CN113783228A - 一种船舶轴带发电并网系统 - Google Patents

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黄政
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Abstract

本发明公开了一种船舶轴带发电并网系统，涉及船舶轴带发电并网系统逆变器设计领域，船舶轴带发电机输出端与所述谐波抑制器的输入端电连接，所述谐波抑制器的输出端与所述整流器的输入端电连接，所述整流器的输出端与所述改进型高增压比船舶轴带发电并网准Z源逆变器直流输入端电连接，所述改进型高增压比船舶轴带发电并网准Z源逆变器的输出端与船舶电网电连接；所述谐波抑制器用于减少轴带发电机输出电压的谐波，所述整流器用于将谐波抑制器输出的电压转换为平滑的直流电；所述改进型高增压比船舶轴带发电并网准Z源逆变器用于将直流电通过SPWM脉宽调制为交流电，并通过LCL并网滤波器来减小电压谐波的影响。

Description

一种船舶轴带发电并网系统
技术领域
本发明涉及船舶轴带发电并网系统逆变器设计领域，尤其涉及一种船舶轴带发电并网系统。
背景技术
随着当今世界燃油价格不断上涨、环境污染问题的不断加重，使得船舶行业对于绿色环保、高效节能技术越来越重视。目前船舶的供电方式大多是以柴油机发电为主，少数船舶使用主机带动轴带发电机供电，船舶轴带发电系统可以使船舶主机富余功率得到更加充分的利用，不仅降低了使用成本，还使得船舶柴油机的工作效率得到了明显提升。当前世界各国对于船舶轴带发电并网系统的发展十分重视，其发展前景非常广阔。船舶在航行过程中，主机转速经常会受外界影响而发生改变，使得船舶轴带发电机转速也会产生波动导致轴带发电机的输出电压和频率波动较大而无法正常供电，因此在船舶轴带发电并网系统中选取合适的逆变器十分重要。
目前传统的船舶轴带发电并网逆变器主要包括电流源型逆变器和电压源型逆变器，由于传统逆变器存在功率级数多、转换效率低、成本较高、可靠性较差等缺点，使得Z源或准Z源逆变器凭借其独特的阻抗结构开始逐渐取代传统逆变器而应用于船舶轴带发电并网系统。
发明内容
本发明提出了一种船舶轴带发电并网系统。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种船舶轴带发电并网系统，包括船舶轴带发电机、谐波抑制器、整流器、改进型高增压比船舶轴带发电并网准Z源逆变器、船舶电网；船舶轴带发电机输出端与所述谐波抑制器的输入端电连接，所述谐波抑制器的输出端与所述整流器的输入端电连接，所述整流器的输出端与所述改进型高增压比船舶轴带发电并网准Z源逆变器直流输入端电连接，所述改进型高增压比船舶轴带发电并网准Z源逆变器的输出端与船舶电网电连接；所述谐波抑制器用于减少轴带发电机输出电压的谐波，所述整流器用于将谐波抑制器输出的电压转换为平滑的直流电；所述改进型高增压比船舶轴带发电并网准Z源逆变器用于将直流电通过SPWM脉宽调制为交流电，并通过LCL并网滤波器来减小电压谐波的影响。
进一步地，所述整流器用于将船舶轴带发电机发出的交流电整流滤波为平滑的直流电，包括全桥整流电路和LCL整流滤波器，所述整流电路的输入端与所述谐波抑制器输出端电连接，所述整流电路的输出端与LCL整流滤波器输入端电连接；所述LCL整流滤波器由两个电感和一个电容组成，第一电感Lf1一端与整流电路输出端正极电连接，第一电感Lf1另一端与电容Cf正极以及第二电感Lf2的一端电连接，电容Cf负极与整流电路输出端负极电连接，第二电感Lf2的另一端与所述改进型高增压比船舶轴带发电并网准Z源逆变器输入端电连接。
进一步地，所述改进型高增压比船舶轴带发电并网准Z源逆变器是级联式开关电感型准Z源逆变器，所述级联式开关电感型准Z源逆变器在传统准Z源逆变器的基础上将准Z源网络后置，所述逆变器准Z源网络包括2个电容，4个电感以及7个二极管；具体结构分布如下：所述整流器输出端与二极管D0的阳极电连接，二极管D0的阴极与所述IGBT三相桥式逆变电路其中一端电连接，IGBT三相桥式逆变电路的另一端则与电感L1的一端电连接；电感L1的另一端与二极管D1的阳极以及准Z源网络电容C1的正极电连接；准Z源网络电感L2一端分别与二极管D1阴极、D2阳极以及准Z源网络电容C2的正极电连接，电感L2另一端分别与二极管D3阳极、D4阳极电连接；准Z源网络电感L3的一端与二极管D2阴极、D3阴极以及D5阳极电连接，电感L3的另一端与二极管D4阴极以及D6阳极、D7阳极电连接；准Z源网络电感L4一端与二极管D5阴极、D6阴极电连接，电感L4另一端与二极管D7的阴极电连接。
