CN110233520B - 船舶直流组网的预充源电路及其系统以及两者的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于船舶电力系统的预充并且冗余性与安全性更高的船舶直流组网的预充源电路，包含应急配电板预充源电路，发电机励磁绕组预充源电路及主控制模块；发电机励磁绕组预充源电路的个数与船舶发电模块中的异步发电机个数相同。本发明还公开了一种基于该预充源电路的船舶直流组网的预充源系统以及两者的控制方法。

Description

船舶直流组网的预充源电路及其系统以及两者的控制方法

技术领域

本发明涉及一种船舶直流组网的预充源电路结构及预充方法，具体来说涉及一种船舶直流组网的预充源电路及其系统以及两者的控制方法。

背景技术

在船舶直流组网系统的电路结构中，直流母线工作之前，需要对直流母线上负载中的电气元器件进行预充。如果不进行预充，直流从外部电源整流形成直流电压，瞬间的冲压电流会导致直流母线中的容性设备的损坏，进而导致船舶无法启动从而影响安全性，所以预充这一过程对于船舶直流组网系统的安全性尤为重要。

对现有文献进行检索以及研究后发现，中国专利申请号为201510529599.2的专利公开了“一种低压变频器的预充电电路及预充电方法”，该方法在主电路上并联出一条预充电路。当电力系统启动时，主电路断开，预充电路开关闭合。通过预充电路上的串联电阻对电源电压进行分压，完成对电路中的器件预充；因为在船舶直流组网电力系统中，发电机组启动之前就要完成对直流母线上负载中的电气元器件进行预充，所以需要其他电源作为预充源，故该方法并不适用于船舶直流组网电力系统的电路预充。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种适用于船舶电力系统的预充并且冗余性与安全性更高的船舶直流组网的预充源电路。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为： 一种船舶直流组网的预充源电路，包含应急配电板预充源电路，发电机励磁绕组预充源电路及主控制模块；发电机励磁绕组预充源电路的个数与船舶发电模块中的异步发电机个数相同；

应急配电板预充源电路包括通过带断路器的电缆分别与应急柴油发电机和岸电接口相连接的应急配电板，应急配电板的输出端与交流低压断路器的输入端相连接，交流低压断路器的输出端与交流电压传感器连接，交流电压传感器用于读取应急柴油发电机产生的交流电压，交流低压断路器的输出端同时与交流低压接触器的输入端相连；交流低压接触器输出端接有预充电阻，预充电阻的输出端与380/690V变压器的输入端相接，380/690V变压器的输出端与全桥二极管整流模块的输入端连接, 全桥二极管整流模块的正负输出端与阻止整流后的高幅脉动电压的保护电路并联，随后与直流断路器组串联，然后直流断路器组的输出端的正负两相与接有发电模块和负载的直流母线的正负两相相接；

所述发电机励磁绕组预充源电路包括与船舶的异步发电机组轴相连的永磁同步发电机，永磁同步发电机的三相输出端与熔断器串联，熔断器的输出端与交流高压接触器相接，交流高压接触器的输出端与全桥二极管整流模块的输入端相连接，全桥二极管整流模块的正负输出端与保护电路并联，随后与直流断路器组串联，最后直流断路器组的输出端的正负两相与直流母线的正负两相相接；

主控制模块通过总线与交流电压传感器相连接用于接收交流电压传感器的数值，并控制各个电器元件的导通与断开以及对预充时间进行计时。

作为一种优选的方案，所述保护电路中包括支撑电容与放电电阻并联而成的放电回路。

本发明另一个所要解决的技术问题是：提供一种如上所述的预充源电路的预充控制方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：如上所述的船舶直流组网的预充源电路的控制方法，其中所述主控制模块设置应急配电板预充源电路的目标电压值V_AC1、直流母线上负载中的电气元器件预充的目标电压值上限Vmax和目标电压值下限Vmin；

