CN113364063B - 纯电池动力船舶综合电力系统辐射状电网结构及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及船舶电力系统技术领域，具体涉及一种纯电池动力船舶综合电力系统辐射状电网结构及控制方法。其电网结构包括直流母排、交流母排、电池组、DC/DC变流器、DC/AC逆变器、推进变频器/整流充电集成装置，DC/DC变流器输入端与电池组之间连接有隔离开关、与直流母排之间连接有第一直流开关组件，DC/DC变流器输出端与直流母排之间连接有第二直流开关组件，至少有一段直流母排通过依次连接的第四直流开关组件、DC/AC逆变器、第一交流断路器连接至第一交流母排，每段直流母排均通过依次连接的第三直流开关组件、推进变频器/整流充电集成装置、第一交流接触器连接至一段第二交流母排，每段第二交流母排均通过一个第二交流接触器连接至一个推进电机。

Description

纯电池动力船舶综合电力系统辐射状电网结构及控制方法

技术领域

本发明涉及船舶电力系统技术领域，具体涉及一种纯电池动力船舶综合电力系统辐射状电网结构及控制方法。

背景技术

随着我国节能减排、能源生产和消费革命政策的深入实施，我国能源、交通等领域迎来重大发展契机。在内河船舶方面，纯电池动力船舶具有零排放、无污染、静音、操控性好等优点，正逐步在中短途运输船、观光游览船、客货渡船等内河船舶上应用。然而，目前已有和在研的纯电池动力船舶，其综合电力系统电网结构普遍存在以下三方面问题：

1）设备在线检修困难。现有纯电池动力船舶综合电力系统主要采用以快速熔断器为保护元件的低压直流辐射状电网结构，电池接入DC/DC变流器、推进变频器、DC/AC逆变器均通过直流快速熔断器接入750V或1000V直流母排。当这些设备故障需检修时，快速熔断器无法提供断开故障设备支路的功能，导致这些设备无法在线检修，从而限制了系统运行的灵活性。

2）需额外配置岸电整流充电装置，增加了成本、降低了岸电供电效率。一般码头采用390V/50Hz三相交流岸电，为满足船舶停靠码头时电池充电及日用负载供电需求，通常在船上配置高频PWM整流或多脉波不控整流装置，向直流母排供电，再经DC/DC变流器向电池充电、经DC/AC逆变器向日用负载供电。这种方式不仅需要额外增设整流充电装置，增加了成本和船总体资源消耗，而且岸电供电存在两级电能变换，供电效率较低。

3）系统集成度不高。直流配电板、交流配电板分别配置，两者之间需要增加额外的开关元件和电缆，使得系统集成度不高、可靠性降低、成本增加。

为解决纯电池动力船舶综合电力系统面临的上述现实问题，有必要提出一种新型电网结构，在满足全船推进和日用负载供电需求的基本前提下，尽可能优化系统配置、提高系统技术性能、经济性和维修性，增强纯电池动力船舶综合电力系统的性能代价比。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种纯电池动力船舶综合电力系统辐射状电网结构及控制方法，该电网结构不仅可以实现单个支路设备故障时的隔离与在线检修，不影响其他设备正常工作；而且将岸电充电装置与推进变频器功能集成，不需要额外配置充电装置，节省了成本，提高了岸电供电效率，适合于靠岸情况下需较长时间充电的场合；此外，还将直流配电与交流配电综合考虑，由1套集成式变配电设备实现直流配电、交流配电、DC/DC变流器、DC/AC逆变器、推进变频器、岸电整流充电装置功能全部集成，提高了系统集成度、减少了电缆连接，增强了系统运行可靠性。

本发明一种纯电池动力船舶综合电力系统辐射状电网结构，其技术方案为：

包括m段直流母排、交流母排、电池组、DC/DC变流器、DC/AC逆变器、推进变频器/整流充电集成装置，所述交流母排包括一段第一交流母排和m段第二交流母排，每段所述直流母排均通过n个DC/DC变流器分别连接至n个电池组，所述DC/DC变流器输入端与所述电池组之间连接有隔离开关，所述DC/DC变流器输入端与直流母排之间连接有第一直流开关组件，所述DC/DC变流器输出端与直流母排之间连接有第二直流开关组件，每段所述直流母排均通过一个推进变频器/整流充电集成装置连接至一段第二交流母排，每段第二交流母排均通过一个第二交流接触器连接至一个推进电机，所述直流母排与推进变频器/整流充电集成装置之间连接有第三直流开关组件，所述推进变频器/整流充电集成装置与第二交流母排之间连接有第一交流接触器，m段所述直流母排中至少有两段直流母排通过依次连接的第四直流开关组件、DC/AC逆变器、第一交流断路器连接至第一交流母排，所述第一交流母排通过第二交流断路器连接交流岸电，所述直流母排之间通过第五直流开关组件连接，所述第一交流母排与第二交流母排之间通过第三交流断路器连接；