进一步地，所述准Z源网络中电容C1的正极与二极管D1阳极、电感L1的一端电连接，电容C1的负极与二极管D7阴极、电感L4的一端电连接；电容C2正极与二极管D1阴极、D2阳极、电感L2的一端电连接，电容C2负极与直流输入侧负极电连接。
进一步地，所述逆变电路为IGBT三相桥式逆变电路。
进一步地，所述LCL并网滤波器主要包括三个电容和六个电感，其中并网滤波电感LU1的一端与逆变桥U相电压输出侧电连接，并网滤波电感LU1另一端与并网滤波电容CU的正极以及并网滤波电感LU2一端电连接；并网滤波电感LV1一端与逆变桥V相电压输出侧电连接，并网滤波电感LV1另一端与并网滤波电容CV的正极以及滤波电感LV2一端电连接，并网滤波电感LW1一端与逆变桥W相电压输出侧电连接，并网滤波电感LW1的另一端与并网滤波电容CW的正极以及并网滤波电感LW2一端电连接，并网滤波电容CU、CV、CW的负极彼此相互电连接。
本发明具有以下有益之处：本发明通过改进型高增压比准Z源逆变器船舶轴带发电并网系统有效地减小了当前船舶轴带发电输出交流电压变化波动，提升了输出交流电压的品质，并且保证了船舶并网的稳定。应用改进型高增压比船舶轴带发电并网准Z源逆变器，不仅使得逆变器的升压能力得到明显增强，还有效降低了准Z源网络电容的电压应力，减小了主机转速波动时对于船舶轴带发电系统造成的影响，保证了船舶能够实现稳定的并网输出。本发明所述改进型高增压比船舶轴带发电并网准Z源逆变器在传统准Z源逆变器的基础上将高增压比准Z源网络后置，在使其升压能力得到明显提升的同时，降低了准Z源网络电容电压，减小了输出电压的谐振影响，降低了船舶主机转速发生波动时对于输出电压的影响，保证了船舶轴带发电并网输出电压的质量。
附图说明
图1为本发明改进型高增压比并网准Z源逆变器的船舶轴带发电系统结构示意图；
图2为本发明谐波抑制器的结构示意图；
图3为本发明整流器的结构示意图；
图4为本发明改进型高增压比船舶轴带发电并网准Z源逆变器的结构示意图；
图5为本发明改进型高增压比船舶轴带发电并网准Z源逆变器的控制框图；
图6为本发明改进型高增压比船舶轴带发电并网准Z源逆变器的控制流程图；
图7为本发明改进型高增压比船舶轴带发电并网准Z源逆变器和传统准Z源逆变器的升压因子B与直通占空比D的关系比较图。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“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发明和简化描述，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发明的限制。
如图1所示，一种带有改进型高增压比准Z源逆变器的船舶轴带发电并网系统，船舶轴带发电机、谐波抑制器、整流器、改进型高增压比船舶轴带发电并网准Z源逆变器、船舶电网。轴带发电机电压输出端与所述谐波抑制器的输入端电连接，所述谐波抑制器的输出端与所述整流器的输入端电连接，所述整流器的输出端与所述改进型高增压比船舶轴带发电并网准Z源逆变器直流输入端电连接，所述改进型高增压比船舶轴带发电并网准Z源逆变器的输出端与船舶电网电连接。
本发明所述谐波抑制器用于减少船舶轴带发电机输出电压的谐波，提升整流器的功率因数，具体结构示意图如图2所示。
本发明所述整流器用于将轴带发电机输出的交流电整流为平滑的直流电，包括全桥整流电路和电容滤波器，具体结构示意图如图3所示。所述整流电路的输入端与所述谐波抑制器输出端电连接，所述整流电路的输出端与LCL整流滤波器输入端电连接。所述LCL整流滤波器由两个电感和一个电容组成，第一电感Lf1一端与整流电路输出端正极电连接，第一电感Lf1另一端与电容Cf正极以及第二电感Lf2的一端电连接，电容Cf负极与整流电路输出端负极电连接，第二电感Lf2的另一端与所述改进型高增压比船舶轴带发电并网准Z源逆变器输入端电连接。
