CN106364651A - 一种船舶综合电力推进系统及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶综合电力推进系统，包括电源管理系统、柴油发电机组，储能装置、岸电箱、浮动式水力发电装置、分布式发电装置、推进电机和螺旋桨，柴油发电机组依次经整流器和供电功率表与公共直流母线电连接，储能装置通过双向DC/DC变换器与公共直流母线电连接，岸电箱、浮动式水力发电装置和分布式发电装置分别通过整流器四、整流器五和整流器六与公共直流母线电连接，公共直流母线经负载功率表与逆变/变频器一、逆变/变频器二、逆变/变频器三和逆变/变频器四电连接，逆变/变频器一、逆变/变频器二、逆变/变频器三和逆变/变频器四分别与右推进电机、左推进电机、辅助设备和日常用电设备电连接。本发明能源利用率高，节能减排效果好。

Description

一种船舶综合电力推进系统及使用方法

技术领域

本发明属于船舶动力系统技术领域，特别是涉及一种船舶综合电力推进系统及使用方法。

背景技术

现有船舶推进系统方式有如下三种：

一、传统机械推进方式，其由柴油发动机通过齿轮箱连接螺旋桨，以此来推动船舶航行，在柴油发动机主动力的功率选择上，均是按照船舶动力在可能遇到的最大工况的情况下来确定，具有较大的富余功率。在实际的运行中，遇到类似情况的概率很低，加之目前船舶普遍采取了以降低航速为主的节能降耗措施，导致在大多数情况下，船舶实际运行中的功率往往只占到设计功率的40-60％，柴油发动机主动力长期处于低负荷运行状态，柴油发动机的热效率比额定负荷状态下要低10-30％左右，油耗不经济。同时，对于长期处于变负荷运行的船舶，柴油发动机的工况亦长期处于变动之中，进一步降低了热效率，造成能效不经济、排放不环保。

二、传统电力推进方式，在西方发达国家，有20-30％左右的新造船舶(主要是海轮)采用电力推进方式的技术方案，即通过柴油发电机给船舶电网供电，再提供给推进电动机带动螺旋桨运行。在该电力推进方式中，一主柴油发电机的供电回路对应连接右推进电动机，另一主柴油发电机的供电回路对应连接左推进电动机，两个供电回路之间通过线路连接，起到应急旁通的作用。与传统机械推进方式相比，该推进方式的柴油发电机与螺旋桨之间采用了电力柔性连接，推进电动机与螺旋桨的匹配优于柴油发电机与螺旋桨的匹配，但螺旋桨负荷的波动仍然会直接反应到柴油发电机负荷的波动，同时柴油发电机的组合不够灵活，没有充分挖掘船舶的节能潜力。

三、纯电动推进方式，即由储能单元直接向推进电动机供电来带动螺旋浆运行，以实现船舶航行。如专利号CN200820155772.2公开的一种用于船舶电力推进系统的供电系统，用于给船舶电力推进系统供电，该船舶电力推进系统包括一控制系统、分别与该控制系统相连的推进系统、驾驶操作控制系统、充电系统以及供电系统。其中储能单元通过岸电箱或者光伏发电、风能发电等分布式电源系统补充电能。在纯电动推进方式中，螺旋桨推进电动机完全依靠储能单元中动力电池的储能来提供能源，要求动力电池的容量大，一般需要满足船舶满负荷运行几个小时至十几个小时，大大提高了船舶的造价，船舶的主要成本为电池成本。动力电池电源的补充主要依靠岸电箱，而光伏发电和风能发电只能作为很小的补充，这就要求船舶经常需要靠泊充电，充电时间长，不适合长距离航行，同时存在投资成本大、充电时间长、对充电配套要求高的问题。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术的不足，提供了一种船舶综合电力推进系统及使用方法，本发明采用柴油发电机组、储能装置、岸电箱、浮动式水力发电装置、分布式发电装置相结合的推进方式，针对船舶运行的实际环境条件和客观规律进行了方案优选和优化，在柴油发电机组数目和组合方案以及储能装置容量上进行了创新，同时采用浮动式水力发电装置作为船舶主要补电来源，充分选择柴油发电机能源转换效率高的功率段进行工作，通过对波动负荷的削峰填谷来提升柴油发电机工作的平稳性，大大提高了能源使用效率，保障了船舶航行、停泊、移港和离港期间的良好的节能减排效果，船舶运行舒适性好，减少了本发明推进系统的投入成本。

