CN112039044B - 一种纯电池动力船舶电力系统及控制方法 - Google Patents

一种纯电池动力船舶电力系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种纯电池动力船舶电力系统。本发明的另一个技术方案是提供了一种上述系统的控制方法。本发明提供的系统配置有数组电池组及高压盒、2套主推进逆变器及电机、2套日用逆变器、1套侧推进逆变器及电机、1套空调逆变器及电机、1个固态断路器、2个岸电接口箱和1套综合控制系统。电池组采用三电平架构为主推进逆变器和电机供电，直流母线中间配置三相直流固态断路器，日用逆变器采用并网运行的模式，采用岸电直流充电系统直接给电池组充电的方法，并配置了综合控制系统。该系统降低了推进电机的振动和噪声，提高了主要设备的能量密度，减低系统的成本和空间排布，增加了系统的安全性和可靠性。

Description

一种纯电池动力船舶电力系统及控制方法
技术领域
本发明涉及一种纯电池动力船舶电力系统及控制方法，特别涉及一种纯电池动力船舶电力系统及控制方法。
背景技术
近年来随着技术的进步以及对船舶动力系统提出更高的要求，柴电电力推进作为特种船舶的动力方式已经得到了普遍的认可。随着国家将对船舶污染物排放进行大力度的控制，以及电池技术的进步和价格的下降，电池电力推进系统作为清洁的动力系统的代表被广泛的提及，其满足“零排放”、“低噪音”的同时会进一步降低运行成本，是未来中小型内河船舶的动力首选。
目前已有的纯电池动力船舶电力系统，普遍采用600V～750VDC两电平直流母线，通过逆变器为380VAC主推进电机和日用负载提供电能。但是随着推进功率变大，380VAC级推进逆变器及电机的振动和噪声偏大，能量密度偏低，需要配套更多电缆以满足其较大的载流量要求。
目前已有的纯电池动力船舶电力系统，普遍采用熔断器作为直流母线短路的保护设备，熔断器保护具有选择性保护设计难度高和可靠性差等特点，无法满足全工况下的选择性保护需求。
目前已有的纯电池动力船舶电力系统，日用逆变器采用一用一备的形式，该形式在供电切换时需要短时断电。
目前已有的纯电池动力船舶电力系统，普遍采用交流岸电上船进行充电的形式，该形式需要在船侧配置专用的充电装置，在中小型内河船舶空间紧张的情况下很难进行安装和布置。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：现在纯电池动力船舶存在主推进电机振动和噪声偏大、能量密度低、选择性保护可靠性差、日用负载不间断供电、充电方式配置等问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种纯电池动力船舶电力系统，其特征在于，包括电池系统、直流母线、两套主推进逆变器、两套日用逆变器、一套侧推进逆变器、一套空调逆变器、一个固态断路器、两个岸电接口箱和一套综合控制系统，N＝2n，n≥1，电池系统包括N组电池组及与电池组对应设置的高压盒，其中：
直流母线采用-600VDC、0VDC和+600VDC三电平架构，由综合控制系统控制分闸及合闸的固态断路器将直流母线分为左直流母线和右直流母线；
N组电池组分为由n组电池组组成的左电池组以及由剩余n组电池组组成的右电池组，左电池组中的每组电池组通过高压盒给左直流母线提供直流电能，右电池组中的每组电池组通过高压盒给右直流母线提供直流电能；
两个岸电接口箱分别为左电池组及右电池组提供岸电充电接口；
通过左直流母线的三电平架构和右直流母线的三电平架构分别将直流电能传输至两套主推进逆变器，两套主推进逆变器分别连接各自的主推进电机，由两套主推进电机驱动两套主推进螺旋桨；
通过左直流母线的-600VDC和0VDC或者0VDC和+600VDC的二电平架构和右直流母线的-600VDC和0VDC或者0VDC和+600VDC的二电平架构分别将直流电能传输至两套日用逆变器，直流电能通过日用逆变器为日用负载提供电能；
通过左直流母线的-600VDC和0VDC或者0VDC和+600VDC的二电平架构或右直流母线的-600VDC和0VDC或者0VDC和+600VDC的二电平架构将直流电能传输至侧推进逆变器，侧推进逆变器连接侧推进电机，由侧推进电机驱动侧推进螺旋桨；