其中，m为船舶上设置的直流母排、第二交流母排、推进变频器/整流充电集成装置、推进电机的数量，n为每段直流母排上连接的电池组数量。

较为优选的，所述DC/DC变流器采用半H桥结构。

较为优选的，所述推进变频器/整流充电集成装置采用带交流侧电感的三相两电平电压源型PWM变流器结构。

较为优选的，所述DC/AC逆变器采用三相两电平电压源型PWM逆变器结构。

较为优选的，所述第一直流开关组件~第五直流开关组件均为直流接触器与直流快速熔断器串联形成的一体化直流开关组件。

本发明提供一种纯电池动力船舶综合电力系统辐射状电网结构的控制方法，其技术方案为：

当推进变频器/整流充电集成装置检测到第三交流断路器分闸、第一交流接触器和第二交流接触器合闸时，采用变频器控制模式；所述变频器控制模式下，电池组为直流母排供电，所述推进变频器/整流充电集成装置驱动推进电机工作，所述直流母排经DC/AC逆变器和第一交流母排向日用负载供电；

当推进变频器/整流充电集成装置检测到第三交流断路器和第一交流接触器合闸、第二交流接触器分闸时，采用整流充电控制模式；所述整流充电控制模式下，第一交流母排接入交流岸电并向第二交流母排和日用负载供电，所述第二交流母排通过推进变频器/整流充电集成装置和直流母排向电池组充电。

较为优选的，当所述推进变频器/整流充电集成装置处于变频器模式时，所述第二直流开关组件、第三直流开关组件、第四直流开关组件、第五直流开关组件、第一交流接触器、第二交流接触器、第一交流断路器合闸，第二交流断路器、第三交流断路器、第一直流开关组件分闸；

当所述推进变频器/整流充电集成装置处于整流充电模式时，所述第二直流开关组件、第四直流开关组件、第五直流开关组件、第二交流接触器、第一交流断路器分闸，第一交流接触器、第二交流断路器、第三交流断路器、第一直流开关组件、第三直流开关组件合闸。

较为优选的，所述推进变频器/整流充电集成装置在变频器模式下，采用转子磁链定向控制，所述转子磁链定向控制的外环采用转速PI控制，即通过PI控制，使得推进电机转速达到指令值，其输出为内环电流q轴指令值；所述转子磁链定向控制的内环采用定子电流PI控制，即通过PI控制，使得推进电机定子dq轴电流达到指令值，其输出为交流电压调制信号。

较为优选的，所述推进变频器/整流充电集成装置在整流充电模式下，采用先恒流充电、再恒压充电的双闭环控制，所述双闭环控制的外环采用直流电流/直流电压PI控制和交流侧无功功率PI控制，即通过PI控制，使得直流侧电流或者电压达到指令值，交流侧无功功率为0；所述双闭环控制的内环采用交流侧电流PI控制，即通过PI控制，使得交流侧dq轴电流达到指令值，其输出为交流侧电压调制信号。

本发明的有益效果为：本发明采用“交直流混合电制、直流开关组件保护、变配电集成、推进变频器与整流充电装置功能复用”的技术思想，在航行工况，电池组经各自对应的单向DC/DC变流器、直流开关组件向直流750V或1000V母排供电，推进变频器/整流充电集成装置（工作在变频器模式）驱动推进电机，DC/AC逆变器经390V交流母排向日用负载供电；在靠岸工况，DC/DC变流器、DC/AC逆变器均停机，390V交流岸电接入第一交流母排，一方面直接向日用负载供电，另一方面经推进变频器/整流充电集成装置（工作在整流充电模式）、直流开关组件、直流母排向全部锂电池组充电。本发明提出的纯电池动力船舶综合电力系统辐射状电网结构及控制方法，在满足全船负载供电、电池充放电的前提下，优化了系统配置，将设备综合集成、功能复用，将简化系统配置、提高系统可靠性、降低系统成本和对船总体的资源消耗，提升系统性能代价比。