本发明所述改进型高增压比船舶轴带发电并网准Z源逆变器是级联式开关电感型准Z源逆变器，主要用于将直流电通过SPWM脉宽调制为交流电，其具体拓扑如图4所示。本发明所述级联式开关电感型准Z源逆变器是在传统准Z源逆变器的基础上将准Z源网络后置，所述逆变器准Z源网络包括2个电容，4个电感以及7个二极管；具体结构分布如下：所述整流器中LCL整流滤波器的第二电感Lf2一端与二极管D0的阳极电连接，二极管D0的阴极与所述IGBT三相桥式逆变电路的一端电连接，IGBT三相桥式逆变电路的另一端与电感L1的一端电连接；电感L1的另一端与二极管D1的阳极以及准Z源网络电容C1的正极电连接；准Z源网络电感L2一端分别与二极管D1阴极、D2阳极以及准Z源网络电容C2的正极电连接，电感L2另一端分别与二极管D3阳极、D4阳极电连接；准Z源网络电感L3的一端与二极管D2阴极、D3阴极以及D5阳极电连接，电感L3的另一端与二极管D4阴极以及D6阳极、D7阳极电连接；准Z源网络电感L4一端与二极管D5阴极、D6阴极电连接，电感L4另一端与二极管D7的阴极以及准Z源网络中电容C1的负极电连接。本发明所述准Z源网络中电容C1的正极与二极管D1阳极以及电感L1的一端电连接，电容C1的负极与二极管D7阴极以及准Z源网络电感L4的一端电连接；所述准Z源网络中电容C2的正极与二极管D1阴极、D2阳极以及准Z源网络电感L2的一端电连接，电容C2的负极与直流输入侧负极电连接。在船舶轴带发电系统的工作过程中，当本发明所述改进型高增压比船舶轴带发电并网准Z源逆变器处于直通状态时，准Z源网络中的二极管D2、D4、D5、D7全部处于导通状态，二极管D1、D3、D6、则处于截止状态，准Z源网络电感L2、L3、L4相互并联，此时准Z源网络电容向准Z源网络电感充电，准Z源网络电感L2、L3、L4储存能量；当准Z源逆变器处于非直通状态时，准Z源网络中的二极管D1、D3、D6处于导通状态，二极管D2、D4、D5、D7则处于截止状态，准Z源网络中电感L2、L3、L4相互串联，此时准Z源网络中电感L2、L3、L4开始释放能量。本发明所述LCL并网滤波器主要包括:三个电容和六个电感，其具体结构如图4所示，其中并网滤波电感LU1的一端与逆变桥U相电压输出侧电连接，并网滤波电感LU1另一端与并网滤波电容CU的正极以及并网滤波电感LU2一端电连接；并网滤波电感LV1一端与逆变桥V相电压输出侧电连接，并网滤波电感LV1另一端与并网滤波电容CV的正极以及并网滤波电感LV2一端电连接，并网滤波电感LW1一端与逆变桥W相电压输出侧电连接，并网滤波电感LW1的另一端与并网滤波电容CW的正极以及并网滤波电感LW2一端电连接，并网滤波电容CU、CV、CW的负极彼此相互电连接。
本发明提供的船舶轴带发电系统其电流从轴带发电机流出，分别流经谐波抑制器、整流器后到达改进型高增压比船舶轴带发电并网准Z源逆变器的直流输入侧，然后通过准Z源逆变器将直流电转换为交流电，最后经过LCL并网滤波器处理后将输出交流电输入到船舶电网。本发明所述改进型高增压比船舶轴带发电并网准Z源逆变器的工作状态可分为直通状态和非直通状态，当准Z源逆变器处于直通状态时，准Z源网络电感L2、L3、L4相互并联，准Z源网络电容对电感进行充电，此时准Z源网络电感L2、L3、L4储存能量；当准Z源逆变器处于非直通状态时，准Z源网络电感L2、L3、L4相互串联，此时准Z源网络电感L2、L3、L4释放电能。
本发明所述改进型高增压比船舶轴带发电并网准Z源逆变器的控制框图如图5所示，控制策略流程图如图6所示。当船舶航行于大风浪天气时，主机的转速会产生较大的波动，使得轴带发电机输出电压不稳定，本发明所述改进型高增压比船舶轴带发电并网准Z源逆变器采用准Z源电容电压闭环控制，参考电压Vref与准Z源网络电容电压VC做比较后将信息输入到滑模控制器，通过滑模控制器生成控制直通信号，最后将直通信号与逆变侧调制控制信号相结合，得到开关管的控制信号，实现对于逆变桥以及并网电流的控制，使得并网电压不会发生波动。
本发明所述改进型高增压比船舶轴带发电并网准Z源逆变器和传统准Z源逆变器的升压因子B与直通占空比D的关系如图7所示。传统准Z源逆变器的升压因子B表示为
Figure BDA0003245734720000091
而改进型高增压比船舶轴带发电并网准Z源逆变器的升压因子B可表示为
Figure BDA0003245734720000092
