CN109038682A - 一种抑制船舶岸电系统逆功率的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种抑制船舶岸电系统逆功率的装置，包括一岸电组件，包括岸电变压变频电源、固态切换开关内部开关S1、市电；一船舶电力组件，包括船舶发电设备、船舶电力母线、船舶高压配电单元、船舶低压配电单元及固态切换开关内部开关S2；一分别与岸电变压变频电源及船舶发电设备相连的智能控制组件，包括数据采集模块、控制模块、显示模块、人际交互模块；一分别与岸电变压变频电源、船舶发电设备相连的合闸角消除组件，包括测量模块、计算模块、延时模块。本发明的优点在于：本发明的装置实现船舶岸电一键式不间断自动并、离网操作，“消除”了固态切换开关合闸过程产生的合闸角，从而避免了因合闸角产生逆功率问题。

Description

一种抑制船舶岸电系统逆功率的装置

技术领域

本发明涉及船舶供电技术领域，特别涉及一种抑制船舶岸电系统逆功率的装置。

背景技术

根据交通运输部印发的《船舶与港口污染物防治专项行动实施方案（2015-2020年）》要求目标规定，到2020年，珠三角、长三角、环渤海(京津冀)水域船舶硫氧化物、氮氧化物、颗粒物与2015年相比分别下降65%、20%、30%;主要港口90%的港作船舶、公务船舶靠泊使用岸电，50 %的集装箱、客滚和邮轮专业化码头具备向船舶供应岸电的能力，推动建立船舶使用岸电的供售电机制和激励机制，降低岸电使用成本，引导靠港船舶使用岸电。

目前我国大多船舶靠港依旧采用传统船舶与岸电并网控制即当船舶靠港时，停止船上的发电设备，然后连接岸上的电网，在这过程中会影响船上用电设备的正常运行。

目前无缝并网控制技术也慢慢应用到船舶靠港使用岸电的领域当中，无缝并网顾名思义，即船舶在靠港期间接入岸电给船舶负载供电，保证船舶负载一直得到供电运行，并且切掉船上发电设备，不会对岸电以及船舶产生冲击的一种供电方法。实现船舶岸电要满足4个条件，即待并网的船舶发电机的电力的相序必须与岸电电源的相序保持一致、待并网的船舶发电机的电压与岸电电源的电压幅值相等、待并网的船舶发电机的频率与岸电电源的频率相等、待并网的船舶发电机的相角与岸电电源的相角一致。如图1所示，船舶岸电无缝并网的流程，船舶靠港期间启动岸电电源，满足并网条件以后并入船舶电网，进行负载转移，最后切除发电设备完全由岸电电源对船舶负载进行供电。同样地，船舶离港重新启动船舶发电设备，满足并网条件以后，进行负载转移，最后切除岸电电源完全由船舶发电设备供电。

目前现有的船舶岸电无缝并网控制方法中，基本上都能实现并网功能，但在并网装置检测到岸电系统和船舶电网的电压满足条件以后，合上并网开关，由于并网开关有一定的合闸时间，在这段时间会产生一个合闸角，从而会产生冲击电流，在两个系统之间造成逆功率问题，从而可能会影响船舶发电设备的正常运行，减少其使用寿命，并且还可能会使岸电电源的变压变频装置发热，对船舶发电机和岸电电源会产生不利影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种抑制船舶岸电系统逆功率的装置，能有效地消除合闸开关从接收合闸信号到完全闭合的过程中所产生的合闸角，从而解决因合闸角引起的逆功率问题，减小船舶岸电并网时的冲击电流，使船舶岸电无缝并网过程更加稳定。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种抑制船舶岸电系统逆功率的装置，其创新点在于：包括

一岸电组件，所述岸电组件包括岸电变压变频电源、固态切换开关内部开关S1、市电，其中，岸电变压变频电源与市电相连；

一船舶电力组件，所述船舶电力组件包括船舶发电设备、船舶电力母线、船舶高压配电单元、船舶低压配电单元及固态切换开关内部开关S2，所述船舶发电设备、船舶高压配电单元、船舶低压配电单元及岸电变压变频电源通过船舶电力母线连接；

