CN109927872B - 船舶直流组网电力推进设备、系统及设备设计方法 - Google Patents

船舶直流组网电力推进设备、系统及设备设计方法 Download PDF

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CN109927872B CN201910259524.5A CN201910259524A CN109927872B CN 109927872 B CN109927872 B CN 109927872B CN 201910259524 A CN201910259524 A CN 201910259524A CN 109927872 B CN109927872 B CN 109927872B
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Abstract

本发明公开了一种更高设备集成度、更优设备整体性能指标的船舶直流组网电力推进设备，包括在直流母线上进行并网的控制柜、发电柜、推进柜、制动柜、日用电源柜、直流柜以及斩波柜；本发明还公开了上述设备的设计方法，该方法先后确定日用电源柜、推进柜与设备的负载功率，再根据发电柜与斩波柜的负载功率之和大于设备的负载功率，合理地确定了发电柜的功率，实现了各机柜负载功率的合理分配；且在设备结构布置中，根据结构更对称、走线更方便的原则，形成设备结构布置图，并通过计算设备直流电流，以设备的直流电流最小为原则，重新调整设备结构，实现了更高的设备集成度。本方法使设备整体的性能指标、设备集成度、散热和重量实现了最优化。

Description

船舶直流组网电力推进设备、系统及设备设计方法
技术领域
本发明涉及一种船舶直流组网电力推进设备、系统及设备设计方法。
背景技术
近年来，随着电力电子技术和自动控制技术的发展，船舶电力推进设备逐渐从交流组网技术过渡到更为先进的直流组网技术。与采用交流组网的传统方案相比，直流组网方式将交流变频器中的交-直-交变化拆分，将所有设备的组网侧从原有的发电机交流侧转移到直流侧，但其发电设备和负载设备仍采用交流模式，提高了设备集成度，降低了设备的占地面积与设备重量。
目前，虽然ABB、西门子等公司也开始推出自己的直流组网技术，比如美国专利申请号为US6188581B1的专利公开了一种用于船舶上的直流组网技术，美国专利申请号为9800054B2的专利公开了一种用于可再生发电机的DC连接设备，但都没有提及一套完善的设备设计方法，导致功率模块选用不合理，设备整体的性能指标、设备集成度、散热和重量无法做到最优化。为了实现更规范的设计流程，避免不必要的重复设计，需要形成一套完善的设备设计方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种更高设备集成度、更优设备整体性能指标的船舶直流组网电力推进设备。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种船舶直流组网电力推进设备，包括在直流母线上进行并网的控制柜、发电柜、推进柜、制动柜、日用电源柜、直流柜以及斩波柜；
所述发电柜包括熔断器、整流功率模块、dvdt滤波器、主断路器、子控制器、加热器、散热风机、励磁预充电路，熔断器的输入端连接直流母线，熔断器的输出端连接整流功率模块的直流端，整流功率模块的交流端连接dvdt滤波器的输入端，dvdt滤波器的输出端通过主断路器连接发电柜外的发电机，子控制器的一端连接整流功率模块的控制信号接口，另一端通过以太网连接控制柜内的主控制器，散热风机与加热器连接控制柜内的控制电源；所述励磁预充电路包括控制断路器及全桥二极管整流模块，控制断路器的输入端连接发电机的励磁绕组，控制断路器的输出端连接全桥二极管整流模块的输入端，全桥二极管整流模块的输出端连接直流母线；
所述推进柜的熔断器的输入端连接直流母线，熔断器的输出端连接逆变功率模块的直流端，逆变功率模块的交流端连接dvdt滤波器的输入端，dvdt滤波器的输出端通过主断路器连接推进柜外的推进电机，子控制器的一端连接逆变功率模块的控制信号接口，另一端通过以太网连接控制柜内的主控制器，散热风机与加热器连接控制柜内的控制电源；
所述制动柜的熔断器的输入端连接直流母线，熔断器的输出端连接制动功率模块的直流端，制动功率模块的输出端连接制动电阻的输入端，制动电阻的输出端连接直流母线，子控制器的一端连接制动功率模块的控制信号接口，另一端通过以太网连接控制柜内的主控制器，散热风机与加热器连接控制柜内的控制电源；
所述日用电源柜的熔断器的输入端连接直流母线，熔断器的输出端连接逆变功率模块的直流端，逆变功率模块的交流端连接正弦滤波器的输入端，正弦滤波器的输出端通过主断路器连接日用电源柜外的日用变压器，子控制器的一端连接逆变功率模块的控制信号接口，另一端通过以太网连接控制柜内的主控制器，散热风机与加热器连接控制柜内的控制电源；
所述直流柜的直流断路器与熔断器串联在直流母线上，绝缘检测仪与直流电压表连接直流母线，子控制器通过以太网连接控制柜内的主控制器，散热风机与加热器连接控制柜内的控制电源；所述交流配电板预充电路包括控制断路器、预充电阻及全桥二极管整流模块，控制断路器的输入端连接直流柜外的交流配电板，控制断路器的输出端连接预充电阻的输入端，预充电阻的输出端连接全桥二极管整流模块的输入端，全桥二极管整流模块的输出端连接直流母线；所述直流预充电路包括控制断路器及预充电阻，控制断路器与预充电阻串联在直流母线上；
所述斩波柜的熔断器的输入端连接直流母线，熔断器的输出端连接斩波功率模块的高压直流端，斩波功率模块的低压直流端连接直流电抗器的输入端，直流电抗器的输出端通过主断路器连接斩波柜外储能装置的正极，储能装置的负极连接直流母线，子控制器的一端连接斩波功率模块的控制信号接口，另一端通过以太网连接控制柜内的主控制器，散热风机与加热器连接控制柜内的控制电源；所述储能预充电路包括控制断路器及预充电阻，控制断路器的输入端连接储能装置，控制断路器的输出端连接预充电阻的输入端，预充电阻的输出端连接直流母线。