1、本发明采用直流接触器与直流快速熔断器串联组成的一体化直流开关组件，替代传统电网结构的直流熔断器，不仅可以实现各直流配电支路在发生短路故障时的选择性保护，而且在设备需要检修时，通过断开相应的直流接触器，实现待检修设备的隔离与在线检修，提高系统运行灵活性。

2、本发明采用推进变频器/整流充电集成装置，在航行工况下，通过控制使其工作在变频器模式，驱动推进电机；在靠岸工况下，通过控制使其工作在整流充电模式，将交流岸电整流成直流向电池充电。该集成装置实现了变频器、整流充电装置的功能复用，不仅降低了成本和总体资源消耗，而且岸电供电时仅存在该装置这一级电能变换，供电效率高。

3、本发明采用1套集成式变配电设备，实现了直流配电、交流配电、DC/DC变流器、DC/AC逆变器、推进变频器、岸电整流充电装置功能全部集成，提高了系统集成度、减少了电缆连接，增强了系统可靠性。

附图说明

图1为本发明纯电池动力船舶综合电力系统辐射状电网结构示意图；

图2为本发明纯电池动力船舶综合电力系统辐射状电网结构一种较佳实施例的结构示意图；

图3为本发明锂电池接入DC/DC变流器的电路图；

图4为本发明推进变频器/整流充电集成装置的电路图；

图5为本发明DC/AC逆变器的电路图；

图6为本发明电网结构在航行工况下的能量流示意图；

图7为本发明电网结构在靠岸工况下的能量流示意图；

图8为本发明推进变频器/整流充电集成装置在变频器模式下的控制策略图；

图9为本发明推进变频器/整流充电集成装置在整流充电模式下的控制策略图。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

如图1所示，本方案包括m段直流母排、交流母排、电池组、DC/DC变流器、DC/AC逆变器、推进变频器/整流充电集成装置，所述交流母排包括一段第一交流母排和m段第二交流母排，每段所述直流母排均通过n个DC/DC变流器分别连接至n个电池组，所述DC/DC变流器输入端与所述电池组之间连接有隔离开关，所述DC/DC变流器输入端与直流母排之间连接有第一直流开关组件，所述DC/DC变流器输出端与直流母排之间连接有第二直流开关组件，每段所述直流母排均通过一个推进变频器/整流充电集成装置连接至一段第二交流母排，每段第二交流母排均通过一个第二交流接触器连接至一个推进电机，所述直流母排与推进变频器/整流充电集成装置之间连接有第三直流开关组件，所述推进变频器/整流充电集成装置与第二交流母排之间连接有第一交流接触器，m段所述直流母排中至少有两段直流母排通过依次连接的第四直流开关组件、DC/AC逆变器、第一交流断路器连接至第一交流母排，所述第一交流母排通过第二交流断路器连接交流岸电，所述直流母排之间通过第五直流开关组件连接，所述第一交流母排与第二交流母排之间通过第三交流断路器连接；

其中，m为船舶上设置的直流母排、第二交流母排、推进变频器/整流充电集成装置、推进电机的数量，n为每段直流母排上连接的电池组数量。

实施例一

图2示出了本申请较佳实施例（图2示出了本申请第一实施例）提供的一种纯电池动力船舶综合电力系统辐射状电网结构的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

该实施例以含两个推进电机（即m为2）的船舶为例进行说明，图中：

B₁, B₂,…B_2n为2n组锂电池组；S₁, S₂,…S_2n为2n台隔离开关；C₁, C₂,…C_2n为用于2n台锂电池组接入DC/DC变流器；K_{1_1}, K_{2_1},…K_{2n_1}为用于向2n组锂电池组充电的直流开关组件，K_{1_2}, K_{2_2},…K_{2n_2}为用于2n台DC/DC变流器接入直流母排的直流开关组件，K_B为跨接2段直流母排的直流开关组件，K_D1和K_D2为用于2台推进变频器/整流充电集成装置接入直流母排的直流开关组件；K_I1和K_I2为用于2台DC/AC逆变器接入直流母排的直流开关组件；D₁和D₂为2台推进变频器/整流充电集成装置，当其工作在变频器模式时，用于驱动推进电机M₁和M₂，当工作在整流充电模式时，用于将390V/50Hz交流岸电转变成直流电，向锂电池组充电；I₁和I₂为2台DC/AC逆变器，用于将750V或1000V直流电逆变为390V/50Hz三相三线制交流电；B_D1、B_D2，B_I1、B_I2和B_S均为交流断路器；用于向日用负载供电和390V/50Hz交流岸电接入。