一分别与岸电变压变频电源及船舶发电设备相连的智能控制组件，所述智能控制组件包括与岸电变频变压电源及船舶发电设备相连并用于采集转换电压与船舶电压的数据采集模块，与数据采集模块相连并用于信号接收与输出的控制模块，与岸电变频变压电源及船舶发电设备相连并用于显示电压数据的显示模块，与岸电变频变压电源及船舶发电设备相连并用于向岸电或船舶发出指令的人机交互模块；

一分别与岸电变压变频电源、船舶发电设备相连的合闸角消除组件，所述合闸角消除组件包括用于测出岸电和船舶电网电压幅值、频率满足并网条件时的相位差θ的测量模块，用于计算出提前合闸时间t_exa的计算模块，能够在所述计算模块计算出时间t_exa后立即开启延时功能并在t_exa时间后发送合闸命令的延时模块。

进一步的，所述船舶发电设备为柴油发电机组。

本发明的优点在于：本发明的装置实现了船舶岸电一键式不间断自动并、离网操作，“消除”了固态切换开关合闸过程产生的合闸角，从而避免了因合闸角产生逆功率问题，减小船舶岸电并网时的冲击电流，有效提高了船舶岸电无缝并网的效率和可靠性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为船舶岸电无缝并网流程示意图。

图2为本发明中抑制船舶岸电系统逆功率装置结构示意图。

图3为本发明中合闸角消除组件的示意图。

图4为本发明中合闸角消除组件中测量模块流程示意图。

图5为本发明中合闸角消除组件中计算模块原理图。

图6为本发明中合闸角消除组件中延时模块流程示意图。

具体实施方式

下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

如图1所示，船舶岸电无缝并网的流程，船舶靠港期间启动岸电电源，满足并网条件以后并入船舶电网，进行负载转移，最后切除发电设备完全由岸电电源对船舶负载进行供电。同样地，船舶离港重新启动船舶发电设备，满足并网条件以后，进行负载转移，最后切除岸电电源完全由船舶发电设备供电。

如图2所示的一种抑制船舶岸电系统逆功率的装置，包括:

一岸电组件，所述岸电组件包括岸电变压变频电源、固态切换开关内部开关S1、市电，其中，岸电变压变频电源与市电相连，用于从所述市电获取电压，并且对所述市电电压进行变压变频，在所述岸电变压变频电源通过固态切换开关与船舶电力母线连接的情况下，该岸电变压变频电源将变压变频后的转换电压供给到所述船舶负载。

一船舶电力组件，所述船舶电力组件包括船舶发电设备、船舶电力母线、船舶高压配电单元、船舶低压配电单元及固态切换开关内部开关S2，所述船舶发电设备、船舶高压配电单元、船舶低压配电单元及岸电变压变频电源通过船舶电力母线连接。

船舶发电设备为柴油发电机组。

一分别与岸电变压变频电源及船舶发电设备相连的智能控制组件，用于从所述岸电变压变频电源接收所述转换电压，从所述船舶发电设备接收船舶电压，并调节所述岸电变压变频电源的输出或者所述船舶发电设备的输出。

智能控制组件包括：数据采集模块，与岸电变频变压电源及船舶发电设备相连，并用于采集转换电压与船舶电压，包括：电压的相序、幅值、频率、和相位差；控制模块，与数据采集模块相连，用于从数据采集模块接收所述转换电压相序与所述船舶电压相序和所述转换电压幅值与所述船舶电压幅值，以及所述转换电压频率与所述船舶电压频率，还有所述转换电压相位角与所述船舶电压相位角进行比较判断，判断是否满足并网合闸条件，并根据并网合闸条件所述控制模块计算出控制信号，向岸电变压变频电源输出或者船舶发电设备输出发出调节信号，并且实现对船舶发电设备发出启停控制指令；显示模块，与所述岸电变压变频电源和船舶发电设备分别连接，用于显示所述转换电压和所述船舶电压的实时电压，以及显示岸电变压变频电源和船舶发电设备是否切换成功等等；人机交互模块，与所述岸电变压变频装置和船舶发电设备相连接，用于向岸电或船舶发出并、离网的输入指令，来完成一键式并、离网的操作控制。

