CN106816874A - 基于交直流复合电网的船舶岸电系统以及供电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于交直流复合电网的船舶岸电系统以及供电方法,系统包括岸电管理系统、配电系统、直流母线排、移动式供电接船单元和固定式供电接船单元;岸电管理系统分别与配电系统、直流母线排、移动式供电接船单元和固定式供电接船单元通信连接;配电系统与直流母线排的一端连接;直流母线排的另一端分别与各个移动式供电接船单元和各个固定式供电接船单元连接。优点为:解决了现有的岸电系统中存在的诸多技术问题和难点,解决因船舶电网电压频率不同导致的供电电源不匹配问题,解决船电与岸电因供电制式不兼容而产生的问题,对不同类型船舶适应性强,容量扩展容易,码头布置方便,风能、太阳能、储能容易接入,功能扩展更加便利。

Description

基于交直流复合电网的船舶岸电系统以及供电方法
技术领域
[0001] 本发明属于船舶节能减排技术领域,具体涉及一种基于交直流复合电网的船舶岸 电系统以及供电方法。
背景技术
[0002] 随着全球气候不断变暖,有效控制温室气体排放,保护大气环境已引起全球的普 遍关注。为促进低碳经济的发展,节能减排已成为国际社会的共同责任、高度关注的重点领 域之一和基本国策。
[0003] 船舶运输是石油消费的重点行业,也是温室效应气体(GHG)和大气污染排放的重 要来源之一。国际海事组织(IM0)相关报告显示,全球船舶排放的二氧化碳总量在2007年为 10亿吨,占全球二氧化碳排放总量的3• 3%。由于全球海上贸易量增加,如果控制措施不及 时到位,预计在2050年将增长近5倍,占比可能会增至18%。因此,IM0、欧盟等采取了一系列 控制船舶碳排放的措施。当前因世界经济增长缓慢、航运业运量过剩矛盾的双重影响,航运 业面临着前所未有的持续低迷。燃料成本高、日渐走低的投资回报率、船舶运力过剩、港口 和航线日渐严格的环保法规,頂〇能效指数限制等等,都对船舶营运带来了诸多挑战,因此, 船舶节能减排及绿色能源开发利用是缓解能源环境压力的必然选择之一。
[0004] 目前的船舶节能减排措施分为技术措施和营运措施等。其中,技术措施包括改进 船舶设计、提高发动机效率、供应岸电、利用替代燃料等。营运措施包括减小船体粗糙度、加 强日常管理维护、采用经济航速等。例如,船公司普遍采用船岸一体化燃油消耗监控平台, 将船舶每日能耗、船存油量、每日航行距离、距目的港距离、船舶吃水、海况、装载量等相关 参数定时报告公司,公司在确保班期的情况下合理降低航速、减少船舶锚泊待航时间,合理 安排加油港口,依靠管理实现节能减排的目标。
[0005] 其中,靠港船舶使用岸上电源系统供电,已成为减少港口环境污染问题的一项重 要技术。具体的,若船舶靠港期间利用船舶柴油发电机组为全船供电,将排放氮氧化物 (N0X)、硫氧化物(S0X)、颗粒物(PM)、挥发性有机化合物(V0C)等污染物和废热,对港口环境 及水域造成很大的污染,同时辅机发电产生较大的噪音,严重影响附近居民及船员的工作 和生活。
[0006] 若船舶停泊码头期间不使用辅机而用岸上电源为全船供电,则船舶靠港将没有污 染物排放。港区提供船用岸电电源,对保护港区、市区的环境意义重大,也为“绿色港口”建 设和发展做出巨大贡献。岸电电源对于船方来讲,靠港后使用岸电可降30%的低燃油消耗 成本,其经济效益显著。
[0007] 目前,己出台以下与船舶岸电相关的政策及法规:
[0008] 美国加州是率先颁布限制船舶污染排放的法律的国家。加利福利亚州于2009年生 效对船舶减排的法规,法规要求自2014年1月1日起50%的船舶使用岸电并每年依次递增, 到2〇2〇年1月1日达到8〇%的船舶使用岸电目标。目前美国加州对船用岸电做了强制性规 定。
[0009]欧洲许多国家也出台了鼓励船舶采用岸电的措施。欧盟2006年建议港口提供船舶 岸电或含硫〇. 1%的燃油,《EU Directive 2005/33/EC—2010》法令规定从2010年开始船舶 在靠港以及在内河流域船舶建议使用船舶岸电。
[0010] 2012年,国际电工委员会、国际标准化组织、电气和电子工程协会3家联合发布了 国际标准IEC/IS0/IEEE80005-l,g卩《在港设施第一部分:高压岸电系统一般要求》。
[0011]随着岸电技术应用与日俱增,交通运输部也组织制定了相关的标准规范:2012年7 月4日,交通部颁布并实施的《码头船舶岸电设施建设技术规范JTS155—2012》和《港口船舶 岸基供电系统技术条件JT/T814—2012》,其主要是针对船舶岸电系统的岸基部分进行的一 般性的规定,并提出“新建集装箱码头、干散货码头、邮轮码头和客滚轮码头,应在工程项目 规划、设计和建设中包含码头船舶岸电设施内容”的强制要求。2012年7月,交通运输部发布 了 JT/T815—2012《港口船舶岸基供电系统操作技术规程》,尝试对船舶岸电系统日常运营 管理从工作流程和应履行的手续等方面进行了规定。2011年5月,中国船级社发布了《船舶 高压岸电系统检验原则》。该原则为现阶段国内船舶安装岸电系统入级检测提供依据,并为 国内船舶岸电的设计、产品制造、建造改造提供船基设施标准,为安装上船的高压岸电设备 检验和发证。
[0012]交通运输部印发的《珠三角、长三角、环渤海(京津冀)水域船舶排放控制区实施方 案》自2016年1月1日起实施,在排放控制区作业的船舶可采取连接岸电、使用清洁能源、尾 气后处理等与排放控制要求等效的替代措施。
[0013]船舶岸电在国内使用的典型案例包括:
[0014] 宁波港第一期33个岸电点于2010年6月建成投产,试验期间自有靠岸船舶共接岸 电33艘次,累计供电时间211.8小时,用电5820千瓦时。据测算,这些船舶使用高含硫量燃料 油发电,需要消耗燃油3374.6公斤,成本21600元。使用岸电为这些船舶节约成本15700元, 节支率达73%。宁波港第二期23个岸电点于2013年建成投产,泊靠宁波港的船舶在使用岸 电供电后,节约燃油成本340万元。极大改善了港区试验点的空气质量,同时减少了船舶的 振动和噪音污染,船员生活质量得以显著改善。宁波港已建成接岸电点58个,年接岸电船次 超5000艘次。据测算,泊靠宁波港的船舶在使用岸电后,每年可减排二氧化碳、硫氧化物800 多吨,减排量90 %以上,使用岸电是节能减排的必然选择。
[0015] 国华宁海电厂选择试点高压船舶岸电技改,研制“一键并网”技术,实现船舶电源 “不停电切换”。已累计建设高压岸电点5个,每年接电船舶279艘次,节约燃油成本536万元, 减少二氧化碳、硫氧化物等污染物排放近28.66吨。
[0016] 2011年连云港“高压变频数字化船用岸电系统研发与应用”669万元。2010.10.24 “中韩之星”“变压变频、高压上船、不间断供电和自动控制”;2011.9.24日“富强中国”整套 接用具有“高压变频、高压传输、不间断供电、船岸自动转移负荷”岸电技术。连云港每年靠 港船舶8000多艘,一半以上使用岸电C02减少12万T/Y,硫化物2千吨,氮氧化物3千吨;靠港 船舶在国内全部使用岸电,每年C02减少917万吨,相当于180万人一年的排放量;S02减少 12.6万吨,相当于720万人一年的排放量;NOX减少19.5万吨。
[0017]可见,大力发展船舶岸电系统,具有重要的现实意义。 一
[0018]现有的船舶岸电系统主要由3部分组成:岸上供电系统、船岸交互系统、船舶受电 系统和电源变换装置。目前,我国船舶受电系统采用的电网频率大多为6〇Hz,而港口岸上供 电系统所采用的岸电电网频率为50Hz。因此,通过电源变换装置将岸电电网380V/50Hz交流 电变换成适合于船舶的440V/60HZ交流电,并且能够实现50Hz/60Hz双频供电。
