CN114079273B - 电网控制方法及船舶 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电网控制方法及船舶。电网控制方法包括：向在正常工作的过程中发生故障的电网的直流母线发送受控电信号；判定熔断器的状态是熔断状态或者导通状态；采集直流母线的检测电压值和检测电流值；根据检测电流值、检测电压值，以及熔断器的状态判定熔断器的远离直流母线的一端所在的支路是否故障；采集直流母线的检测电流方向；根据检测电流方向和熔断器的状态判定直流母线是否故障。由此，可以及时地将发生故障的直流母线从电网中断开，确保电网的其他部分可以正常工作；并且仅采集直流母线的电流值、电压值与电流方向，无需在每个支路上均设置采集电流值、电压值与电流方向的设备，成本低。

Description

电网控制方法及船舶

技术领域

本发明涉及船舶领域，具体而言涉及电网控制方法和船舶。

背景技术

随着电子技术发展迅速，船舶行业越来越关注直流电网在船舶上的应用。船用直流电网有短路选择性保护的需求。在发生短路故障情况下，应将发生故障的部分从电网断开。目前，使用较多的是利用熔断器实现快速断开或者使用直流固态断路器实现快速断开。而使用熔断器时，当短路容量不够大时，电容的放电可能无法烧断熔断器；而直流固态断路器的成本较高。

现今的一些船舶的电网采用一种电力开关组件，该组件解决了断路器的极限接通和分断能力问题，用新型的固态限流器取代了传统机械式的断路器，用于实现发生短路故障时，能迅速检测、断开并对短路电流进行限流，但该设备成本较高。

此外现今的一些船舶的电网还采用直流组网系统失电自动重启的方法，但该方法需要在电网的各个支路和直流母线上安装用于检测电流值、电压值，以及电流方向的设备，安装复杂，成本高。

为此，本发明提供一种电网控制方法和船舶，用以至少部分地解决上述问题。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施例部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

为至少部分地解决上述技术问题，本发明提供了一种电网控制方法，电网控制方法用于船舶，船舶包括电网，电网包括至少两条依次连接的直流母线、熔断器与逆变器，每条直流母线分别通过熔断器连接至逆变器，电网控制方法包括：

向在正常工作的过程中发生故障的电网的直流母线发送受控电信号；

判定熔断器的状态是熔断状态或者导通状态；

采集直流母线的检测电压值和检测电流值；

根据检测电流值、检测电压值，以及熔断器的状态判定熔断器的远离直流母线的一端所在的支路是否故障；

采集直流母线的检测电流方向；

根据检测电流方向和熔断器的状态判定直流母线是否故障。

根据本发明的电网控制方法，根据检测电流值、检测电压值，以及熔断器的状态判定熔断器的远离直流母线的一端所在的支路是否故障；根据检测电流方向和熔断器的状态判定直流母线是否故障；进而可以及时地将发生故障的直流母线从电网中断开，确保电网的其他部分可以正常工作；并且仅采集直流母线的电流值、电压值与电流方向，无需在每个支路上均设置采集电流值、电压值与电流方向的设备，成本低。

可选地，在向在正常工作的过程中发生故障的电网的直流母线发送受控电信号的步骤之前，电网控制方法还包括：

采集处于工作状态的直流母线的工作电压值；

若工作电压值为预设故障电压值，则判定电网故障。

可选地，判定熔断器的状态是熔断状态或者导通状态的步骤包括：

采集熔断器的状态数据，根据状态数据判定熔断器的状态是熔断状态或者导通状态。

可选地，根据检测电流值、检测电压值，以及熔断状态判定熔断器的远离直流母线的一端所在的支路是否故障的步骤包括：

若是熔断器的状态为熔断状态，检测电压值在预设时间段内由预设电压值先逐渐减小然后逐渐恢复至预设电压值，在预设时间段的检测电流值包括短路突变电流值，则判定熔断器的远离直流母线的一端所在的支路故障。

