CN107147103A - 电力推进船舶直流组网电力系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及船舶电力推进系统，具体为电力推进船舶直流组网电力系统，包括调速柴油发电机组、整流器、直流配电装置、逆变器和电动机，调速柴油发电机组包括柴油机和发电机，直流配电装置是船舶的电能管理系统，逆变器包括推进逆变器和辅助逆变器，电动机包括主推进电动机和侧推电动机，在推进变频器的控制下，将电能转换成转矩、转速连续可调的机械能，通过齿轮箱或直驱带动螺旋桨转动，从而实现船舶前进、后退及转向运行。本发明技术方案带来的有益效果：1）节约空间、减小体积及总体重量，减少电缆用量，设备成本低。2）相比交流组网系统，节能15%左右，减排20%左右。3）能源接口简便，方便多种能源接入。

Description

电力推进船舶直流组网电力系统

技术领域

本发明涉及船舶电力推进系统，具体为电力推进船舶直流组网电力系统。

背景技术

近年来随着电力电子技术、变频电机制造技术、交流电机变频调速技术和计算机控制技术的日渐成熟，船舶电力推进系统以其所具备的经济性、机动性、操纵性、安全性、环保低排放等优势，使其装船率逐年上升，已经成为当前船舶动力发展的主流方向。目前，船舶电力推进系统已趋近成熟并商业化。

在电力推进船舶的发展进程中，交流组网电力系统以功能块技术成熟、开发快捷等优势，成为当前电力推进船舶的主流方案。然而，交流组网电力系统也存在控制复杂，谐波污染等问题，长期困扰着电力推进船舶的发展。随着可控整流及斩波逆变技术的进步，加上能源价格的上升，船舶直流组网电力系统的发展引起了关注。

目前，电力推进船舶电力系统普遍采用交流并网的组网形式(如图1所示)。电力系统采用两台或多台恒速内燃机(多为柴油机)驱动发电机发出频率、电压均固定的三相交流电，然后通过交流配电装置，将多台发电机发出的交流电并网组成可灵活分配的动力电站，为电力推进系统和辅助负载提供电能，实现电力推进系统、辅助供电系统、照明系统等负载的电站共享。

交流组网系统主要包含以下五大核心设备：1)恒速柴油发电机组：由柴油机和发电机组成，机械传动端通过弹性连接轴或法兰盘互相连接，公共底座安装；设置柴油机电子调速系统及发电机恒压励磁调节系统保证其发出电压、频率相对恒定的三相交流电，供整船使用；一般电力推进船舶配置两台或多台恒速柴油发电机组。2)交流配电装置：将多台恒速发电机组发出的稳定交流电通过并网组成一个动力电站，可手动或自动根据负载需求完成多台发电机组的启动、并网、负载转移、故障机组解列以及电能分配，同时具有频率、电压超标、逆功等保护功能及报警功能。3)变压器或者电抗器：交流组网的电力推进船舶一般会在交流配电装置和推进变频器之间设计隔离变压器、移向变压器或滤波电抗器等装置，主要是为了匹配系统的电压等级，抵制变频器产生的高次谐波向电网传递，减少变频器产生的电流谐波失真对电网的影响，减少高次谐波对其它元器件的干扰，改善电网质量、提高功率因数、满足电网谐波失真等要求。4)推进变频器+制动电阻：将电压、频率固定的交流电转换为电压、频率均可连续调节的三相变频电源，为主推进/侧推电动机供电；主要由整流功率单元、逆变功率单元、制动单元及控制单元组成。由于一般整流方式采用二极管不控整流，不能为电机的再生制动提供反向电流的通路，所以每台变频器均需要增加制动电阻来消耗制动能量。5)主推进/侧推电动机：在推进变频器的控制下，将电能转换成转矩、转速连续可调的机械能，通过齿轮箱或直驱带动螺旋桨转动，从而实现船舶前进、后退及转向运行。

