CN112124549A - 一种基于永磁同步发电的混合动力船舶直流组网电力推进系统 - Google Patents

一种基于永磁同步发电的混合动力船舶直流组网电力推进系统 Download PDF

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邓建华
刘敏杰
潘高峰
季勇
钱正彦
汤麒
刘明超
张利刚
胡伟佳
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Abstract

本发明提供一种基于永磁同步发电的混合动力船舶直流组网电力推进系统，发动机的输出与永磁同步发电机的输入连接；永磁同步发电机的输出与整流模块的一个输入连接；多电源模块的输出与整流模块的输入对应连接；整流模块的输出与直流母线连接；用电模块的输入都与直流母线连接；第一电力开关的一端与该电力推进子系统的直流母线的一个终端相连，另一端与另一个电力推进子系统的直流母线的另一个终端连接；所有直流母线通过第一电力开关连接后，形成封闭的环形。其优点在于具有多电源兼容性，不受转速波动率限制，响应时间快，调节范围广。

Description

一种基于永磁同步发电的混合动力船舶直流组网电力推进 系统
技术领域
本发明涉及一种基于永磁同步发电的混合动力船舶直流组网电力推进系统。
背景技术
目前船舶电力系统一般采用交流母排，交流电网合闸需要满足相位、电压、频率三种条件，同时随着电力电子技术的发展船舶上采用了越来越多的谐波源设备，这些设备在运行时会向电网反馈谐波，降低电源质量。船舶直流组网系统采用直流母排，直流电网并网只需要电压一种条件，且直流电网无需考虑谐波干扰，提高了系统效率和设计成本。
目前船舶电力系统的发电系统由柴油机+异步发电机+励磁系统+电压调节装置AVR组成，向交流母线及负载供电。该发电系统采用调速器调整频率及相位，AVR调整电压进行并网，发电效率低，无法满足方波dv/dt，发电机体积和重量大。系统无法满足船级社规范要求的柴油机在空负荷状态下突然加上50％额定负荷，稳定后再加上余下的50％负荷时，其瞬时调速率不大于额定转速的10％；稳定调速率不大于额定转速的5％；稳定时间即转速恢复到波动率为±1％范围的时间不超过5s。系统无法满足多电源兼容和大负载冲击，多台发电机组的调速器和AVR特性会出现偏差，将导致发电机组的解链。系统发电效率低，在低负荷状态下，效率下降至0.9左右；功率因素下降至0.75～0.8左右。
发明内容
本发明的提供的一种基于永磁同步发电的混合动力船舶直流组网电力推进系统，通过电力电子开关组成分布式环形直流母排网络，可根据需要任意组合母排数量，最终形成一个环形直流母排网络；以克服现有技术的缺陷。
本发明提供一种基于永磁同步发电的混合动力船舶直流组网电力推进系统，包括：若干个电力推进子系统100；电力推进子系统100包括发动机1、永磁同步发电机2、多电源模块3、整流模块4、直流母线11、用电模块110和第一电力开关5a；发动机1的输出与永磁同步发电机2的输入连接；永磁同步发电机2的输出与整流模块4的一个输入连接；多电源模块3的输出与整流模块4的输入对应连接；整流模块4的输出与直流母线11连接；用电模块110的输入都与直流母线11连接；第一电力开关5a的一端与该电力推进子系统100的直流母线11的一个终端相连，另一端与另一个电力推进子系统100的直流母线11的另一个终端连接；所有直流母线11通过第一电力开关5a连接后，形成封闭的环形。
进一步，本发明提供一种基于永磁同步发电的混合动力船舶直流组网电力推进系统，还可以具有这样的特征：电力推进子系统100还包括第二电力开关5b；第二电力开关5b接入该电力推进子系统100的直流母线11的另一个终端和另一个电力推进子系统100的第一电力开关5a之间，即第二电力开关5b的一端与该电力推进子系统100的直流母线11的另一个终端连接，另一端与第一电力开关5a的另一端相连。
进一步，本发明提供一种基于永磁同步发电的混合动力船舶直流组网电力推进系统，还可以具有这样的特征：还包括若干个控制开关200；至少一个控制开关200设置在一个的电力推进子系统100的第一电力开关5a和相邻电力推进子系统100的的第二电力开关5b之间。
进一步，本发明提供一种基于永磁同步发电的混合动力船舶直流组网电力推进系统，还可以具有这样的特征：多电源模块3包括若干个发电模块；发电模块为光伏发电模块31、电池模块32、风力发电模块33中的任意一种或几种。
进一步，本发明提供一种基于永磁同步发电的混合动力船舶直流组网电力推进系统，还可以具有这样的特征：整流模块4包括电机整流模块41和若干个发电整流模块42；电机整流模块41的输入与永磁同步发电机2的输出连接；发电整流模块42与发电模块一一对应；发电整流模块42的输入与发电模块的输出连接；电机整流模块41、发电整流模块42的输出都与直流母线11连接。