本设备的有益效果是：(1)在设备结构布置中，根据结构更对称、走线更方便的原则，形成设备结构布置图。
(2)在设备结构布置中，将斩波柜与储能装置连接，当发电柜出现故障或者负载突然增加时，储能装置会放电，为直流母线提供能量，提高了设备的冗余性和可靠性。
本发明另一个所要解决的技术问题是：提供一种可靠性更高的船舶直流组网电力推进系统。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种船舶直流组网电力推进系统，包括并列设置的两组如上所述的船舶直流组网电力推进设备；两个电力推进设备互为冗余，且通过其中的直流柜相连。
本系统的有益效果是：本系统两个电力推进设备互为冗余，进而保证了供电的可靠性。
本发明另一个所要解决的技术问题是：提供一种船舶直流组网电力推进设备的设计方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种船舶直流组网电力推进设备的设计方法，其步骤如下：
(1)根据船舶配电板电力负荷计算书给定的总负载功率Pp，计算日用电源柜功率Pd，Pd＝k1Pp，裕度系数k1的范围为1～1.2，再根据给定的螺旋桨的转速与功率的关系曲线、轴系的转动惯量以及动态特性要求，确定推进柜功率Pt；
(2)根据给定的斩波柜功率Pz，并根据步骤(1)确定的日用电源柜功率Pd和推进柜功率Pt，计算设备的负载功率Ps，Ps＝Pd+Pt，从而确定发电柜功率Pf，Pf+Pz>Ps；
(3)计算日用电源柜交流额定电流
Figure BDA0002014823970000041
计算推进柜交流额定电流
Figure BDA0002014823970000042
计算发电柜交流额定电流
Figure BDA0002014823970000043
根据技术要求给定的储能装置的电压Vzb及储能装置的功率Pzb，计算斩波柜额定电流
Figure BDA0002014823970000044
其中日用电源柜外的日用变压器的功率因数为cosφ1，推进柜外的推进电机的功率因数为cosφ2，发电柜外的发电机的功率因数为cosφ3，技术要求给定的日用变压器交流电压为Vdac、推进电机交流电压为Vtac以及发电机交流电压为Vfac；
(4)根据技术要求给定的日用变压器交流电压Vdac、推进电机交流电压Vtac以及发电机交流电压Vfac，以三个交流电压的最大值作为最大交流电压Vac，计算最小直流电压
Figure BDA0002014823970000045
得到设备的直流母线电压Vdc，
Figure BDA0002014823970000046
裕度系数k2取值范围为1-1.2；
(5)根据步骤(4)确定的直流母线电压Vdc，选择发电柜整流功率模块、推进柜及日用电源柜的逆变功率模块、斩波柜的斩波功率模块的电压等级；
根据步骤(3)确定的发电柜交流额定电流Ifa，计算发电柜的整流功率模块的额定电流Ize＝Ifa×k3，从而确定整流功率模块的型号，其中k3为过载系数，取值范围为1-1.2；
根据步骤(3)确定的推进柜交流额定电流Ita，计算推进柜的逆变功率模块的额定电流Ite＝Ita×k3，从而确定逆变功率模块的型号，其中k3为过载系数；取值范围为1-1.2；
根据步骤(3)确定的日用电源柜交流额定电流Ida，计算日用电源柜的逆变功率模块的额定电流Ide，Ide＝Ida×k3，从而确定日用电源柜逆变功率模块的型号，其中k3为过载系数；取值范围为1-1.2；
根据步骤(3)确定的斩波柜额定电流Izb，计算斩波功率模块的额定电流Ibe，Ibe＝Izb×k3，从而确定斩波柜的斩波功率模块的型号，其中k3为过载系数；取值范围为1-1.2；
(7)对发电柜的dvdt滤波器、推进柜的dvdt滤波器、日用电源柜的正弦滤波器以及斩波柜的直流电抗器进行选型；
(6-1)所述发电柜及推进柜的dvdt滤波器选型：
(a)根据选定的发电柜的整流功率模块，可得发电柜的整流功率模块的最小导通时间T1，关断延迟时间T2，再根据电流采样周期T3，计算设备保护时间△T，△T＝T1+T2+T3；
(b)根据选定的发电柜或推进柜的整流功率模块，可得发电柜或推进柜的整流功率模块的最大允许关断电流Imax，再根据计算得出的发电柜或推进柜交流额定电流Ifa，计算设备保护电流Ipro，
Figure BDA0002014823970000051
裕度系数k4的范围为1.1～1.5；
(c)计算dvdt滤波电感Lv，计算公式为：
Figure BDA0002014823970000061
(d)以一个n阶设备为参考，其上升时间(10％～90％)为时间常数的k5倍，推算设备的时间常数τ，推算公式为：
Figure BDA0002014823970000062
其中，dvdt为设备输出dvdt滤波器的限制值，dvdt≤1000V/μs；
(e)根据步骤(d)中推算出的时间常数τ，计算dvdt滤波电容Cv，计算公式为：
Figure BDA0002014823970000063
(6-2)所述日用电源柜的正弦滤波器选型：
(a)根据经验选取滤波电容型号，可得正弦滤波电容为Cz；
(b)根据经验选取截止频率为fz，计算正弦滤波电感Lz，计算公式为：
Figure BDA0002014823970000064
(c)根据步骤(a)得到的正弦滤波电容Cz和步骤(b)选取的截止频率fz，计算正弦滤波电阻Rz，计算公式为：
Figure BDA0002014823970000065
其中，k6为阻尼系数，范围为0.1～0.2；
(6-3)所述斩波柜的直流电抗器选型：
(a)根据直流母线电压Vdc，储能装置的电压范围u1～u2以及储能装置的额定功率Pzb，计算三相等效电感L3，计算公式为：
Figure BDA0002014823970000066