[0019] 过去常采用的50-60HZ电源变换装置为发电机组式(或称旋转式),即采用两台同 步电机,如一台10极同步电动机驱动一台12极同步发电机,这样可将电网的某个电压等级 50Hz电源的供电转换为440V/60HZ的供电。与常规的发电机组式60Hz电源相比,60Hz电子静 止式岸电电源由于效率高、噪声小、电气性能指标好等优点而备受人们关注。60Hz电子静止 式岸电电源的组成是,变频器(负责将50Hz变换为60Hz)、正弦波滤波器(将变频器输出的方 波变换为正弦波)、输出隔离变压器(电压隔离、电压变换)。
[0020] 另外,船舶配电电压包括高压配电和低压配电两种,高压配电主要为6.6(6)kV,低 压配电为440(400)V。船舶与岸电的配置方案包括低压船舶/低压岸电供电方案、低压船舶/ 高压岸电供电方案、高压船舶/高压岸电供电方案。各港为船舶提供的岸电电压、频率不尽 相同,如北美地区港口提供岸电的频率为60Hz,欧洲大部分国家则为50Hz,而不同类型、不 同吨级船舶上的电压、频率也不相同。码头上的岸电电源装置需要将岸电电源的供电制式 转为与靠港船舶相应的用电电源制式。
[0021] 上述船舶岸电系统主要存在以下不足:
[0022] (1)因各个船舶的电网电压和电网频率不同,从而导致船舶电网与岸电电网的频 率和电压不匹配
[0023] 一般远洋船舶柴油发电机组通常为400V/50Hz、450V/60Hz两大类,工程船、特种船 舶的柴油发电机组电压有690¥、6300¥、6600¥,频率50取或60取。因此,需要采用复杂的结构 体系,才能实现岸电电网与各种船舶电网的匹配问题。
[0024] (2)供电制式不兼容
[0025]①、单相接地故障的防护措施不同
[0026]港口码头岸电通常采用三相四线加保护线的TN供电系统,与船舶IT供电系统制式 不兼容,TN系统与IT系统的关键区别在于对发生单相接地故障所采用的防护措施不同。在 发生单相接地故障时TN系统采用在N线中串接漏电流传感器,反映三相电流矢量叠加不为 零,从而触发机械或电子元件来使断路器跳闸,中断电源保障人身安全。而IT系统通常不输 出N线,在发生单相接地故障时,其接地电流很小(<l〇A),不会造成人身伤亡事故,行业中 采用绝缘监测报警装置提示检修故障,避免发生相间短路事故。虽然采用岸电TN系统直接 向船舶H系统供电总体运行正常,但仍存在电气事故和设备绝缘击穿。
[0027] ②、可靠性问题
[0028] 采用岸电TN系统直接向船舶IT系统供电时,虽然N线不上船,但船舶外壳与海水、 大地相连,船舶岸电相当于采用了 TT直接接地系统。一但发生单相接地故障,其开关会立刻 保护跳闸,船舶供电立即中断,无法满足船舶用电连续性的要求,其供电的可靠性大大降 低,对于大型重要港区、军用港口基地则会产生巨大的经济损失和政治影响。
[0029] ③、漏电危害
[0030] 由于采用了 TN系统直接向船舶供电,岸上到船舶的供电电缆会产生微小的泄漏电 流,长时间运行会对码头上的钢筋产生腐蚀,从而降低码头钢筋的使用寿命,对于水下作业 人员以及维修人员则会带来生命危险。
[0031] ④、岸电制式改造难以实现
[0032]若专门为港口码头的靠岸船舶设计一套IT电源,则投资成本加大,因IT电源制式 不能方便经济地输出220V电压供给单相设备使用,船舶不靠岸时不使用,很不经济,且由于 船舶靠岸时间较少,设备长时间是处于闲置状态,港口码头的环境又较为恶劣(潮湿、盐雾 等),元器件容易老化,使用寿命较短。
[0033]可见,如何有效解决上述问题,是目前推广船舶岸电供电系统亟需解决的问题。
发明内容
[0034]针对现有技术存在的缺陷,本发明提供一种基于交直流复合电网的船舶岸电系统 以及供电方法,可有效解决上述问题。
[0035]本发明采用的技术方案如下:
[0036]本发明提供一种基于交直流复合电网的船舶岸电系统,包括岸电管理系统、配电 系统、直流母线排、至少一个移动式供电接船单元和至少一个固定式供电接船单元;
[0037]其中,所述岸电管理系统分别与所述配电系统、所述直流母线排、所述移动式供电 接船单元和所述固定式供电接船单元通信连接;
[0038]所述配电系统与所述直流母线排的一端连接;所述直流母线排的另一端分别与各 个所述移动式供电接船单元和各个所述固定式供电接船单元连接。
[0039] 优选的,所述配电系统包括若干个配电单元;每个所述配电单元均包括:三相可调 变压器、独立的Y形侧可控AC/DC整流器、独立的△形侧可控AC/DC整流器、独立的Y形侧空气 断路器、独立的△形侧空气断路器;所述三相可调变压器为Y-Y-△型变压器,其原边为Y形, 用于与一个分布在码头区域内的供电设备连接;其副边包括Y形三相绕组和△形三相绕组, 所述Y形三相绕组依次通过所述Y形侧可控AC/DC整流器和所述Y形侧空气断路器后,连接到 所述直流母线排;所述△形三相绕组依次通过所述△形侧可控AC/DC整流器和所述△形侧 空气断路器后,连接到所述直流母线排;
[0040] 此外,所述Y形侧可控AC/DC整流器和所述△形侧可控AC/DC整流器均连接到所述 岸电管理系统。
[0041] 优选的,所述三相可调变压器的原边用于与一个分布在码头区域内的供电设备连 接,所述三相可调变压器的副边用于直接与自带岸电系统的船舶供电插头连接。
[0042] 优选的,所述配电系统还包括绿色能源配电单元;
[0043] 所述绿色能源配电单元包括风力发电系统、光伏发电系统和蓄电池储能系统;所 述风力发电系统、所述光伏发电系统和所述蓄电池储能系统并联到所述直流母线排;
[0044] 所述风力发电系统包括风力发电机组、独立的第1可控AC/DC整流器、独立的第1空 气断路器以及风力发电控制器;所述风力发电机组和所述第1可控AC/DC整流器串联后,通 过所述第1空气断路器连接到所述直流母线排;另外,所述风力发电控制器分别与所述风力 发电机组和独立的第1可控AC/DC整流器连接;
[0045] 所述光伏发电系统包括光伏发电组件、第1可控DC/DC斩波器、独立的第2空气断路 器以及光伏发电控制器;所述光伏发电组件和所述第1可控DC/DC斩波器串联后,通过所述 第2空气断路器连接到所述直流母线排;另外,所述光伏发电控制器分别与所述光伏发电组 件和第1可控DC/DC斩波器连接;
[0046] 所述蓄电池储能系统包括蓄电池组、双向可控DC/DC斩波器、独立的第3空气断路 器以及储能控制器;所述蓄电池组和所述双向可控DC/DC斩波器串联后,通过所述第3空气 断路器连接到所述直流母线排;另外,所述储能控制器分别与所述蓄电池组和双向可控DC/ DC斩波器连接;
[0047]此外,所述风力发电控制器、所述光伏发电控制器以及所述储能控制器均连接到 所述岸电管理系统。
[0048]优选的,所述移动式供电接船单元包括至少一个移动式低压供电接船单元、至少 一个移动式中压供电接船单元以及至少一个移动式高压供电接船单元;
[0049]所述移动式低压供电接船单元包括第1低压交流并网变流器DC/AC、第4空气断路 器和第5空气断路器;所述第1低压交流并网变流器DC/AC的直流侧通过所述第4空气断路器 安装到已预留在直流母线排的DC/AC交流并网变流器接口上,从而实现第1低压交流并网变 流器DC/AC的直流侧与直流母线排通电的效果;所述第1低压交流并网变流器DC/AC的交流 侧通过所述第5空气断路器与低电船舶的用电接口连接;