可选地，根据检测电流方向和熔断器的状态判定直流母线是否故障的步骤包括：

若是熔断器处于导通状态，则判定位于电流方向的最下游的直流母线故障。

可选地，在若是熔断器处于导通状态，则判定位于电流方向的最下游的直流母线故障的步骤之后，电网控制方法还包括：

断开故障的直流母线和与之连接的直流母线之间的连接。

可选地，在启动电网时，电网控制方法还包括；

向直流母线发送预检电信号；

采集直流母线的预检电压值；

若预检电压值等于预设预检电压值，则控制直流母线工作；

若预检电压值小于预设预检电压值，则采集预检电流值，根据预检电流值和预检电压值确定电网的短路电阻。

可选地，受控电信号的电压值为24V/48V。

本发明还提供了一种船舶，船舶包括电网，电网包括至少两条依次连接的直流母线、熔断器与逆变器，每条直流母线分别通过熔断器连接至逆变器，船舶的电网由前述的电网控制方法控制。

根据本发明的船舶，船舶由前述的电网控制方法控制，根据检测电流值、检测电压值，以及熔断器的状态判定熔断器的远离直流母线的一端所在的支路是否故障；根据检测电流方向和熔断器的状态判定直流母线是否故障；进而可以及时地将发生故障的直流母线从电网中断开，确保电网的其他部分可以正常工作；并且仅采集直流母线的电流值、电压值与电流方向，无需在每个支路上均设置采集电流值、电压值与电流方向的设备，成本低。

可选地，电网还包括二极管和直流储能单元，二极管的负极连接至直流母线，直流储能单元的第一储能端口连接至二极管的正极，直流储能单元用于经由二极管向直流母线发送受控电信号。

附图说明

为了使本发明的优点更容易理解，将通过参考在附图中示出的具体实施方式更详细地描述上文简要描述的本发明。可以理解这些附图只描绘了本发明的典型实施方式，因此不应认为是对其保护范围的限制，通过附图以附加的特性和细节描述和解释本发明。

图1为根据本发明的第一个优选实施方式的直流母线、励磁整流单元、电源装置、发电机组、熔断器，以及控制单元连接在一起的示意图；以及

图2为根据本发明的第一个优选实施方式的电网控制方法的流程示意图。

附图标记说明

110：发电机组 111：异步发电机

112：原动机 120：直流母线

130：直流储能单元 140：限流单元

150：二极管 160：控制单元

170：励磁整流单元 180：熔断器

190：逆变器 200：母联开关

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明实施方式可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明实施方式发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

以下参照附图对本发明的优选实施方式进行说明。需要说明的是，本文中所使用的术语“上”、“下”以及类似的表述只是为了说明的目的，并非限制。

在本文中，本申请中所引用的诸如“第一”和“第二”的序数词仅仅是标识，而不具有任何其它含义，例如特定的顺序等。而且，例如，术语“第一部件”其本身不暗示“第二部件”的存在，术语“第二部件”本身不暗示“第一部件”的存在。

为了彻底了解本发明实施方式，将在下列的描述中提出详细的结构。显然，本发明实施方式的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施方式详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

本发明提供了一种电网控制方法。该电网控制方法可以用于控制船舶。该船舶可以包括电网。电网可以向船舶提供电能。请参考图1，该电网包括两条依次连接的直流母线120、连接两条直流母线120的母联开关200、两个熔断器180，以及两个逆变器190。熔断器180包括第一端和第二端。一个熔断器180的第一端连接至一条直流母线120。另一个熔断器180的第一端连接至另一条直流母线120。熔断器的第二端(熔断器的远离直流母线的一端)连接至逆变器190。在电网向船舶供电的过程中，当电网发生故障(例如某段直流母线120发生短路或者某个熔断器的第二端所在的支路短路)时，该电网控制方法可以确定发生故障的直流母线120的位置或者支路的位置，进而可以及时将发生故障的直流母线120或支路从电网中断开，这样发生故障的直流母线120或支路不会影响电网的其他部分的运行。

如图1所示，该船舶还包括励磁整流单元170和发电机组110。发电机组110包括异步发电机111、原动机112，以及直流起动电机(未示出)。原动机112可以是柴油机。原动机112的输入轴连接至直流起动电机的输出轴。这样，直流起动电机可以带动原动机112的输入轴转动，进而为原动机112的启动提供动能。原动机112的输出轴连接至异步发电机111的转子轴。这样，原动机112的输出轴可以驱动异步发电机111的转子转动。