当在船舶进行冷启动时或者船舶电力系统突然失电需要重新运行时，应急配电板预充源电路与发电机励磁绕组预充源电路同时工作：

首先，在所述应急配电板预充源电路中，应急发电组启动产生交流电，其电压标记为V'_AC1，闭合所述交流低压断路器，当所述交流电压传感器检测到V'_AC1≥V_AC1时，主控制模块控制交流低压接触器闭合；交流电压V'_AC1通过所述380/690V变压器和全桥二极管整流模块后整流为直流电压V_DC1；与此同时，在所述发电机励磁绕组预充源电路中，所述异步发电机组运行带动所述同步发电机工作，产生交流电压V'_AC2；所述交流高压接触器闭合，V'_AC2通过全桥二极管整流模块，将交流电压V'_AC2整流为直流电压V_DC2；

当所述应急配电板预充源电路中的电压满足Vmin≤V_DC1≤Vmax且V_DC1>V_DC2时，所述主控制模块中的预充计时器开始计时；与此同时发电机励磁绕组预充源电路中全桥二极管整流模块由于二极管反向截止特性不再进行导通，所述主控制模块控制发电机励磁绕组预充源电路中的交流高压接触器关断；预充t秒后，船舶电力系统开始运行，所述发电模块开始供电，直流母线电压达到正常工作电压；应急配电板预充源电路中的全桥二极管整流模块由于二极管截止特性也不再进行导通，所述主控制模块关断所述应急配电板预充源电路中的交流低压接触器；

当所述发电机励磁绕组预充源电路中的电压满足Vmin≤V_DC2≤Vmax且V_DC2>V_DC1时，所述主控制模块中的预充计时器开始计时；所述应急配电板预充源电路中全桥二极管整流模块由于二极管反向截止特性不再进行导通；预充t秒后，船舶电力系统开始运行，发电模块开始供电，直流母线电压达到额定值，发电机励磁绕组预充源电路中全桥二极管整流模块由于二极管截止特性也不再进行导通，所述主控制模块关断所述发电机励磁绕组预充源电路中的交流高压接触器；

当船舶电力系统与岸电相连接启动时：

在所述应急配电板预充源电路中，主控制模块控制闭合所述交流低压断路器，所述交流低压接触器闭合；交流电压V_AC1通过所述380/690V变压器和全桥二极管整流模块后整流为直流电压V_DC1；

当所述应急配电板预充源电路中的电压满足Vmin≤V_DC1≤Vmax，此时所述主控制模块的预充计时器开始计时，预充t秒后，船舶电力系统开始运行，所述主控制模块关断所述应急配电板预充源电路中的交流低压接触器和所述发电机励磁绕组预充源电路中的交流高压接触器；

当V_DC1=0 或经过t秒后V_DC1<Vmin时，判断为应急配电板预充失败，此时主控制模块将控制进行发电机励磁绕组预充；在所述发电机励磁绕组预充源电路中，交流电压V'_AC2通过所述交流高压接触器及全桥二极管整流模块后整流为直流电压V_DC2；当Vmin≤V_DC2≤Vmax，预充计时器开始计时，等待t秒后完成对直流母线的预充，电力系统开始运行，关断所述发电机励磁绕组预充源电路中的交流高压接触器。

本发明另一个所要解决的技术问题是：提供一种基于上述船舶直流组网的预充源电路的船舶直流组网的预充源系统。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种船舶直流组网的预充源系统，包括两个分别与船舶的左右两舷接有发电模块和负载的直流母线相连接的如上所述的船舶直流组网的预充源电路且两个船舶直流组网的预充源电路共用应急柴油发电机和岸电接口，还包括直流预充电路，直流预充电路包括并联在左、右舷负载间的正、负相每根直流母线上的直流预充电阻、直流预充断路器、以及设置在直流母线被串联的直流预充电阻和直流预充断路器并联段上的总断路器，正、负相直流母线间设有通过总线与主控制模块相连接的直流电压传感器。