该实施例包括一种纯电池动力船舶综合电力系统辐射状电网结构，包括2段直流母排、交流母排、电池组、DC/DC变流器、DC/AC逆变器、推进变频器/整流充电集成装置，所述交流母排包括一段第一交流母排和2段第二交流母排，每段直流母排均通过n个DC/DC变流器分别连接至n个电池组，所述DC/DC变流器输入端与所述电池组之间连接有隔离开关（S₁,S₂,…S_2n），所述DC/DC变流器输入端与直流母排之间连接有第一直流开关组件（K_{1_1},K_{2_1},…K_{2n_1}），所述DC/DC变流器输出端与直流母排之间连接有第二直流开关组件（K_{1_2},K_{2_2},…K_{2n_2}），每段所述直流母排均通过一个推进变频器/整流充电集成装置（D₁、D₂）连接至一段第二交流母排，每段第二交流母排均通过一个第二交流接触器（J_{D1_2}、J_{D2_2}）连接至一个推进电机（M₁、M₂），所述直流母排与推进变频器/整流充电集成装置之间连接有第三直流开关组件（K_D1、K_D2），所述推进变频器/整流充电集成装置与第二交流母排之间连接有第一交流接触器（J_{D1_1}、J_{D2_1}），2段直流母排通过依次连接的第四直流开关组件（K_I1和K_I2）、DC/AC逆变器（I₁和I₂）、第一交流断路器（B_I1、B_I2）连接至第一交流母排，所述第一交流母排通过第二交流断路器（B_S）连接交流岸电，所述直流母排之间通过第五直流开关组件（K_B）连接，所述第一交流母排与第二交流母排之间通过第三交流断路器（B_D1、B_D2）连接，n为每段直流母排上连接的电池组数量。

如图3所示，较为优选的，所述DC/DC变流器采用半H桥结构。每组锂电池组接至每台DC/DC变流器的输入侧，变流器输出经直流开关组件接入至750V或1000V直流母排，通过对IGBT器件S_C1和S_C2的导通关断控制，实现锂电池组输出电压U _b至直流母线电压U _o的变换，并控制各锂电池组输出功率。

如图4所示，较为优选的，所述推进变频器/整流充电集成装置采用带交流侧电感的三相两电平电压源型PWM变流器结构。其直流侧经接触器与快速熔断器组件接入至直流母排，交流侧经交流断路器接入至交流母排，通过对IGBT器件S_D1-S_D6的导通关断控制，实现直流电与交流电的电能变换（双向型）。当其工作在变频模式时，能量流由直流侧输入、交流侧输出，以驱动推进电机并控制器转速；当其工作在整流充电模式时，能量流由交流侧输入、直流侧输出，向锂电池组充电。图中，U _o、I _o为直流侧电压和电流；u _pa、u _pb、u _pc、i _pa、i _pb、i _pc分别为交流侧三相电压和电流；C为直流侧支撑电容，L为交流侧电感；P _p、Q _p为交流侧有功功率和无功功率（以从直流侧流向交流侧为正）。

如图5所示，较为优选的，所述DC/AC逆变器采用三相两电平电压源型PWM逆变器结构。其直流侧经直流开关组件接入至750V或1000V直流母排，交流侧经LCL滤波、交流断路器向390V/50Hz交流母排供电。通过对IGBT器件S_I1-S_I6的导通关断控制，将直流电逆变为390V/50Hz三相交流电。

较为优选的，所述第一直流开关组件~第五直流开关组件均为直流接触器与直流快速熔断器串联形成的一体化直流开关组件。

本发明提供一种纯电池动力船舶综合电力系统辐射状电网结构的控制方法，其技术方案为：

当推进变频器/整流充电集成装置检测到第三交流断路器分闸、第一交流接触器和第二交流接触器合闸时，采用变频器控制模式，所述变频器控制模式下，电池组为直流母排供电，所述推进变频器/整流充电集成装置驱动推进电机工作，所述直流母排经DC/AC逆变器和第一交流母排向日用负载供电；