异步发电机111的转子绕组可以通过导线连接至励磁整流单元170的励磁输出端。励磁整流单元170的励磁输入端连接至直流母线120。励磁整流单元170用于将直流母线120的直流电转换为交流电，然后将交流电发送至异步发电机111的转子绕组，以为异步发电机111提供励磁电压。这样，在发电机组110启动时，电源装置可以向直流母线120发送直流电，以通过励磁整流单元170向异步发电机111的转子提供启动励磁电压。

异步发电机111的定子绕组可以通过导线连接至电网，以为电网提供电能。

请继续参考图1，船舶还包括电源装置。电源装置包括直流储能单元130。直流储能单元130可以输出直流电。直流储能单元130可以包括超级电容和/或蓄电池，以通过超级电容和/或蓄电池存储电能。直流储能单元130还包括第二储能端口和第一储能端口。第二储能端口可以通过导线连接至直流起动电机的定子绕组，以为直流启动电机提供电能，进而驱动直流起动电机的输出轴转动。第一储能端口可以通过导线、后文的限流单元140，以及二极管150连接至直流母线120，以通过直流母线120和励磁整流单元170向异步发电机111的转子提供启动励磁电压。

电源装置还包括限流单元140。限流单元140的控制输入端可以通过导线连接至第一储能端口。限流单元140的控制输出端可以通过导线和后文的二极管150连接至直流母线120。由此，可以通过限流单元140控制发送至直流母线120的电流的电压值。

电源装置还包括二极管150。二极管150的正极可以通过导线连接至限流单元140的控制输出端。二极管150的负极可以通过导线连接至直流母线120。由此，二极管150可以避免电流由直流母线120输送至直流储能单元130。这样，在直流母线120上的电压值稳定时，可以保护直流储能单元130。

如图1所示，船舶设置有两套发电机组110和两套电源装置。一套发电机组110和一套电源装置通过一条直流母线120连接。另一套发电机组110和另一套电源装置通过另一条直流母线120连接。每条直流母线120均通过一个熔断器180连接至一个逆变器190。

船舶还包括控制单元160。控制单元160可以电连接至限流单元140、直流母线120、熔断器180，以及母联开关200。控制单元160可以向限流单元140发送限流控制信号，以控制限流单元140，进而控制直流储能单元130向直流母线120发送电能。

控制单元160还可以向母联开关200发送开关控制信号，以控制母联开关200的通断。控制单元160还可以采集直流母线120上的电压值、电流值，以及电流方向。需要说明的是电压值、电流值，以及电流方向的采集方法和现有技术大致相同，例如通过万用表采集，这里不再赘述。

控制单元160还可以直接采集熔断器180的状态数据，进而根据该状态数据判定熔断器处于导通状态或熔断状态。需要说明的是，控制单元160采集熔断器180的状态数据，进而根据该状态数据判定熔断器处于导通状态或熔断状态为现有技术，这里不再赘述。本文中的信号均为电信号。

如图2所示，电网的控制方法包括：

步骤S3、向在正常工作的过程中发生故障的电网的直流母线120发送受控电信号。

异步发电机111正常工作时(此时电网正常工作)，直流母线120的电压值稳定在预设工作电压值。此时，若是电网发生前述的故障，则可以通过控制单元160向限流单元140发送限流控制信号，以控制限流单元140，进而使直流储能单元130向与之连接的直流母线120发送受控电信号，然后通过后文的步骤确定故障的位置是位于直流母线120处还是位于和熔断器180的第二端所在的支路处。

优选地，在向发生故障的电网的直流母线120发送受控电信号之前，需要先判定电网是否故障。判定电网是否故障的步骤包括：

步骤S1、采集处于工作状态的直流母线120的工作电压值；

步骤S2、若工作电压值为预设故障电压值，则判定电网故障。

在电网正常工作时，若发送前述的故障，则直流母线120放电，直流母线120的电压值大致下降至零。因此在电网正常工作时，控制单元160实时采集直流母线120的工作电压值，然后将工作电压值和预先存储于控制单元160的预设故障电压值(例如0)比较。若是工作电压值大致等于预设故障电压值，则判定电网故障，此时可以使直流储能单元130向直流母线120发送受控电信号。由此，控制单元160可以自动识别电网是否故障，以进行及时处理。