通过左直流母线的-600VDC和0VDC或者0VDC和+600VDC的二电平架构或右直流母线的-600VDC和0VDC或者0VDC和+600VDC的二电平架构将直流电能传输至空调逆变器，直流电能通过空调逆变器为变频空调提供动力；
主推进逆变器、日用逆变器、侧推进逆变器、空调逆变器及固态断路器均由综合控制系统控制。
优选地，所述固态断路器采用三相全控型直流固态断路器；
当所述纯电池动力船舶正常运行时，所述固态断路器合闸将左直流母线与右直流母线连接；
当左直流母线或右直流母线发生故障时，所述固态断路器在短时间内断开，左直流母线与右直流母线分开运行。
优选地，所述高压盒内设有由电池管理系统控制的高压控制回路。
优选地，所述综合控制系统与所述主推进逆变器、日用逆变器、侧推进逆变器、空调逆变器之间采用Profibus现场总线进行通讯；所述综合控制系统与所述电池管理系统之间采用RS485通讯接口和Modbus-RTU通讯协议；所述综合控制系统和岸电直流充电系统采用CAN2.0B通讯协议。
优选地，所述综合控制系统配置有人机界面，该人机界面可以显示所述主推进逆变器、日用逆变器、侧推进逆变器、空调逆变器、主推进电机、日用电机、侧推进电机、空调电机、电池组、固态断路器、岸电直流充电系统的状态和报警信息。
优选地，当所述电池系统正常运行时，所述主推进逆变器通过前置接触器连接三电平架构的所述左直流母线及所述右直流母线，采用三电平架构将直流电转化成所述主推进电机所需的电能；
当所述直流母线或者所述电池系统发生严重故障时，所述主推进逆变器通过前置接触器连接所述左直流母线及所述右直流母线的-600VDC和0VDC或者0VDC和+600VDC的二电平架构，在所述综合控制系统的控制下切换至二电平架构将直流电能降压降功率为所述主推进电机提供电能。
优选地，所述两套日用逆变器具有自动并网功能和功率分配功能，所述日用逆变器通过跟踪电网电压、频率和相角进行自动并网，所述两套日用逆变器通过交流电压-功率下垂特性曲线控制功率均衡分配。
优选地，所述综合控制系统具有充电管理功能，可设定在线充电曲线和充电功率；
所述综合控制系统具有功率管理功能，所述综合控制系统实时监控所述电池组最大供电能力和实时总负载需求，一旦实时总负载需求大于所述电池组的最大供电能力，所述综合控制系统限制推进功率和甩掉重要日用负荷。
本发明的另一个技术方案是提供了一种上述的纯电池动力船舶电力系统的控制方法，包括以下步骤：
由综合控制系统控制分闸及合闸的固态断路器将直流母线分为左直流母线和右直流母线；当纯电池动力船舶正常运行时，固态断路器合闸将左直流母线与右直流母线连接；当左直流母线或右直流母线发生故障时，固态断路器在短时间内断开，左直流母线与右直流母线分开运行；
N组电池组分为由n组电池组组成的左电池组以及由剩余n组电池组组成的右电池组，左电池组中的每组电池组通过高压盒给左直流母线提供直流电能，右电池组中的每组电池组通过高压盒给右直流母线提供直流电能；
通过左直流母线的三电平架构和右直流母线的三电平架构分别将直流电能传输至两套主推进逆变器，两套主推进逆变器分别连接各自的主推进电机，由两套主推进电机驱动两套主推进螺旋桨；
通过左直流母线的-600VDC和0VDC或者0VDC和+600VDC的二电平架构和右直流母线的-600VDC和0VDC或者0VDC和+600VDC的二电平架构分别将直流电能传输至两套日用逆变器，直流电能通过日用逆变器为日用负载提供电能；
通过左直流母线的-600VDC和0VDC或者0VDC和+600VDC的二电平架构或右直流母线的-600VDC和0VDC或者0VDC和+600VDC的二电平架构将直流电能传输至侧推进逆变器，侧推进逆变器连接侧推进电机，由侧推进电机驱动侧推进螺旋桨；
通过左直流母线的-600VDC和0VDC或者0VDC和+600VDC的二电平架构或右直流母线的-600VDC和0VDC或者0VDC和+600VDC的二电平架构将直流电能传输至空调逆变器，直流电能通过空调逆变器为变频空调提供动力；
主推进逆变器、日用逆变器、侧推进逆变器、空调逆变器及固态断路器均由综合控制系统控制；
当电池系统正常运行时，主推进逆变器通过前置接触器连接三电平架构的左直流母线及右直流母线，采用三电平架构将直流电转化成主推进电机所需的电能；