为了实现上述目的，本发明提供了一种船舶综合电力推进系统，包括电源管理系统、柴油发电机组，储能装置、岸电箱、浮动式水力发电装置、分布式发电装置、公共直流母线、推进电机和螺旋浆，所述推进电机包括右推进电机和左推进电机，所述螺旋浆包括右螺旋桨和左螺旋桨，所述柴油发电机组依次经整流器和供电功率表与公共直流母线电连接，所述储能装置通过双向DC/DC变换器与所述公共直流母线电连接，所述岸电箱、浮动式水力发电装置和分布式发电装置分别通过整流器四、整流器五和整流器六与所述公共直流母线电连接，所述公共直流母线经负载功率表与逆变/变频器一、逆变/变频器二、逆变/变频器三和逆变/变频器四电连接，所述逆变/变频器一、逆变/变频器二、逆变/变频器三和逆变/变频器四分别与所述右推进电机、左推进电机、辅助设备和日常用电设备电连接，所述右推进电机与所述右螺旋桨相连接，所述左推进电机与所述左螺旋桨相连接；所述公共直流母线上连接有电压表。

所述供电功率表、负载功率表和电压表均与所述电源管理系统相连接，所述电源管理系统分别与所述柴油发电机组、储能装置、岸电箱、浮动式水力发电装置和分布式发电装置相连接。

进一步地，所述柴油发电机组由两容量相同的主柴油发电机组和所述主柴油发电机组一半容量的辅助柴油发电机组组成，两所述主柴油发电机组的容量之和满足船舶满负荷运行时全船用电需求为准；所述整流器包括整流器一、整流器二和整流器三，两所述主柴油发电机组分别通过整流器一和整流器二与所述供电功率表电连接，所述辅助柴油发电机组通过整流器三与所述供电功率表电连接。

进一步地，两所述主柴油发电机组和辅助柴油发电机组分别通过整流器一、整流器二和整流器三整流后，将两所述主柴油发电机组和辅助柴油发电机组均采用的380V三相交流电源转换成540V直流电源后输入所述公共直流母线；所述岸电箱经整流器四整流后，将交流电源转化成540V直流电源后输入公共直流母线；所述浮动式水力发电装置和分布式发电装置分别经整流器五和整流器六整流后均将交流电源转化成540V直流电源后输入公共直流母线。

进一步地，所述储能装置由超级电容和充电锂离子电池构成。

进一步地，所述储能装置的容量为船舶满负荷运行1小时的电量作为所述储能装置的容量。

进一步地，所述公共直流母线经所述逆变/变频器一和逆变/变频器二后均将540V直流电源转化成380V且频率为0-50赫兹之间调节的三相交流电源后分别为右推进电机和左推进电机供电。

进一步地，所述公共直流母线经逆变/变频器三将540V直流电源转化成380V且频率为50赫兹的交流电源后为辅助设备供电。

进一步地，所述公共直流母线经逆变/变频器四将540V直流电源转化成220V单相交流电源后为日常用电设备供电。

进一步地，所述分布式发电装置包括光伏发电装置和风能发电装置。

进一步地，所述电源管理系统与船舶驾驶台相连接。

本发明还提供了一种所述船舶综合电力推进系统的使用方法：

通过定期测量各台柴油发电机组在船舶处于不同负荷状态下所用油耗与发电量的关系，得出每台柴油发电机组不同功率段的能源转换效率，并标定每台柴油发电机组中的最佳工作区间；同时在船舶实际运行过程中，在线测量各台柴油发电机组在船舶处于不同负荷状态下所用油耗与发电量的关系进行分析，以修正每台柴油发电机组的能源转换效率和最佳工作区间，同时将修正后得到的每台柴油发电机组中的能源转换效率和最佳工作区间存储至船舶的电源管理系统；

船舶实际运行中，电源管理系统根据全船舶电网负荷的大小以及柴油发电机组的最佳工作区间进行综合分析，以柴油发电机组的能源转换效率最高为原则决定投入柴油发电机组的数目和组合情况；

其中船舶处于不同运行状态下的工作过程如下：

①锚泊状态：船舶抛锚完成后，驾驶台下达完车指令发送给电源管理系统，电源管理系统接到完车指令后，根据公共直流母线电压表反馈的电压判断储能装置的电量情况，并通过柴油发电机组给储能装置进行补电，直至储能装置电量充满，停用柴油发电机组，同时电源管理系统启用储能装置、浮动水力发电装置和分布式发电装置共同给船舶上的辅助设备和日常用电设备供电，其中浮动式水力发电装置为船舶锚泊期间的主要供电装置；

