CN111007395B - 一种多功能船舶直流电站综合电力系统试验拓扑和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多功能船舶直流电站综合电力系统试验拓扑，包括交流供电电源、交流配电板、弹性联轴器、四象限模拟负载、交流负载和低压交流负载等试验室陪试设备，以及中压供电分系统、电力推进分系统、变电分系统和低压供电分系统等被试系统设备；还公开了其实验方法；通过采用试验室交流配电板中不同开关的分合闸组合实现中压供电分系统、电力推进分系统、变电分系统和低压供电分系统、综合电力推进系统全系统等被试系统不同层次的试验需求。

Description

一种多功能船舶直流电站综合电力系统试验拓扑和方法
技术领域
本发明属于电气设备技术领域，尤其涉及一种多功能船舶直流电站综合电力系统试验拓扑，以及其实验方法。
背景技术
船舶推进方式包括机械推进和综合电力推进两种。机械推进是由燃气机、柴油机等原动机通过齿轮箱、轴系直接推动推进器的推进方式。综合电力推进是将传统相互独立的机械推进系统和电力系统以电能的形式合二为一，综合利用船舶电站向全船提供推进动力、辅机和日用电力的一种推进方式。与传统机械推进方式相比，综合电力推进方式主要具有布局灵活、有效利用空间多、操纵灵活、机动性能好、全寿命费用低、维护工作量少、易于获得理想的拖动特性、低振动噪声、环境更舒适等优点，是船舶动力发展的主流趋势之一。
直流供电综合电力推进系统是船舶综合电力推进系统重要的发展方向之一，在船舶应用中越来越广泛。目前，常规船舶综合电力推进系统试验，一般采用水力测功机作为推进电机负载试验方案，是一种典型的能量消耗型试验方案，存在电力推进分系统输出能量无法反馈、难以真实模拟船舶螺旋桨负载特性、不能充分考核综合电力推进系统动态性能指标等缺点。
在一些特殊应用场合，虽然采用了基于齿轮箱升速的回能负载作为推进电机负载来实现电力推进系统输出能量的反馈利用，但依旧存在负载对被试推进电机振动影响大、试验方案功能单一、无法适应不同层次试验需求等缺点，难以全面满足用户使用需求。
发明内容
为克服常规船舶综合电力推进系统试验方案功能单一、无法适应不同层次试验需求、电力推进分系统输出能量无法实现反馈、负载对被试推进电机振动影响大、无法真实模拟船舶螺旋桨负载特性、不能充分考核综合电力推进系统动态性能指标等方面的不足，本发明提供了一种多功能船舶直流供电综合电力推进系统试验方案拓扑结构。
为了实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种多功能船舶直流电站综合电力系统试验拓扑，包括试验室陪试设备和被试系统设备；所述的陪试设备包括试验室交流供电电源、整流装置、试验室直流配电板、弹性联轴器、四象限模拟负载、直流负载和低压交流负载；所述的被试系统设备包括中压供电分系统、电力推进分系统、变电分系统和低压供电分系统等被试船舶直流供电综合电力推进系统设备；所述的直流配电板通过开关Q6和开关Q7分成三段，所述的中压供电分系统、电力推进分系统、变电分系统分别通过开关Q2、开关Q4和开关Q3连接第一段，所述的整流装置和四象限模拟负载分别通过开关Q1和开关Q5连接第二段，所述的直流负载通过开关Q8和开关Q9连接第三段；所述的四象限模拟负载由交流变频调速电机和变频器及其控制装置组成；被试电力推进分系统中的推进电机和交流变频调速电机通过弹性联轴器直接机械耦合联接；所述的低压供电分系统通过低压配电板分别与变电分系统和低压交流负载连接。
进一步，所述的整流装置为双向PWM高频整流器。
本发明还公开了上述试验拓扑的实验方法。
所述的电力推进分系统试验采用基于四象限模拟负载的能量回馈试验方案：开关Q1、Q4、Q5、Q6闭合，其余开关断开，即由交流供电电源经整流装置、直流配电板给电力推进分系统供电，被试电力推进分系统中的推进电机通过弹性联轴器带动四象限模拟负载中的交流变频调速电机经变频器及其控制装置高频整流，实现能量回馈。
当所述的交流供电电源不允许能量反馈时，所述的中压供电分系统试验采用基于直流负载的能量消耗试验方案：开关Q2、Q6、Q7、Q8、Q9闭合，其余开关断开，即由中压供电分系统经直流配电板给直流负载供电，实现能量消耗。
当所述的交流供电电源允许能量反馈时，所述的中压供电分系统试验采用基于四象限模拟负载的能量回馈试验方案：开关Q1、Q2、Q4、Q5闭合，其余开关断开，即由中压供电分系统经直流配电板给电力推进分系统供电，推进电机通过弹性联轴器带动四象限模拟负载中的交流变频调速电机，经变频器及其控制装置高频整流和整流装置有源逆变，实现能量回馈。
所述的变电分系统和低压供电分系统试验采用基于低压交流负载的能量消耗试验方法：开关Q1、Q3、Q6闭合，其余开关断开，即由交流供电电源经整流装置、直流配电板、变电分系统和低压供电分系统给低压交流负载供电，实现能量消耗。
当所述的交流供电电源不允许能量反馈时，所述的综合电力推进系统全系统试验采用基于四象限模拟负载、直流负载和低压交流负载的全部能量消耗试验方案：开关Q2、Q3、Q4、Q5、Q7、Q8、Q9闭合，其余开关断开，即由中压供电分系统经直流配电板一方面给电力推进分系统供电，推进电机通过弹性联轴器带动四象限模拟负载中的交流变频调速电机经变频器及其控制装置高频整流给直流负载供电，实现主要部分能量消耗；另一方面给变电分系统和低压供电分系统供电，并经低压供电分系统的低压配电板给低压交流负载供电，实现次要部分能量消耗。
当所述的交流供电电源允许能量反馈时，所述的中压供电分系统试验采用基于四象限模拟负载的能量回馈试验方案：开关Q1、Q2、Q3、Q4、Q5闭合，其余开关断开；一方面给电力推进分系统供电，推进电机通过弹性联轴器带动四象限模拟负载中的交流变频调速电机经变频器及其控制装置高频整流和整流装置有源逆变，实现主要能量回馈；另一方面给变电分系统和低压供电分系统供电，并经低压供电分系统的低压配电板给低压交流负载供电，实现次要部分能量消耗。
本发明的有意效果是：本发明通过采用四象限负载实现船舶螺旋桨负载特性的真实模拟和综合电力推进系统动态性能指标的充分考核；通过采用四象限负载和双向PWM高频整流实现电力推进系统输出能量在试验系统内的反馈和向试验室供电电源侧的反馈；通过采用推进电机与四象限模拟负载中的交流变频调速电机经弹性联轴器直接机械耦合联接方式，最大程度降低负载对被试推进电机振动的影响；通过采用试验室直流配电板中不同开关的分合闸组合实现被试系统不同层次的试验需求。
相对于常规船舶综合电力推进系统试验方案，它具有多功能、可适应不同层次试验需求、直流供电品质高、电力推进分系统输出能量回馈与节能、负载对被试推进电机振动影响小、可较真实模拟船舶螺旋桨负载特性、可充分考核综合电力推进系统动态性能指标等优点，特别适用于高要求船舶直流供电综合电力推进系统及分系统联调试验。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
各附图标记为：1—交流供电电源，2—整流装置，3—直流配电板，4—弹性联轴器，5—四象限模拟负载，6—直流负载，7—低压交流负载，8—中压供电分系统，9—电力推进分系统，10—变电分系统，11—低压供电分系统，12—推进电机，13—交流变频调速电机，14—变频器及其控制装置，15—低压配电板。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。
如图1所示，本发明提供的一种多功能船舶直流电站综合电力系统试验拓扑，包括交流供电电源1、整流装置2、直流配电板3、弹性联轴器4、四象限模拟负载5、直流负载6和低压交流负载7等试验室陪试设备，以及中压供电分系统8、电力推进分系统9、变电分系统10和低压供电分系统11等被试船舶直流供电综合电力推进系统设备。所述的直流配电板3通过开关Q6和开关Q7分成三段，所述的中压供电分系统8、电力推进分系统9、变电分系统10分别通过开关Q2、开关Q4和开关Q3连接第一段，所述的整流装置2和四象限模拟负载5分别通过开关Q1和开关Q5连接第二段，所述的直流负载6通过开关Q8和开关Q9连接第三段；所述的整流装置22采用双向PWM高频整流方案，以实现能量的双向流动。
本试验拓扑结构通过采用试验室直流配电板3中不同开关的分合闸组合实现中压供电分系统8、电力推进分系统9、变电分系统10和低压供电分系统11、综合电力推进系统全系统等被试系统不同层次的试验需求。
所述的四象限模拟负载5采用交流变频调速电机13和变频器及其控制装置14组成方案，通过变频调速控制模拟实现船舶螺旋桨的四象限负载特性，以实现船舶螺旋桨负载特性的真实模拟。
所述的四象限模拟负载5中的交流变频调速电机13和被试电力推进分系统9中的推进电机12通过弹性联轴器4直接机械耦合联接，最大程度降低负载对被试推进电机12振动的影响。
电力推进分系统9试验采用基于四象限模拟负载5的能量回馈试验方案，即由交流供电电源1经整流装置2、直流配电板3给电力推进分系统9供电，所述的低压供电分系统11由辅助发电机组和低压配电板15构成，通过低压配电板15分别与变电分系统10和两组低压交流负载7连接。所述的中压供电分系统8由中压配电板和两个发电机组构成。
所述的电力推进分系统9试验采用基于四象限模拟负载5的能量回馈试验方案，即由交流供电电源1经直流配电板3给电力推进分系统9供电，被试电力推进分系统9中的推进电机12通过弹性联轴器4带动四象限模拟负载5中的交流变频调速电机13，经变频器及其控制装置14高频整流，实现能量回馈，此时直流配电板3中的开关Q1、开关Q4、开关Q5、开关Q6闭合，其余开关分开。
当所述的交流供电电源1不允许能量反馈时，所述的中压供电分系统8试验采用基于直流负载6的能量消耗试验方案，即由中压供电分系统8经直流配电板3给直流负载6供电，实现能量消耗，此时直流配电板3中的开关Q2、开关Q6、开关Q7、开关Q8、开关Q9闭合，其余开关分开。
当所述的交流供电电源1允许能量反馈时，采用基于四象限模拟负载5的能量回馈试验方案；即由中压供电分系统8经直流配电板3给电力推进分系统9供电，推进电机12通过弹性联轴器4带动四象限模拟负载5中的交流变频调速电机13，经变频器及其控制装置14高频整流和整流装置2有源逆变，实现能量回馈，此时直流配电板3中的开关Q1、开关Q2、开关Q4、开关Q5闭合，其余开关分开。
所述的变电分系统10和低压供电分系统11试验采用采用基于低压交流负载7的能量消耗试验方案，即由交流供电电源1经整流装置2、直流配电板3、变电分系统10和低压供电分系统11给低压交流负载7供电，实现能量消耗，此时直流配电板3中的开关Q1、开关Q3、开关Q6闭合，其余开关分开。
当所述的交流供电电源1不允许能量反馈时，所述的综合电力推进系统全系统试验试验采用基于四象限模拟负载5、直流负载6和低压交流负载7的全部能量消耗试验方案；即由中压供电分系统8经直流配电板3，一方面给电力推进分系统9供电，推进电机12通过弹性联轴器4带动四象限模拟负载5中的交流变频调速电机13，经变频器及其控制装置14高频整流和有源逆变给直流负载6供电，实现主要部分能量消耗，以实现综合电力推进系统动态性能指标的充分考核；另一方面给变电分系统10和低压供电分系统11供电，并经低压供电分系统11的低压配电板15给低压交流负载7供电，实现次要部分能量消耗，此时直流配电板3中除开关Q1、开关Q6分开外，其余开关闭合。
当所述的交流供电电源1允许能量反馈时，采用基于四象限模拟负载5的主要能量回馈试验方案，即由中压供电分系统8经直流配电板3，一方面给电力推进分系统9供电，推进电机12通过弹性联轴器4带动四象限模拟负载5中的交流变频调速电机13，经变频器及其控制装置14高频整流和整流装置2有源逆变，实现主要能量回馈，同时较好地实现综合电力推进系统动态性能指标的充分考核；另一方面给变电分系统10和低压供电分系统11供电，并经低压供电分系统11的低压配电板15给低压交流负载7供电，实现次要部分能量消耗；此时直流配电板3中的开关Q1、开关Q2、开关Q3、开关Q4、开关Q5闭合，其余开关分开。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (8)

1.一种多功能船舶直流电站综合电力系统试验拓扑，其特征在于：包括陪试设备和被试系统设备；所述的陪试设备包括交流供电电源（1）、整流装置（2）、直流配电板（3）、弹性联轴器（4）、四象限模拟负载（5）、直流负载（6）和低压交流负载（7）；所述的被试系统设备包括中压供电分系统（8）、电力推进分系统（9）、变电分系统（10）和低压供电分系统（11）；所述的直流配电板（3）通过开关Q6和开关Q7分成三段，所述的中压供电分系统（8）、电力推进分系统（9）、变电分系统（10）分别通过开关Q2、开关Q4和开关Q3连接第一段，所述的整流装置（2）和四象限模拟负载（5）分别通过开关Q1和开关Q5连接第二段，所述的直流负载（6）通过开关Q8和开关Q9连接第三段；所述的四象限模拟负载（5）由交流变频调速电机（13）和变频器及其控制装置（14）组成；电力推进分系统（9）中的推进电机（12）和交流变频调速电机（13）通过弹性联轴器（4）直接机械耦合联接；所述的低压供电分系统（11）通过低压配电板（15）分别与变电分系统（10）和低压交流负载（7）连接。
2.根据权利要求1所述的一种多功能船舶直流电站综合电力系统试验拓扑，其特征在于，所述的整流装置（2）为双向PWM高频整流器。
3.一种基于权利要求1所述多功能船舶直流电站综合电力系统试验拓扑的实验方法，其特征在于，电力推进分系统（9）试验采用基于四象限模拟负载（5）的能量回馈试验方案：开关Q1、Q4、Q5、Q6闭合，其余开关断开，交流供电电源（1）经整流装置（2）、直流配电板（3）给电力推进分系统（9）供电，推进电机（12）通过弹性联轴器（4）带动交流变频调速电机（13）经变频器及其控制装置（14）高频整流，实现能量回馈。
4.一种基于权利要求1所述多功能船舶直流电站综合电力系统试验拓扑的实验方法，其特征在于，当交流供电电源（1）不允许能量反馈时，中压供电分系统（8）试验采用基于直流负载（6）的能量消耗试验方案：开关Q2、Q6、Q7、Q8、Q9闭合，其余开关断开，中压供电分系统（8）经直流配电板（3）给直流负载（6）供电，实现能量消耗。
5.一种基于权利要求1所述多功能船舶直流电站综合电力系统试验拓扑的实验方法，其特征在于，当交流供电电源（1）允许能量反馈时，中压供电分系统（8）试验采用基于四象限模拟负载（5）的能量回馈试验方案：开关Q1、Q2、Q4、Q5闭合，其余开关断开，即由中压供电分系统（8）经直流配电板（3）给电力推进分系统（9）供电，推进电机（12）通过弹性联轴器（4）带动四象限模拟负载（5）中的交流变频调速电机（13），经变频器及其控制装置（14）高频整流和整流装置（2）有源逆变，实现能量回馈。
6.一种基于权利要求1所述多功能船舶直流电站综合电力系统试验拓扑的实验方法，其特征在于，变电分系统（10）和低压供电分系统（11）试验采用基于低压交流负载（7）的能量消耗试验方法：开关Q1、Q3、Q6闭合，其余开关断开，交流供电电源（1）经整流装置（2）、直流配电板（3）、变电分系统（10）和低压供电分系统（11）给低压交流负载（7）供电，实现能量消耗。
7.一种基于权利要求1所述多功能船舶直流电站综合电力系统试验拓扑的实验方法，其特征在于，当交流供电电源（1）不允许能量反馈时，全系统试验采用基于四象限模拟负载（5）、直流负载（6）和低压交流负载（7）的全部能量消耗试验方案：开关Q2、Q3、Q4、Q5、Q7、Q8、Q9闭合，其余开关断开，中压供电分系统（8）经直流配电板（3）一方面给电力推进分系统（9）供电，推进电机（12）通过弹性联轴器（4）带动交流变频调速电机（13）经变频器及其控制装置（14）高频整流给直流负载（6）供电，实现主要部分能量消耗；另一方面给变电分系统（10）和低压供电分系统（11）供电，并经低压配电板（15）给低压交流负载（7）供电，实现次要部分能量消耗。
8.一种基于权利要求1所述多功能船舶直流电站综合电力系统试验拓扑的实验方法，其特征在于，当交流供电电源（1）允许能量反馈时，中压供电分系统（8）试验采用基于四象限模拟负载（5）的能量回馈试验方案：开关Q1、Q2、Q3、Q4、Q5闭合，其余开关断开，中压供电分系统（8）经直流配电板（3）一方面给电力推进分系统（9）供电，推进电机（12）通过弹性联轴器（4）带动交流变频调速电机（13）经变频器及其控制装置（14）高频整流和整流装置（2）有源逆变，实现主要能量回馈；另一方面给变电分系统（10）和低压供电分系统（11）供电，并经低压配电板（15）给低压交流负载（7）供电，实现次要部分能量消耗。
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