其中，f为开关频率三相等效值，根据经验取值；k7为纹波系数，范围为10％～25％，
(b)根据步骤(a)计算的三相等效电感L3，计算单相电感L1，L1＝3×L3；
(c)计算直流电抗器额定电流Ide，计算公式为：
Figure BDA0002014823970000071
(7)根据步骤(5)选定的发电柜的整流功率模块、推进柜的逆变功率模块、日用电源柜的逆变功率模块、斩波柜的斩波功率模块的型号，以及步骤(6)选定的发电柜的dvdt滤波器、推进柜的dvdt滤波器、日用电源柜的正弦滤波器、斩波柜的直流电抗器的型号，确定发电柜、日用电源柜、推进柜与斩波柜的初步尺寸，根据结构更对称、走线更方便的原则，给出各个机柜的初始位置布局，形成设备结构布置图；
(8)对直流母线进行选型：
(8-1)计算设备中各个机柜在与直流母线相连接的节点处的直流电流Idx，
Figure BDA0002014823970000072
其中x对应不同的机柜；
(8-2)根据步骤(8-1)中计算的各个机柜在与直流母线相连接的节点处的直流电流Idx，当出现某个节点处的直流电流比其它节点的直流电流高出很多时，以设备的直流电流最小为原则，重新调整步骤(7)中的设备结构布置图；
(8-3)根据步骤(8-2)调整后的设备结构布置图，重新计算各个机柜在与直流母线相连接的节点处的直流电流，以各节点处的直流电流的最大值与裕度系数k8的乘积作为设备直流电流Idc，裕度系数k8的范围为1.2～1.5；
(8-4)根据步骤(4)确定的直流母线电压Vdc与步骤(8-3)计算的设备直流电流Idc，查表选择直流母线规格；
(9)对发电柜、推进柜、日用电源柜、制动柜、直流柜、斩波柜、控制柜内的散热风机进行选型，不同机柜内散热风机的选型方法相同，以发电柜为例，具体步骤为：
(9-1)将发电柜内每个散热器件的散热损耗相加，得到各个机柜的散热损耗Q；
(9-2)根据散热损耗Q、再根据空气的比热容Cp、空气密度ρ与空气的温升T，计算风机流量q,计算公式为：
Figure BDA0002014823970000081
(9-3)根据步骤(9-2)计算的风机流量q，并根据散热风机的风机流量q与风压△P的关系曲线图，选取散热风机的型号，当散热风机为两台时，对应的风机流量为：k9q，影响因数k9取值范围为80％-90％；
(10)对制动柜的制动功率模块以及制动电阻进行选型，具体步骤为：
(10-1)根据推进电机的转速波形和转矩波形可知，最大制动转矩为Tmax，最高转速为Nmax，计算峰值制动功率Pzd，
Figure BDA0002014823970000082
(10-2)计算制动电阻Rzd，
Figure BDA0002014823970000083
结合峰值制动功率Pzd，选择制动电阻的型号；
(10-3)计算制动电流Izd，
Figure BDA0002014823970000084
从而确定制动功率模块的额定电流，进而选择制动功率模块的型号；
(11)设计预充电路以激活所有的功率模块；所述预充电路包括发电柜内的励磁预充电路、直流柜内的交流配电板预充电路、直流柜内的直流预充电路以及斩波柜内的储能预充电路；
(11-1)所述发电柜内的励磁预充电路，具体步骤为：
(a)根据所选整流功率模块、逆变功率模块、斩波功率模块、制动功率模块的型号，可得各个功率模块的支撑电容，将所有功率模块的支撑电容相加，得到设备支撑电容为Cb；
(b)根据交流电压Vac，以及步骤(a)计算的设备支撑电容Cb，计算预充电阻Rpref，计算公式为：
Figure BDA0002014823970000091
其中，m为缩进系数，范围在50～100之间，t1为预充时间，根据工程经验在5～20s之间进行设定；
(11-2)所述直流柜内的交流配电板预充电路，从交流配电板分成两路，分别连接到左舷设备与右舷设备，具体步骤为：
根据交流电压Vac，以及步骤11-1(a)计算的设备支撑电容Cb，计算预充电阻Rpref，计算公式为：
Figure BDA0002014823970000092
其中，m为缩进系数，范围在50～100之间；t1为预充时间，根据工程经验在5～20s之间进行设定；
(11-3)所述直流柜内的直流预充电路，具体步骤为：
(a)计算左舷设备或者右舷设备所有功率模块的支撑电容之和，得到直流预充电路的支撑电容Cdb；
(b)计算预充电阻Rpred，计算公式为：
Figure BDA0002014823970000093
其中，m为缩进系数，范围在50～100之间；t2为预充时间，根据工程经验在5～20s之间进行设定。
(11-4)所述斩波柜内的储能预充电路，具体步骤为：
(a)根据(11-1)的步骤(a)得到的设备支撑电容Cb，计算储能预充电路的预充电阻Rpreb，计算公式为：
Figure BDA0002014823970000094
其中，m为缩进系数，范围在50～100之间；t3为预充时间，根据工程经验在5～20s之间进行设定。
作为一种优选的方案，所述裕度系数k1取1.1；所述裕度系数k2取1.1；所述过载系数k3取1.1；所述裕度系数k4取1.2；所述阻尼系数k6为0.1；所述纹波系数k7取20％；所述裕度系数k8取1.5；所述影响因数k9取90％；所述缩进系数m为50；所述预充时间t1、t2、t3都为20s。
本方法的有益效果是：本设计方法实现了更规范的设计流程，避免了不必要的重复设计，并使设备整体的性能指标、设备集成度、散热和重量都实现了最优化。
先后确定日用电源柜、推进柜与设备的负载功率，再根据发电柜与斩波柜的负载功率之和大于设备的负载功率，合理地确定了发电柜的功率，实现了各机柜负载功率的合理分配。
在设备结构布置中，根据结构更对称、走线更方便的原则，形成设备结构布置图，并通过计算设备直流电流，以设备的直流电流最小为原则，重新调整设备结构，实现了更高的设备集成度。
针对发电柜设计了励磁预充电路，针对直流柜设计了交流配电板预充与直流预充电路，针对斩波柜设计了储能预充电路，实现了机柜内所有功率模块的激活。
