CN103825358A - 一种带有可逆轴带发电机的混合动力船舶供电控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有可逆轴带发电机的混合动力船舶供电控制系统，控制柴油发电机组和可逆轴带发电机，两个电网变送装置分段采集电网电气参数，并将模拟量数据送控制中心；控制中心通过现场总线接收推进控制系统的船舶推进模式以及柴发控制装置、可逆轴发控制装置的电气参数；控制中心将数据通过以太网送入人机界面显示电气参数，人机界面设定运行参数送回控制中心，控制中心输出控制指令到推进控制系统、柴发控制装置和可逆轴发控制装置。实现混合动力船舶四种推进模式下电力系统的自动控制，两种可选的负载分配方式，采用联锁保护装置防止系统误动作，满足现在混合动力船舶供电切换要求，提高船舶运行效率。

Description

一种带有可逆轴带发电机的混合动力船舶供电控制系统

技术领域

本发明涉及一种船舶电力控制系统，特别涉及一种带有可逆轴带发电机的混合动力船舶供电控制系统。

背景技术

船舶运行需要推进系统提供动力，推进系统由推进控制系统（不属于本发明涵盖范围）控制；船舶供电需要电力系统提供能源，电力系统由供电控制系统控制。不同动力类型的船舶，其电力系统的发配电设备区别较大，因此供电控制系统的控制设计有很大区别。现有的船舶供电控制系统主要应用于以下动力类型的船舶电力系统控制：

1、常规动力船舶：

常规动力船舶的航行动力由推进主机驱动，与电力系统无关。柴油发电机组为全船电力系统供电，供电控制系统仅控制柴油发电机组的运行。

2、带有轴带发电机的常规动力船舶：

带有轴带发电机组的常规动力船舶，航行动力由推进主机驱动，与电力系统无关。电力系统通常由一台由船舶推进主机驱动的轴带发电机和多台柴油发电机组构成，在船舶航行期间，轴带发电机可充分利用推进主机10%～15%的功率储备裕量向全船供电，使推进主机高效率低能耗运行，实现节能。供电控制系统控制轴带发电机和柴油发电机组的运行。

3、电力推进船舶：

电力推进船舶的电力系统通常由多台柴油发电机组构成，电网经多级变压器供给推进系统，为船舶提供主动力。供电控制系统主要用于控制柴油发电机组的运行。

随着技术的发展，带有可逆轴带发电机的混合动力船舶，综合了主机轴带发电和电力推进的优势，通过推进模式的切换改变船舶推进系统和电力系统的运行工况，充分利用系统效率。在船舶不同的推进模式下，可逆轴带发电机分属于推进控制系统或供电控制系统控制。由于在两个控制系统之间需要无缝切换，并需要良好的联锁保护措施防止可逆轴带发电机误动作，因此，带有可逆轴带发电机的混合动力船舶供电控制系统的设计难度比传统船舶提高许多。

发明内容

本发明是针对带有可逆轴带发电机的混合动力船舶供电控制系统设计难度大的问题，提出了一种带有可逆轴带发电机的混合动力船舶供电控制系统，满足现在混合动力船舶供电切换要求，提高船舶运行效率。

本发明的技术方案为：一种带有可逆轴带发电机的混合动力船舶供电控制系统，控制柴油发电机组和可逆轴带发电机，包括控制中心、两个电网变送装置、人机界面、联锁保护装置、柴发控制装置、柴发变送装置、柴发同步装置、可逆轴发控制装置、可逆轴发变送装置、可逆轴发测速装置、可逆轴发同步装置，两个电网变送装置分段采集电网电气参数，并将模拟量数据送控制中心；控制中心通过现场总线接收推进控制系统的船舶推进模式以及柴发控制装置、可逆轴发控制装置的电气参数；控制中心将数据通过以太网送入人机界面，显示电气参数、船舶推进模式、可逆轴带发电机工作状态，人机界面设定参数送回控制中心；控制中心输出控制指令到推进控制系统、柴发控制装置和可逆轴发控制装置；柴发控制装置通过柴发变送装置采集柴油发电机组电气参数，输出控制信号到柴发同步装置和柴油发电机组配电板的执行机构；可逆轴发控制装置通过可逆轴发变送装置和可逆轴发测速装置采集可逆轴带发电机电气参数，输出控制信号到可逆轴发同步装置和可逆轴带发电机配电板的执行机构；联锁保护装置接收控制中心的工作模式信息，联锁保护柴发控制装置、柴发同步装置、可逆轴发控制装置、可逆轴发同步装置的输出信号。