当推进变频器/整流充电集成装置检测到第三交流断路器和第一交流接触器合闸、第二交流断路器分闸时，采用整流充电控制模式，所述整流充电控制模式下，第一交流母排接入交流岸电并向第二交流母排和日用负载供电，所述第二交流母排通过推进变频器/整流充电集成装置和直流母排向电池组充电。

较为优选的，当所述推进变频器/整流充电集成装置处于变频器模式时，所述第二直流开关组件、第三直流开关组件、第四直流开关组件、第五直流开关组件、第一交流接触器、第二交流接触器、第一交流断路器合闸，第二交流断路器、第三交流断路器、第一直流开关组件分闸；

当所述推进变频器/整流充电集成装置处于整流充电模式时，所述第二直流开关组件、第四直流开关组件、第五直流开关组件、第二交流接触器、第一交流断路器分闸，第一交流接触器、第二交流断路器、第三交流断路器、第一直流开关组件、第三直流开关组件合闸。

实施例二

该实施例以含两个推进电机（即m为2）的船舶为例进行说明。

如图6所示，在航行工况下，根据推进、日用负载功率大小，投入不同数量的锂电池组及其DC/DC变流器，向750V或1000V直流母排供电（两段直流母排之间的直流开关组件K_B合闸）；直流开关组件K_{1_1}-K_{2n_1}分闸，直流开关组件K_D1和K_D2合闸、交流接触器J_{D1_1}、J_{D1_2}、J_{D2_1}和J_{D2_2}合闸、交流断路器B_D1和B_D2分闸，两台推进变频器/整流充电集成装置工作在变频器模式，分别驱动两台推进电机；1台DC/AC逆变器投入，另1台DC/AC逆变器处于备用状态，如将逆变器I₁投入，直流开关组件K_I1合闸、交流断路器B_I1合闸，则逆变器I₁经390V/50Hz交流母排向日用负载供电。

DC/AC逆变器功率和数量按日用负载最大功率的100%冗余配置，实际运行时DC/AC逆变器按照总数量的50%投入运行、剩余50%备用的原则，所述第四直流开关组件（K_D1和K_D2）、DC/AC逆变器（I₁和I₂）、第一交流断路器（B_I1和B_I2），均只需投入总数量的50%即可满足日用负载供电需求。

如图7所示，在靠岸工况下，将岸电接入（交流断路器B_S合闸），由岸电直接向390V/50Hz交流母排供电；将交流接触器J_{D1_1}和J_{D2_1}合闸，交流接触器J_{D1_2}和J_{D2_2}分闸，交流断路器B_D1和B_D2合闸，直流开关组件K_D1和K_D2合闸，直流开关组件K_{1_1}-K_{2n_1}合闸，直流开关组件K_{1_2}-K_{2n_2}分闸，隔离开关S₁-S_2n合闸，两段直流母排之间的直流开关组件K_B分闸，两台推进变频器/整流充电集成装置工作在整流充电模式，其中推进变频器/整流充电集成装置D₁向锂电池组B₁-B_n充电；推进变频器/整流充电集成装置D₂向锂电池组B_n+1-B_2n充电。

如图8所示，在航行工况下，当推进变频器/整流充电集成装置D₁和D₂检测到交流断路器B_D1和B_D2分闸，交流接触器J_{D1_1}和J_{D2_1}合闸，则采用变频器控制模式。采取转子磁链定向控制策略：外环为转速PI控制，内环为定子电流PI控制。其中，ω _ref、ω为推进电机的角频率指令和实际角频率，i _pdref1为推进电机励磁电流指令值；R _r、L _r、L _m为推进电机的转子电阻、漏感和激磁电感，ψ _dr为推进电机转子磁链；i _pd1、i _pq1为定子三相电流i _pa、i _pb、i _pc经dq变换得到的dq轴分量，θ ₁为计算得到的同步旋转角（dq变换角），s为拉普拉斯变换算子。

在外环转速PI控制中，ω _ref和ω的差值经PI控制器输出推进电机电磁转矩指令值T _eref；i _pd1经转子磁链观测器计算得到推进电机转子磁链ψ _dr：