附图说明
图1为本发明的设备结构布置图；
图2为本发明的发电柜的结构原理图；
图3为本发明的斩波柜的结构原理图；
图4为本发明的直流柜的结构原理图；
图5为本发明的推进柜的结构原理图；
图6为本发明的制动柜的结构原理图；
图7为本发明的日用电源柜的结构原理图；
图8为本发明的控制柜的结构原理图；
图9为本发明的系统结构布置图；
图10为本发明的设备设计方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的具体实施方案。
如图1-8所示，一种船舶直流组网电力推进设备，包括在直流母线上进行并网的控制柜、发电柜、推进柜、制动柜、日用电源柜、直流柜以及斩波柜。
所述发电柜包括熔断器、整流功率模块、dvdt滤波器、主断路器、子控制器、加热器、散热风机、励磁预充电路，熔断器的输入端连接直流母线，熔断器的输出端连接整流功率模块的直流端，整流功率模块的交流端连接dvdt滤波器的输入端，dvdt滤波器的输出端通过主断路器连接发电柜外的发电机，子控制器的一端连接整流功率模块的控制信号接口，另一端通过以太网连接控制柜内的主控制器，散热风机与加热器连接控制柜内的控制电源；所述励磁预充电路包括控制断路器及全桥二极管整流模块，控制断路器的输入端连接发电机的励磁绕组，控制断路器的输出端连接全桥二极管整流模块的输入端，全桥二极管整流模块的输出端连接直流母线；
所述推进柜的熔断器的输入端连接直流母线，熔断器的输出端连接逆变功率模块的直流端，逆变功率模块的交流端连接dvdt滤波器的输入端，dvdt滤波器的输出端通过主断路器连接推进柜外的推进电机，子控制器的一端连接逆变功率模块的控制信号接口，另一端通过以太网连接控制柜内的主控制器，散热风机与加热器连接控制柜内的控制电源；
所述制动柜的熔断器的输入端连接直流母线，熔断器的输出端连接制动功率模块的直流端，制动功率模块的输出端连接制动电阻的输入端，制动电阻的输出端连接直流母线，子控制器的一端连接制动功率模块的控制信号接口，另一端通过以太网连接控制柜内的主控制器，散热风机与加热器连接控制柜内的控制电源；
所述日用电源柜的熔断器的输入端连接直流母线，熔断器的输出端连接逆变功率模块的直流端，逆变功率模块的交流端连接正弦滤波器的输入端，正弦滤波器的输出端通过主断路器连接日用电源柜外的日用变压器，子控制器的一端连接逆变功率模块的控制信号接口，另一端通过以太网连接控制柜内的主控制器，散热风机与加热器连接控制柜内的控制电源；
所述直流柜的直流断路器与熔断器串联在直流母线上，绝缘检测仪与直流电压表连接直流母线，子控制器通过以太网连接控制柜内的主控制器，散热风机与加热器连接控制柜内的控制电源；所述交流配电板预充电路包括控制断路器、预充电阻及全桥二极管整流模块，控制断路器的输入端连接直流柜外的交流配电板，控制断路器的输出端连接预充电阻的输入端，预充电阻的输出端连接全桥二极管整流模块的输入端，全桥二极管整流模块的输出端连接直流母线；所述直流预充电路包括控制断路器及预充电阻，控制断路器与预充电阻串联在直流母线上；
所述斩波柜的熔断器的输入端连接直流母线，熔断器的输出端连接斩波功率模块的高压直流端，斩波功率模块的低压直流端连接直流电抗器的输入端，直流电抗器的输出端通过主断路器连接斩波柜外储能装置的正极，储能装置的负极连接直流母线，子控制器的一端连接斩波功率模块的控制信号接口，另一端通过以太网连接控制柜内的主控制器，散热风机与加热器连接控制柜内的控制电源；所述储能预充电路包括控制断路器及预充电阻，控制断路器的输入端连接储能装置，控制断路器的输出端连接预充电阻的输入端，预充电阻的输出端连接直流母线。
如图9所示，一种船舶直流组网电力推进系统，包括并列设置的两组如上所述的船舶直流组网电力推进设备；两组电力推进设备互为冗余，且通过其中的直流柜相连。
如图10所示，一种船舶直流组网电力推进设备的设计方法，其步骤如下：
(1)根据船舶配电板电力负荷计算书给定的总负载功率Pp＝240kw，计算日用电源柜功率Pd，Pd＝k1Pp，裕度系数k1取1.1，计算得日用电源柜功率Pd＝264kw；再根据给定的螺旋桨的转速与功率的关系曲线、轴系的转动惯量以及动态特性要求，确定推进柜功率Pt＝2072kw。
(2)根据给定的斩波柜功率Pz＝300kw，并根据步骤(1)确定的日用电源柜功率Pd＝264kw和推进柜功率Pt＝2072kw，其中左舷设备与右舷设备各有一个推进柜，计算设备的负载功率Ps，Ps＝264+2072×2＝4408kw，根据Pf+Pz>Ps，采用4台1200kw的发电机组供电，即发电柜功率Pf为1200kw。
(3)日用电源柜外的日用变压器的功率因数为cosφ1＝0.8，推进柜外的推进电机的功率因数为cosφ2＝0.87，发电柜外的发电机的功率因数为cosφ3＝0.9，根据步骤(1)、(2)确定的日用电源柜功率Pd、推进柜功率Pt、发电柜功率Pf，再根据技术要求给定的日用变压器交流电压Vdac＝660V、推进电机交流电压Vtac＝660V以及发电机交流电压Vfac＝660V，计算日用电源柜交流额定电流Ida，
Figure BDA0002014823970000131
计算推进柜交流额定电流Ita，
Figure BDA0002014823970000132
计算发电柜交流额定电流Ifa，
Figure BDA0002014823970000133
根据技术要求给定的储能装置的电压Vzb＝450V及储能装置的功率Pzb＝300kw，计算斩波柜额定电流Izb，
Figure BDA0002014823970000134
(4)根据技术要求给定的日用变压器交流电压Vdac、推进电机交流电压Vtac以及发电机交流电压Vfac，以三个交流电压的最大值作为最大交流电压Vac，即Vac＝660V,计算最小直流电压Vdcmin，
Figure BDA0002014823970000135
在最小直流电压Vdcmin的基础上乘以裕度系数k2，裕度系数k2取1.125，计算得设备的直流母线电压Vdc＝1.125×933＝1050V。