[0050]所述移动式中压供电接船单元包括:第2低压交流并网变流器DC/AC、第1升压变压 器、第6空气断路器和第1真空自动断路器;所述第2低压交流并网变流器DC/AC的直流侧通 过所述第6空气断路器安装到己预留在直流母线排的DC/AC交流并网变流器接口上;所述第 2低压交流并网变流器DC/AC的交流侧依次通过所述第1升压变压器和所述第1真空自动断 路器后,与中压船舶的用电接口连接;
[0051]所述移动式高压供电接船单元包括第3低压交流并网变流器DC/AC、第2升压变压 器、第7空气断路器和第2真空自动断路器;所述第3低压交流并网变流器DC/AC的直流侧通 过所述第7空气断路器安装到已预留在直流母线排的DC/AC交流并网变流器接口上;所述第 3低压交流并网变流器DC/AC的交流侧依次通过所述第2升压变压器和所述第2真空自动断 路器后,与高压船舶的用电接口连接;
[0052]另外,所述第1低压交流并网变流器DC/AC、所述第2低压交流并网变流器DC/AC和 所述第3低压交流并网变流器DC/AC均连接到所述岸电管理系统。
[0053]优选的,所述固定式供电接船单元包括交流母线排、若干个交流并网变流器DC/AC 以及若干个输电支路;
[0054]各个所述交流并网变流器DC/AC的直流侧分别通过独立的空气断路器连接到所述 直流母线排的输出端;各个所述交流并网变流器DC/AC的交流侧分别通过独立的空气断路 器连接到所述交流母线排的输入端;所述交流母线排的输出端并联有若干个输电支路,每 个所述输电支路上均安装有一个独立的空气断路器;每个所述输电支路用于连接到一个船 船的用电接口;
[0055]另外,各个所述交流并网变流器DC/AC和所述交流母线排均连接到所述岸电管理 系统。
[0056]优选的,还包括:若干个所述固定式供电接船单元的交流母线排之间通过隔离开 关串联;所述交流母线排敷设在码头地下电缆沟的单独走线槽内;
[0057]所述直流母线排同样敷设在码头地下电缆沟的单独走线槽内;并且,所述直流母 线排由若千个通过隔离开关串联的直流母线组成;所述直流母线排每隔设定距离预留有用 于与可控AC/DC整流器连接的接口以及用于与交流并网变流器DC/AC连接的接口。
[0058]优选的,每个所述输电支路上还串联有升压变压器。
[0059]本发明还提供一种基于交直流复合电网的船舶岸电供电万法,包括以下步骤: [0060]步骤1,当靠泊船舶需要接岸电时,将靠泊船舶的供电接口连接到某种供电支路; [0061]岸电管理系统SHS与船舶电站管理系统PMS建立通讯;同时,岸电管理系统SHS分别 与配电系统中的可控AC/DC整流器、移动式供电接船单元中的交流并网变流器DC/AC、固定 式供电接船单元中的交流并网变流器DC/AC、直流母线排和交流母线排建立通信连接; [0062]步骤2,岸电管理系统SHS首先通过与船舶电站管理系统PMS通信,获得待接岸电的 船舶类型、船舶电力系统电压等级和所需的供电容量;
[0063]步骤3,岸电管理系统SHS首先检测到船舶供电接口所连接到的供电支路;并根据 所连接到的供电支路的类型,执行相应的操作;其中,所述供电支路的类型包括移动式供电 接船单元和固定式供电接船单元;
[0064] (1)移动式供电接船单元
[0065]步骤3.1,如果供电支路为移动式供电接船单元,所述岸电管理系统SHS进一步检 测到移动式供电接船单元的类型,其中,所述移动式供电接船单元的类型包括移动式低压 供电接船单元、移动式中压供电接船单元以及移动式高压供电接船单元;
[0066]步骤3.2,然后,所述岸电管理系统SHS进一步判断所接入的移动式供电接船单元 所提供的电压等级和供电容量能否满足船舶的需求;如果不满足,则发出供电支路更换信 息;如果满足,则进一步检测移动式供电接船单元中的交流并网变流器DC/AC的工作状态是 否正常,如果异常,则发出对该交流并网变流器DC/AC进行维修的通知消息,并不断检测该 交流并网变流器DC/AC的工作状态是否正常;如果正常,则执行步骤3.3;
[0067]步骤3.3,当检测到该交流并网变流器DC/AC的工作状态正常时,则执行船电与岸 电并网操作,即:
[0068]岸电管理系统SHS对直流母线排的供电状态进行检测,当检测到符合并网操作时, 所述岸电管理系统SHS立即向所述交流并网变流器DC/AC发送并网指令;所述交流并网变流 器DC/AC在接收到该并网指令时,立即导通自身直流侧的空气断路器以及自身交流侧的空 气断路器,将船电负荷自动转移到岸电,使直流母线排向船舶供电;
[0069]步骤3.4,在直流母线排向船舶供电的过程中,所述岸电管理系统SHS实时对所述 交流并网变流器DC/AC的工作状态进行监测,一旦监测到异常信息,发出警示消息;
[0070]另外,在直流母线排向船舶供电的过程中,还对船舶柴油发电机的负荷进行监控, 当船舶柴油发电机减负荷到3-5 %时,船舶柴油发电机的自动断路器跳闸脱开,从船舶电网 上切除船舶柴油发电机,由岸电为全船供电;
[0071] (2)固定式供电接船单元
[0072]步骤4 • 1,如果供电支路为固定式供电接船单元,g卩:需要多个交流并网变流器DC/ AC并联工作;
[0073]所述岸电管理系统SHS根据船舶电力系统电压等级和所需的供电容量,计算得到 需要并联的交流并网变流器DC/AC的数量,设为m个;
[0074]步骤4.2,所述岸电管理系统SHS首先选择可接入到交流母线排的m个空闲且工作 状态正常的交流并网变流器DC/AC,然后,执行船电与岸电并网操作,即:
[0075]首先,岸电管理系统SHS对直流母线排的供电状态进行检测,当检测到符合并网操 作时,即:船电与岸电满足相序一致、电压、频率和相位在允许的范围内时,岸电管理系统 SHS立即向所选择的m个交流并网变流器DC/AC发送并网指令,所述交流并网变流器DC/AC在 接收到该并网指令时,立即导通自身直流侧的空气断路器以及自身交流侧的空气断路器; 同时,岸电管理系统SHS导通交流母线排输出端的空气断路器,使船电负荷自动转移到岸 电,使直流母线排向船舶供电;
[0076]步骤4.3,在直流母线排向船舶供电的过程中,还对船舶柴油发电机的负荷进行监 控,当船舶柴油发电机减负荷到3-5%时,船舶柴油发电机的自动断路器跳阐脱开,从船舶 电网上切除船舶柴油发电机,由岸电为全船供电。
[0077]优选的,在岸电管理系统SHS通过对交流并网变流器DC/AC进行控制,从而实现向 船舶供电的过程中,岸电管理系统SHS还实时检测直流母线排的功率,并根据直流母线排的 功率,自动控制配电系统的工作状态,在保证配电系统向直流母线排输送的功率满足工作 要求的情况下,缓冲、稳压直流母线排,提高供电质量;
[0078]具体包括以下两点:
[0079]第一点:
[0080]岸电管理系统SHS实时检测直流母线排的功率,当需要增加直流母线排的功率时, 所述岸电管理系统SHS计算得到需启动的可控AC/DC整流器的数量,设为n个;
[0081] 首先,岸电管理系统SHS识别到n个工作状态正常且空闲的可控AC/DC整流器;然 后,执行可控AC/DC整流器并网的操作,gp :
[0082]岸电管理系统SHS对直流母线排的供电状态进行检测,当检测到符合直流并网操 作时,所述岸电管理系统SHS立即向所识别到的可控AC/DC整流器下发直流并网指令;所述 可控AC/DC整流器在接收到该直流并网指令后,立即导通自身直流侧的空气断路器以及自 身交流侧的空气断路器,进行直流母线并网;
[0083]第二点:
[0084]所述岸电管理系统SHS控制蓄电池储能系统的运行状态,实现以下功能:1、稳定直 流母线电压为Ud = 600VDC ± 10VDC; 2、缓冲、平衡负载起停对电网的冲击;