当直流母线或者电池系统发生严重故障时，主推进逆变器通过前置接触器连接左直流母线及右直流母线的-600VDC和0VDC或者0VDC和+600VDC的二电平架构，在综合控制系统的控制下切换至二电平架构将直流电能降压降功率为主推进电机提供电能。
本发明的有益效果在于：本发明纯电池动力船舶电力系统，通过采用直流三电平架构为主推进逆变器和电机供电，可以减低推进电机的振动和噪声，且主推进逆变器和电机的能量密度更高。直流母线中间配置三相直流固态断路器，可以有效满足任何工况下的选择性保护，母排短路分闸时间短，系统直流电压稳定。日用逆变器采用并网运行的模式，可以确保供电切换的不间断和系统的可靠性。采用岸电直流充电系统直接给电池组充电的方法，省去船侧专用的充电装置，省去了该设备布置所需的空间和重量。配置了综合控制系统，进一步提升了能量管理的效率和全船的自动化水平。
附图说明
图1为本发明纯电池动力船舶电力系统示意图；
图2为本发明主推进逆变器原理示意图；
图3a及图3b为本发明主推进逆变器单桥臂三电平原理示意图；
图4为本发明主推进逆变器三相电压矢量扇区示意图；
图5为本发明日用逆变器并网原理示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
如图1所示为本发明纯电池动力船舶电力系统及控制方法实施例，本发明提供的系统包括8个400kWh电池组、2个450kW主推进逆变器及电机、2个100kW日用逆变器、1个100kW侧推进逆变器及电机、1个100kW空调逆变器及电机、1个固态断路器和2个400kW岸电接口。
电池组采用3并186串磷酸铁锂电池组成，电池组容量为666Ah，总电压为600VDC。
直流母线的电压为三电平-600VDC、0VDC和+600VDC母线，通过固态断路器将三电平直流母线分为左直流母线和右直流母线。左直流母线配置有4个电池组、1个主推进逆变器、1个侧推进逆变器和1个日用逆变器。右直流母线配置有4个电池组、1个主推进逆变器、1个空调逆变器和1个日用逆变器。主推进逆变器和直流母线之间采用3个直流接触器和3个快速熔断保险丝进行连接。电池组和直流母线之间采用2个直流接触器和2个快速熔断保险丝进行连接。侧推进逆变器、日用逆变器、空调逆变器和直流母线之间采用2个直流接触器和2个快速熔断保险丝进行连接。
1)主推进逆变器具体实施：
如图2所示，左侧电路为钳位电路，用来保证三电平的稳定，电抗可以限制电流的变化率；右侧电路为逆变器输出滤波器，用来限制输出电压变化率，降低对推进电机绝缘的损伤；中间电路为三电平逆变器主电路；
图3a及图3b为单相桥臂三电平原理：当Tx1和Tx2导通、Tx3和Tx4关断时，单相输出为Vdc/2＝600V(P电平)；当Tx2或Tx3导通、Tx1和Tx4关断时，单相输出为0V(O电平)；当Tx1和Tx2关断、Tx3和Tx4导通时，单相输出为Vdc/2＝-600V(N电平)；
图4为三相桥臂三电平矢量合成图，三个桥臂通过P、O、N三电平矢量进行合成，产生6个1200V大矢量(PNN、PPN、NPN、NPP、NNP、PNP)，产生6个1039V中矢量(PON、OPN、NPO、NOP、ONP、PNO)，产生12个600V小矢量(POO、PPO、OPO、POO、OOP、POP、ONN、OON、NON、NOO、NNO、ONO),生产3个零矢量(OOO、PPP、NNN)，共计27个合成矢量。
由于三电平较二电平具有更多的合成矢量、故逆变器产生的谐波电压和谐波电流更小，有利于抑制因为谐波电压和谐波电流在主推进电机内产生的振动和噪声。
2)主推进逆变器三电平转二电平运行实施：
当直流母线或者电池系统发生严重故障时，主推进逆变器可以三电平转二电平运行，具体原理如下：将连接图2中DC-对应的接触器打开，只给0V和+600V母线供电。单桥臂两电平原理：当Tx1和Tx2导通、Tx3和Tx4关断时，单相输出为Vdc/2＝600V(P电平)；当Tx2导通、Tx1和Tx3和Tx4关断时，单相输出为0V(O电平)；三相合成后电压矢量：6个非零矢量(PPO、POP、POO、OPP、OPO、OOP)，两个零矢量(PPP、OOO)。
主推进逆变器三电平转二电平运行时，推进电机转速和功率降有一定的下降，而且振动和噪声也会比三电平运行时增大，此工况仅限严重故障时使用。
3)日用逆变器并网和功率均实施：
如图5所示每个日用逆变器设置有正弦波滤波器，该正弦波滤波器可以控制日用逆变器输出侧的谐波电压，以满足船级社规定的电压谐波率要求。日用逆变器设置有电压采样卡用来采集船舶交流电网的电压幅值、相角和相位，如果逆变器输出电压幅值、相角和相位不一致时，日用逆变器调整上述电压幅值、相角和相位与船舶交流电网保持一致，并控制断路器合闸进行并网。
两个日用逆变器同时并网运行时，采用交流电压和功率下垂特性曲线进行功率自动均衡分配，下垂率设置为3％。
4)综合控制系统实施
综合控制系统采用高性能PLC快速处理逻辑控制保证船舶动态响应和可靠的安全性能，并设置10寸触摸屏作为人机界面。综合控制系统和上述各逆变器之间采用Profibus现场总线进行通讯，和电池管理系统之间采用RS485通讯接口和Modbus-RTU通讯协议，和综合控制系统和岸电直流充电系统之间采用CAN2.0B通讯协议。
综合控制系统和电池管理系统主要通讯内容包括：电池簇总电压、电池簇电电流、SOC值、SOH值、单体电池压、电池温度、三级报警代码、综合状态、接触器状态、绝缘值、舱室温度、最大允许充放电电流值等。
综合控制系统和岸电直流充电系统连接过程：物理连接完成、低压辅助上电、充电握手阶段、充电参数配置阶段、充电阶段、充电结束阶段、结束充电；其中充电阶段中，综合控制系统和岸电直流充电系统实时交互数据，交互数据包括电压输出值、电流输出值、电池温度、电池电压、充电状态、SOC值、绝缘状态等。
综合控制系统具有充电管理功能，可设定在线充电曲线和充电功率。综合控制系统具有功率管理功能，综合控制系统实时监控电池组最大供电能力和实时总负载需求，一旦实时总负载需求大于电池组最大供电能力，综合控制系统将限制推进功率和甩掉重要日用负荷。综合控制系统配置10寸触摸屏作为人机界面，该人机界面可以显示所有逆变器及电机、电池组、固态断路器、岸电直流充电系统的状态和报警信息。

Claims (9)

1.一种纯电池动力船舶电力系统，其特征在于，包括电池系统、直流母线、两套主推进逆变器、两套日用逆变器、一套侧推进逆变器、一套空调逆变器、一个固态断路器、两个岸电接口箱和一套综合控制系统，N＝2n，n≥1，电池系统包括N组电池组及与电池组对应设置的高压盒，其中：
直流母线采用-600VDC、0VDC和+600VDC三电平架构，由综合控制系统控制分闸及合闸的固态断路器将直流母线分为左直流母线和右直流母线；
N组电池组分为由n组电池组组成的左电池组以及由剩余n组电池组组成的右电池组，左电池组中的每组电池组通过高压盒给左直流母线提供直流电能，右电池组中的每组电池组通过高压盒给右直流母线提供直流电能；
两个岸电接口箱分别为左电池组及右电池组提供岸电充电接口；
通过左直流母线的三电平架构和右直流母线的三电平架构分别将直流电能传输至两套主推进逆变器，两套主推进逆变器分别连接各自的主推进电机，由两套主推进电机驱动两套主推进螺旋桨；
通过左直流母线的-600VDC和0VDC或者0VDC和+600VDC的二电平架构和右直流母线的-600VDC和0VDC或者0VDC和+600VDC的二电平架构分别将直流电能传输至两套日用逆变器，直流电能通过日用逆变器为日用负载提供电能；
通过左直流母线的-600VDC和0VDC或者0VDC和+600VDC的二电平架构或右直流母线的-600VDC和0VDC或者0VDC和+600VDC的二电平架构将直流电能传输至侧推进逆变器，侧推进逆变器连接侧推进电机，由侧推进电机驱动侧推进螺旋桨；
通过左直流母线的-600VDC和0VDC或者0VDC和+600VDC的二电平架构或右直流母线的-600VDC和0VDC或者0VDC和+600VDC的二电平架构将直流电能传输至空调逆变器，直流电能通过空调逆变器为变频空调提供动力；
主推进逆变器、日用逆变器、侧推进逆变器、空调逆变器及固态断路器均由综合控制系统控制。
2.如权利要求1所述的一种纯电池动力船舶电力系统，其特征在于，所述固态断路器采用三相全控型直流固态断路器；
当所述纯电池动力船舶正常运行时，所述固态断路器合闸将左直流母线与右直流母线连接；
当左直流母线或右直流母线发生故障时，所述固态断路器在短时间内断开，左直流母线与右直流母线分开运行。
3.如权利要求1所述的一种纯电池动力船舶电力系统，其特征在于，所述高压盒内设有由电池管理系统控制的高压控制回路。