②靠泊状态：船舶靠泊后，驾驶台下达完车指令并优先岸电箱供电后发送给电源管理系统，电源管理系统优先启用岸电箱给日常用电设备供电，并停用柴油发电机组，通过岸电箱给储能装置充电，同时分布式发电装置给储能装置进行补电，直至储能装置电量充满；

③移泊和离港状态：驾驶台下达备车指令发送给电源管理系统，电源管理系统接收到备车指令后，根据电压表反馈的电压判断储能装置的电量情况，当储能装置内的电量高于设定值时，电源管理系统不启用柴油发电机组供电，电源管理系统启用储能装置给船舶供电；

当储能装置内的电量低于设定值时，电源管理系统根据电量差额大小来确定投入柴油发电机组的数目和组合情况，以符合储能装置最大充电速度的原则进行充电，直至储能装置充满，停用柴油发电机组，电源管理系统启用储能装置给船舶供电；

④航行状态：船舶处于平时运行过程中，电源管理系统通过推进电机上的转速计和公共直流母线上的负载功率表，采集在推进电机不同转速下船舶的用电负载情况，并作为基础数据存储于电源管理系统中，以作为后期船舶航行设置的参考数据；

当船舶进入正常航行状态时，驾驶台下达定速航行指令并设定推进电机转速发送给电源管理系统，电源管理系统通过调用基础数据以确定对应推进电机转速下的船舶的用电负载情况，并以柴油发电机组的能源转换效率最高为原测，决定投入柴油发电机组的数目和组合情况；

当船舶航行中突然增加推进电机的转速时，船舶的用电负载突增，此时公共直流母线上的电压下降，储能装置的电压高于公共直流母线的电压，电源管理系统启用储能装置迅速向公共直流母线放电，避免公共直流母线上的电压突减，同时电源管理系统逐步加大柴油发电机组的供油量，增加发电功率，以维持公共直流母线的电压；

当储能装置所剩电量达到下限时，电源管理系统启用另一柴油发电机组并网发电，同时给储能装置充电至电量充满，停用柴油发电机组；

当船舶航行中突然降低推进电机的转速时，船舶的用电负载突减，此时公共直流母线上的电压上升，公共直流母线上的电压高于储能装置的电压，公共直流母线给储能装置充电，以避免公共直流母线电压突增，同时电源管理系统逐步减少柴油发电机组的供油量，维持公共直流母线上的电压稳定。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明的柴油发电机组容量采用221的组合方案。假定船舶满负荷运行时全船用电功率为1，对应的三台柴油发电机组的额定发电功率分别为2/4、2/4、1/4，简称221方案，也就是通过两台主柴油发电机组加上一台辅助柴油发电机，共三台柴油发电机组，其能够实现全船在额定负荷的25％、50％、75％、100％、125％的各个功率段均能提供最佳的柴油发电机组能源转换效率，简化了配置，节约了成本，达到了效果。

2、本发明的储能装置选用船舶满负荷运行1小时的电量作为储能装置的容量，此选用数据是通过对船舶大量的停泊(包括锚泊、靠泊)和航行数据进行统计而得来的结果，该电池容量可以保障船舶在正常停泊期间内辅助设备和日常用电设备用电的需求，不需启用柴油发电机组，同时还满足了船舶航行中变负荷操作对发电机组负荷波动的削峰填谷需要，与纯电动推进方式比较，大大减少了储能装置的数量，节约了投资成本。

3、本发明在公共直流母线上采用540V直流电制作为船舶的标准电制，由于本发明的主要应用对象为中小型船舶，船舶电站功率一般在1MW左右，采用540V的直流电制负荷便于380V交流电源的整流并入，以及便于逆变变频为380V的动力电源，同时采用直流电制式，各电源(即柴油发电机组、岸电箱、浮动式水力发电装置、分布式发电装置)的并网无需经过同步和调相，简化了操作，便于实现全自动控制。

4、本发明将浮动式水力发电装置作为船舶电源的主要补充来源，相比于现有采用光伏发电装置和风能发电装置作为船舶电源的补充来源，船舶所处航道水流能量密度远远高于单位面积内太阳光或者风能的能量密度，通常单位面积航道的水流能量密度是太阳能和风能的15-20倍，浮动式水力发电装置所提供的电能要大大高于光伏发电装置和风能发电装置所能提供的电能；而且太阳能、风能受天气的影响大，来源不稳定，有效利用时间短，而江河水力源源不断、日夜不停，来源稳定，有效利用时间长。通常，光伏发电装置在太阳光直射的情况下的发电效率为100W/平方米，按照船舶安装40平方米光伏面板计算，最大功率为4kw,每天的发电时间只有半天左右，而且受天气的影响很大。船舶风能发电装置的功率一般不会超过1kw，受天气影响大。而直径2.0米的浮动式水力发电装置的功率一般达到5-10KW左右，且可昼夜不停地供电，按照船舶安装1台或2台浮动水力发电装置计算，基本可以满足船舶停泊期间的用电需求，具有良好的经济性能。