[0085]具体的,蓄电池组通过双向可控DC/DC、自动空气断路器接入直流母线排;当直流 母线电压Ud<59〇VDC时,蓄电池组经双向可控DC/DC向直流母线放电;当直流母线电压Ud> 610VDC时,直流母线电能经双向可控DC/DC向蓄电池组充电;从而维持直流母线电压瓜二 600VDC±10VDCd
[0086]本发明提供的基于交直流复合电网的船舶岸电系统以及供电方法具有以下优点:
[00871本发明解决了现有的岸电系统中存在的诸多技术问题和难点,解决因船舶电网电 压频率不同导致的供电电源不匹配问题,解决船电与岸电因供电制式不兼容而产生的问 题,对不同类型船舶适应性强,容量扩展容易,码头布置方便,风能、太阳能、储能容易接入, 功能扩展更加便利。
附图说明
[0088] 图1为本发明提供的基于交直流复合电网的船舶岸电系统的原理图;
[0089] 图2为本发明提供的基于交直流复合电网的船舶岸电系统的码头布置图;
[0090] 图3为本发明提供的基于交直流复合电网的船舶岸电系统的工作流程图。
具体实施方式
[0091] 为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白,以下结合 附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以 解释本发明,并不用于限定本发明。
[0092] 本发明提供一种基于交直流复合电网的船舶岸电系统,以实现“绿色港口”建设, 提高经济效益为目的,使用岸上电源系统为靠港船舶供电,从而达到减少大气污染,提高船 舶节能减排效果。
[0093]具体的,结合图1、图2和图3,基于交直流复合电网的船舶岸电系统包括岸电管理 系统、配电系统、直流母线排、至少一个移动式供电接船单元和至少一个固定式供电接船单 元。所述岸电管理系统分别与所述配电系统、所述直流母线排、所述移动式供电接船单元和 所述固定式供电接船单元通信连接。所述配电系统与所述直流母线排的一端连接;所述直 流母线排的另一端分别与各个所述移动式供电接船单元和各个所述固定式供电接船单元 连接。
[0094]以下结合图1和图2,对各个系统分别详细介绍:
[0095] ( — )配电系统
[0096] (1)可控AC/DC整流器部分
[0097]配电系统包括若干个配电单元;每个所述配电单元均包括:三相可调变压器、独立 的Y形侧可控AC/DC整流器、独立的△形侧可控AC/DC整流器、独立的Y形侧空气断路器、独立 的△形侧空气断路器;所述三相可调变压器为Y-Y-△型变压器,其原边为Y形,用于与一个 分布在码头区域内的供电设备连接;其副边包括Y形三相绕组和△形三相绕组,所述Y形三 相绕组依次通过所述Y形侧可控AC/DC整流器和所述Y形侧空气断路器后,连接到所述直流 母线排;所述△形三相绕组依次通过所述△形侧可控AC/DC整流器和所述△形侧空气断路 器后,连接到所述直流母线排;
[0098]此外,所述Y形侧可控AC/DC整流器和所述△形侧可控AC/DC整流器均连接到所述 岸电管理系统。
[0099] 上述配电单元的工作原理为:
[0100] 分布在码头区域内的多个供电站(箱K35KV)分别经三相电缆、三相可调变压器进 行滤波与调压后,接入可控AC/DC整流器的交流侧,经可控AC/DC整流器变流调压,输出直流 电压600VDC并网在公共直流母线排上。
[0101] 岸电管理系统与各个可控AC/DC整流器通信,可根据直流母线排功率自动控制可 控AC/DC整流器投入工作的数目。具体控制方式为:
[0102]岸电管理系统检测码头供电质量,包括电压、电流、频率、功率、谐波、功率因数、瞬 间变化等,可实时判断各个可控AC/DC整流器工作状态是否正常,当识别到一个工作状态正 常且空闲的可控AC/DC整流器后,启动可控AC/DC整流器工作,并鉴别直流并网条件(极性相 同、电压相等)是否满足,如果满足,可控AC/DC整流器导通直流侧的空气断路器,进行直流 母线并网,然后,可控AC/DC整流器向直流母线排输出稳定的600VDC。
[0103]在整个系统运行过程中,岸电管理系统实时监控并自动控制每个可控AC/DC整流 器的工作过程,保证直流母线排提供的工作功率满足船舶用电需求。
[0104] (2)自带岸电系统的船舶 _
[0105] 三相可调变压器的原边用于与一个分布在码头区域内的供电设备连接,所述三相 可调变压器的副边用于直接与自带岸电系统的船舶供电插头连接。
[0106] 其工作原理为:
[0107] 对于某些己经安装了岸电系统的船舶,将船舶上的电缆绞车输送插头直接插在码 头上的三相可调变压器,码头直接供交流电上船,经过船上的岸电系统转换,满足船舶所需 岸电电源。
[0108] (3)绿色能源配电单元
[0109] 所述配电系统还包括绿色能源配电单元;
[0110] 所述绿色能源配电单元包括风力发电系统、光伏发电系统和蓄电池储能系统;所 述风力发电系统、所述光伏发电系统和所述蓄电池储能系统并联到所述直流母线排;
[0111] 所述风力发电系统包括风力发电机组、独立的第1可控AC/DC整流器、独立的第1空 气断路器以及风力发电控制器;所述风力发电机组和所述第1可控AC/DC整流器串联后,通 过所述第1空气断路器连接到所述直流母线排;另外,所述风力发电控制器分别与所述风力 发电机组和独立的第1可控AC/DC整流器连接;
[0112] 所述光伏发电系统包括光伏发电组件、第1可控DC/DC斩波器、独立的第2空气断路 器以及光伏发电控制器;所述光伏发电组件和所述第1可控DC/DC斩波器串联后,通过所述 第2空气断路器连接到所述直流母线排;另外,所述光伏发电控制器分别与所述光伏发电组 件和第1可控DC/DC斩波器连接;
[0113] 所述蓄电池储能系统包括蓄电池组、双向可控DC/DC斩波器、独立的第3空气断路 器以及储能控制器;所述蓄电池组和所述双向可控DC/DC斩波器串联后,通过所述第3空气 断路器连接到所述直流母线排;另外,所述储能控制器分别与所述蓄电池组和双向可控DC/ DC斩波器连接;
[0114] 此外,所述风力发电控制器、所述光伏发电控制器以及所述储能控制器均连接到 所述岸电管理系统。
[0115] 本发明综合利用码头的风能、太阳能等绿色能源,光伏发电系统产生的电能经可 控DC/DC并入直流母线排,风能发电经AC/DC直流并网变流器接入直流母线排,蓄电池储能 系统经双向可控DC/DC并接在直流母线排上,可缓冲、稳压直流母线,提高供电质量。
[0116] (二)移动式供电接船单元
[0117] 所述移动式供电接船单元包括至少一个移动式低压供电接船单元、至少一个移动 式中压供电接船单元以及至少一个移动式高压供电接船单元;
[0118] 所述移动式低压供电接船单元包括第1低压交流并网变流器DC/AC、第4空气断路 器和第5空气断路器;所述第1低压交流并网变流器DC/AC的直流侧通过所述第4空气断路器 安装到已预留在直流母线排的DC/AC交流并网变流器接口上,从而实现第1低压交流并网变 流器DC/AC的直流侧与直流母线排通电的效果;所述第1低压交流并网变流器DC/AC的交流 侧通过所述第5空气断路器与低电船舶的用电接口连接;
[0119] 所述移动式中压供电接船单元包括:第2低压交流并网变流器DC/AC、第1升压变压 器、第6空气断路器和第1真空自动断路器;所述第2低压交流并网变流器DC/AC的直流侧通 过所述第6空气断路器安装到已预留在直流母线排的DC/AC交流并网变流器接口上;所述第 2低压交流并网变流器DC/AC的交流侧依次通过所述第1升压变压器和所述第1真空自动断 路器后,与中压船舶的用电接口连接;