本发明所要解决的技术问题是：提供一种上述预充源电路系统的控制方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：如上所述的预充源电路系统的控制方法，当船舶运行中遭遇突发情况，导致船舶失电需要重新预充，重新预充后船舶中的左舷直流母线或者右舷直流母线上负载中的电气元器件预充不成功，而另一舷已经开始正常工作时，为了使失电一侧船舷母线连接的负载工作，则进行直流预充；V_DC左为左舷直流电压传感器检测的直流电压值，V_DC右为右舷直流电压传感器检测的直流电压值，V_差为左右舷直流电压之差；步骤如下：

(a)在直流预充前，断开主断路器，闭合直流预充断路器；通过串联的直流预充电阻对有电侧的高压分压，完成对失电一舷的直流母线进行预充；

(b)当左右两舷电压差满足|V_DC左-V_DC右|≤V_差时，闭合直流母线主断路器，所述直流预充电路中的直流预充断路器断开，完成直流预充。

本发明的有益效果是：对于船舶直流组网这一类大电压的直流电力系统，在电力系统启动时需要对直流母线上负载中的电气元器件进行预充以防止高电压对直流母线中的负载和器件造成破坏；特别地，本发明对于其他单一的预充源有两类预充源，并且两类预充源可以交替使用，具有很高的安全性以及冗余度；当某条预充源电路出现故障时，另一条预充源电路对直流母线上负载中的电气元器件进行预充，可以有效的避免无法预充导致船舶不能正常运行的问题。

附图说明

图1预充源电路结构图

图2预充源系统结构图

图3冷启动时预充动作流程图

图4接岸电启动时预充动作流程图。

图1-2中：应急柴油发电机1，岸电接口2，应急配电板3，交流低压断路器4，交流电压传感器5，交流低压接触器6，预充电阻7, 380/690V变压器8，全桥二极管整流模块9，支撑电容10，放电电阻11，保护电路12，直流断路器组13，直流预充断路器14，直流预充电阻15，总断路器16，直流母线17，直流电压传感器18，保护电路19，放电电阻20，支撑电容21，直流断路器组22，全桥二极管整流模块23，交流高压接触器24，熔断器25，同步发电机26。

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所示，一种船舶直流组网的预充源电路，包含应急配电板预充源电路，发电机励磁绕组预充源电路及主控制模块；发电机励磁绕组预充源电路的个数与船舶发电模块中的异步发电机个数相同；

应急配电板预充源电路包括通过带断路器的电缆分别与应急柴油发电机1和岸电接口2相连接的应急配电板3，应急配电板3的输出端与交流低压断路器4的输入端相连接，交流低压断路器4的输出端与用于读取应急柴油发电机1产生的交流电压的交流电压传感器5连接，交流低压断路器4的输出端同时与交流低压接触器6的输入端相连；交流低压接触器6输出端接有预充电阻7，预充电阻7的输出端与380/690V变压器8的输入端相接，380/690V变压器8的输出端与全桥二极管整流模块9的输入端连接, 全桥二极管整流模块9的正负输出端与阻止整流后的高幅脉动电压的保护电路12并联，随后与直流断路器组13串联，然后直流断路器组的输出端的正负两相与接有发电模块和负载的直流母线17的正负两相相接；

所述保护电路12中包括支撑电容10与放电电阻11并联而成的放电回路，如果某时刻电路失电，此时放电电阻11将消耗支撑电容10的电能，保护电路中其他电子器件。

所述发电机励磁绕组预充源电路包括与船舶的异步发电机组轴相连的永磁同步发电机26，当异步发电机开始运行，所述永磁同步电机也随之开始工作。永磁同步发电机26的三相输出端与熔断器25串联，熔断器25的输出端与交流高压接触器24相接，交流高压接触器24的输出端与全桥二极管整流模块23的输入端相连接，全桥二极管整流模块23的正负输出端与保护电路19并联，保护电路19中包括支撑电容21与放电电阻20并联而成的放电回路；随后与直流断路器组22串联，最后直流断路器组的输出端的正负两相与直流母线17的正负两相相接；