一分别与岸电变压变频电源、船舶发电设备相连的合闸角消除组件，如图3所示。合闸角消除组件包括：测量模块，用于测出岸电和船舶电网电压幅值、频率满足并网条件时的相位差θ；计算模块，用于计算出提前合闸时间t_exa；延时模块，能够在所述计算模块计算出时间t_exa后立即开启延时功能，在t_exa时间后发送合闸命令，使得开关闭合时，相角差更加接近0，达到“消除”合闸角目的。

固态切换开关内部开关S1输入与所述岸电变压变频电源和所述合闸角消除组件相连接，其负责所述岸电变压变频电源的接入与断开，S1的输出与所述固态切换开关内部开关S2、船舶电力母线相连接，内部开关S2与所述船舶发电设备和合闸角消除组件相连接，控制所述船舶发电设备的接入与断开，船舶发电设备由所述控制模块实现启停控制。

在岸电与船舶电网满足并网条件，所述智能控制装置会向开关发出合闸指令，从发出合闸指令到开关闭合需要一定的时间，该时间被称为合闸操作时间t_HZ。由于在并网的过程中岸电与船舶电网必定存在频率差，假设在合闸期间岸电和船舶电网的电压频率均不变，那么合闸操作时间t_HZ必然会产生合闸角θ_HZ ，即：

θ_HZ =2π（f₁-f₂）×t_HZ+（φ₁-φ₂）

其中，f₁ ，f₂分别是岸电和船舶电网的电压频率，φ₁，φ₂分别是岸电和船舶电网的电压初始相位角，t_HZ是合闸操作时间，即开关（S1，S2）固有合闸时间。

目前已经有的并网装置及方法均是在相角差为0的时刻发出合闸命令，从而忽略了开关固有合闸时间t_HZ产生的合闸角θ_HZ ，这就不满足并网条件，会使两个供电系统在并网过程中发生逆功率现象，从而可能会影响船舶发电设备的正常运行，并且还可能会使岸电电源的变压变频装置发热，对船舶发电设备和岸电电源会产生不利影响。

而本发明装置，其原理是：在船舶靠港后，先以船舶电网为基准，通过调节控制岸电变压变频电源输出电压幅值、频率，合闸角消除组件捕捉合闸时刻，达到实现与船电电网并网的条件以后，发送合闸命令，然后进行负载转移至由岸电进行供电，然后将船舶电网断开，船上负载完全由岸电进行供电，船舶发电设备停止供电，岸电变压变频电源，能够将市电电源进行变频、变压处理，达到供给船电的电能质量，船舶发电设备主要包括船舶发电机组、船舶高压配电、船舶低压配电，固态开关内部S1开关输入侧与岸电变压变频电源相连接，输出侧连接船舶电力母线与内部S2开关所述S2开关输出与船舶发电设备相连接，将输出电力通过船舶电力母线，通过船舶高压配电或者船舶低压配电单元，对船舶负载进行供电。

船舶靠港，操作人员按下人机交互模块启动按钮，所述数据采集模块自动采集所述岸电变压变频电源与船舶电网电压的相序、幅值、频率、相位角等信息，控制模块根据采集的相序信息，自动调整所述岸电变压变频电源的相序与船舶电网电压相序一致。

下述控制模块采用下垂控制，该控制方法常用于调节船舶电网电压幅值和频率大小，不同于传统下垂控制，本装置中的下垂控制引入一阶惯性环节，使得在调节岸电变压变频电源的过程中，输出的电压幅值和频率更加稳定，不易变化。在MATLAB/simulink中搭建控制模块加入一阶惯性环节经过仿真测试，验证了该方法有效性。

控制模块根据采集的所述岸电变压变频电源的电压幅值与船舶电网电压幅值做比较，例如，在所述比较结果为所述转换电压幅值大于所述船舶电网电压幅值，则所述控制模块会发出调节信号用于调节所述岸电变压变频电源的电压幅值输出，以使得所述转换电压幅值减小预定大小，使得所述岸电变压变频电源的电压幅值与船舶电网电压幅值差在控制在±5%以内。