[0120]所述移动式高压供电接船单元包括第3低压交流并网变流器DC/AC、第2升压变压 器、第7空气断路器和第2真空自动断路器;所述第3低压交流并网变流器DC/AC的直流侧通 过所述第7空气断路器安装到已预留在直流母线排的DC/AC交流并网变流器接口上;所述第 3低压交流并网变流器DC/AC的交流侧依次通过所述第2升压变压器和所述第2真空自动断 路器后,与高压船舶的用电接口连接;
[0121] 另外,所述第1低压交流并网变流器DC/AC、所述第2低压交流并网变流器DC/AC和 所述第3低压交流并网变流器DC/AC均连接到所述岸电管理系统。
[0122] 可见,移动式高压供电接船单元分为低压、中压、高压三种类型,交流并网变流器 DC/AC的直流侧接在直流母线排上,将600VDC的直流电变压-变流-变频为船舶所需的三相 交流电。其交流侧与不同电压需求的船舶连接,即:低压船舶由低压交流并网变流器DC/AC 直接供电,对于中压、高压型的船舶,由交流并网变流器DC/AC输出的电能需要经过升压变 压器、真空自动断路器VCB后,再供电给中压、高压船舶。
[0123]移动式供电接船单元具有以下优点:
[0124]具有低压、中压、高压及不同容量的供电方式,可满足不同类型船舶使用岸电的情 况,解决了传统船用岸电系统容量限制及船舶电压等级限制。
[0125](三)固定式供电接船单元
[0126]通过固定式供电接船单元,将交流并网变流器DC/AC组合并联使用,形成局部交流 母线供电系统,从而可为大容量船舶供电,也可同时为多艘船舶供电,也可配置升压变压器 为中高压大功率船舶供电。从而满足各类型船舶使用需求。
[0127]具体的,固定式供电接船单元包括交流母线排、若干个交流并网变流器DC/AC以及 若干个输电支路;
[0128]各个所述交流并网变流器DC/AC的直流侧分别通过独立的空气断路器连接到所述 直流母线排的输出端;各个所述交流并网变流器DC/AC的交流侧分别通过独立的空气断路 器连接到所述交流母线排的输入端;所述交流母线排的输出端并联有若干个输电支路,每 个所述输电支路上均安装有一个独立的空气断路器;每个所述输电支路用于连接到一个船 船的用电接口;
[0129]另外,各个所述交流并网变流器DC/AC和所述交流母线排均连接到所述岸电管理 系统。
[0130]其工作原理为:
[0131]岸电管理系统可自动检测每个交流并网变流器DC/AC的状态,包括DC/AC直流侧和 交流侧开关的闭合或脱开状态、DC/AC供电或断电状态、DC/AC通讯是否正常、DC/AC提供的 电压电流是否在允许的范围内等;还可自动鉴别DC/AC类型,包括DC/AC的电压等级型号、 DC/AC的容量大小型号、DC/AC工作模式;其中,DC/AC工作模式包括两类,一种为交流并网型 工作模式,一种为单独供电型工作模式。
[0132]具体的,岸电管理系统根据靠泊船舶类型和功率范围,确定交流并网变流器DC/AC 的数量,并可自由选择组合交流并网变流器DC/AC并网数量。理由为:不同类型船舶的电力 系统电压等级和所需的供电容量是不同的,包括低压、中压和高压,100KVA〜10000KVA功率 范围,因此,需要根据船电电压等级选择逆变器DC/AC的电压类型,根据船电容量确定DC/AC 的并网数量,船电功率越大,需要并网的DC/AC就越多。
[0133]该公共交流母线可为多艘船舶供电,也可为大容量船舶供电。公共交流母线出口 自动断路器ACB或VCB执行与船舶电网并网操作,交流并网变流器DC/AC自动调整,使船电与 岸电满足相序一致、电压、频率和相位在允许的范围内时,公共交流母线出口自动断路器 ACB或VCB合闸接入船舶电网,进行船电负荷自动转移到岸电,当船舶柴油发电机减负荷到 (3-5) %时,发电机的自动断路器跳闸脱开,从船舶电网上切除发电机组,由岸电为全船供 电。
[0134]通过上述描述可以看出,本发明提供的可控逆变器DC/AC具有两种工作模式,分别 为单独工作模式和并网工作模式。其中,单独工作模式是指:DC/AC的直流侧接在直流母线 排上,DC/AC的交流侧直接仅供给一艘船舶,单个DC/AC即可满足船电需要,则执行船电与岸 电并网操作,即:交流并网变流器DC/AC的交流侧自动断路器ACB或VCB接入船舶电网,进行 船电负荷自动转移到岸电,当船舶柴油发电机减负荷到(3-5) %时,发电机的自动断路器跳 闸脱开,从船舶电网上切除发电机组,由岸电为全船供电。
[0135]并网工作模式是指:需要多个DC/AC并联工作,多个DC/AC的直流侧并接在公共直 流母线上,其交流侧接在公共的交流母线上,则自动判断DC/AC是否满足交流并网条件,DC/ AC自动调整即相序一致、电压、频率和相位在允许的范围内,执行交流并网变流器DC/AC的 交流侧自动并网,形成局部的交流公共母线。
[0136](四)直流母线排和交流母线排
[0137]直流母线排和交流母线排敷设在码头地下电缆沟的单独走线槽内,直流母线排可 以每隔300米增加隔离开关,便于故障隔离和维修。另外,直流母线排可以每隔50米预安装 有快速插座,用于与可控AC/DC整流器连接以及用于与交流并网变流器DC/AC连接。
[0138]直流母线排和交流母线排均与岸电管理系统连接,岸电管理系统可实时检测直流 母线排的电压、电流、纹波、温度和湿度,控制并自动识别直流母线排上各个隔离开关,从而 可根据直流母线排所需功能,对各个隔离开关的开关状态进行控制。岸电管理系统还实时 检测交流母线排的电压、电流、频率、相位、功率、功率因数、三相平衡度、谐波、温度和湿度 等参数。
[0139]本发明提供的基于交直流复合电网的船舶岸电供电系统,其工作原理可概括描述 为:
[0140]岸电管理系统SHS是一种数字化检测与控制系统,靠泊船舶接岸电时,岸电管理系 统与船舶电站管理系统PMS建立通讯、数据共享,岸电管理系统成为船舶电站管理系统的子 系统,岸电管理系统接受船舶电站管理系统的管理与调度,岸电管理系统通过船舶电站管 理系统识别船舶类型和功率范围并显示船电参数,船舶电站管理系统通过岸电管理系统检 测到岸电参数并控制岸电管理系统是否为本船供电。
[0141]岸电管理系统采用光纤、现场总线、工业以太网和无线通讯技术,在船岸间、直流 并网变流器之间、交流并网变流器之间进行全方位通讯,具有实时监测、实时控制,自动电 压跟踪、自动调整、自动稳压、自动控制变流器的投入或切除等功能,实时显示船电和岸电 参数,实时电能计量。船舶与岸电之间切换只需“一键式”启动就能自动完成。
[0142]具体的,岸电管理系统检测整个交直流复合电网系统参数、自动识别直流并网变 流器AC/DC和交流并网变流器DC/AC类型、数量和工作状态。船舶接岸电或解岸电采用航空 插头快速联接或脱开,岸电管理系统首先判别船电与岸电的转换插头与插座控制信号、通 讯信号是否正常,只有正常时,才能快速联接或脱开;联接到位或脱开到位时,自动发出“允 许操作”信号,然后快速联接或脱开动力线,当动力线航空插头与插座联接到位或脱开到位 时,自动发出“允许通电操作”。最后由计算机自动控制进行船电与岸电之间的并网或解除 操作,条件满足时发出“允许合闹”指令或“允许分闸”指令,DC/AC交流侧断路器ACB或VCB自 动合闸或分闸。岸电船电并网后,立即执行负荷转移程序。
[0143]需要岸电为船电供电,则负荷由船电自动转移到岸电,当船舶柴油发电机减负荷 至IJ(3-5) %时,发电机的自动断路器跳闸脱开,从船舶电网上切除发电机组,由岸电为全船 供电。需要切除岸电时,则负荷由岸电自动转移到船电,当岸电承担负荷减小到(3-5) %时, 单独工作模式的交流并网变流器DC/AC的交流侧断路器或并网工作模式的交流并网变流器 DC/AC的公共交流母线出口断路器自动跳闸脱开,将岸电从船舶电网上切除,由船舶柴油发 电机组为全船供电。