5、本发明船舶在停泊期间，全船用电比较分散、各种小负荷启停比较频繁，对于传统的机械推进方式需启动柴油发电机供电，其柴油发电机处于低负荷运行，噪声大、油耗高，很不经济。而本发明由储能装置进行供电，浮动式水力发电装置或岸电箱补电，供电方案安静、清洁，避免了柴油发电机组运行所导致的噪音、排放污染和低负荷导致的低效率运行的问题。

6、本发明船舶在移泊和离港操作期间，推进负荷变化频繁，工作时间短，整体功率不大，对于现有技术的电力推进方案需启动主柴油发电机，其同样存在低负荷、低效率运行和发电负荷冲击的问题。而本发明由储能装置为推进电机进行供电，响应速度快，安静、清洁，能源转换效率高。

7、本发明船舶在航行过程中，对于现有技术的纯电动推进方式，其根本无法进行长距离运行，而对于现有技术的电力推进方式，其能源转换效率不高。而本发明的船舶综合电力推进系统，其柴油发电机组容量选用221组合的方案，实现了全功率段的最佳能源转换效率组合，大大提高能源使用效率，减少了污染排放，同时增加的储能装置实现了对电网电压波动的削峰填谷和维持柴油发电机运行稳定的作用，避免柴油发电机受冲击负荷的危害。通过本发明的船舶综合电力推进系统，船舶综合节能效果能够达到15％左右，按照我国该类船舶年油耗量为2000万吨的规模，采用本发明的推进系统船舶全年的节能量为300万吨左右。

8、本发明的储能装置由超级电容与充电锂离子电池构成，充分发挥了超级电容充放电迅速和锂离子电池比容量高的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的结构示意图。

上述附图标记：

1柴油发电机一，2柴油发电机二，3整流器一，4整流器二，5整流器三，6岸电箱，7整流器四，8浮动式水力发电装置，9整流器五，10分布式发电装置，11整流器六，12供电功率表，13电压表，14负载供率表，15双向DC/DC变换器，16储能装置，17逆变/变频器一，18逆变/变频器二，19逆变/变频器三，20逆变/变频器四，21右推进电机，22左推进电机，23辅助设备，24日常用电设备，25右螺旋浆，26左螺旋浆，27公共直流母线。

具体实施方式

下面结合附图对发明进一步说明，但不用来限制本发明的范围。

实施例

如图1所示，本发明提供的一种船舶综合电力推进系统，包括电源管理系统(图中未画出)、柴油发电机组，储能装置16、岸电箱6、浮动式水力发电装置8、分布式发电装置10、推进电机和螺旋浆，所述推进电机包括右推进电机21和左推进电机22，所述螺旋浆包括右螺旋桨25和左螺旋桨26，所述柴油发电机组依次经整流器和供电功率表12与公共直流母线27电连接，所述储能装置16通过双向DC/DC变换器15与所述公共直流母线27电连接，所述岸电箱6、浮动式水力发电装置8和分布式发电装置10分别通过整流器四7、整流器五9和整流器六11与所述公共直流母线27电连接，所述公共直流母线27经负载功率表14与逆变/变频器一17、逆变/变频器二18、逆变/变频器三19和逆变/变频器四20电连接，所述逆变/变频器一17、逆变/变频器二18、逆变/变频器三19和逆变/变频器四20分别与所述右推进电机21、左推进电机22、辅助设备23和日常用电设备24电连接，所述右推进电机21与所述右螺旋桨25相连接，所述左推进电机22与所述左螺旋桨26相连接；所述公共直流母线27上连接有电压表13；所述供电功率表12、负载功率表14和电压表13均与所述电源管理系统相连接，所述电源管理系统分别与所述柴油发电机组、储能装置16、岸电箱6、浮动式水力发电装置8和分布式发电装置10相连接。

在公共直流母线27与柴油发电机组整流器后总电路之间安装供电功率表12，用于测量柴油发电机组的供电量大小；在公共直流母线27与负载总电路之间安装负载功率表14，用于测量全船用电负载的功率大小；在公共直流母线27上安装电压表13，用于测量供电主干网的电压情况。