控制模块根据采集的所述岸电变压变频电源的电压频率与船舶电网电压频率做比较，例如，在所述比较结果为所述转换电压频率大于所述船舶电网电压频率，则所述控制模块会发出调节信号用于调节所述岸电变压变频电源的电压频率输出，以使得所述转换电压频率减小预定大小，使得所述岸电变压变频电源的电压频率与船舶电网电压频率差在控制在±0.2HZ-±0.5HZ以内。

在电压幅值差和电压频率差满足并网条件后，通过合闸角消除组件捕捉合闸时刻进行并网，假设在t时刻所述岸电变压变频电源和船舶电网电压幅值差和电压频率差都满足并网条件，所述测量模块可以测出该时刻对应的相位差θ，如图4。

合闸角消除组件中的测量模块测量出该时刻对应的相位差θ，假设在该时刻t_exa时间段后发出合闸命令，所述固态切换开关经过固有合闸时间t_HZ 后，相位差为0，开关闭，合闸过程时间极短，岸电和船舶电网频率变化在±0.2HZ-±0.5HZ以内，对系统逆功率的影响可以忽略不计，整个合闸过程岸电和船舶电网频率可以看作恒定值。则：

θ=2π（f₁-f₂）×（t_exa+t_HZ）+（φ₁-φ₂）

通过数字信号处理器（DSP），现在大部分采用TMS320F28335，获取岸电电压频率、初始相位角等相关参数，提供给计算模块来提前计算出t_exa,如图5。

在电压幅值差和频率差满足条件时刻，所述计算模块计算出t_exa，将计算出的t_exa作为延时模块的输入，此时启动延时模块内部延时程序，延时t_exa后，输出高电平信号，上升沿触发信号激活所述固态切换开关S1，做出合闸动作，经过t_HZ时间后合闸完毕，此时电压相位角差刚好为0，延时模块未接收到输入信号时，输出低电平信号，上升沿不能触发，所述固态切换开关S1处于断开状态，如图6。

控制模块向所述变压变频电源发出调压或调频信号，增大所述变压变频电源功率输出，减小所述船舶发电设备功率输出到一定阈值，所述控制模块向所述船舶发电设备发出停止指令，使所述固态切换开关S2断开，以使岸电电源与船舶发电设备进行无缝切换。

岸电变压变频电源经过船舶电力母线，通过船舶高压配电单元或者船舶低压配电单元给船舶不同类型负载供电，船舶低压配电单元通过内部自带变压器降低电压供船舶低压负载供电。

船舶离港过程与上述实现船舶靠港过程相类似，不再重复叙述。

本实施方式主要是针对本发明提出的一种抑制船舶岸电系统逆功率的装置，对于船舶发电设备、岸电变压变频电源等相关硬件设备不多做描述，采用本领域常见的硬件设备即可。

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效物界定。

Claims (2)

1.一种抑制船舶岸电系统逆功率的装置，其特征在于：包括

一岸电组件，所述岸电组件包括岸电变压变频电源、固态切换开关内部开关S1、市电，其中，岸电变压变频电源与市电相连；

一船舶电力组件，所述船舶电力组件包括船舶发电设备、船舶电力母线、船舶高压配电单元、船舶低压配电单元及固态切换开关内部开关S2，所述船舶发电设备、船舶高压配电单元、船舶低压配电单元及岸电变压变频电源通过船舶电力母线连接；

一分别与岸电变压变频电源及船舶发电设备相连的智能控制组件，所述智能控制组件包括与岸电变频变压电源及船舶发电设备相连并用于采集转换电压与船舶电压的数据采集模块，与数据采集模块相连并用于信号接收与输出的控制模块，与岸电变频变压电源及船舶发电设备相连并用于显示电压数据的显示模块，与岸电变频变压电源及船舶发电设备相连并用于向岸电或船舶发出指令的人机交互模块；

一分别与岸电变压变频电源、船舶发电设备相连的合闸角消除组件，所述合闸角消除组件包括用于测出岸电和船舶电网电压幅值、频率满足并网条件时的相位差θ的测量模块，用于计算出提前合闸时间t_exa的计算模块，能够在所述计算模块计算出时间t_exa后立即开启延时功能并在t_exa时间后发送合闸命令的延时模块。

2.根据权利要求1所述的抑制船舶岸电系统逆功率的装置，其特征在于：所述船舶发电设备为柴油发电机组。