[0144]本发明还提供一种基于交直流复合电网的船舶岸电供电方法,包括以下步骤: [0145]步骤1,当靠泊船舶需要接岸电时,将靠泊船舶的供电接口连接到某种供电支路; [0146]岸电管理系统SHS与船舶电站管理系统PMS建立通讯;同时,岸电管理系统SHS分别 与配电系统中的可控AC/DC整流器、移动式供电接船单元中的交流并网变流器DC/AC、固定 式供电接船单元中的交流并网变流器DC/AC、直流母线排和交流母线排建立通信连接;
[0147]步骤2,岸电管理系统SHS首先通过与船舶电站管理系统PMS通信,获得待接岸电的 船舶类型、船舶电力系统电压等级和所需的供电容量;
[0148]步骤3,岸电管理系统SHS首先检测到船舶供电接口所连接到的供电支路;并根据 所连接到的供电支路的类型,执行相应的操作;其中,所述供电支路的类型包括移动式供电 接船单元和固定式供电接船单元;
[0149] (1)移动式供电接船单元
[0150] 步骤3.1,如果供电支路为移动式供电接船单元,所述岸电管理系统SHS进一步检 测到移动式供电接船单元的类型,其中,所述移动式供电接船单元的类型包括移动式低压 供电接船单元、移动式中压供电接船单元以及移动式高压供电接船单元;
[0151] 步骤3.2,然后,所述岸电管理系统SHS进一步判断所接入的移动式供电接船单元 所提供的电压等级和供电容量能否满足船舶的需求;如果不满足,则发出供电支路更换信 息;如果满足,则进一步检测移动式供电接船单元中的交流并网变流器DC/AC的工作状态是 ^正常,如果异常,则发出对该交流并网变流器DC/AC进行维修的通知消息,并不断检测该 交流并网变流器DC/AC的工作状态是否正常;如果正常,则执行步骤3 •3;
[0152]步骤3.3,当检测到该交流并网变流器DC/AC的工作状态正常时,则执行船电与岸 电并网操作,即:
[0153]岸电管理系统SHS对直流母线排的供电状态进行检测,当检测到符合并网操作时, 所述岸电管理系统SHS立即向所述交流并网变流器DC/AC发送并网指令;所述交流并网变流 器DC/AC在接收到该并网指令时,立即导通自身直流侧的空气断路器以及自身交流侧的空 气断路器,将船电负荷自动转移到岸电,使直流母线排向船舶供电;
[0154]步骤3.4,在直流母线排向船舶供电的过程中,所述岸电管理系统SHS实时对所述 交流并网变流器DC/AC的工作状态进行监测,一旦监测到异常信息,发出警示消息;
[0155] 另外,在直流母线排向船舶供电的过程中,还对船舶柴油发电机的负荷进行监控, 当船舶柴油发电机减负荷到3-5 %时,船舶柴油发电机的自动断路器跳闸脱开,从船舶电网 上切除船舶柴油发电机,由岸电为全船供电;
[0156] (2)固定式供电接船单元
[0157] 步骤4_1,如果供电支路为固定式供电接船单元,g卩:需要多个交流并网变流器DC/ AC并联工作;
[0158] 所述岸电管理系统SHS根据船舶电力系统电压等级和所需的供电容量,计算得到 需要并联的交流并网变流器DC/AC的数量,设为m个;
[0159] 步骤4_2,所述岸电管理系统SHS首先选择可接入到交流母线排的m个空闲且工作 状态正常的交流并网变流器DC/AC,然后,执行船电与岸电并网操作,即:
[0160]首先,岸电管理系统SHS对直流母线排的供电状态进行检测,当检测到符合并网操 作时,即:船电与岸电满足相序一致、电压、频率和相位在允许的范围内时,岸电管理系统 SHS立即向所选择的m个交流并网变流器DC/AC发送并网指令,所述交流并网变流器DC/AC在 接收到该并网指令时,立即导通自身直流侧的空气断路器以及自身交流侧的空气断路器; 同时,岸电管理系统SHS导通交流母线排输出端的空气断路器,使船电负荷自动转移到岸 电,使直流母线排向船舶供电;
[0161]步骤4.3,在直流母线排向船舶供电的过程中,还对船舶柴油发电机的负荷进行监 控,当船舶柴油发电机减负荷到3-5%时,船舶柴油发电机的自动断路器跳闸脱开,从船舶 电网上切除船舶柴油发电机,由岸电为全船供电。
[0162]在岸电管理系统SHS通过对交流并网变流器DC/AC进行控制,从而实现向船舶供电 的过程中,岸电管理系统SHS还实时检测直流母线排的功率,并根据直流母线排的功率,自 动控制配电系统的工作状态,在保证配电系统向直流母线排输送的功率满足工作要求的情 况下,缓冲、稳压直流母线排,提高供电质量;
[0163]具体包括以下两点:
[0164]第一点:
[0165]岸电管理系统SHS实时检测直流母线排的功率,当需要增加直流母线排的功率时, 所述岸电管理系统SHS计算得到需启动的可控AC/DC整流器的数量,设为n个;
[0166]首先,岸电管理系统SHS识别到n个工作状态正常且空闲的可控AC/DC整流器;然 后,执行可控AC/DC整流器并网的操作,即:
[0167] 岸电管理系统SHS对直流母线排的供电状态进行检测,当检测到符合直流并网操 作时,所述岸电管理系统SHS立即向所识别到的可控AC/DC整流器下发直流并网指令;所述 可控AC/DC整流器在接收到该直流并网指令后,立即导通自身直流侧的空气断路器以及自 身交流侧的空气断路器,进行直流母线并网;
[0168] 第二点:
[0169]所述岸电管理系统SHS控制蓄电池储能系统的运行状态,实现以下功能:1、稳定直 流母线电压为Ud = 600VDC±10VDC;2、缓冲、平衡负载起停对电网的冲击;
[0170]具体的,蓄电池组通过双向可控DC/DC、自动空气断路器接入直流母线排;当直流 母线电压Ud S 590VDC时,蓄电池组经双向可控DC/DC向直流母线放电;当直流母线电压Ud之 610VDC时,直流母线电能经双向可控DC/DC向蓄电池组充电;从而维持直流母线电压叫= 600VDC±10VDC。
[0171]本发明提供的基于交直流复合电网的船舶岸电系统以及供电方法,采用船岸间无 线以太网通讯,具有船岸实时监测、实时控制,自动电压跟踪、自动调整、自动稳压等功能。 具体的,每个并网变流器各有自己唯一的地址码,系统中的所有AC/DC和DC/AC可以自动识 别且相互通讯、数据共享,从而可自动判别变流器的工作是否正常。然后,根据靠泊船舶选 择DC/AC类型和工作模式,BPDC/AC单独工作或交流并网工作,根据靠泊船舶的电压等级、功 率范围选择变流器类型和并网数量。具有以下优点:
[0172] (1)解决了船电与岸电匹配的难题:交直流并网变流器将船电和岸电联接起来,消 除了船电和岸电之间频率、电压、相位和供电制式的影响与限制,且交直流并网变流器组合 方便,具有滤波、功率因数调整、动态特性好、供电质量高的优点。
[0173] (2)解决了船电与岸电供电制式不兼容的问题:可控整流器将岸电提供的三相电 源整流成直流,成为公共直流母线,消除了岸电三相四线制及频率的影响;多个可控逆变器 并联连接在直流母线上,将直流电转换为船用三相电源,根据船电要求,可控逆变器提供的 船电为三相三线制、60或5〇Hz频率和所需的船电电压等级。
[0174] (3)解决了船电与岸电的可靠性问题:由于船电系统与岸电系统被交直流并网变 流器隔离而没有直接相连,船电与岸电之间的供电制式、频率、电压没有影响;岸电单相接 地时漏电保护器动作发出报警且跳闸保护,船电单相接地时仅发出接地报警而不发生跳闸 保护,船电和岸电的单相接地故障防护措施不同且相互不影响,由于船电与岸电之间为可 控变流器,船电或岸电发生的过流、过压/欠压、过频/欠频等故障不会进入对方系统,由变 流器(即整流器和逆变器)隔离且进行监控保护,从而提供可靠性。