本发明的有益效果在于：本发明带有可逆轴带发电机的混合动力船舶供电控制系统，实现混合动力船舶四种工作模式下电力系统的控制：克服传统意义上的带有轴带发电机的船舶电力系统，轴带发电机与柴油发电机作为电力系统的电源，为全船供电，供电控制系统仅实现“主机推进带可逆轴带发电机发电模式”单一模式的控制，本系统可以实现混合动力船舶“主机单独推进模式”、“主机与可逆轴带发电机联合推进模式”、“可逆轴带发电机单独推进模式” 、“主机推进带可逆轴带发电机发电模式”四种工作模式下的电力系统控制；两种可选的负载分配方式：当混合动力船舶工作在“主机推进带可逆轴带发电机发电模式”时，控制中心通过对在网并联运行的可逆轴带发电机与柴油发电机负载的计算，可以实现两种负载分配方式：方式一，按照并联机组的额定容量比例分配负载；方式二，可逆轴带发电机优先分配负载；采用联锁保护装置防止系统误动作：联锁保护装置在以下两种情况下实现信号互锁：互锁同一被控对象的相反动作信号（如升速/降速，升压/降压，合闸/分断，同步/分断等）；若工作模式切换到“主机单独推进模式”、“主机与可逆轴带发电机联合推进模式”、或“可逆轴带发电机单独推进模式”时，可逆轴带发电机将不再作为发电机使用，供电控制系统的联锁保护装置将屏蔽对可逆轴带发电机的控制信号； 扩展性强：多台柴油发电机组和1台可逆轴带发电机构成的混合动力船舶电力系统，可按照本系统结构进行相应扩展。

附图说明

图1为本发明带有可逆轴带发电机的混合动力船舶供电控制系统电气连接图；

图2为本发明带有可逆轴带发电机的混合动力船舶供电控制系统中联锁保护装置电气连接图。

具体实施方式

1、带有可逆轴带发电机的混合动力船舶的四种推进模式

在不同的情况下，为了调节混合动力船舶航速，船员在驾控台上可选择相应推进模式按键，并选择合适的车钟速度档位，推进控制系统根据不同的推进模式下的速度档位，控制推进主机或可逆轴带发电机（工作在电动状态）推动螺旋桨。不同的推进模式对应不同的推进功率范围，同样对应不同的航行速度范围。当船舶低速航行或推进主机发生故障时，可选择“可逆轴带发电机单独推进模式”；当船舶巡航时，如航速无要求，可选择“推进主机推进带可逆轴带发电机发电模式”，可逆轴带发电机可充分利用推进主机的功率储备裕量向全船供电，使推进主机高效率低能耗运行，实现节能；当船舶巡航时，如航速较高，多采用“推进主机单独推进模式”；当船舶需要以最高航速航行时，可选择“推进主机与可逆轴带发电机联合推进模式”。

这四种推进模式下，可逆轴带发电机的工作状态不同：

1）可逆轴带发电机单独推进模式：

该模式下，可逆轴带发电机工作在电动状态，推进主机不工作，可逆轴带发电机作为电动机推动螺旋桨。此时，柴油发电机组独立为船舶电力系统供电，可逆轴带发电机作为电力系统的推进负载消耗电网能量。

2）推进主机推进带可逆轴带发电机发电模式：

该模式下，可逆轴带发电机工作在发电状态，推进主机推动螺旋桨，并带可逆轴带发电机发电。此时，可逆轴带发电机单独或与柴油发电机组联合为船舶电力系统供电。

3）推进主机单独推进模式：

该模式下，可逆轴带发电机工作在待机状态下，推进主机推动螺旋桨。如果推进主机与可逆轴带发电机之间的齿轮箱脱开，可逆轴带发电机停止运行；如果推进主机与可逆轴带发电机之间的齿轮箱没有脱开，可逆轴带发电机将随推进主机空转。此时，柴油发电机组独立为船舶电力系统供电。

4）推进主机与可逆轴带发电机联合推进模式：

该模式下，可逆轴带发电机工作在电动状态，与推进主机联合推动螺旋桨。此时，柴油发电机组独立为船舶电力系统供电，可逆轴带发电机作为电力系统的推进负载消耗电网能量。

采用可逆轴带发电机的混合动力船舶电力系统，可逆轴带发电机通过与推进主机（可以是柴油机或燃气轮机）的相互配合，可以工作在发电和电动状态下，完成四种推进模式的切换，满足船舶各种工况下的航行需要，提高船舶运行效率，达到节能减排的效果。本发明给出的供电控制系统可用于1台柴油发电机组和1台可逆轴带发电机构成的混合动力船舶电力系统控制；对于多台柴油发电机组和1台可逆轴带发电机构成的混合动力船舶的供电控制系统设计，可以根据柴油发电机组数量配置相同数量的柴发控制装置、柴发变送装置、柴发同步装置。

2、带有可逆轴带发电机的混合动力船舶的供电控制系统组成

如图1所示带有可逆轴带发电机的混合动力船舶供电控制系统结构示意图，控制中心1可采用PLC、工业控制计算机、嵌入式控制器等多种形式，如采用硬件冗余的控制器，可有效提高系统可靠性。控制中心1与人机界面4之间采用以太网通讯，也可根据需要采用其他合理的通讯方式。控制中心1与柴发控制装置6、可逆轴发控制装置9之间采用DP-PROFIBUS现场总线通讯，也可根据需要采用其他合理的通讯方式。

控制中心1通讯接收柴发控制装置6和可逆轴发控制装置9通过DP-PROFIBUS现场总线传递的数据，得到柴油发电机和轴带发电机的频率、电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数等电气参数；接收计算并处理A段电网变送装置2、B段电网变送装置3传递的DC 4～20mA电流信号，得到电网的频率、电压等电气参数；实现系统控制逻辑，实现系统参数显示、故障报警、机组启动、停机、断路器合闸（机组同步）、分断（机组解列）、调频调载、柴油发电机组优先级设定、失电恢复、功率原则自动增机、功率原则自动减机、故障换机、分级卸载、重载控制、最小机组数设定、“推进主机推进带可逆轴带发电机发电模式”下轴带发电机优先在网、推进功率限制等功能；当可逆轴带发电机工作在“可逆轴带发电机单独推进模式”、“推进主机单独推进模式”或“推进主机与可逆轴带发电机联合推进模式”时，如果超速，控制中心1应输出报警信号至推进控制系统；将电力系统功率裕量通过DC 4～20mA电流信号传递给推进控制系统；接收推进控制系统的推进模式切换指令并发送给人机界面4，并将人机界面4的响应信息回传给推进控制系统。

A段电网变送装置2、B段电网变送装置3分别采集每段电网的频率、电压等电气参数，并将数据通过DC 4～20mA电流信号传递给控制中心1。

人机界面4：与控制中心1通过以太网通讯，可以显示电网、发电机组运行参数，包括电压、电流、有功功率、无功功率、频率、功率因数、供电控制系统控制方式、机组控制方式等；显示当前混合动力船舶的推进模式和可逆轴带发电机的工作状态；显示电压、电流、有功功率、无功功率、频率等参数的实时曲线；查询故障报警记录；设置最小机组数、柴油发电机组优先级，选择调频调载功能的负载分配方式，所有参数设置通过以太网传递给控制中心1。

如图2所示联锁保护装置5电气连接图：联锁保护装置5用于联锁保护柴发控制装置6、柴发同步装置8、可逆轴发控制装置9、可逆轴发同步装置12的输出信号，防止出现误操作，可以实现以下功能：互锁柴油发电机组、轴带发电机自身的升速和降速、升压和降压、合闸和分断、同步和分断等几组逻辑功能相反的控制信号，防止出现相反逻辑信号同时触发的情况；检测控制中心1发出的推进模式信号，若推进模式切换到“推进主机推进带可逆轴带发电机发电模式”时，可逆轴带发电机工作在发电状态，联锁保护装置可进行可逆轴带发电机的逆功率保护，并可根据可逆轴发测速装置11的速度反馈值，判断是否进行超速保护；若推进模式切换到“可逆轴带发电机单独推进模式”、“推进主机单独推进模式”、或“推进主机与可逆轴带发电机联合推进模式”时，可逆轴带发电机将工作在电动或待机状态，此时联锁保护装置5屏蔽可逆轴带发电机的启动、停机、合闸、分断、升速、降速、升压、降压等控制信号，并取消可逆轴带发电机的逆功率保护。

柴发控制装置6：通过DC 4～20mA电流信号接收柴发变送装置7的电气参数；将柴油发电机组的电气参数和状态信息通过DP-PROFIBUS现场总线传递给控制中心1；通过DP-PROFIBUS现场总线接收控制中心1的启动、停机、合闸、同步、分断、升速、降速、升压、降压等指令，发送给配电板相应的执行机构。

柴发变送装置7：采集柴油发电机的频率、电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数等电气参数，并将数据通过DC 4～20mA电流信号传递给柴发控制装置6。

柴发同步装置8：当柴发控制装置6发出同步指令时，通过调节柴油发电机组的频率，完成柴油发电机组的同步操作。

可逆轴发控制装置9：通过DC 4～20mA电流信号接收可逆轴发变送装置10、可逆轴发测速装置11的电气参数；将可逆轴带发电机的电气参数和状态信息通过DP-PROFIBUS现场总线传递给控制中心1；通过DP-PROFIBUS现场总线接收控制中心1的启动、停机、合闸、同步、分断、升速、降速、升压、降压等指令，并发送给配电板相应的执行机构。

可逆轴发变送装置10：采集可逆轴带发电机的频率、电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数等电气参数，并将数据通过DC 4～20mA电流信号传递给可逆轴发控制装置9。

可逆轴发测速装置11：采集可逆轴带发电机的转速，并将数据通过DC 4～20mA电流信号传递给可逆轴发控制装置9。

可逆轴发同步装置12：当可逆轴发控制装置9发出同步指令时，通过调节可逆轴带发电机的频率，完成可逆轴带发电机的同步操作。

3、带有可逆轴带发电机的混合动力船舶供电控制系统的控制功能

1）参数显示

供电控制系统的人机界面上可以显示电网、发电机组的各类运行参数，包括电压、电流、有功功率、无功功率、频率、功率因数、供电控制系统控制方式、机组控制方式等，显示当前混合动力船舶的推进模式和可逆轴带发电机的工作状态；并可显示电压、电流、有功功率、无功功率、频率的实时曲线。

2）故障报警

供电控制系统检测到电力系统设备故障时，进行声光报警，并在人机界面上显示对应故障名称及发生时间。当故障消失并进行消声、应答后，故障报警才能清除。操作人员可以据此采取妥善的保护和处理，以防止故障影响系统正常运行。

3）机组启动、停机

供电控制系统可以控制柴油发电机组和发电状态下的可逆轴带发电机自动启动、停机；如果一次启动不成功，供电控制系统将尝试多次启动机组。

4）断路器合闸（机组同步）、分断（机组解列）

供电控制系统可以在电网无电时控制机组断路器合闸；当电网有电时，调节待并机组频率、电压幅值、相位，当与电网相差较小时，控制机组断路器合闸；当在网机组需要解列时，供电控制系统将该机组的负载自动转移到其他在网机组后，分断机组断路器。

5）调频调载

供电控制系统自动对在网机组进行频率、有功功率、无功功率分配调节，保证在网机组的频率能够稳定在额定值的规定范围内，并提供两种并联机组有功功率、无功功率自动分配方式供船员选择：方式一，按照并联机组的额定容量比例分配负载，即供电控制系统将电网有功功率、无功功率按照在网机组额定容量比例分配给各并联在网机组；方式二，可逆轴带发电机优先分配负载，即当可逆轴带发电机在网时，供电控制系统将电网有功功率、无功功率优先分配给可逆轴带发电机，直至有功功率达到可逆轴带发电机的额定值，无功功率则按照系统功率因数对应分配，剩余的有功功率、无功功率则按照在网柴油发电机组的额定容量比例分配给并联在网的柴油发电机组。