本发明的所述柴油发电机组由两容量相同的主柴油发电机组1和所述主柴油发电机组1一半容量的辅助柴油发电机组2组成，两所述主柴油发电机组1的容量之和满足船舶满负荷运行时全船用电需求，即两所述主柴油发电机1的容量之和的大小以满足船舶满负荷运行时全船用电负荷为准；所述整流器包括整流器一3、整流器二4和整流器三5，两所述主柴油发电机组1分别通过整流器一3和整流器二4与所述供电功率表12电连接，所述辅助柴油发电机组2通过整流器三5与所述供电功率表12电连接。

本发明的两所述主柴油发电机组1和辅助柴油发电机组2分别通过整流器一3、整流器二4和整流器三5整流后，将两所述主柴油发电机组1和辅助柴油发电机组2均采用的380V三相交流电源转换成540V直流电源后输入所述公共直流母线27。

本发明的岸电箱6经整流器四7整流后，将交流电源转化成540V直流电源后输入公共直流母线27；所述浮动式水力发电装置8和分布式发电装置10分别经整流器五9和整流器六11整流后均将交流电源转化成540V直流电源后输入公共直流母线27。

本发明的所述储能装置16由超级电容和充电锂离子电池构成，充分发挥了超级电容充放电迅速和锂离子电池比容量高的特点。

本发明的所述储能装置16的容量为船舶满负荷运行1小时的电量作为所述储能装置16的容量。双向DC/DC变换器15额定功率按照满足船舶满负荷运行的功率大小选配。浮动水力发电装置8按照船舶停泊期间日常用电负荷大小来选配，一般在3-15KW。

本发明的所述公共直流母线27经所述逆变/变频器一17和逆变/变频器二18后均将540V直流电源转化成380V且频率为0-50赫兹之间调节的三相交流电源后分别为右推进电机21和左推进电机22供电。

本发明的所述公共直流母线27经逆变/变频器三19将540V直流电源转化成380V且频率为50赫兹的交流电源后为辅助设备23供电。船舶上的辅助设备23包括水泵、舵机、油泵、锚机等。

本发明的所述公共直流母线27经逆变/变频器四20将540V直流电源转化成220V单相交流电源后为日常用电设备24供电。船舶上的日常用电设备24包括航仪器、生活区电气、厨房电气、信号照明等。

本发明的所述分布式发电装置10包括光伏发电装置和风能发电装置。

本发明的所述电源管理系统与船舶驾驶台(图中未画出)相连接。

本发明还提供的一种所述船舶综合电力推进系统的使用方法：

通过定期测量各台柴油发电机组在船舶处于不同负荷状态下所用油耗与发电量的关系，得出每台柴油发电机组在不同功率段的能源转换效率，并标定每台柴油发电机组中的最佳工作区间；同时在船舶实际运行过程中，在线测量各台柴油发电机组在船舶处于不同负荷状态下所用油耗与发电量的关系进行分析，以修正每台柴油发电机组的能源转换效率和最佳工作区间，同时将修正后得到的每台柴油发电机组中的能源转换效率和最佳工作区间存储至船舶的电源管理系统；

船舶实际运行中，电源管理系统根据全船舶电网负荷的大小以及柴油发电机组的最佳工作区间进行综合分析，以柴油发电机组的能源转换效率最高为原则决定投入柴油发电机组的数目和组合情况；

其中船舶处于不同运行状态下的工作过程如下：

①锚泊状态：船舶抛锚完成后，驾驶台下达完车指令发送给电源管理系统，电源管理系统接到完车指令后，根据公共直流母线27电压表13反馈的电压判断储能装置16的电量情况，并通过柴油发电机组给储能装置16进行补电，直至储能装置16电量充满，停用柴油发电机组，同时电源管理系统启用储能装置16、浮动水力发电装置8和分布式发电装置10共同给船舶上的辅助设备23和日常用电设备24供电，其中浮动式水力发电装置8为船舶锚泊期间的主要供电装置；

②靠泊状态：船舶靠泊后，驾驶台下达完车指令并优先岸电箱6供电后发送给电源管理系统，电源管理系统优先启用岸电箱6给日常用电设备24供电，并停用柴油发电机组，通过岸电箱6给储能装置16充电，同时分布式发电装置10给储能装置16进行补电，直至储能装置16电量充满；

③移泊和离港状态：驾驶台下达备车指令发送给电源管理系统，电源管理系统接收到备车指令后，根据电压表13反馈的电压判断储能装置16的电量情况，当储能装置16内的电量高于设定值时，电源管理系统不启用柴油发电机组供电，电源管理系统启用储能装置16给船舶供电；