(5)根据步骤(3)确定的日用电源柜、推进柜、发电柜与斩波柜的额定电流，并根据步骤(4)确定的直流母线电压，对发电柜的整流功率模块、推进柜的逆变功率模块、日用电源柜的逆变功率模块以及斩波柜的斩波功率模块进行初步选型。
(5-1)所述发电柜的整流功率模块的初步选型，具体步骤为：
(a)根据步骤(4)确定的直流母线电压Vdc＝1050V，选择直流电压等级为1100V的整流功率模块；
(b)根据步骤(3)确定的发电柜交流额定电流Ifa＝1166A，过载系数k3取1.1，计算整流功率模块的额定电流Ize，Ize＝1.1×1166＝1283A，由于单个LM6081-WC模块的额定电流为800A，所以选取2个LM6081-WC模块并联。
(5-2)所述推进柜的逆变功率模块的初步选型，具体步骤为：
(a)根据步骤(4)确定的直流母线电压Vdc＝1050V，选择直流电压等级为1100V的逆变功率模块；
(b)根据步骤(3)确定的推进柜交流额定电流Ita＝2083A，过载系数k3取1.1，计算逆变功率模块的额定电流Ite，Ite＝1.1×2083＝2291A，由于单个LM6081-WC模块的额定电流为800A，所以选取3个LM6081-WC模块并联。
(5-3)所述日用电源柜的逆变功率模块的初步选型，具体步骤为：
(a)根据步骤(4)确定的直流母线电压Vdc＝1050V，选择直流电压等级为1100V的逆变功率模块；
(b)根据步骤(3)确定的日用电源柜交流额定电流Ida＝289A，过载系数k3取1.1，计算日用电源柜的逆变功率模块的额定电流Ide，Ide＝1.1×289＝318A，由于单个LM6081-WC模块的额定电流为800A，所以选取1个LM6081-WC模块。
(5-4)所述斩波柜的斩波功率模块的初步选型，具体步骤为：
(a)根据步骤(4)确定的直流母线电压Vdc＝1050V，选择直流电压等级为1100V的斩波功率模块；
(b)根据步骤(3)确定的斩波柜额定电流Izb＝667A，过载系数k3取1.1，计算斩波功率模块的额定电流Ibe，Ibe＝1.1×667＝734A，选取1个LM6081-WC模块。
(6)对发电柜的dvdt滤波器、推进柜的dvdt滤波器、日用电源柜的正弦滤波器以及斩波柜的直流电抗器进行选型。
(6-1)所述发电柜的dvdt滤波器选型，具体步骤为：
(a)根据(5-1)选定的发电柜的LM6081-WC整流功率模块，可得发电柜的整流功率模块的最小导通时间T1＝1.5μs，关断延迟时间T2＝1.4μs，再根据电流采样周期T3＝3.6μs，计算设备保护时间△T，△T＝1.51+1.4+3.6＝6.5μs，保留1.5倍裕量，设备保护时间△T按10μs考虑；
(b)根据(5-1)选定的发电柜的LM6081-WC整流功率模块，可得发电柜的整流功率模块的最大允许关断电流Imax＝2800A，再根据步骤(5-1)选定的发电柜的功率模块的额定电流Ifa＝800A，计算功率模块的保护电流Ipro，
Figure BDA0002014823970000151
裕度系数k4取1.4，计算得保护电流Ipro＝1600A；
(c)计算dvdt滤波电感Lv，
Figure BDA0002014823970000152
(d)以阻尼为1.1的二阶设备为参考，其上升时间(10％～90％)为时间常数的0.7倍，推算设备的时间常数τ，dvdt为设备输出dvdt的限制值，根据经验，取1000V/μs，推算设备的时间常数τ，
Figure BDA0002014823970000153
(e)根据步骤(d)中推算出的时间常数τ，计算dvdt滤波电容Cv，
Figure BDA0002014823970000154
(6-2)所述推进柜的dvdt滤波器选型，具体步骤与(6-1)相同，选用和发电柜相同的dvdt滤波器。
(6-3)所述日用电源柜的正弦滤波器选型，具体步骤为：
(a)根据经验，选择容值为3×55.7μF的电容，型号为E62.S23-563M30，滤波电容采用两组并联，计算可得正弦滤波电容为Cz＝2×3×55.7＝334.2μF；
(b)根据经验选取截止频率为fz＝600Hz，计算正弦滤波电感Lz，
Figure BDA0002014823970000161
(c)根据步骤(a)得到的正弦滤波电容Cz和步骤(b)选取的截止频率fz，阻尼系数k6取0.1，计算正弦滤波电阻Rz，
Figure BDA0002014823970000162
(6-4)所述斩波柜的直流电抗器选型，具体步骤为：
(a)根据直流母线电压Vdc＝1050V，储能装置的电压范围为450～750V以及储能装置的额定功率Pzb＝300kw，开关频率三相等效值f取5000Hz，纹波系数k7取0.2，计算三相等效电感L3，
Figure BDA0002014823970000163
(b)根据步骤(a)计算的三相等效电感L3，计算单相电感L1，L1＝3×0.386＝1.158mH；
(c)计算直流电抗器额定电流Ide，
Figure BDA0002014823970000164
(7)根据步骤(5)选定的发电柜的整流功率模块、推进柜的逆变功率模块、日用电源柜的逆变功率模块、斩波柜的斩波功率模块的型号，以及步骤(6)选定的发电柜的dvdt滤波器、推进柜的dvdt滤波器、日用电源柜的正弦滤波器、斩波柜的直流电抗器的型号，确定发电柜、日用电源柜、推进柜与斩波柜的初步尺寸，根据结构更对称、走线更方便的原则，给出各个机柜的初始位置布局，形成设备结构布置图。
(8)对直流母线进行选型，具体步骤为：
(8-1)计算设备中各个机柜在与直流母线相连接的节点处的直流电流Idx，
Figure BDA0002014823970000171
其中x对应不同的机柜；
(8-2)根据步骤(8-1)中计算的各个机柜在与直流母线相连接的节点处的直流电流Idx，当出现某个节点处的直流电流比其它节点的直流电流高出很多时，以设备的直流电流最小为原则，重新调整步骤(7)中的设备结构布置图。