进一步，本发明提供一种基于永磁同步发电的混合动力船舶直流组网电力推进系统，还可以具有这样的特征：用电模块110包括电源逆变器6和负载；电源逆变器6的输入与直流母线11连接；电源逆变器6的输出与负载连接。
进一步，本发明提供一种基于永磁同步发电的混合动力船舶直流组网电力推进系统，还可以具有这样的特征：用电模块110包括逆变器模块7和电机组8；逆变器模块7的输入与直流母线11连接；逆变器模块7的输出与电机组8的输入连接。
进一步，本发明提供一种基于永磁同步发电的混合动力船舶直流组网电力推进系统，还可以具有这样的特征：逆变器模块7包括若干个逆变器；电机组8包括若干个永磁同步电机；逆变器和永磁同步电机一一对应；逆变器的输入都与直流母线11连接；逆变器的输出分别与对应的永磁同步电机的输入连接。
进一步，本发明提供一种基于永磁同步发电的混合动力船舶直流组网电力推进系统，还可以具有这样的特征：电机组8的输出给螺旋桨9和/或船舵10供电。
本发明提供一种基于永磁同步发电的混合动力船舶直流组网电力推进系统，电源兼容柴油机发电系统、风能、光伏系统、储能系统，满足多机组、多能源形式并网运行,系统简单可靠，占用空间小，成为新一代船舶电力推进系统的发展方向；较异步发电，系统提升效率10％，体积减小30％，重量减轻35％，避免了交流并网频率要求，发电机组可根据工况需求变速运行，从而机组效率更高,能耗更低。
附图说明
图1是基于永磁同步发电的混合动力船舶直流组网电力推进系统的电路图。
图2是电力推进子系统的电路图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的描述。
实施例
本实施例中的基于永磁同步发电的混合动力船舶直流组网电力推进系统，包括：4个电力推进子系统100和8个控制开关200。
本实施例中，每个电力推进子系统100包括：发动机1、永磁同步发电机2、多电源模块3、整流模块4、直流母线11、用电模块110、第一电力开关5a、第二电力开关5b和用电模块110。
本实施例中，柴油发动机1的输出与永磁同步发电机2的输入连接。多电源模块3包括3个发电模块，分别为发电模块为光伏发电模块31、电池模块32、风力发电模块33。IGBT整流模块4包括：电机整流模块41和3个发电整流模块42。电机整流模块41的输入与永磁同步发电机2的输出连接。发电整流模块42与发电模块一一对应；发电整流模块42的输入与发电模块的输出连接。为了方便控制在电机整流模块41与永磁同步发电机2之间设置开关，同样的在发电整流模块42与发电模块之间也设置开关。开关可以是远程控制开关、感应开关，当然也可以是人工手动开关。
整流模块4的电机整流模块41、发电整流模块42的输出都与直流母线11连接。
本实施例中，用电模块110包括：电源逆变器6、负载、逆变器模块7和电机组8。电源逆变器6的输入与直流母线11连接，电源逆变器6的输出与负载连接。逆变器模块7的输入与直流母线11连接；逆变器模块7的输出与电机组8的输入连接。本实施例中，逆变器模块7包括两个逆变器；电机组8包括两个永磁同步电机。逆变器和永磁同步电机一一对应；逆变器的输入都与直流母线11连接；逆变器的输出分别与对应的永磁同步电机的输入连接。两个电机组8的输出分别给螺旋桨9和船舵10供电。为了方便控制在电源逆变器6、负载之间，逆变器和永磁同步电机之间设置开关。开关可以是远程控制开关、感应开关，当然也可以是人工手动开关。
本实施例中，两个电力推进子系统100之间的设置两个控制开关200。
每个电力推进子系统100中的第一电力开关5a的一端与该电力推进子系统100的直流母线11的一个终端相连，第一电力开关5a另一端与一个控制开关200的一端连接。该控制开关200的另一端与另一个控制开关200的一端连接。另一个控制开关的另一端与一侧相邻的电力推进子系统100中的第二电力开关5b的一端连接。
同样的，每个电力推进子系统100中的第二电力开关5b的一端与该电力推进子系统100的直流母线11的另一个终端相连，第二电力开关5b另一端与一个控制开关200的一端连接。该控制开关200的另一端与另一个控制开关200的一端连接。另一个控制开关的另一端与另一侧相邻的电力推进子系统100中的第一电力开关5a的一端连接。
以此类推，所有直流母线11通过第一电力开关5a、两个控制开关200、第二电力开关5b连接后，形成封闭的环线。
第一电力开关5a和第二电力开关5b可以采用电压开关或电流开关。正常使用状态下，第一电力开关5a、两个控制开关200、第二电力开关闭合，某一个电力推进子系统100发生短路或其他故障，瞬间的峰值电流或电压超过第一电力开关5a、第二电力开关5b的额定值，该电力开关关闭，将发生故障的电力推进子系统100从系统中分离出去，其他电力推进子系统100仍然正常运动。控制开关200可以是远程控制开关、感应开关，当然也可以是人工手动开关。如有检测维修一个电力推进子系统100时，手动关闭该电力推进子系统100两侧的控制开关200，保证其他电力推进子系统100的正产运行。