当储能装置16内的电量低于设定值时，电源管理系统根据电量差额大小来确定投入柴油发电机组的数目和组合情况，以符合储能装置16最大充电速度的原则进行充电，直至储能装置16充满，停用柴油发电机组，电源管理系统启用储能装置16给船舶供电；

④航行状态：船舶处于平时运行过程中，电源管理系统通过推进电机上的转速计和公共直流母线27上的负载功率表14，采集在推进电机不同转速下船舶的用电负载情况，并作为基础数据存储于电源管理系统中，以作为后期船舶航行设置的参考数据；

当船舶进入正常航行状态时，驾驶台下达定速航行指令并设定推进电机转速发送给电源管理系统，电源管理系统通过调用基础数据以确定对应推进电机转速下的船舶的用电负载情况，并以柴油发电机组的能源转换效率最高为原则，决定投入柴油发电机组的数目和组合情况；

当船舶航行中突然增加推进电机的转速时，船舶的用电负载突增，此时公共直流母线27上的电压下降，储能装置16的电压高于公共直流母线27的电压，电源管理系统启用储能装置16迅速向公共直流母线27放电，避免公共直流母线27上的电压突减，同时电源管理系统启用柴油发电机组并逐步加大柴油发电机组的供油量，增加发电功率，以维持公共直流母线27的电压；

当储能装置16所剩电量达到下限时，电源管理系统启用另一柴油发电机组并网发电，同时给储能装置16充电至电量充满，停用柴油发电机组；

当船舶航行中突然降低推进电机的转速时，船舶的用电负载突减，此时公共直流母线27上的电压上升，公共直流母线27上的电压高于储能装置16的电压，公共直流母线27给储能装置16充电，以避免公共直流母线27电压突增，同时电源管理系统逐步减少柴油发电机组的供油量，维持公共直流母线27上的电压稳定。

本发明的柴油发电机组容量采用221的组合方案，即假定船舶满负荷运行时全船用电功率为1，对应的三台柴油发电机组的额定发电功率分别为2/4、2/4、1/4，简称221方案，也就是通过两台主柴油发电机组1加上一台辅助柴油发电机2，共三台柴油发电机组，其能够实现全船用电量在额定负荷的25％、50％、75％、100％、125％的各个功率段均能提供最佳的柴油发电机组能源转换效率，简化了配置，节约了成本，达到了效果。

本发明的储能装置16选用船舶满负荷运行1小时的电量作为储能装置16的容量，此选用数据是通过对船舶大量的停泊(包括锚泊、靠泊)和航行数据进行统计而得来的结果，既保障了船舶停泊期间不启用柴油发电机组的情况下和船舶停泊期间的节能，又能保障船舶辅助设备23和日常用电设备24用电的需求，同时还保障了船舶航行时变动负荷操作中能源的机动补充和节能，与纯电动推进方式比较，大大减少了储能装置16的数量，节约了投资成本。

本发明在公共直流母线27上采用540V直流电制作为船舶的标准电制，由于本发明的主要应用对象为中小型船舶，船舶电站功率一般在1MW左右，采用540V的直流电制负荷便于380V交流电源的整流并入，以及便于逆变变频为380V的动力电源，同时采用直流电制式，各电源(即柴油发电机组、岸电箱6、浮动式水力发电装置8、分布式发电装置10)的并网无需经过同步和调相，简化了操作，便于实现全自动控制。

本发明将浮动式水力发电装置8作为船舶电源的主要补充来源，相比于现有采用光伏发电装置和风能发电装置作为船舶电源的补充来源，其船舶所处航道水流能量密度远远高于单位面积内太阳光或者风能的能量密度，通常单位面积航道的水流能量密度是太阳能和风能的15-20倍，浮动式水力发电装置8所提供的电能要大大高于光伏发电装置和风能发电装置所能提供的电能；而且太阳能、风能受天气的影响大，来源不稳定，有效利用时间短，而江河水力源源不断、日夜不停，来源稳定，有效利用时间长。通常，光伏发电装置在太阳光直射的情况下的发电效率为100W/平方米，按照船舶安装40平方米光伏面板计算，最大功率为4kw,每天的发电时间只有半天左右，而且受天气的影响很大。船舶风能发电装置的功率一般不会超过1kw，受天气影响大。而直径2.0米的船舶浮动式水力发电装置的功率一般达到5-10KW左右，且可昼夜不停地供电，按照船舶安装1台或2台浮动水力发电装置计算，基本可以满足船舶停泊期间的用电需求，具有良好的经济性能。