主控制模块通过总线与各个电压传感器相连接用于接收各个电压传感器的数值，并控制各个电器元件的导通与断开以及对预充时间进行计时。

如图3、4所示，如上所述的船舶直流组网的预充源电路的控制方法，其中所述主控制模块设置应急配电板预充源电路的目标电压值V_AC1为360V、直流母线17上负载中的电气元器件预充的目标电压值上限Vmax为960V和目标电压值下限Vmin为950V；

当在船舶进行冷启动时或者船舶电力系统突然失电需要重新运行时，应急配电板预充源电路与发电机励磁绕组预充源电路同时工作：

首先，在所述应急配电板预充源电路中，应急发电组启动产生交流电，其电压标记为V'_AC1，闭合所述交流低压断路器4，当所述交流电压传感器5检测到V'_AC1≥V_AC1时，主控制模块控制交流低压接触器6闭合；交流电压V'_AC1通过所述380/690V变压器8和全桥二极管整流模块9后整流为直流电压V_DC1；与此同时，在所述发电机励磁绕组预充源电路中，所述异步发电机组运行带动所述同步发电机26工作，产生交流电压V'_AC2；所述交流高压接触器24闭合，V'_AC2通过全桥二极管整流模块23，将交流电压V'_AC2整流为直流电压V_DC2；

当所述应急配电板预充源电路中的电压满足Vmin≤V_DC1≤Vmax且V_DC1>V_DC2时，所述主控制模块中的预充计时器开始计时；与此同时发电机励磁绕组预充源电路中全桥二极管整流模块23由于二极管反向截止特性不再进行导通，所述主控制模块控制发电机励磁绕组预充源电路中的交流高压接触器24关断；预充5秒后，船舶电力系统开始运行，所述发电模块开始供电，直流母线17电压达到正常工作电压；应急配电板预充源电路中的全桥二极管整流模块9由于二极管截止特性也不再进行导通，所述主控制模块关断所述应急配电板预充源电路中的交流低压接触器6；

当所述发电机励磁绕组预充源电路中的电压满足Vmin≤V_DC2≤Vmax且V_DC2>V_DC1时，所述主控制模块中的预充计时器开始计时；所述应急配电板预充源电路中全桥二极管整流模块9由于二极管反向截止特性不再进行导通；预充5秒后，船舶电力系统开始运行，发电模块开始供电，直流母线17电压达到额定值，发电机励磁绕组预充源电路中全桥二极管整流模块23由于二极管截止特性也不再进行导通，所述主控制模块关断所述发电机励磁绕组预充源电路中的交流高压接触器24；

当船舶电力系统与岸电相连接启动时：

在所述应急配电板预充源电路中，主控制模块控制闭合所述交流低压断路器4，所述交流低压接触器6闭合；交流电压V_AC1通过所述380/690V变压器8和全桥二极管整流模块9后整流为直流电压V_DC1；

当所述应急配电板预充源电路中的电压满足Vmin≤V_DC1≤Vmax，此时所述主控制模块的预充计时器开始计时，预充5秒后，船舶电力系统开始运行，所述主控制模块关断所述应急配电板预充源电路中的交流低压接触器6和所述发电机励磁绕组预充源电路中的交流高压接触器24；

当V_DC1=0 或经过5秒后V_DC1<Vmin时，判断为应急配电板3预充失败，此时主控制模块将控制进行发电机励磁绕组预充；在所述发电机励磁绕组预充源电路中，交流电压V'_AC2通过所述交流高压接触器24及全桥二极管整流模块23后整流为直流电压V_DC2；当Vmin≤V_DC2≤Vmax，预充计时器开始计时，等待5秒后完成对直流母线17的预充，电力系统开始运行，关断所述发电机励磁绕组预充源电路中的交流高压接触器24。

如图2所示，一种船舶直流组网的预充源系统，包括两个分别与船舶的左右两舷接有发电模块和负载的直流母线17相连接的如上所述的船舶直流组网的预充源电路且两个船舶直流组网的预充源电路共用应急柴油发电机1和岸电接口2，还包括直流预充电路，直流预充电路包括并联在左、右舷负载间的正、负相每根直流母线17上的直流预充电阻15、直流预充断路器14、以及设置在直流母线17被串联的直流预充电阻和直流预充断路器并联段上的总断路器16，正、负相直流母线17间设有直流电压传感器18。