(8-3)根据步骤(8-2)调整后的设备结构布置图，重新计算各个机柜在与直流母线相连接的节点处的直流电流，各节点处的直流电流的最大值为1300A，作为优选，裕度系数k8取1.5，计算设备直流电流Idc，Idc＝1.5×1300＝1950A。
(8-4)根据步骤(4)确定的直流母线电压Vdc＝1050V与步骤(8-3)计算的设备直流电流Idc＝1950A，查表选择直流母线规格为2×60×10(mm)。
(9)对发电柜、推进柜、日用电源柜、制动柜、直流柜、斩波柜、控制柜内的散热风机进行选型，不同机柜内散热风机的选型方法相同，以发电柜为例，具体步骤为：
(9-1)将发电柜内每个散热器件的散热损耗相加，得到发电柜的散热损耗Q为4472.53w；
(9-2)根据散热损耗Q＝4472.53w、再根据空气的比热容Cp＝1.003×103J/kg·K、空气密度ρ＝1.2kg/m3与空气的温升T＝10K，计算风机流量q,
Figure BDA0002014823970000172
(9-3)根据步骤(9-2)计算的风机流量q，并根据散热风机的风机流量q与风压△P的关系曲线图，选取散热风机的型号为W2E250-HL06-01风机。
(10)对制动柜的制动功率模块以及制动电阻进行选型，具体步骤为：
(10-1)根据推进电机的转速波形和转矩波形可知，最大制动转矩为Tmax＝2000N·m，最高转速为Nmax＝1500rpm，计算峰值制动功率Pzd，
Figure BDA0002014823970000181
(10-2)计算制动电阻Rzd，
Figure BDA0002014823970000182
(10-3)计算制动电流Izd，
Figure BDA0002014823970000183
选择带制动功能的功率模块，型号为LM6081-WC。
(11)设计预充电路，以激活所有的功率模块；所述预充电路，包括发电柜内的励磁预充电路、直流柜内的交流配电板预充电路、直流柜内的直流预充电路以及斩波柜内的储能预充电路。
(11-1)所述发电柜内的励磁预充电路，具体步骤为：
(a)根据所选整流功率模块、逆变功率模块、斩波功率模块、制动功率模块的型号，可得各个功率模块的支撑电容，将所有功率模块的支撑电容相加，得到设备支撑电容为Cb＝100800μF；
(b)根据交流电压Vac＝660V，以及步骤(a)计算的设备支撑电容Cb，计算预充电阻Rpref，计算公式为：
Figure BDA0002014823970000184
其中，m为缩进系数，一般取经验值为50；t1为预充时间，根据工程经验设定为11s，计算得预充电阻Rpref＝46.675Ω。
(11-2)所述直流柜内的交流配电板预充电路，从交流配电板分成两路，分别连接到左舷设备与右舷设备，具体步骤为：
(a)根据交流电压Vac＝660V，以及步骤11-1(a)计算的设备支撑电容Cb，计算预充电阻Rprej，计算公式为：
Figure BDA0002014823970000185
其中，m为缩进系数，一般取经验值为50；t1为预充时间，根据工程经验设定为11s，计算得预充电阻Rprej＝46.675Ω。
(11-3)所述直流柜内的直流预充电路，具体步骤为：
(a)计算左舷设备或者右舷设备所有功率模块的支撑电容之和，得到直流预充电路的支撑电容Cdb＝50400μF；
(b)计算预充电阻Rpred，计算公式为：
Figure BDA0002014823970000191
其中，m为缩进系数，一般取经验值为50；t2为预充时间，根据工程经验设定为10s，计算得预充电阻Rpred＝65Ω。
(11-4)所述斩波柜内的储能预充电路，具体步骤为：
(a)根据(11-1)的步骤(a)得到的设备支撑电容Cb，计算储能预充电路的预充电阻Rpreb，计算公式为：
Figure BDA0002014823970000192
其中，m为缩进系数，一般取经验值为50；t3为预充时间，根据工程经验设定为10s，计算得预充电阻Rpreb＝32Ω。
上述的实施例仅例示性说明本发明创造的原理及其功效，以及部分运用的实施例，而非用于限制本发明；应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种船舶直流组网电力推进设备，其特征在于：包括在直流母线上进行并网的控制柜、发电柜、推进柜、制动柜、日用电源柜、直流柜以及斩波柜；
所述发电柜包括熔断器、整流功率模块、dvdt滤波器、主断路器、子控制器、加热器、散热风机、励磁预充电路，熔断器的输入端连接直流母线，熔断器的输出端连接整流功率模块的直流端，整流功率模块的交流端连接dvdt滤波器的输入端，dvdt滤波器的输出端通过主断路器连接发电柜外的发电机，子控制器的一端连接整流功率模块的控制信号接口，另一端通过以太网连接控制柜内的主控制器，散热风机与加热器连接控制柜内的控制电源；所述励磁预充电路包括控制断路器及全桥二极管整流模块，控制断路器的输入端连接发电机的励磁绕组，控制断路器的输出端连接全桥二极管整流模块的输入端，全桥二极管整流模块的输出端连接直流母线；
所述推进柜的熔断器的输入端连接直流母线，熔断器的输出端连接逆变功率模块的直流端，逆变功率模块的交流端连接dvdt滤波器的输入端，dvdt滤波器的输出端通过主断路器连接推进柜外的推进电机，子控制器的一端连接逆变功率模块的控制信号接口，另一端通过以太网连接控制柜内的主控制器，散热风机与加热器连接控制柜内的控制电源；
所述制动柜的熔断器的输入端连接直流母线，熔断器的输出端连接制动功率模块的直流端，制动功率模块的输出端连接制动电阻的输入端，制动电阻的输出端连接直流母线，子控制器的一端连接制动功率模块的控制信号接口，另一端通过以太网连接控制柜内的主控制器，散热风机与加热器连接控制柜内的控制电源；