本发明的在船舶停泊期间，全船用电比较分散、各种小负荷启停比较频繁，对于传统的机械推进方式需启动柴油发电机供电，其柴油发电机处于低负荷运行，噪声大、油耗高，很不经济。而本发明由储能装置16进行供电，船舶浮动式水力发电装置8或岸电箱6补电，供电方案安静、清洁，避免了柴油发电机组运行所导致的噪音、排放污染和低负荷导致的低效率运行的问题。

本发明船舶在移泊和离港操作期间，推进负荷变化频繁，工作时间短，整体功率不大，对于现有技术的电力推进方案需启动主柴油发电机，其同样存在低负荷、低效率运行和发电负荷冲击的问题。而本发明由储能装置16为推进电机进行供电，响应速度快，安静、清洁，能源转换效率高。

本发明船舶在航行过程中，对于现有技术的纯电动推进方式，其根本无法进行长距离运行，而对于现有技术的电力推进方式，其能源转换效率不高。而本发明的船舶综合电力推进系统，其柴油发电机组容量选用221组合的方案，实现了全功率段的最佳能源转换效率组合，大大提高能源使用效率，减少了污染排放，同时增加的储能装置16实现了对电网电压波动的削峰填谷和维持柴油发电机运行稳定的作用，避免柴油发电机受冲击负荷的危害。通过本发明的船舶综合电力推进系统，船舶综合节能效果能够达到15％左右，按照我国该类船舶年油耗量为2000万吨的规模，采用本发明的推进系统船舶全年的节能量为300万吨左右。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.一种船舶综合电力推进系统，其特征在于：包括电源管理系统、柴油发电机组，储能装置、岸电箱、浮动式水力发电装置、分布式发电装置、推进电机和螺旋浆，所述推进电机包括右推进电机和左推进电机，所述螺旋浆包括右螺旋桨和左螺旋桨，所述柴油发电机组依次经整流器和供电功率表与公共直流母线电连接，所述储能装置通过双向DC/DC变换器与所述公共直流母线电连接，所述岸电箱、浮动式水力发电装置和分布式发电装置分别通过整流器四、整流器五和整流器六与所述公共直流母线电连接，所述公共直流母线经负载功率表与逆变/变频器一、逆变/变频器二、逆变/变频器三和逆变/变频器四电连接，所述逆变/变频器一、逆变/变频器二、逆变/变频器三和逆变/变频器四分别与所述右推进电机、左推进电机、辅助设备和日常用电设备电连接，所述右推进电机与所述右螺旋桨相连接，所述左推进电机与所述左螺旋桨相连接；所述公共直流母线上连接有电压表；

所述供电功率表、负载功率表和电压表均与所述电源管理系统相连接，所述电源管理系统分别与所述柴油发电机组、储能装置、岸电箱、浮动式水力发电装置和分布式发电装置相连接。

2.根据权利要求1所述的一种船舶综合电力推进系统，其特征在于，所述柴油发电机组由两容量相同的主柴油发电机组和所述主柴油发电机组一半容量的辅助柴油发电机组组成，两所述主柴油发电机组的容量之和满足船舶满负荷运行时全船用电需求，所述整流器包括整流器一、整流器二和整流器三，两所述主柴油发电机组分别通过整流器一和整流器二与所述供电功率表电连接，所述辅助柴油发电机组通过整流器三与所述供电功率表电连接。

3.根据权利要求2所述的一种船舶综合电力推进系统，其特征在于，两所述主柴油发电机组和辅助柴油发电机组分别通过整流器一、整流器二和整流器三整流后，将两所述主柴油发电机组和辅助柴油发电机组均采用的380V三相交流电源转换成540V直流电源后输入所述公共直流母线；所述岸电箱经整流器四整流后，将交流电源转化成540V直流电源后输入公共直流母线；所述浮动式水力发电装置和分布式发电装置分别经整流器五和整流器六整流后均将交流电源转化成540直流电源后输入公共直流母线。

4.根据权利要求1所述的一种船舶综合电力推进系统，其特征在于，所述储能装置由超级电容和充电锂离子电池构成。

5.根据权利要求1所述的一种船舶综合电力推进系统，其特征在于，所述储能装置的容量为船舶满负荷运行1小时的电量作为所述储能装置的容量。

6.根据权利要求1所述的一种船舶综合电力推进系统，其特征在于，所述公共直流母线经所述逆变/变频器一和逆变/变频器二后均将540V直流电源转化成380V且频率为0-50赫兹之间调节的三相交流电源后分别为右推进电机和左推进电机供电。