（1）

再由推进电机电磁转矩指令值T _eref、转子磁链ψ _dr计算得到内环电流q轴指令值i _pqref1为：

（2）

在内环定子电流PI控制中，i _pqref1和i _pq1的差值经PI控制器得到q轴电压指令值u _q1；i _pdref1和i _pd1的差值经PI控制器得到d轴电压指令值u _d1；u _q1和u _d1再经过dq变换得到PWM控制的调制波信号u _a1、u _b1和u _c1。

如图9所示，在靠岸工况下，当推进变频器/整流充电集成装置D₁和D₂检测到交流断路器B_D1和B_D2合闸，交流接触器J_{D1_2}和J_{D2_2}分闸，则采用整流充电控制模式。采取先恒流充电、再恒压充电的双闭环控制策略：外环为直流电流（或直流电压）、交流侧无功功率PI控制，内环为交流侧电流PI控制。其中，I _oref、U _oref分别为恒流充电、恒压充电时的直流电流和电压指令值，i _pd2、i _pq2为交流侧三相电流i _pa、i _pb、i _pc经dq变换得到的dq轴分量，θ ₂为对三相电压u _pa、u _pb、u _pc进行锁相环控制得到的同步旋转角（dq变换角）。

在外环直流电流（或直流电压）、交流侧无功功率PI控制中，I _oref和I _o的差值，以及U _oref和U _o的差值，经切换标识Flag选择后，经过PI控制器输出内环电流d轴指令值i _pdref2。切换标识Flag由电池组SoC决定，当SoC≤90%时Flag=0，对应恒流充电，当90%＜SoC≤100%时Flag=1，对应恒压充电。0与交流侧无功功率Q _p的差值，经PI控制器输出内环电流q轴指令值i _pqref2。PI控制使交流侧无功功率Q _p为0，目的是控制交流侧功率因数为1，以减少对岸电供电容量的要求，并降低无功功率对岸电的影响。

在内环交流侧电流PI控制中，i _pdref2和i _pd2的差值经PI控制器后，与交叉耦合项ω Li _pq2相加得到d轴电压指令值u _d2；i _pqref2和i _pq2的差值经PI控制器后，与交叉耦合项ωLi _pd2相减得到q轴电压指令值u _q2；u _d2和u _q2再经过dq变换得到PWM控制的调制波信号u _a2、u _b2和u _c2。

本发明的锂电池组分为两组，分别经各自的DC/DC变流器、直流保护单元接入至2段直流母排；2段直流母排分别经相应的直流保护单元向2套推进变频器/整流充电集成装置、2台DC/AC逆变器供电；直流保护单元采用直流接触器与快速熔断器串联组件，以实现直流各支路正常工作时的分合操作、短路故障时的快速保护；2台DC/AC逆变器分别经交流保护单元向交流母排供电，交流母排再向日用负载供电；交流保护单元主要是交流断路器。推进变频器/整流充电集成装置可工作在变频器模式，用于航行工况驱动推进电机并控制推进电机转速；也可工作在整流充电模式，用于靠岸工况交流岸电经该整流充电装置向锂电池组充电。本发明集直流配电、交流配电、DC/DC变流器、DC/AC逆变器、推进变频器/整流充电装置于一体，可以有效提高纯电池动力船舶综合电力系统的集成度、减少了设备之间的连接电缆，增强了系统运行可靠性，具有易于在线检修、不需额外配置整流充电装置、结构紧凑、效率高等优点，适用于纯电池动力船舶直流1kV级及以下电压等级的低压综合电力系统。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种纯电池动力船舶综合电力系统辐射状电网结构，其特征在于：包括m段直流母排、交流母排、电池组、DC/DC变流器、DC/AC逆变器、推进变频器/整流充电集成装置，所述交流母排包括一段第一交流母排和m段第二交流母排，每段所述直流母排均通过n个DC/DC变流器分别连接至n个电池组，所述DC/DC变流器输入端与所述电池组之间连接有隔离开关，所述DC/DC变流器输入端与直流母排之间连接有第一直流开关组件，所述DC/DC变流器输出端与直流母排之间连接有第二直流开关组件，每段所述直流母排均通过一个推进变频器/整流充电集成装置连接至一段第二交流母排，每段第二交流母排均通过一个第二交流接触器连接至一个推进电机，所述直流母排与推进变频器/整流充电集成装置之间连接有第三直流开关组件，所述推进变频器/整流充电集成装置与第二交流母排之间连接有第一交流接触器，m段所述直流母排中至少有一段直流母排通过依次连接的第四直流开关组件、DC/AC逆变器、第一交流断路器连接至第一交流母排，所述第一交流母排通过第二交流断路器连接交流岸电，所述直流母排之间通过第五直流开关组件连接，所述第一交流母排与第二交流母排之间通过第三交流断路器连接；