图7中的曲线1为传统准Z源逆变器，曲线2为改进型高增压比船舶轴带发电并网准Z源逆变器，对比曲线1和曲线2可以看出，随着直通占空比D的增加，改进型高增压比船舶轴带发电并网准Z源逆变器的升压能力明显高于传统准Z源逆变器，并且在直通占空比D相同时，改进型高增压比船舶轴带发电并网准Z源逆变器的升压能力也能够得到明显提升，并且还能够承受直流输入电压更大范围的波动。
综上所述，本发明采用了AC-DC-AC的交直交的过程，逆变器采用改进型高增压比船舶轴带发电并网准Z源逆变器，通过控制SPWM的直通占空比D来调节输出电压，不仅使逆变器的升压能力得到明显提升，还使得准Z源网络电容电压得到有效降低，提高了船舶轴带发电系统的使用效率。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种船舶轴带发电并网系统，其特征在于：包括船舶轴带发电机、谐波抑制器、整流器、改进型高增压比船舶轴带发电并网准Z源逆变器、船舶电网；船舶轴带发电机输出端与所述谐波抑制器的输入端电连接，所述谐波抑制器的输出端与所述整流器的输入端电连接，所述整流器的输出端与所述改进型高增压比船舶轴带发电并网准Z源逆变器直流输入端电连接，所述改进型高增压比船舶轴带发电并网准Z源逆变器的输出端与船舶电网电连接；所述谐波抑制器用于减少轴带发电机输出电压的谐波，所述整流器用于将谐波抑制器输出的电压转换为平滑的直流电；所述改进型高增压比船舶轴带发电并网准Z源逆变器用于将直流电通过SPWM脉宽调制为交流电，并通过LCL并网滤波器来减小电压谐波的影响。
2.根据权利要求1所述的一种船舶轴带发电并网系统，其特征在于，所述整流器用于将船舶轴带发电机发出的交流电整流滤波为平滑的直流电，包括全桥整流电路和LCL整流滤波器，所述整流电路的输入端与所述谐波抑制器输出端电连接，所述整流电路的输出端与LCL整流滤波器输入端电连接；所述LCL整流滤波器由两个电感和一个电容组成，第一电感Lf1一端与整流电路输出端正极电连接，第一电感Lf1另一端与电容Cf正极以及第二电感Lf2的一端电连接，电容Cf负极与整流电路输出端负极电连接，第二电感Lf2的另一端与所述改进型高增压比船舶轴带发电并网准Z源逆变器输入端电连接。
3.根据权利要求2所述的一种船舶轴带发电并网系统，其特征在于，所述改进型高增压比船舶轴带发电并网准Z源逆变器是级联式开关电感型准Z源逆变器，所述级联式开关电感型准Z源逆变器在传统准Z源逆变器的基础上将准Z源网络后置，所述逆变器准Z源网络包括2个电容，4个电感以及7个二极管；具体结构分布如下：所述整流器输出端与二极管D0的阳极电连接，二极管D0的阴极与所述IGBT三相桥式逆变电路其中一端电连接，IGBT三相桥式逆变电路的另一端则与电感L1的一端电连接；电感L1的另一端与二极管D1的阳极以及准Z源网络电容C1的正极电连接；准Z源网络电感L2一端分别与二极管D1阴极、D2阳极以及准Z源网络电容C2的正极电连接，电感L2另一端分别与二极管D3阳极、D4阳极电连接；准Z源网络电感L3的一端与二极管D2阴极、D3阴极以及D5阳极电连接，电感L3的另一端与二极管D4阴极以及D6阳极、D7阳极电连接；准Z源网络电感L4一端与二极管D5阴极、D6阴极电连接，电感L4另一端与二极管D7的阴极电连接。
4.根据权利要求3所述的一种船舶轴带发电并网系统，其特征在于，所述准Z源网络中电容C1的正极与二极管D1阳极、电感L1的一端电连接，电容C1的负极与二极管D7阴极、电感L4的一端电连接；电容C2正极与二极管D1阴极、D2阳极、电感L2的一端电连接，电容C2负极与直流输入侧负极电连接。
5.根据权利要求3所述的一种船舶轴带发电并网系统，其特征在于，所述逆变电路为IGBT三相桥式逆变电路。
6.根据权利要求1所述的一种船舶轴带发电并网系统，其特征在于，所述LCL并网滤波器主要包括三个电容和六个电感，其中并网滤波电感LU1的一端与逆变桥U相电压输出侧电连接，并网滤波电感LU1另一端与并网滤波电容CU的正极以及并网滤波电感LU2一端电连接；并网滤波电感LV1一端与逆变桥V相电压输出侧电连接，并网滤波电感LV1另一端与并网滤波电容CV的正极以及滤波电感LV2一端电连接，并网滤波电感LW1一端与逆变桥W相电压输出侧电连接，并网滤波电感LW1的另一端与并网滤波电容CW的正极以及并网滤波电感LW2一端电连接，并网滤波电容CU、CV、CW的负极彼此相互电连接。
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