生故障或不正常运行时，低压配电板保护装置快速切除故障电路或发出声光报警信号。低压配电板中交流或直流断路器保护整定需具备过载长延时、短路短延时、瞬动(时间、动作值可调节)等功能，并具备完成能量管理系统的相关功能。
能量管理系统通过通讯总线(包括Devicenet、Profibus、CAN、Ethernet等)与各变流装置及配电板通信，实现直流区域配电系统状态监测、潮流调配、保护重构等功能，保证安全、稳定供电。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (7)
1.一种中压直流区域配电系统，其特征在于包括若干个配电分区和能量管理系统，每个配电分区内设置有DC/DC变流器，DC/DC变流器的输出端通过隔离互锁开关分别与左舷低压直流母线和右舷低压直流母线相连接，左舷直流母线联络屏与左舷低压直流母线相连接，右舷直流母线联络屏与右舷低压直流母线相连接，左舷直流母线联络屏和右舷直流母线联络屏的输出端分别与DC/AC逆变器、DC/DC斩波器、DC/AC变频器、输入自动选择模块和附属设备的输入端相连接，能量管理系统通过通讯总线和各配电分区内的DC/DC变流器、左舷直流母线联络屏、右舷直流母线联络屏、DC/AC逆变器、DC/DC斩波器、DC/AC变频器、输入自动选择模块相连接，DC/DC变流器的输入端为配电分区的输入端输出端，DC/AC逆变器的输出端为配电分区的日用交流输出端，DC/DC斩波器的输出端为配电分区的日用直流输出端，DC/AC变频器的输出端与电动机相连接，输入自动选择模块为配电分区的低压直流输出端；左舷直流母线联络屏和右舷直流母线联络屏分别通过前后向隔离开关挂接在左舷低压直流母线和右舷低压直流母线上，左舷直流母线联络屏和右舷直流母线联络屏通过直流断路器与配电分区内的DC/AC逆变器、DC/DC斩波器、DC/AC变频器、输入自动选择模块和附属设备相连接；所述的附属设备种类包括交流负载屏、直流负载屏、交流跨接屏、直流跨接屏；输入自动选择模块包括四只功率二极管，输入选择模块的左舷低压直流输入端依次与相互串联的正极功率二极管D1和负极功率二极管D3相连接，输入选择模块的右舷低压直流输入端依次与相互串联的正极功率二极管D2和负极功率二极管D4相连接，正极功率二极管D1、D2的输出端为输入选择模块的输出端。
2.根据权利要求1所述的中压直流区域配电系统，其特征在于DC/AC逆变器由输入自动选择模块和多个DC/AC逆变子模块并联组成。
3.根据权利要求1所述的中压直流区域配电系统，其特征在于DC/DC斩波器器由输入自动选择模块和多个DC/DC斩波子模块并联组成。
4.根据权利要求1所述的中压直流区域配电系统，其特征在于DC/AC变频器的输入侧设置有输入选择模块。
5.根据权利要求1所述的中压直流区域配电系统，其特征在于DC/DC变流器由多个DC/DC变流子模块并联组成。
6.根据权利要求1所述的中压直流区域配电系统，其特征在于所述的左舷低压直流母线和右舷低压直流母线均采用母线槽形式，所述的左舷低压直流母线和右舷低压直流母线的绝缘线制为直流双线制。
7.根据权利要求1所述的中压直流区域配电系统，其特征在于DC/AC逆变器的输出电压包括三相或单相50Hz，380V，220V，115V，48V，24V电压，三相或单相400Hz，380V，220V，115V电压，绝缘线制单相双线制、三相三线制、三相四线制或其它交流电制电压；DC/DC斩波器的输出电压包括175～320V直流幅压，350～640V直流幅压，220V、115V、48V、24V直流恒压，绝缘线制直流双线制或其它直流电制电压。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |