CN104037799A - 一种船舶轴带发电系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶轴带发电系统及其控制方法，解决了现有技术存在的无法实现无刷双馈电机定子发电电压和频率与船舶电站的电压和频率的无缝切换和当船舶负载发生突变时系统无法实现平稳运行的问题。本系统主要包括并网装置（11）、输入滤波单元（12）、网侧功率单元（13）、机侧功率单元（14）、输出电抗器（15）和控制系统（17），并网装置通过输入滤波单元与网侧功率单元连接，机侧功率单元通过输出电抗器控制绕组（3）连接，网侧功率单元和机侧功率单元背靠背连接，工业PC（18）分别采集无刷双馈电机的电流、电压、转速及汇流排电压，对船舶轴带发电系统进行稳定控制。本发明的控制方法采用了矢量控制算法，适合用于船舶轴带发电系统中。

Description

一种船舶轴带发电系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种船舶轴带发电系统，特别涉及一种基于无刷双馈电机的船舶轴带发电系统及其控制方法。

背景技术

船舶轴带发电是利用船舶主机的功率储备，在主机带动螺旋桨推进船舶航行的同时拖动轴带发电机发电，从而使船舶在航行时基本不使用传统的柴油发电机组发电，这种方式具有显著的节能效果。这是由于船舶在选用主柴油机功率时都是按最大装载量、最大航速工况选用并留有10%-15%的裕量，如果海况及船况良好，在轻载经济巡航时，主柴油机将有很大的功率储备没有得到充分利用，这样就造成主柴油机大都在长期轻载下运行，因此造成了两方面的问题：一是柴油机在轻载下效率降低，其经济性将下降；二是柴油机在轻载下容易形成积碳，故障率增加。如果利用轴带发电机，可以使主机长时间在较高负荷下运行，从而具有良好的经济性。一般来说，正常航行时，船舶用电负荷约为主机额定功率的10%左右，轴带发电机完全能满足船舶正常航行的电力需要，此时无需运转辅助柴油发电机。一般采用轴带发电时，动力装置的效率可提高2%-4%，发电成本比辅助柴油发电机组约低50%。轴带发电除了降低燃油消耗量以外，还减少了辅柴油发电机的台数，节省了投资。

目前，船舶轴带系统主要采用的是带频率补偿装置的同步发电机，即先将同步发电机发出的交流电通过整流装置变换为直流，再通过逆变器变换为恒频恒压的交流，无疑所需的变流器为全功率变流器。近年来，有刷双馈异步电机在变速恒频风力发电领域得到广泛应用，变频器在发电机的励磁回路上, 而不是在主供电电路上, 其容量和体积都显著降低, 降低了系统的成本。鉴于有刷双馈电机明显的技术优势，人们开始尝试将该电机用于船舶轴带发电系统。但有刷双馈发电机仍保留电刷和滑环，需要经常维护，并不适合船舶轴带这种对可靠性较高的应用。无刷双馈电机是近年来国内外研究甚为活跃的一种新型电机。顾名思义，该电机是不需要电刷的双馈电机，它由有刷双馈电机发展而来，其基本结构是一个定子，一个转子，一套公共磁路，定子上有极数不同的两套绕组，一套接工频三相电源，称功率绕组，另一套接变频电源，称控制绕组。它除了无刷之外，还具有有刷双馈发电机的全部优点。

研究船舶无刷双馈轴带发电系统，和现有其它变速恒频发电技术相比，其优势在于：

（1）与双馈异步发电机相比，没有电刷和滑环，大大增加了系统的可靠性和可维护性；

（2）与带功率变换装置的永磁同步发电机和鼠笼式异步发电机相比，它不需要变频器提供全功率变换器，只需要提供“转差功率”即可，大大降低了变频器的容量；

鉴于上述优点，世界上许多国家尤其是发达国家，如美国很早就开始研究用无刷双馈轴带发电系统来取代柴油机发电系统，但至今仍未见产业化的报道，其难点在于主发动机转速不断变化，负载条件随时出现较大范围内变化时，如何实现轴带发电输出恒频恒压，即实现变速恒频恒压运行，才能保证轴带发电系统与船舶电站的并联运行或独立运行。围绕上述背景技术，在已公布的专利文献中，发明人检索出只有华中科技大学发表了一篇关于船用柴油机轴带无刷双馈发电机控制系统的专利，其专利号为ZL200910061296.7。此专利公布的励磁控制系统采用回馈器拓扑结构，存在控制系统响应速度慢的问题，无法实现无刷双馈电机定子发电电压和频率与船舶电站的电压和频率的无缝切换，当船舶负载发生突变时，该系统无法实现稳定运行。

发明内容

本发明提供了一种船舶轴带发电系统及其控制方法，解决了现有装置及控制方法存在的控制系统响应速度慢、无法实现无刷双馈电机定子发电电压和频率与船舶电站的电压和频率的无缝切换和当船舶负载发生突变时系统无法实现稳定运行的技术问题。

一种船舶轴带发电系统，包括船舶电站、汇流排、船舶负载、并网装置、输入滤波单元、网侧功率单元、机侧功率单元、输出电抗器、无刷双馈电机和控制系统，船舶电站中主发电机的三相输出端通过电控主开关与汇流排连接，汇流排通过并网装置中的主断路器与输入滤波单元的输入端连接，输入滤波单元的输出端与网侧功率单元的三相交流输入端连接，网侧功率单元是由第一双管绝缘栅双极型晶体管、第二双管绝缘栅双极型晶体管和第三双管绝缘栅双极型晶体管按三相桥式全控整流电路组成的，网侧功率单元的直流输出端与机侧功率单元的直流输入端连接，机侧功率单元是由第四双管绝缘栅双极型晶体管、第五双管绝缘栅双极型晶体管和第六双管绝缘栅双极型晶体管按三相桥式全控逆变电路组成的，机侧功率单元的交流输出端与输出电抗器的输入端连接，输出电抗器的输出端与无刷双馈电机的控制绕组连接，无刷双馈电机的功率绕组通过并网装置中的并网断路器与汇流排连接，船舶负载通过船舶负载电控开关与汇流排连接；网侧功率单元的控制接口通过中央处理单元中的电力接口电路与中央处理单元中的工业PC连接，机侧功率单元的控制接口通过中央处理单元中的电力接口电路与中央处理单元中的工业PC连接，控制绕组的三相电流通过第一个三相电流检测模块与电力接口电路连接，无刷双馈电机的转速通过光电编码器与电力接口电路连接，功率绕组的三相电流通过第二个三相电流检测模块与电力接口电路连接，功率绕组的三相电压通过第一个三相电压检测模块与电力接口电路连接，汇流排的三相电压通过第二个三相电压检测模块与电力接口电路连接，网侧功率单元的直流输出端通过直流电压检测模块与电力接口电路连接，网侧功率单元的直流输出端与泄荷电路的直流输入端连接，泄荷电路的控制接口与电力接口电路连接；电控主开关、备用电控主开关、主断路器和并网断路器与中央处理单元电连接。

备用发电机通过备用电控主开关与汇流排连接，在工业PC上连接有上位机；在主断路器的两端并联有预充电路；输入滤波单元是由PWM滤波器和输入电抗器组成。

一种船舶轴带发电系统的控制方法，其特征在于：

一、在无刷双馈电机和船舶电站并联运行的模式下，无刷双馈电机运行到额定转速后，轴带发电系统继续运行并且追踪汇流排上的船舶电站的电压，在功率绕组的电压及相位与汇流排一致后，闭合并网装置，将无刷双馈电机并入汇流排，此时无刷双馈电机进入并联运行模式；此时，无刷双馈电机的控制算法上采用基于功率绕组磁链同步坐标系下的矢量控制算法，可以根据并联策略或者上位机给定的参考值承担部分负载功率，并且同时对主发电机的端电压或者无功功率进行控制；

二、在无刷双馈电机独立运行的模式下，无刷双馈电机运行到额定转速后，停止机侧功率单元的机侧脉冲并且检测功率绕组的电压及相位是否与汇流排一致，在无刷双馈电机电压及相位与汇流排一致后，闭合并网装置，将无刷双馈电机并入汇流排，之后轴带发电系统远程断开船舶电站中的主发电机的电控主开关，进入独立运行模式，由无刷双馈电机单独对船舶负载进行供电。此时，无刷双馈电机的控制算法上采用基于功率绕组磁链同步坐标系下的矢量控制算法。

本发明与现有技术比较，具有如下显而易见的突出的实质性特点和显著优点：

1.本发明采用绝缘栅双极型晶体管三相全桥背靠背结构，支持无刷双馈电机控制绕组、功率绕组的四象限运行，并且保证了发电电压的波形质量；

2. 本发明可以自动将负载在主柴油发电机和轴带无刷双馈电机之间进行切换，并且可实现无缝切换，即负载在切换过程中不失电；可实现平滑切换，即切换过程中电网电压不存在突变；

3. 本发明采用针对无刷双馈电机的基于功率绕组磁场同步坐标系下的矢量控制算法，实现了无刷双馈电机与船舶电站的并联运行和独立运行：并联运行时，可实现轴带无刷双馈电机发电功率和船舶电站发电功率的分配；独立运行时，可承受负载突加突卸带来的影响。该控制算法可以实现无刷双馈电机在全转速范围的稳定运行，尤其可以保证在同步转速点的稳定性。这种控制方法使系统的控制性能更好，稳定性和可靠性高。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是并网装置11的原理图；

图3是输入滤波单元12的原理图；

图4是网侧功率单元13的原理图；

图5是机侧功率单元14的原理图。

具体实施方式

一种船舶轴带发电系统，包括船舶电站4、汇流排9、船舶负载10、并网装置11、输入滤波单元12、网侧功率单元13、机侧功率单元14、输出电抗器15、无刷双馈电机1和控制系统17，船舶电站4中主发电机5的三相输出端通过电控主开关7与汇流排9连接，汇流排9通过并网装置11中的主断路器37与输入滤波单元12的输入端连接，输入滤波单元12的输出端与网侧功率单元13的三相交流输入端连接，网侧功率单元13是由第一双管绝缘栅双极型晶体管29、第二双管绝缘栅双极型晶体管30和第三双管绝缘栅双极型晶体管31按三相桥式全控整流电路组成的，网侧功率单元13的直流输出端与机侧功率单元14的直流输入端连接，机侧功率单元14是由第四双管绝缘栅双极型晶体管34、第五双管绝缘栅双极型晶体管35和第六双管绝缘栅双极型晶体管36按三相桥式全控逆变电路组成的，机侧功率单元14的直流输出端与输出电抗器15的输入端连接，输出电抗器15的输出端与无刷双馈电机1的控制绕组3连接，无刷双馈电机1的功率绕组2通过并网装置11中的并网断路器32与汇流排9连接，船舶负载10通过船舶负载电控开关38与汇流排9连接；网侧功率单元13的控制接口通过中央处理单元17中的电力接口电路19与中央处理单元17中的工业PC18连接，机侧功率单元14的控制接口通过中央处理单元17中的电力接口电路19与中央处理单元17中的工业PC18连接，控制绕组3的三相电流通过第一个三相电流检测模块25与电力接口电路19连接，无刷双馈电机1的转速通过光电编码器24与电力接口电路19连接，功率绕组2的三相电流通过第二个三相电流检测模块23与电力接口电路19连接，功率绕组2的三相电压通过第一个三相电压检测模块22与电力接口电路19连接，汇流排9的三相电压通过第二个三相电压检测模块21与电力接口电路19连接，网侧功率单元13的直流输出端通过直流电压检测模块16与电力接口电路19连接，网侧功率单元13的直流输出端与泄荷电路26的直流输入端连接，泄荷电路26的控制接口与电力接口电路19连接；电控主开关7、备用电控主开关8、主断路器37和并网断路器32与中央处理单元17电连接。

备用发电机6通过备用电控主开关8与汇流排9连接，在工业PC18上连接有上位机20；在主断路器37的两端并联有预充电路33；输入滤波单元12是由PWM滤波器27和输入电抗器28组成。

为实现无刷双馈电机的稳定控制，本发明设计了一套全新的基于无刷双馈电机的船舶轴带发电系统的控制算法。该控制算法采用基于磁场定向的矢量控制算法来实现。网侧功率单元13采用基于电网的矢量控制算法，机侧功率单元14采用针对无刷双馈电机的基于功率绕组磁场定向的矢量控制算法。该控制算法可以实现无刷双馈电机在全转速范围的稳定运行，尤其可以保证在同步转速点的稳定性。

一种船舶轴带发电系统的控制方法，其特征在于：

一、在无刷双馈电机1和船舶电站4并联运行的模式下，无刷双馈电机1运行到额定转速后，轴带发电系统继续运行并且追踪汇流排9上的船舶电站4的电压，在功率绕组2的电压及相位与汇流排9一致后，闭合并网装置11，将无刷双馈电机1并入汇流排9，此时无刷双馈电机1进入并联运行模式。此时，无刷双馈电机1的控制算法上采用基于功率绕组磁链同步坐标系下的矢量控制算法，对主发电机5的电网电压进行锁相追踪，可以根据并联策略或者上位机给定的参考值承担部分负载功率，并且同时对主发电机5的端电压或者无功功率进行控制，并联运行模式下优先需要考虑的是必须保证对主发电机5发出的电网极性实时跟踪，保证并网。

二、在无刷双馈电机1独立运行的模式下，无刷双馈电机1运行到额定转速后，停止机侧功率单元14的机侧脉冲并且检测功率绕组2的电压及相位是否与汇流排9一致，在无刷双馈电机1电压及相位与汇流排9一致后，闭合并网装置11，将无刷双馈电机1并入汇流排9，之后轴带发电系统远程断开船舶电站4中的主发电机5的电控主开关7，进入独立运行模式，由无刷双馈电机1单独对船舶负载10进行供电。此时，无刷双馈电机1的控制算法上采用基于功率绕组磁链同步坐标系下的矢量控制算法。在独立运行模式下，控制算法需要辨别正常工作状态和故障工作状态。在正常工作状态下，控制绕组的电流较低，一般是稳态运行的情况，此时使用电压优先法进行控制，即切除电流控制环，尽量保证功率绕组电压即电网电压的稳定，以满足船用电气的要求；在故障工作状态下，控制绕组电流较高，一般是某些负载发生了短路保护导致无刷双馈电机发电电压跌落，此时使用电流优先法进行控制，即接入电流控制环，牺牲功率绕组电压即电网的电压，保证整个控制系统不过流保护，当船舶负载10通过船舶负载电控开关38切断之后，故障状态切除，控制算法返回到正常状态。

Claims (3)

1.一种船舶轴带发电系统，包括船舶电站（4）、汇流排（9）、船舶负载（10）、并网装置（11）、输入滤波单元（12）、网侧功率单元（13）、机侧功率单元（14）、输出电抗器（15）、无刷双馈电机（1）和控制系统（17），其特征在于，船舶电站（4）中主发电机（5）的三相输出端通过电控主开关（7）与汇流排（9）连接，汇流排（9）通过并网装置（11）中的主断路器（37）与输入滤波单元（12）的输入端连接，输入滤波单元（12）的输出端与网侧功率单元（13）的三相交流输入端连接，网侧功率单元（13）是由第一双管绝缘栅双极型晶体管（29）、第二双管绝缘栅双极型晶体管（30）和第三双管绝缘栅双极型晶体管（31）按三相桥式全控整流电路组成的，网侧功率单元（13）的直流输出端与机侧功率单元（14）的直流输入端连接，机侧功率单元（14）是由第四双管绝缘栅双极型晶体管（34）、第五双管绝缘栅双极型晶体管（35）和第六双管绝缘栅双极型晶体管（36）按三相桥式全控逆变电路组成的，机侧功率单元（14）的交流输出端与输出电抗器（15）的输入端连接，输出电抗器（15）的输出端与无刷双馈电机（1）的控制绕组（3）连接，无刷双馈电机（1）的功率绕组（2）通过并网装置（11）中的并网断路器（32）与汇流排（9）连接，船舶负载（10）通过船舶负载电控开关（38）与汇流排（9）连接；网侧功率单元（13）的控制接口通过中央处理单元（17）中的电力接口电路（19）与中央处理单元（17）中的工业PC（18）连接，机侧功率单元（14）的控制接口通过中央处理单元（17）中的电力接口电路（19）与中央处理单元（17）中的工业PC（18）连接，控制绕组（3）的三相电流通过第一个三相电流检测模块（25）与电力接口电路（19）连接，无刷双馈电机（1）的转速通过光电编码器（24）与电力接口电路（19）连接，功率绕组（2）的三相电流通过第二个三相电流检测模块（23）与电力接口电路（19）连接，功率绕组（2）的三相电压通过第一个三相电压检测模块（22）与电力接口电路（19）连接，汇流排（9）的三相电压通过第二个三相电压检测模块（21）与电力接口电路（19）连接，网侧功率单元（13）的直流输出端通过直流电压检测模块（16）与电力接口电路（19）连接，网侧功率单元（13）的直流输出端与泄荷电路（26）的直流输入端连接，泄荷电路（26）的控制接口与电力接口电路（19）连接；电控主开关（7）、备用电控主开关（8）、主断路器（37）和并网断路器（32）与中央处理单元（17）电连接。

2.根据权利要求1所述的一种船舶轴带发电系统，其特征在于，备用发电机（6）通过备用电控主开关（8）与汇流排（9）连接，在工业PC（18）上连接有上位机（20）；在主断路器（37）的两端并联有预充电路（33）；输入滤波单元（12）是由PWM滤波器（27）和输入电抗器（28）组成。

3.一种船舶轴带发电系统的控制方法，其特征在于：

一、在无刷双馈电机（1）和船舶电站（4）并联运行的模式下，无刷双馈电机（1）运行到额定转速后，轴带发电系统继续运行并且追踪汇流排（9）上的船舶电站（4）的电压，在功率绕组（2）的电压及相位与汇流排（9）一致后，闭合并网装置（11），将无刷双馈电机（1）并入汇流排（9），此时无刷双馈电机（1）进入并联运行模式；此时，无刷双馈电机（1）的控制算法上采用基于功率绕组磁链同步坐标系下的矢量控制算法，根据并联策略或者上位机（20）给定的参考值承担部分负载功率，并且同时对主发电机（5）的端电压或者无功功率进行控制；

二、在无刷双馈电机（1）独立运行的模式下，无刷双馈电机（1）运行到额定转速后，停止机侧功率单元（14）的机侧脉冲并且检测功率绕组（2）的电压及相位是否与汇流排（9）一致，在无刷双馈电机（1）电压及相位与汇流排（9）一致后，闭合并网装置（11），将无刷双馈电机（1）并入汇流排（9），之后轴带发电系统远程断开船舶电站（4）中的主发电机（5）的电控主开关（7），进入独立运行模式，由无刷双馈电机（1）单独对船舶负载（10）进行供电；此时，无刷双馈电机（1）的控制算法上采用基于功率绕组磁链同步坐标系下的矢量控制算法。