其中，m为船舶上设置的直流母排、第二交流母排、推进变频器/整流充电集成装置、推进电机的数量，n为每段直流母排上连接的电池组数量；

所述第一直流开关组件~第五直流开关组件均为直流接触器与直流快速熔断器串联形成的一体化直流开关组件；

当推进变频器/整流充电集成装置检测到第三交流断路器分闸、第一交流接触器和第二交流接触器合闸时，采用变频器控制模式；所述变频器控制模式下，电池组为直流母排供电，所述推进变频器/整流充电集成装置驱动推进电机工作，所述直流母排经DC/AC逆变器和第一交流母排向日用负载供电；

当推进变频器/整流充电集成装置检测到第三交流断路器和第一交流接触器合闸、第二交流接触器分闸时，采用整流充电控制模式；所述整流充电控制模式下，第一交流母排接入交流岸电并向第二交流母排和日用负载供电，所述第二交流母排通过推进变频器/整流充电集成装置和直流母排向电池组充电；

当所述推进变频器/整流充电集成装置处于整流充电模式时，所述第二直流开关组件、第四直流开关组件、第五直流开关组件、第二交流接触器、第一交流断路器分闸，第一交流接触器、第二交流断路器、第三交流断路器、第一直流开关组件、第三直流开关组件合闸。

2.根据权利要求1所述的纯电池动力船舶综合电力系统辐射状电网结构，其特征在于：m段所述直流母排中至少有两段直流母排分别通过依次连接的第四直流开关组件、DC/AC逆变器、第一交流断路器连接至第一交流母排，且在实际运行时，仅将所述第四直流开关组件、DC/AC逆变器、第一交流断路器中的一半投入运行。

3.根据权利要求1所述的纯电池动力船舶综合电力系统辐射状电网结构，其特征在于：所述DC/DC变流器采用半H桥结构。

4.根据权利要求1所述的纯电池动力船舶综合电力系统辐射状电网结构，其特征在于：所述推进变频器/整流充电集成装置采用带交流侧电感的三相两电平电压源型PWM变流器结构。

5.根据权利要求1所述的纯电池动力船舶综合电力系统辐射状电网结构，其特征在于：所述DC/AC逆变器采用三相两电平电压源型PWM逆变器结构。

6.一种如权利要求1所述的纯电池动力船舶综合电力系统辐射状电网结构的控制方法，其特征在于：

当推进变频器/整流充电集成装置检测到第三交流断路器分闸、第一交流接触器和第二交流接触器合闸时，采用变频器控制模式；所述变频器控制模式下，电池组为直流母排供电，所述推进变频器/整流充电集成装置驱动推进电机工作，所述直流母排经DC/AC逆变器和第一交流母排向日用负载供电；

当推进变频器/整流充电集成装置检测到第三交流断路器和第一交流接触器合闸、第二交流接触器分闸时，采用整流充电控制模式；所述整流充电控制模式下，第一交流母排接入交流岸电并向第二交流母排和日用负载供电，所述第二交流母排通过推进变频器/整流充电集成装置和直流母排向电池组充电。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：当所述推进变频器/整流充电集成装置处于变频器模式时，所述第二直流开关组件、第三直流开关组件、第四直流开关组件、第五直流开关组件、第一交流接触器、第二交流接触器、第一交流断路器合闸，第二交流断路器、第三交流断路器、第一直流开关组件分闸。

8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：所述推进变频器/整流充电集成装置在变频器模式下，采用转子磁链定向控制，所述转子磁链定向控制的外环采用转速PI控制，所述转子磁链定向控制的内环采用定子电流PI控制。

9.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：所述推进变频器/整流充电集成装置在整流充电模式下，采用先恒流充电、再恒压充电的双闭环控制，所述双闭环控制的外环采用直流电流/直流电压PI控制和交流侧无功功率PI控制，所述双闭环控制的内环采用交流侧电流PI控制。

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