7.根据权利要求1所述的一种船舶综合电力推进系统，其特征在于，所述公共直流母线经逆变/变频器三将540V直流电源转化成380V且频率为50赫兹的交流电源后为辅助设备供电。

8.根据权利要求1所述的一种船舶综合电力推进系统，其特征在于，所述公共直流母线经逆变/变频器四将540V直流电源转化成220V单相交流电源后为日常用电设备供电。

9.根据权利要求1所述的一种船舶综合电力推进系统，其特征在于，所述分布式发电装置包括光伏发电装置和风能发电装置，所述电源管理系统与船舶驾驶台相连接。

10.一种如权利要求1-9任一项所述船舶综合电力推进系统的使用方法，其特征在于：

通过定期测量各台柴油发电机组在船舶处于不同负荷状态下所用油耗与发电量的关系，得出每台柴油发电机组的能源转换效率，并标定每台柴油发电机组中的最佳工作区间；同时在船舶实际运行过程中，在线测量各台柴油发电机组在船舶处于不同负荷状态下所用油耗与发电量的关系进行分析，以修正每台柴油发电机组的能源转换效率和最佳工作区间，同时将修正后得到的每台柴油发电机组中的能源转换效率和最佳工作区间存储至船舶的电源管理系统；

船舶实际运行中，电源管理系统根据全船舶电网负荷的大小以及柴油发电机组的最佳工作区间进行综合分析，以柴油发电机组的能源转换效率最高为原则决定投入柴油发电机组的数目和组合情况；

其中船舶处于不同运行状态下的工作过程如下：

①锚泊状态：船舶抛锚完成后，驾驶台下达完车指令发送给电源管理系统，电源管理系统接到完车指令后，根据公共直流母线电压表反馈的电压判断储能装置的电量情况，并通过柴油发电机组给储能装置进行补电，直至储能装置电量充满，停用柴油发电机组，同时电源管理系统启用储能装置、浮动水力发电装置和分布式发电装置共同给船舶上的辅助设备和日常用电设备供电，其中浮动式水力发电装置为船舶锚泊期间的主要供电装置；

②靠泊状态：船舶靠泊后，驾驶台下达完车指令并优先岸电箱供电后发送给电源管理系统，电源管理系统优先启用岸电箱给日常用电设备供电，并停用柴油发电机组，通过岸电箱给储能装置充电，同时分布式发电装置给储能装置进行补电，直至储能装置电量充满；

③移泊和离港状态：驾驶台下达备车指令发送给电源管理系统，电源管理系统接收到备车指令后，根据电压表反馈的电压判断储能装置的电量情况，当储能装置内的电量高于设定值时，电源管理系统不启用柴油发电机组供电，电源管理系统启用储能装置给船舶供电；

当储能装置内的电量低于设定值时，电源管理系统根据电量差额大小来确定投入柴油发电机组的数目和组合情况，以符合储能装置最大充电速度的原则进行充电，直至储能装置充满，停用柴油发电机组，电源管理系统启用储能装置给船舶供电；

④航行状态：船舶处于平时运行过程中，电源管理系统通过推进电机上的转速计和公共直流母线上的负载功率表，采集在推进电机不同转速下船舶的用电负载情况，并作为基础数据存储于电源管理系统中，以作为后期船舶航行设置的参考数据；

当船舶进入正常航行状态时，驾驶台下达定速航行指令并设定推进电机转速发送给电源管理系统，电源管理系统通过调用基础数据以确定对应推进电机转速下的船舶的用电负载情况，并以柴油发电机组的能源转换效率最高为原则，决定投入柴油发电机组的数目和组合情况；

当船舶航行中突然增加推进电机的转速时，船舶的用电负载突增，此时公共直流母线上的电压下降，储能装置的电压高于公共直流母线的电压，电源管理系统启用储能装置迅速向公共直流母线放电，避免公共直流母线上的电压突减，同时电源管理系统逐步加大柴油发电机组的供油量，增加发电功率，以维持公共直流母线的电压；

当储能装置所剩电量达到下限时，电源管理系统启用另一柴油发电机组并网发电，同时给储能装置充电至电量充满，停用柴油发电机组；

当船舶航行中突然降低推进电机的转速时，船舶的用电负载突减，此时公共直流母线上的电压上升，公共直流母线上的电压高于储能装置的电压，公共直流母线给储能装置充电，以避免公共直流母线电压突增，同时电源管理系统逐步减少柴油发电机组的供油量，维持公共直流母线上的电压稳定。