交流组网系统的缺点：1)交流组网系统为了消除谐波增加了滤波电抗器或变压器，设备种类多，占用空间大，重量大，设备成本高；2)由于柴油机发电机组恒速运行，无法按照柴油机最佳燃油经济曲线调速，加之系统运行时的无功功率损耗，导致其能源消耗大，节能效果差，工作效率低；3)交流组网中，因需要解决电网谐波失真对系统稳定性的影响、发电机之间无功功率分配、交流并网时电源频率、电压、相位角同步等技术问题，导致维护成本增加，同时造成系统运行风险增大，可靠性降低。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提供了电力推进船舶直流组网电力系统。电力推进船舶直流组网电力系统采用调速柴油发电机组发出三相或六相交流电，通过发电机配套的励磁调节装置的自动调节保证其输出电压均恒定，然后再通过整流器整流后输出直流电给直流配电装置，直流配电装置经过直流并网后形成直流动力电站，电站通过各种不同功率等级的逆变器输出完成整船电能分配，为电力推进系统和辅助负载提供电能，实现电站共享。

本发明是采用如下的技术方案实现的：电力推进船舶直流组网电力系统，其包括调速柴油发电机组、整流器、直流配电装置、逆变器和电动机，

其中调速柴油发电机组包括柴油机和发电机，柴油机和发电机传动端通过弹性连接轴或法兰盘互相连接，公共底座安装，调速柴油发电机组设置电子调速装置和发电机励磁调节装置，保证其输出电压稳定；整流器安装在发电机出线口上方，形成一个动力包，整流器可根据系统的需要采用六脉波整流、十二脉波整流或者晶闸管可控整流；

直流配电装置是船舶的电能管理系统，其预先编制不同负荷条件下柴油机的最佳燃油消耗曲线，通过与发电机、推进系统及其它负荷系统的控制器连接，监控整船电能负荷需求，设置最佳柴油机转速，确保调速柴油发电机组工作的转速和负荷可以安全地实现最小燃油消耗量和最低温室气体排放水平，控制柴油机、电动机和其它负荷系统在不同的功率需求下工作，使船舶处于最佳工作状态；同时，直流配电装置可手动或自动根据负载需求完成多台调速柴油发电机组的并网、负载转移、故障机组解列以及电能分配，具有保护及报警功能；

逆变器包括推进逆变器和辅助逆变器，推进逆变器和辅助逆变器将直流配电装置的直流电通过逆变转换为电压、频率均连续可调节的三相交流电源，为电动机及辅助负载系统供电；

电动机包括主推进电动机和侧推电动机，在推进变频器的控制下，将电能转换成转矩、转速连续可调的机械能，通过齿轮箱或直驱带动螺旋桨转动，从而实现船舶前进、后退及转向运行。

本发明技术方案带来的有益效果：

1)节约空间、减小体积及总体重量，减少电缆用量，设备成本低。

船舶使用直流电力系统后，可以采用功率密度更高的整流器代替体积重量庞大的变压器或滤波电抗器来实现电压转换。同时，由于直流电力系统消除了交流系统的集肤效应及无功功率传输，也简化了并网条件，这样可以减少电缆的使用数量及无功补偿处理设备，节约空间，减少设备重量。表1为某挖泥船的交直方案对比，认为直流组网方案重量节约40％左右，体积、占地面积节约50％左右，电缆用量节约15％。

2)相比交流组网系统，节能15％左右，减排20％左右。

图4为柴油机转速-功率与油耗率之间的曲线关系。柴油机输出功率为转速和转矩的乘积，同等功率下，柴油机的油耗率会随转速和转矩变化，每条等功率线上都能找到油耗相对最低点。交流电网受频率限制，柴油机转速几乎恒定，工作点无法在等功率线上自由移动，因此无法选择最经济点，油耗相对较高。如采用直流并网电力系统，柴油机的转速和转矩都与输出功率解耦，对应任意输出功率，柴油机都可选择相应油耗最低的转速与之匹配，有利于节约能源，减少排放量。图5、图6分别为油耗、排放量对比图。