[0175] (4)船舶岸电系统采用模块化、分布式设计,系统集成化技术方案,具有布置灵活、 扩展方便的优点。
[0176]具体的,可从码头多个分区的供电站接线,可控整流模块AC/DC(直流并网变流器) 后依次并入直流母线排,通过直流母线排把分布式码头供电集中起来,满足容量扩展需求。 船舶用电侧通过多个可控逆变模块DC/AC (交流并网变流器)分别为多艘船不间断供电,DC/ AC模块组合供电灵活、方便,同类型的DC/AC模块并网在交流母线上为大功率船舶供电,满 足不同类型船舶用电需求。
[0177] (5)直流母线排和交流母线排的布线都在地下延伸,不影响码头作业和交通,其 AC/DC直流并网逆变器、DC/AC交流并网变流器为移动式设备,根据船舶需要进行配置,自由 组合扩展容量,一套岸电系统可供多艘船舶用电,减少空间需求,既满足船舶供电需求,又 不影响码头作业和交通。
[0178] (6)与交流母线排连接的可控DC/AC逆变模块可自动分组、并联,满足实船用电需 求。为单船供电的可控DC/AC逆变模块是移动式,使用方便、提高利用率。
[0179] (7)适应性强,可满足不同类型、不同容量船舶用电需求,还能为某些自带岸电系 统的船舶直接供电。
[0180]具体的,可控逆变DC/AC配合变压器解决了船舶不同电压等级和不同频率上的难 题,还具有滤波、功率因数调整功能。
[0181]因大型化船舶所需的电力功率大,还需考虑多艘船舶同时应用岸电的情况,要求 岸电电源容量足够大。本发明具有低压、中压、高压及不同容量的供电方式,满足不同类型 船舶使用岸电,即:满足不同频率、不同配电电压等级船舶的供电需求,为船舶提供高质量 的岸电电源品质。
[0182] (8)直流母线具有稳压、缓冲、平衡船舶负载起停对电网的冲击,减小多个船舶用 岸电并网时相互之间的影响。
[0183] (9)可方便的接入风能、太阳能等绿色能源,为绿色港口建设作出贡献。
[0184] (10)可控AC/DC直流并网变流器、可控DC/AC交流并网变流器组合并网,利用整流/ 回馈单元的功能模块,消除高次谐波,提高功率因数,不受电网波动的影响,具有卓越的动 态特性,提高了供电质量和品质。
[0185] (11)适用于港口码头电气环境供电模式和船舶电气受电模式,具有普适性,满足 该领域的技术规范和标准,满足规模化推广的需要。
[0186] (I2)满足靠港船舶连接岸电快速、安全、稳定的技术需求,快速链接、操作简便。船 岸联接后,船上岸电操作屏显示“岸电可用”,可按下“接入岸电”开关,则岸电自动调压、自 动变频、自动调整后并网、自动转移船岸负载后,停发电机。操作过程中自动进行船-岸负荷 转移,不需要接岸电或切除岸电时令船舶断电,实现整个过程不间断供电。
[0187 ]可见,本发明解决了现有的岸电系统中存在的诸多技术问题和难点,解决因船舶 电网电压频率不同导致的供电电源不匹配问题,解决船电与岸电因供电制式不兼容而产生 的问题,对不同类型船舶适应性强,容量扩展容易,码头布置方便,风能、太阳能、储能容易 接入,功能扩展更加便利。
[0188]以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人 员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应 视本发明的保护范围。

Claims (10)

1. 一种基于交直流复合电网的船舶岸电系统,其特征在于,包括岸电管理系统、配电系 统、直流母线排、至少一个移动式供电接船单元和至少一个固定式供电接船单元; 其中,所述岸电管理系统分别与所述配电系统、所述直流母线排、所述移动式供电接船 单元和所述固定式供电接船单元通信连接; 所述配电系统与所述直流母线排的一端连接;所述直流母线排的另一端分别与各个所 述移动式供电接船单元和各个所述固定式供电接船单元连接。
2. 根据权利要求1所述的基于交直流复合电网的船舶岸电系统,其特征在于,所述配电 系统包括若干个配电单元;每个所述配电单元均包括:三相可调变压器、独立的Y形侧可控 AC/DC整流器、独立的△形侧可控AC/DC整流器、独立的Y形侧空气断路器、独立的△形侧空 气断路器;所述三相可调变压器为Y-Y-△型变压器,其原边为Y形,用于与一个分布在码头 区域内的供电设备连接;其副边包括Y形三相绕组和△形三相绕组,所述Y形三相绕组依次 通过所述Y形侧可控AC/DC整流器和所述Y形侧空气断路器后,连接到所述直流母线排;所述 △形三相绕组依次通过所述△形侧可控AC/DC整流器和所述△形侧空气断路器后,连接到 所述直流母线排; 此外,所述Y形侧可控AC/DC整流器和所述△形侧可控AC/DC整流器均连接到所述岸电 管理系统。
3. 根据权利要求2所述的基于交直流复合电网的船舶岸电系统,其特征在于,所述三相 可调变压器的原边用于与一个分布在码头区域内的供电设备连接,所述三相可调变压器的 副边用于直接与自带岸电系统的船舶供电插头连接。
4. 根据权利要求2所述的基于交直流复合电网的船舶岸电系统,其特征在于,所述配电 系统还包括绿色能源配电单元; 所述绿色能源配电单元包括风力发电系统、光伏发电系统和蓄电池储能系统;所述风 力发电系统、所述光伏发电系统和所述蓄电池储能系统并联到所述直流母线排; 所述风力发电系统包括风力发电机组、独立的第1可控AC/DC整流器、独立的第1空气断 路器以及风力发电控制器;所述风力发电机组和所述第1可控AC/DC整流器串联后,通过所 述第1空气断路器连接到所述直流母线排;另外,所述风力发电控制器分别与所述风力发电 机组和独立的第1可控AC/DC整流器连接; 所述光伏发电系统包括光伏发电组件、第1可控DC/DC斩波器、独立的第2空气断路器以 及光伏发电控制器;所述光伏发电组件和所述第1可控DC/DC斩波器串联后,通过所述第2空 气断路器连接到所述直流母线排;另外,所述光伏发电控制器分别与所述光伏发电组件和 第1可控DC/DC斩波器连接; 所述蓄电池储能系统包括蓄电池组、双向可控DC/DC斩波器、独立的第3空气断路器以 及储能控制器;所述蓄电池组和所述双向可控DC/DC斩波器串联后,通过所述第3空气断路 器连接到所述直流母线排;另外,所述储能控制器分别与所述蓄电池组和双向可控DC/DC斩 波器连接; 此外,所述风力发电控制器、所述光伏发电控制器以及所述储能控制器均连接到所述 岸电管理系统。
5. 根据权利要求1所述的基于交直流复合电网的船舶岸电系统,其特征在于,所述移动 式供电接船单元包括至少一个移动式低压供电接船单元、至少一个移动式中压供电接船单 元以及至少一个移动式高压供电接船单元; 所述移动式低压供电接船单元包括第1低压交流并网变流器DC/AC、第4空气断路器和 第5空气断路器;所述第1低压交流并网变流器DC/AC的直流侧通过所述第4空气断路器安装 到已预留在直流母线排的DC/AC交流并网变流器接口上,从而实现第1低压交流并网变流器 DC/AC的直流侧与直流母线排通电的效果;所述第1低压交流并网变流器DC/AC的交流侧通 过所述第5空气断路器与低电船舶的用电接口连接; 所述移动式中压供电接船单元包括:第2低压交流并网变流器DC/AC、第1升压变压器、 第6空气断路器和第1真空自动断路器;所述第2低压交流并网变流器DC/AC的直流侧通过所 述第6空气断路器安装到已预留在直流母线排的DC/AC交流并网变流器接口上;所述第2低 压交流并网变流器DC/AC的交流侧依次通过所述第1升压变压器和所述第1真空自动断路器 后,与中压船舶的用电接口连接; 所述移动式高压供电接船单元包括第3低压交流并网变流器DC/AC、第2升压变压器、第 7空气断路器和第2真空自动断路器;所述第3低压交流并网变流器DC/AC的直流侧通过所述 第7空气断路器安装到已预留在直流母线排的DC/AC交流并网变流器接口上;所述第3低压 交流并网变流器DC/AC的交流侧依次通过所述第2升压变压器和所述第2真空自动断路器 后,与高压船舶的用电接口连接; 另外,所述第1低压交流并网变流器DC/AC、所述第2低压交流并网变流器DC/AC和所述 第3低压交流并网变流器DC/AC均连接到所述岸电管理系统。