所述日用电源柜的熔断器的输入端连接直流母线，熔断器的输出端连接逆变功率模块的直流端，逆变功率模块的交流端连接正弦滤波器的输入端，正弦滤波器的输出端通过主断路器连接日用电源柜外的日用变压器，子控制器的一端连接逆变功率模块的控制信号接口，另一端通过以太网连接控制柜内的主控制器，散热风机与加热器连接控制柜内的控制电源；
所述直流柜的直流断路器与熔断器串联在直流母线上，绝缘检测仪与直流电压表连接直流母线，子控制器通过以太网连接控制柜内的主控制器，散热风机与加热器连接控制柜内的控制电源；所述交流配电板预充电路包括控制断路器、预充电阻及全桥二极管整流模块，控制断路器的输入端连接直流柜外的交流配电板，控制断路器的输出端连接预充电阻的输入端，预充电阻的输出端连接全桥二极管整流模块的输入端，全桥二极管整流模块的输出端连接直流母线；所述直流预充电路包括控制断路器及预充电阻，控制断路器与预充电阻串联在直流母线上；
所述斩波柜的熔断器的输入端连接直流母线，熔断器的输出端连接斩波功率模块的高压直流端，斩波功率模块的低压直流端连接直流电抗器的输入端，直流电抗器的输出端通过主断路器连接斩波柜外储能装置的正极，储能装置的负极连接直流母线，子控制器的一端连接斩波功率模块的控制信号接口，另一端通过以太网连接控制柜内的主控制器，散热风机与加热器连接控制柜内的控制电源；所述储能预充电路包括控制断路器及预充电阻，控制断路器的输入端连接储能装置，控制断路器的输出端连接预充电阻的输入端，预充电阻的输出端连接直流母线。
2.一种船舶直流组网电力推进系统，其特征在于：包括并列设置的两组如权利要求1所述的船舶直流组网电力推进设备；两组电力推进设备互为冗余，且通过其中的直流柜相连。
3.一种如权利要求1所述的船舶直流组网电力推进设备的设计方法，其步骤如下：
(1)根据船舶配电板电力负荷计算书给定的总负载功率Pp，计算日用电源柜功率Pd，Pd＝k1Pp，裕度系数k1的范围为1～1.2，再根据给定的螺旋桨的转速与功率的关系曲线、轴系的转动惯量以及动态特性要求，确定推进柜功率Pt；
(2)根据给定的斩波柜功率Pz，并根据步骤(1)确定的日用电源柜功率Pd和推进柜功率Pt，计算设备的负载功率Ps，Ps＝Pd+Pt，从而确定发电柜功率Pf，Pf+Pz>Ps；
(3)计算日用电源柜交流额定电流
Figure FDA0002295912510000031
计算推进柜交流额定电流
Figure FDA0002295912510000032
计算发电柜交流额定电流
Figure FDA0002295912510000033
根据技术要求给定的储能装置的电压Vzb及储能装置的功率Pzb，计算斩波柜额定电流
Figure FDA0002295912510000034
其中日用电源柜外的日用变压器的功率因数为cosφ1，推进柜外的推进电机的功率因数为cosφ2，发电柜外的发电机的功率因数为cosφ3，技术要求给定的日用变压器交流电压为Vdac、推进电机交流电压为Vtac以及发电机交流电压为Vfac；
(4)根据技术要求给定的日用变压器交流电压Vdac、推进电机交流电压Vtac以及发电机交流电压Vfac，以三个交流电压的最大值作为最大交流电压Vac，计算最小直流电压Vdcmin，
Figure FDA0002295912510000035
得到设备的直流母线电压Vdc，
Figure FDA0002295912510000036
裕度系数k2取值范围为1-1.2；
(5)根据步骤(4)确定的直流母线电压Vdc，选择发电柜整流功率模块、推进柜及日用电源柜的逆变功率模块、斩波柜的斩波功率模块的电压等级；
根据步骤(3)确定的发电柜交流额定电流Ifa，计算发电柜的整流功率模块的额定电流Ize＝Ifa×k3，从而确定整流功率模块的型号，其中k3为过载系数，取值范围为1-1.2；
根据步骤(3)确定的推进柜交流额定电流Ita，计算推进柜的逆变功率模块的额定电流Ite＝Ita×k3，从而确定逆变功率模块的型号，其中k3为过载系数；取值范围为1-1.2；
根据步骤(3)确定的日用电源柜交流额定电流Ida，计算日用电源柜的逆变功率模块的额定电流Ide，Ide＝Ida×k3，从而确定日用电源柜逆变功率模块的型号，其中k3为过载系数；取值范围为1-1.2；
根据步骤(3)确定的斩波柜额定电流Izb，计算斩波功率模块的额定电流Ibe，Ibe＝Izb×k3，从而确定斩波柜的斩波功率模块的型号，其中k3为过载系数；取值范围为1-1.2；
(6)对发电柜的dvdt滤波器、推进柜的dvdt滤波器、日用电源柜的正弦滤波器以及斩波柜的直流电抗器进行选型；
(6-1)所述发电柜及推进柜的dvdt滤波器选型：
(a)根据选定的发电柜的整流功率模块，可得发电柜的整流功率模块的最小导通时间T1，关断延迟时间T2，再根据电流采样周期T3，计算设备保护时间△T，△T＝T1+T2+T3；
(b)根据选定的发电柜或推进柜的整流功率模块，可得发电柜或推进柜的整流功率模块的最大允许关断电流Imax，再根据计算得出的发电柜或推进柜交流额定电流Ifa，计算设备保护电流Ipro，
Figure FDA0002295912510000041
裕度系数k4的范围为1.1～1.5；
(c)计算dvdt滤波电感Lv，计算公式为：
Figure FDA0002295912510000042
(d)以一个n阶设备为参考，其上升时间(10％～90％)为时间常数的k5倍，推算设备的时间常数τ，推算公式为：
Figure FDA0002295912510000051
其中，dvdt为设备输出dvdt滤波器的限制值，dvdt≤1000V/μs；
(e)根据步骤(d)中推算出的时间常数τ，计算dvdt滤波电容Cv，计算公式为：
Figure FDA0002295912510000052
(6-2)所述日用电源柜的正弦滤波器选型：
(a)根据经验选取滤波电容型号，可得正弦滤波电容为Cz；
(b)根据经验选取截止频率为fz，计算正弦滤波电感Lz，计算公式为：
Figure FDA0002295912510000053