4.如权利要求3所述的一种纯电池动力船舶电力系统，其特征在于，所述综合控制系统与所述主推进逆变器、日用逆变器、侧推进逆变器、空调逆变器之间采用Profibus现场总线进行通讯；所述综合控制系统与所述电池管理系统之间采用RS485通讯接口和Modbus-RTU通讯协议；所述综合控制系统和岸电直流充电系统采用CAN2.0B通讯协议。
5.如权利要求4所述的一种纯电池动力船舶电力系统，其特征在于，所述综合控制系统配置有人机界面，该人机界面显示所述主推进逆变器、日用逆变器、侧推进逆变器、空调逆变器、主推进电机、日用电机、侧推进电机、空调电机、电池组、固态断路器、岸电直流充电系统的状态和报警信息。
6.如权利要求1所述的一种纯电池动力船舶电力系统，其特征在于，当所述电池系统正常运行时，所述主推进逆变器通过前置接触器连接三电平架构的所述左直流母线及所述右直流母线，采用三电平架构将直流电转化成所述主推进电机所需的电能；
当所述直流母线或者所述电池系统发生严重故障时，所述主推进逆变器通过前置接触器连接所述左直流母线及所述右直流母线的-600VDC和0VDC或者0VDC和+600VDC的二电平架构，在所述综合控制系统的控制下切换至二电平架构将直流电能降压降功率为所述主推进电机提供电能。
7.如权利要求1所述的一种纯电池动力船舶电力系统，其特征在于，所述两套日用逆变器具有自动并网功能和功率分配功能，所述日用逆变器通过跟踪电网电压、频率和相角进行自动并网，所述两套日用逆变器通过交流电压-功率下垂特性曲线控制功率均衡分配。
8.如权利要求1所述的一种纯电池动力船舶电力系统，其特征在于，所述综合控制系统具有充电管理功能，可设定在线充电曲线和充电功率；
所述综合控制系统具有功率管理功能，所述综合控制系统实时监控所述电池组最大供电能力和实时总负载需求，一旦实时总负载需求大于所述电池组的最大供电能力，所述综合控制系统限制推进功率和甩掉重要日用负荷。
9.一种如权利要求1所述的纯电池动力船舶电力系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
由综合控制系统控制分闸及合闸的固态断路器将直流母线分为左直流母线和右直流母线；当纯电池动力船舶正常运行时，固态断路器合闸将左直流母线与右直流母线连接；当左直流母线或右直流母线发生故障时，固态断路器在短时间内断开，左直流母线与右直流母线分开运行；
N组电池组分为由n组电池组组成的左电池组以及由剩余n组电池组组成的右电池组，左电池组中的每组电池组通过高压盒给左直流母线提供直流电能，右电池组中的每组电池组通过高压盒给右直流母线提供直流电能；
通过左直流母线的三电平架构和右直流母线的三电平架构分别将直流电能传输至两套主推进逆变器，两套主推进逆变器分别连接各自的主推进电机，由两套主推进电机驱动两套主推进螺旋桨；
通过左直流母线的-600VDC和0VDC或者0VDC和+600VDC的二电平架构和右直流母线的-600VDC和0VDC或者0VDC和+600VDC的二电平架构分别将直流电能传输至两套日用逆变器，直流电能通过日用逆变器为日用负载提供电能；
通过左直流母线的-600VDC和0VDC或者0VDC和+600VDC的二电平架构或右直流母线的-600VDC和0VDC或者0VDC和+600VDC的二电平架构将直流电能传输至侧推进逆变器，侧推进逆变器连接侧推进电机，由侧推进电机驱动侧推进螺旋桨；
通过左直流母线的-600VDC和0VDC或者0VDC和+600VDC的二电平架构或右直流母线的-600VDC和0VDC或者0VDC和+600VDC的二电平架构将直流电能传输至空调逆变器，直流电能通过空调逆变器为变频空调提供动力；
主推进逆变器、日用逆变器、侧推进逆变器、空调逆变器及固态断路器均由综合控制系统控制；
当电池系统正常运行时，主推进逆变器通过前置接触器连接三电平架构的左直流母线及右直流母线，采用三电平架构将直流电转化成主推进电机所需的电能；
当直流母线或者电池系统发生严重故障时，主推进逆变器通过前置接触器连接左直流母线及右直流母线的-600VDC和0VDC或者0VDC和+600VDC的二电平架构，在综合控制系统的控制下切换至二电平架构将直流电能降压降功率为主推进电机提供电能。
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