上述船舶直流组网的预充源系统的控制方法，当船舶运行中遭遇突发情况，导致船舶失电需要重新预充，重新预充后船舶中的左舷直流母线或者右舷直流母线上负载中的电气元器件预充不成功，而另一舷已经开始正常工作时，为了使失电一侧船舷母线连接的负载工作，则进行直流预充；V_DC左为左舷直流电压传感器检测的直流电压值，V_DC右为右舷直流电压传感器检测的直流电压值，V_差为左右舷直流电压之差；步骤如下：

(a)在直流预充前，断开主断路器，闭合直流预充断路器；通过串联的直流预充电阻对有电侧的高压分压，完成对失电一舷的直流母线进行预充；

(b)当左右两舷电压差满足|V_DC左-V_DC右|≤V_差时，闭合直流母线主断路器，所述直流预充电路中的直流预充断路器断开，完成直流预充。

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 (5)

1.一种船舶直流组网的预充源电路，其特征在于：包含应急配电板预充源电路，发电机励磁绕组预充源电路及主控制模块；发电机励磁绕组预充源电路的个数与船舶发电模块中的异步发电机个数相同；

应急配电板预充源电路包括通过带断路器的电缆分别与应急柴油发电机和岸电接口相连接的应急配电板，应急配电板的输出端与交流低压断路器的输入端相连接，交流低压断路器的输出端与交流电压传感器连接，交流电压传感器用于读取应急柴油发电机产生的交流电压，交流低压断路器的输出端同时与交流低压接触器的输入端相连；交流低压接触器输出端接有预充电阻，预充电阻的输出端与380/690V变压器的输入端相接，380/690V变压器的输出端与全桥二极管整流模块的输入端连接, 全桥二极管整流模块的正负输出端与阻止整流后的高幅脉动电压的保护电路并联，随后与直流断路器组串联，然后直流断路器组的输出端的正负两相与接有发电模块和负载的直流母线的正负两相相接；

所述发电机励磁绕组预充源电路包括与船舶的异步发电机组轴相连的永磁同步发电机，永磁同步发电机的三相输出端与熔断器串联，熔断器的输出端与交流高压接触器相接，交流高压接触器的输出端与全桥二极管整流模块的输入端相连接，全桥二极管整流模块的正负输出端与保护电路并联，随后与直流断路器组串联，最后直流断路器组的输出端的正负两相与直流母线的正负两相相接；

主控制模块通过总线与交流电压传感器相连接用于接收交流电压传感器的数值，并控制各个电器元件的导通与断开以及对预充时间进行计时。

2.如权利要求1所述的一种船舶直流组网的预充源电路，其特征在于：所述保护电路中包括支撑电容与放电电阻并联而成的放电回路。

3.如权利要求1或2所述的船舶直流组网的预充源电路的控制方法，其中所述主控制模块设置应急配电板预充源电路的目标电压值V_AC1、直流母线上负载中的电气元器件预充的目标电压值上限Vmax和目标电压值下限Vmin；

当在船舶进行冷启动时或者船舶电力系统突然失电需要重新运行时，应急配电板预充源电路与发电机励磁绕组预充源电路同时工作：

首先，在所述应急配电板预充源电路中，应急发电组启动产生交流电，其电压标记为V'_AC1，闭合所述交流低压断路器，当所述交流电压传感器检测到V'_AC1≥V_AC1时，主控制模块控制交流低压接触器闭合；交流电压V'_AC1通过所述380/690V变压器和全桥二极管整流模块后整流为直流电压V_DC1；与此同时，在所述发电机励磁绕组预充源电路中，所述异步发电机组运行带动所述同步发电机工作，产生交流电压V'_AC2；所述交流高压接触器闭合，V'_AC2通过全桥二极管整流模块，将交流电压V'_AC2整流为直流电压V_DC2；