(c)根据步骤(a)得到的正弦滤波电容Cz和步骤(b)选取的截止频率fz，计算正弦滤波电阻Rz，计算公式为：
Figure FDA0002295912510000054
其中，k6为阻尼系数，范围为0.1～0.2；
(6-3)所述斩波柜的直流电抗器选型：
(a)根据直流母线电压Vdc，储能装置的电压范围u1～u2以及储能装置的额定功率Pzb，计算三相等效电感L3，计算公式为：
Figure FDA0002295912510000055
其中，f为开关频率三相等效值，根据经验取值；k7为纹波系数，范围为10％～25％，
(b)根据步骤(a)计算的三相等效电感L3，计算单相电感L1，L1＝3×L3；
(c)计算直流电抗器额定电流Ide，计算公式为：
Figure FDA0002295912510000056
(7)根据步骤(5)选定的发电柜的整流功率模块、推进柜的逆变功率模块、日用电源柜的逆变功率模块、斩波柜的斩波功率模块的型号，以及步骤(6)选定的发电柜的dvdt滤波器、推进柜的dvdt滤波器、日用电源柜的正弦滤波器、斩波柜的直流电抗器的型号，确定发电柜、日用电源柜、推进柜与斩波柜的初步尺寸，根据结构更对称、走线更方便的原则，给出各个机柜的初始位置布局，形成设备结构布置图；
(8)对直流母线进行选型：
(8-1)计算设备中各个机柜在与直流母线相连接的节点处的直流电流Idx，
Figure FDA0002295912510000061
其中x对应不同的机柜；
(8-2)根据步骤(8-1)中计算的各个机柜在与直流母线相连接的节点处的直流电流Idx，当出现某个节点处的直流电流比其它节点的直流电流高出很多时，以设备的直流电流最小为原则，重新调整步骤(7)中的设备结构布置图；
(8-3)根据步骤(8-2)调整后的设备结构布置图，重新计算各个机柜在与直流母线相连接的节点处的直流电流，以各节点处的直流电流的最大值与裕度系数k8的乘积作为设备直流电流Idc，裕度系数k8的范围为1.2～1.5；
(8-4)根据步骤(4)确定的直流母线电压Vdc与步骤(8-3)计算的设备直流电流Idc，查表选择直流母线规格；
(9)对发电柜、推进柜、日用电源柜、制动柜、直流柜、斩波柜、控制柜内的散热风机进行选型，不同机柜内散热风机的选型方法相同，以发电柜为例，具体步骤为：
(9-1)将发电柜内每个散热器件的散热损耗相加，得到各个机柜的散热损耗Q；
(9-2)根据散热损耗Q、再根据空气的比热容Cp、空气密度ρ与空气的温升T，计算风机流量q,计算公式为：
Figure FDA0002295912510000071
(9-3)根据步骤(9-2)计算的风机流量q，并根据散热风机的风机流量q与风压ΔP的关系曲线图，选取散热风机的型号，当散热风机为两台时，对应的风机流量为：k9q，影响因数k9取值范围为80％-90％；
(10)对制动柜的制动功率模块以及制动电阻进行选型，具体步骤为：
(10-1)根据推进电机的转速波形和转矩波形可知，最大制动转矩为Tmax，最高转速为Nmax，计算峰值制动功率Pzd，
Figure FDA0002295912510000072
(10-2)计算制动电阻Rzd，
Figure FDA0002295912510000073
结合峰值制动功率Pzd，选择制动电阻的型号；
(10-3)计算制动电流Izd，
Figure FDA0002295912510000074
从而确定制动功率模块的额定电流，进而选择制动功率模块的型号；
(11)设计预充电路以激活所有的功率模块；所述预充电路包括发电柜内的励磁预充电路、直流柜内的交流配电板预充电路、直流柜内的直流预充电路以及斩波柜内的储能预充电路；
(11-1)所述发电柜内的励磁预充电路，具体步骤为：
(a)根据所选整流功率模块、逆变功率模块、斩波功率模块、制动功率模块的型号，可得各个功率模块的支撑电容，将所有功率模块的支撑电容相加，得到设备支撑电容为Cb；
(b)根据交流电压Vac，以及步骤(a)计算的设备支撑电容Cb，计算预充电阻Rpref，计算公式为：
Figure FDA0002295912510000075
其中，m为缩进系数，范围在50～100之间，t1为预充时间，根据工程经验在5～20s之间进行设定；
(11-2)所述直流柜内的交流配电板预充电路，从交流配电板分成两路，分别连接到左舷设备与右舷设备，具体步骤为：
根据交流电压Vac，以及步骤11-1(a)计算的设备支撑电容Cb，计算预充电阻Rpref，计算公式为：
Figure FDA0002295912510000081
其中，m为缩进系数，范围在50～100之间；t1为预充时间，根据工程经验在5～20s之间进行设定；
(11-3)所述直流柜内的直流预充电路，具体步骤为：
(a)计算左舷设备或者右舷设备所有功率模块的支撑电容之和，得到直流预充电路的支撑电容Cdb；
(b)计算预充电阻Rpred，计算公式为：
Figure FDA0002295912510000082
其中，m为缩进系数，范围在50～100之间；t2为预充时间，根据工程经验在5～20s之间进行设定；
(11-4)所述斩波柜内的储能预充电路，具体步骤为：
(a)根据(11-1)的步骤(a)得到的设备支撑电容Cb，计算储能预充电路的预充电阻Rpreb，计算公式为：
Figure FDA0002295912510000083
其中，m为缩进系数，范围在50～100之间；t3为预充时间，根据工程经验在5～20s之间进行设定。
4.如权利要求3所述的船舶直流组网电力推进设备的设计方法，其特征在于：所述裕度系数k1取1.1；所述裕度系数k2取1.1；所述过载系数k3取1.1；所述裕度系数k4取1.2；所述阻尼系数k6为0.1；所述纹波系数k7取20％；所述裕度系数k8取1.5；所述影响因数k9取90％；所述缩进系数m为50；所述预充时间t1、t2、t3都为20s。
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