6）柴油发电机组优先级设定

在人机界面上可以设定柴油发电机组优先级顺序，当备用机组启动或运行机组停机时，供电控制系统将遵循优先级高的机组优先启动、优先级低的机组优先停机的原则启动、停机。

7）失电恢复

当发电机组主断路器全部断开时，船舶电力系统失电，供电控制系统将自动启动优先级最高的备用发电机组投网运行，快速恢复电网供电。

8）功率原则自动增机

当电网功率裕量低于设定值时，延时一段时间后，供电控制系统启动优先级最高的备用机组并网运行。

9）功率原则自动减机

当电网功率裕量高于设定值时，延时一段时间后，供电控制系统转移负载至其他在网机组，然后分断优先级最低的在网机组的断路器，并自动停机。

10）故障换机

当某台发电机组出现滑油压力低、滑油温度高、冷却水温度高等B类故障时，供电控制系统自动启动备用机组、并网运行；故障机组转移负载后解列、停机。

11）分级卸载

当机组在网运行的情况下，流经机组断路器的任意一相电流大于设定值时，延时一段时间后，供电控制系统进行一级卸载，脱开电力系统中一级非重要负载；在一级卸载的基础上，流经机组断路器的任意一相电流仍大于设定值时，延时一段时间后，供电控制系统进行二级卸载，脱开电力系统中二级非重要负载。

12）重载控制

当收到来自配电板的重载请求信号后，供电控制系统将计算该重载投入后的系统功率裕量：如果功率裕量足够，供电控制系统发出重载允许指示；如果功率裕量不足，供电控制系统先控制优先级最高的备用机组启动、并网，增加电力系统的功率裕量，然后重新计算该重载投入后的系统功率裕量是否满足该重载需求；如果在某一重载判断的过程中出现多个新的重载请求，在执行完当前重载判断后，供电控制系统将按照重载优先级顺序进行其他重载允许判断。

13）最小机组数设定

在设定最小机组数后（该值大于1有意义），系统将按照最小机组数配置投入电网的最小机组数，可以保证电网有足够的功率裕量。

14）“推进主机推进带可逆轴带发电机发电模式”下轴带发电机优先在网

当混合动力船舶在“推进主机推进带可逆轴带发电机发电模式”运行时，为保证系统高效节能，供电控制系统将可逆轴带发电机优先级切换至最高，并优先投网，替代柴油发电机组为电力系统供电，只有当电网负载增大至可逆轴带发电机无法负担时，才会投入备用柴油发电机组。当混合动力船舶退出“推进主机推进带可逆轴带发电机发电模式”时，供电控制系统将使备用柴油发电机组并网，转移负载后解列可逆轴带发电机。

15）推进功率限制

当混合动力船舶在“可逆轴带发电机单独推进模式”或“推进主机单独推进模式”运行时，控制中心1将各断路器状态及电力系统功率裕量通过数字量、模拟量信号实时传递给推进控制系统，当在网机组突发故障或机组断路器跳闸时，电力系统功率裕量迅速降低，甚至为负值，此时其他在网机组有可能过载，严重时会使机组停机保护导致全船停电。为防止这种情况出现，供电控制系统在电力系统功率裕量为负值时，发出推进功率限制信号至推进控制系统，推进控制系统迅速降低推进主机或可逆轴带发电机（电动状态）的功率输出，防止电力系统过载。

Claims (1)

1.一种带有可逆轴带发电机的混合动力船舶供电控制系统，控制柴油发电机组和可逆轴带发电机，其特征在于，包括控制中心、两个电网变送装置、人机界面、联锁保护装置、柴发控制装置、柴发变送装置、柴发同步装置、可逆轴发控制装置、可逆轴发变送装置、可逆轴发测速装置、可逆轴发同步装置，两个电网变送装置分段采集电网电气参数，并将模拟量数据送控制中心；控制中心通过现场总线接收推进控制系统的船舶推进模式以及柴发控制装置、可逆轴发控制装置的电气参数；控制中心将数据通过以太网送入人机界面，显示电气参数、船舶推进模式、可逆轴带发电机工作状态，人机界面设定参数送回控制中心；控制中心输出控制指令到推进控制系统、柴发控制装置和可逆轴发控制装置；柴发控制装置通过柴发变送装置采集柴油发电机组电气参数，输出控制信号到柴发同步装置和柴油发电机组配电板的执行机构；可逆轴发控制装置通过可逆轴发变送装置和可逆轴发测速装置采集可逆轴带发电机电气参数，输出控制信号到可逆轴发同步装置和可逆轴带发电机配电板的执行机构；联锁保护装置接收控制中心的工作模式信息，联锁保护柴发控制装置、柴发同步装置、可逆轴发控制装置、可逆轴发同步装置的输出信号。

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