6. 根据权利要求1所述的基于交直流复合电网的船舶岸电系统,其特征在于,所述固定 式供电接船单元包括交流母线排、若干个交流并网变流器DC/AC以及若干个输电支路; 各个所述交流并网变流器DC/AC的直流侧分别通过独立的空气断路器连接到所述直流 母线排的输出端;各个所述交流并网变流器DC/AC的交流侧分别通过独立的空气断路器连 接到所述交流母线排的输入端;所述交流母线排的输出端并联有若干个输电支路,每个所 述输电支路上均安装有一个独立的空气断路器;每个所述输电支路用于连接到一个船船的 用电接口; 另外,各个所述交流并网变流器DC/AC和所述交流母线排均连接到所述岸电管理系统。
7. 根据权利要求6所述的基于交直流复合电网的船舶岸电系统,其特征在于,还包括: 若干个所述固定式供电接船单元的交流母线排之间通过隔离开关串联;所述交流母线排敷 设在码头地下电缆沟的单独走线槽内; 所述直流母线排同样敷设在码头地下电缆沟的单独走线槽内;并且,所述直流母线排 由若干个通过隔离开关串联的直流母线组成;所述直流母线排每隔设定距离预留有用于与 可控AC/DC整流器连接的接口以及用于与交流并网变流器DC/AC连接的接口。
8. 根据权利要求6所述的基于交直流复合电网的船舶岸电系统,其特征在于,每个所述 输电支路上还串联有升压变压器。
9. 一种基于交直流复合电网的船舶岸电供电方法,其特征在于,包括以下步骤: 步骤1,当靠泊船舶需要接岸电时,将靠泊船舶的供电接口连接到某种供电支路; 岸电管理系统SHS与船舶电站管理系统PMS建立通讯;同时,岸电管理系统SHS分别与配 电系统中的可控AC/DC整流器、移动式供电接船单元中的交流并网变流器DC/AC、固定式供 电接船单元中的交流并网变流器DC/AC、直流母线排和交流母线排建立通信连接; 步骤2,岸电管理系统SHS首先通过与船舶电站管理系统PMS通信,获得待接岸电的船舶 类型、船舶电力系统电压等级和所需的供电容量; 步骤3,岸电管理系统SHS首先检测到船舶供电接口所连接到的供电支路;并根据所连 接到的供电支路的类型,执行相应的操作;其中,所述供电支路的类型包括移动式供电接船 单元和固定式供电接船单元; (1) 移动式供电接船单元 步骤3.1,如果供电支路为移动式供电接船单元,所述岸电管理系统SHS进一步检测到 移动式供电接船单元的类型,其中,所述移动式供电接船单元的类型包括移动式低压供电 接船单元、移动式中压供电接船单元以及移动式高压供电接船单元; 步骤3.2,然后,所述岸电管理系统SHS进一步判断所接入的移动式供电接船单元所提 供的电压等级和供电容量能否满足船舶的需求;如果不满足,则发出供电支路更换信息;如 果满足,则进一步检测移动式供电接船单元中的交流并网变流器DC/AC的工作状态是否正 常,如果异常,则发出对该交流并网变流器DC/AC进行维修的通知消息,并不断检测该交流 并网变流器DC/AC的工作状态是否正常;如果正常,则执行步骤3.3; 步骤3.3,当检测到该交流并网变流器DC/AC的工作状态正常时,则执行船电与岸电并 网操作,即: 岸电管理系统SHS对直流母线排的供电状态进行检测,当检测到符合并网操作时,所述 岸电管理系统SHS立即向所述交流并网变流器DC/AC发送并网指令;所述交流并网变流器 DC/AC在接收到该并网指令时,立即导通自身直流侧的空气断路器以及自身交流侧的空气 断路器,将船电负荷自动转移到岸电,使直流母线排向船舶供电; 步骤3.4,在直流母线排向船舶供电的过程中,所述岸电管理系统SHS实时对所述交流 并网变流器DC/AC的工作状态进行监测,一旦监测到异常信息,发出警示消息; 另外,在直流母线排向船舶供电的过程中,还对船舶柴油发电机的负荷进行监控,当船 舶柴油发电机减负荷到3_5%时,船舶柴油发电机的自动断路器跳闸脱开,从船舶电网上切 除船舶柴油发电机,由岸电为全船供电; (2) 固定式供电接船单元 步骤4.1,如果供电支路为固定式供电接船单元,g卩:需要多个交流并网变流器沉/^并 联工作; 所述岸电管理系统SHS根据船舶电力系统电压等级和所需的供电容量,计算得到需要 并联的交流并网变流器DC/AC的数量,设为m个; 步骤4_ 2,所述岸电管理系统SHS首先选择可接入到交流母线排的m个空闲且工作状态 正常的交流并网变流器DC/AC,然后,执行船电与岸电并网操作,即: 首先,岸电管理系统SHS对直流母线排的供电状态进行检测,当检测到符合并网操作 时,即:船电与岸电满足相序一致、电压、频率和相位在允许的范围内时,岸电管理系统SHS 立即向所选择的m个交流并网变流器DC/AC发送并网指令,所述交流并网变流器DC/AC在接 收到该并网指令时,立即导通自身直流侧的空气断路器以及自身交流侧的空气断路器;同 时,岸电管理系统SHS导通交流母线排输出端的空气断路器,使船电负荷自动转移到岸电, 使直流母线排向船舶供电; 步骤4.3,在直流母线排向船舶供电的过程中,还对船舶柴油发电机的负荷进行监控, 当船舶柴油发电机减负荷至U3-5%时,船舶柴油发电机的自动断路器跳闸脱开,从船舶电网 上切除船舶柴油发电机,由岸电为全船供电。
10.根据权利要求9所述的基于交直流复合电网的船舶岸电供电方法,其特征在于,在 岸电管理系统SHS通过对交流并网变流器DC/AC进行控制,从而实现向船舶供电的过程中, 岸电管理系统SHS还实时检测直流母线排的功率,并根据直流母线排的功率,自动控制配电 系统的工作状态,在保证配电系统向直流母线排输送的功率满足工作要求的情况下,缓冲、 稳压直流母线排,提高供电质量; 具体包括以下两点: 第一点: 岸电管理系统SHS实时检测直流母线排的功率,当需要增加直流母线排的功率时,所述 岸电管理系统SHS计算得到需启动的可控AC/DC整流器的数量,设为n个; 首先,岸电管理系统SHS识别到n个工作状态正常且空闲的可控AC/DC整流器;然后,执 行可控AC/DC整流器并网的操作,即: 岸电管理系统SHS对直流母线排的供电状态进行检测,当检测到符合直流并网操作时, 所述岸电管理系统SHS立即向所识别到的可控AC/DC整流器下发直流并网指令;所述可控 AC/DC整流器在接收到该直流并网指令后,立即导通自身直流侧的空气断路器以及自身交 流侧的空气断路器,进行直流母线并网; 第二点: 所述岸电管理系统SHS控制蓄电池储能系统的运行状态,实现以下功能:1、稳定直流母 线电压为Ud = 600VDC ± 10VDC; 2、缓冲、平衡负载起停对电网的冲击; 具体的,蓄电池组通过双向可控DC/DC、自动空气断路器接入直流母线排;当直流母线 电压Ud< 590VDC时,蓄电池组经双向可控DC/DC向直流母线放电;当直流母线电压仏上 610VDC时,直流母线电能经双向可控DC/DC向蓄电池组充电;从而维持直流母线电压Ud = 600VDC±10VDC。
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