当所述应急配电板预充源电路中的电压满足Vmin≤V_DC1≤Vmax且V_DC1>V_DC2时，所述主控制模块中的预充计时器开始计时；与此同时发电机励磁绕组预充源电路中全桥二极管整流模块由于二极管反向截止特性不再进行导通，所述主控制模块控制发电机励磁绕组预充源电路中的交流高压接触器关断；预充t秒后，船舶电力系统开始运行，所述发电模块开始供电，直流母线电压达到正常工作电压；应急配电板预充源电路中的全桥二极管整流模块由于二极管截止特性也不再进行导通，所述主控制模块关断所述应急配电板预充源电路中的交流低压接触器；

当所述发电机励磁绕组预充源电路中的电压满足Vmin≤V_DC2≤Vmax且V_DC2>V_DC1时，所述主控制模块中的预充计时器开始计时；所述应急配电板预充源电路中全桥二极管整流模块由于二极管反向截止特性不再进行导通；预充t秒后，船舶电力系统开始运行，发电模块开始供电，直流母线电压达到额定值，发电机励磁绕组预充源电路中全桥二极管整流模块由于二极管截止特性也不再进行导通，所述主控制模块关断所述发电机励磁绕组预充源电路中的交流高压接触器；

当船舶电力系统与岸电相连接启动时：

在所述应急配电板预充源电路中，主控制模块控制闭合所述交流低压断路器，所述交流低压接触器闭合；交流电压V_AC1通过所述380/690V变压器和全桥二极管整流模块后整流为直流电压V_DC1；

当所述应急配电板预充源电路中的电压满足Vmin≤V_DC1≤Vmax，此时所述主控制模块的预充计时器开始计时，预充t秒后，船舶电力系统开始运行，所述主控制模块关断所述应急配电板预充源电路中的交流低压接触器和所述发电机励磁绕组预充源电路中的交流高压接触器；

当V_DC1=0或经过t秒后V_DC1<Vmin时，判断为应急配电板预充失败，此时主控制模块将控制发电机励磁绕组进行预充；在所述发电机励磁绕组预充源电路中，交流电压V'_AC2通过所述交流高压接触器及全桥二极管整流模块后整流为直流电压V_DC2；当Vmin≤V_DC2≤Vmax，预充计时器开始计时，等待t秒后完成对直流母线的预充，电力系统开始运行，关断所述发电机励磁绕组预充源电路中的交流高压接触器。

4.一种船舶直流组网的预充源系统，包括两个分别与船舶的左右两舷接有发电模块和负载的直流母线相连接的如权利要求1或2所述的船舶直流组网的预充源电路且两个船舶直流组网的预充源电路共用应急柴油发电机和岸电接口，还包括直流预充电路，直流预充电路包括并联在左、右舷负载间的正、负相每根直流母线上的直流预充电阻、直流预充断路器、以及设置在直流母线被串联的直流预充电阻和直流预充断路器并联段上的总断路器，正、负相直流母线间设有通过总线与主控制模块相连接的直流电压传感器。

5.如权利要求4所述的船舶直流组网的预充源系统的控制方法，当船舶运行中遭遇突发情况，导致船舶失电需要重新预充，重新预充后船舶中的左舷直流母线或者右舷直流母线上负载中的电气元器件预充不成功，而另一舷已经开始正常工作时，为了使失电一侧船舷母线连接的负载工作，则进行直流预充；V_DC左为左舷直流电压传感器检测的直流电压值，V_DC右为右舷直流电压传感器检测的直流电压值，V_差为左右舷直流电压之差；步骤如下：

(a)在直流预充前，断开主断路器，闭合直流预充断路器；通过串联的直流预充电阻对有电侧的高压分压，完成对失电一舷的直流母线进行预充；

(b)当左右两舷电压差满足|V_DC左-V_DC右|≤V_差时，闭合直流母线主断路器，所述直流预充电路中的直流预充断路器断开，完成直流预充。