本发明提供的一种基于永磁同步发电的混合动力船舶直流组网电力推进系统，采用柴油机+永磁同步发电机+直流变频器，同时满足风能、光伏系统、储能系统向直流母排供电；该系统柴油机同时满足变速调速器和定速调速器，可极大的提升船舶柴油机发电机组的性能，与传统励磁异步发电机或者同步发电机相比，采用永磁同步发电机，省去了励磁系统、AVR调速器和滤波系统，系统效率提升20％、体积减小30％和重量减轻35％，具有系统简单、高效、高可靠、维护量少等优点；该系统柴油机具有多电源兼容性，不受转速波动率限制，响应时间快，调节范围广，当柴油机组受到较大冲击时，转速波动大于规范要求时，由于IGBT整流器有调节转速、频率、电压的能力，不会导致柴油发电机组并网失败；该系统解决了大功率永磁发电机散热难题，其效率大于97％。IGBT整流器的电压调节范围可达到-20％～+50％，稳定时间在1S以内；该系统高效节能，在低负荷状态下，效率大于0.94左右，功率因素维持在0.9左右。
以上所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种基于永磁同步发电的混合动力船舶直流组网电力推进系统，其特征在于：包括，若干个电力推进子系统(100)；
其中，所述电力推进子系统(100)包括发动机(1)、永磁同步发电机(2)、多电源模块(3)、整流模块(4)、直流母线(11)、用电模块(110)和第一电力开关(5a)；
所述发动机(1)的输出与所述永磁同步发电机(2)的输入连接；
所述永磁同步发电机(2)的输出与所述整流模块(4)的一个输入连接；
所述多电源模块(3)的输出与所述整流模块(4)的输入对应连接；
所述整流模块(4)的输出与所述直流母线(11)连接；
所述用电模块(110)的输入都与所述直流母线(11)连接；
所述第一电力开关(5a)的一端与该所述电力推进子系统(100)的所述直流母线(11)的一个终端相连，另一端与另一个所述电力推进子系统(100)的所述直流母线(11)的另一个终端连接；
所有所述直流母线(11)通过所述第一电力开关(5a)连接后，形成封闭的环形。
2.如权利要求1的基于永磁同步发电的混合动力船舶直流组网电力推进系统，其特征在于：
其中，所述电力推进子系统(100)还包括第二电力开关(5b)；
所述第二电力开关(5b)接入该所述电力推进子系统(100)的所述直流母线(11)的另一个终端和另一个所述电力推进子系统(100)的所述第一电力开关(5a)之间，即所述第二电力开关(5b)的一端与该所述电力推进子系统(100)的所述直流母线(11)的另一个终端连接，另一端与所述第一电力开关(5a)的另一端相连。
3.如权利要求2的基于永磁同步发电的混合动力船舶直流组网电力推进系统，其特征在于：
还包括若干个控制开关(200)；
至少一个所述控制开关(200)设置在一个的所述电力推进子系统(100)的所述第一电力开关(5a)和相邻所述电力推进子系统(100)的的所述第二电力开关(5b)之间。
4.如权利要求1的基于永磁同步发电的混合动力船舶直流组网电力推进系统，其特征在于：
其中，所述多电源模块(3)包括若干个发电模块；
所述发电模块为光伏发电模块(31)、电池模块(32)、风力发电模块(33)中的任意一种或几种。
5.如权利要求4的基于永磁同步发电的混合动力船舶直流组网电力推进系统，其特征在于：
其中，所述整流模块(4)包括电机整流模块(41)和若干个发电整流模块(42)；
所述电机整流模块(41)的输入与所述永磁同步发电机(2)的输出连接；
所述发电整流模块(42)与所述发电模块一一对应；所述发电整流模块(42)的输入与所述发电模块的输出连接；
所述电机整流模块(41)、所述发电整流模块(42)的输出都与所述直流母线(11)连接。
6.如权利要求1的基于永磁同步发电的混合动力船舶直流组网电力推进系统，其特征在于：
其中，所述用电模块(110)包括电源逆变器(6)和负载；
所述电源逆变器(6)的输入与所述直流母线(11)连接；
所述电源逆变器(6)的输出与所述负载连接。
7.如权利要求1的基于永磁同步发电的混合动力船舶直流组网电力推进系统，其特征在于：
其中，所述用电模块(110)包括逆变器模块(7)和电机组(8)；
所述逆变器模块(7)的输入与所述直流母线(11)连接；
所述逆变器模块(7)的输出与所述电机组(8)的输入连接。
8.如权利要求7的基于永磁同步发电的混合动力船舶直流组网电力推进系统，其特征在于：
其中，所述逆变器模块(7)包括若干个逆变器；
所述电机组(8)包括若干个永磁同步电机；
所述逆变器和所述永磁同步电机一一对应；
所述逆变器的输入都与所述直流母线(11)连接；
所述逆变器的输出分别与对应的所述永磁同步电机的输入连接。
9.如权利要求7的基于永磁同步发电的混合动力船舶直流组网电力推进系统，其特征在于：
其中，所述电机组(8)的输出给螺旋桨(9)和/或船舵(10)供电。
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