3)能源接口简便，方便多种能源接入。

直流电力系统各种电源之间并联运行只需要电压相同就可以进行并网运行。未来船舶电力系统可能使用太阳能、风能及储能设备等新能源，这些新能源在交流电制下与主电网并联时空之比较复杂，而在直流电制下，并联运行接口、控制更为简便，有利于合理利用多种能源，进一步减少化石能源消耗，提高船舶运行经济性。

附图说明

图1为电力推进船舶交流组网电力系统拓扑图。

图2为电力推进船舶直流组网电力系统拓扑图。

图3为电力推进破冰船直流组网电力系统拓扑图。

图4为为柴油机转速-功率与油耗率之间的曲线关系图。

图5为恒速采油机和调速采油机油耗对比图。

图6为恒速采油机和调速采油机排放量对比图。

具体实施方式

以该直流组网电力系统应用于电力推进破冰船为例，具体阐述该发明的实施情况。所述电力推进破冰船直流组网电力系统如图3所示，整船采用四台相同型号功率为3000千瓦、调速范围300-700转/分钟的调速柴油机，分别通过法兰盘连接带动功率为3000kW的六相交流发电机，发电机设置恒压励磁调节装置保证其输出电压恒定的六相690V交流电，再通过十二脉波整流器整流后并网形成直流940V电站，为推进系统及其它电力负载分配电能。发电机采用六相交流发电机，可减小相电流、降低损耗、节约成本，整流器采用十二脉波不可控整流，在降低成本的同时可降低电网谐波含量、优化直流电压波形、保证电网电源质量。

整船设计两套1000千瓦的侧推系统、两套4000千瓦的主推进系统，均采用交流变频调速，主要由逆变器、推进电机、制动电阻及舵浆组成。逆变器采用三相桥式逆变，通过SVPWM调制方式，将电网中电压恒定的直流电变换为电压、频率均可连续调节的交流电源供给交流推进电动机，电动机输出转矩、转速连续可调的机械能，通过轴系带动螺旋桨运转，从而实现船舶运行。

直流电网通过两套1000kVA的辅助逆变器及变压器(两套一备一用，不可同时使用)输出电压固定的三相交流400V电源供整船风机、水泵、油泵等负载使用。400V交流电网通过变压器输出交流220V电源供整船生活用电、照明等负载使用。

Claims (1)

1.电力推进船舶直流组网电力系统，其特征在于包括调速柴油发电机组、整流器、直流配电装置、逆变器和电动机，

其中调速柴油发电机组包括柴油机和发电机，柴油机和发电机传动端通过弹性连接轴或法兰盘互相连接，公共底座安装，调速柴油发电机组设置电子调速装置和发电机励磁调节装置，保证其输出电压稳定；整流器安装在发电机出线口上方，形成一个动力包，整流器可根据系统的需要采用六脉波整流、十二脉波整流或者晶闸管可控整流；

直流配电装置是船舶的电能管理系统，其预先编制不同负荷条件下柴油机的最佳燃油消耗曲线，通过与发电机、推进系统及其它负荷系统的控制器连接，监控整船电能负荷需求，设置最佳柴油机转速，确保调速柴油发电机组工作的转速和负荷可以安全地实现最小燃油消耗量和最低温室气体排放水平，控制柴油机、电动机和其它负荷系统在不同的功率需求下工作，使船舶处于最佳工作状态；同时，直流配电装置可手动或自动根据负载需求完成多台调速柴油发电机组的并网、负载转移、故障机组解列以及电能分配，具有保护及报警功能；

逆变器包括推进逆变器和辅助逆变器，推进逆变器和辅助逆变器将直流配电装置的直流电通过逆变转换为电压、频率均连续可调节的三相交流电源，为电动机及辅助负载系统供电；

电动机包括主推进电动机和侧推电动机，在推进变频器的控制下，将电能转换成转矩、转速连续可调的机械能，通过齿轮箱或直驱带动螺旋桨转动，从而实现船舶前进、后退及转向运行。