步骤S4、确定熔断器180处于熔断状态或者导通状态。

若是电网发生前述的故障，控制单元160还可以确定熔断器180处于熔断状态或者导通状态。需要说明的是，电网控制方法中可以先执行步骤S3，然后执行步骤S4，也可以先执行步骤S4，再执行步骤S3。

步骤S5、采集直流母线120的检测电压值和检测电流值。

在步骤S3之后，执行步骤S5、控制单元160采集直流母线120的检测电压值和检测电流值。

步骤S6、根据检测电流值、检测电压值，以及熔断状态确定熔断器180的第二端所在的支路是否故障。

在确定熔断器180处于熔断状态之后，可以确定电网的与该熔断器180之连接的直流母线120的所在的部分发生故障。此时可以通过直流母线120的检测电压值和检测电流值，确定该熔断器180的第二端所在的支路是否故障。例如，如果确定位于图1的左侧的熔断器180处于熔断状态，则可以确定电网的位于图1的左侧的直流母线120所在的部分【图1的左侧的直流母线120，以及连接至该直流母线120的各个支路(电源装置所在的支路、发电机组110所在的支路，逆变器190所在的支路)】发生故障。此时可以通过位于图1的左侧的直流母线120的检测电压值和检测电流值，确定位于图1的左侧的熔断器180的第二端所在的支路是否故障。

优选地，步骤S6中，若是熔断器180处于熔断状态，检测电压值在预设时间段内由预设电压值先逐渐减小至最小值(例如0)然后逐渐恢复至预设电压值。在预设时间段内的至少一个检测电流值突变增大为短路突变电流值，则可以判定熔断器180的第二端所在的支路故障。

在判定熔断器180的第二端所在的支路故障时，由于熔断器已经处于熔断状态，此时可以对电网进行后文的预检步骤，以启动电网。

可以理解，在未示出的实施方式中，在确定熔断器180处于熔断状态后，还可以通过其它方式确定该熔断器180的第二端所在的支路是否故障。例如，可以采集该熔断器180和逆变器190的连接处的熔断电压值，比较熔断电压值和检测电压值之间的大小，若是熔断电压值小于检测电压值，则可以确定该熔断器180的第二端所在的支路故障。

优选地，受控电信号的电压值为24V或48V。由此，方便直流蓄能单元的选型。

如图2所示，在步骤S2之后，电网控制方法还可以包括步骤S7。在步骤S4之后，电网控制方法还包括S8。

S7、采集直流母线120的检测电流方向。

S8、根据检测电流方向和熔断器180的状态确定直流母线120是否故障。

两个直流母线120包括第一直流母线和第二直流母线。在熔断器180处于导通状态时，若是检测电流由第一直流母线流向第二直流母线，则表示第二直流母线发生故障。若是检测电流由第二直流母线流向第一直流母线，则表示第一直流母线发生故障。也就是说，若是熔断器180处于导通状态，则位于电流方向的最下游的直流母线120发生故障。

在判定发生故障的直流母线120后，可以控制和该直流母线120连接的母联开关200断开，以使发生故障的直流母线120从电网断开，然后可以对电网进行后文的预检步骤，以启动电网。

需要说明的是本文的直流母线120发生故障表示直流母线120、连接至该直流母线120的电器元件(除了熔断器180和连接至该熔断器180的第二端所在的支路，例如电源装置所在的支路和发电机组110所在的支路)中的任意一个发生故障。

可以理解，在未示出的实施方式中，也可以通过其它方式确定直流母线120发生故障，例如采集各个电器元件和直流母线120的连接处的检测电压值，进而根据该连接处的检测电压值确定直流母线120是否发生故障。当连各个电器元件和直流母线120的连接处的检测电压值大致等于预设检测电压值(例如0)，则判定电网故障。

在步骤S8中，若是判定某段直流母线120发生故障，则电网控制方法还包括断开步骤。

断开步骤、断开故障的直流母线120和与之连接的直流母线120之间的母联开关200，进而断开故障的直流母线120和与之连接的直流母线120之间连接。由此，从电网中断开故障的直流母线120，可以避免故障的直流母线120影响电网的其他直流母线120的工作。

电网控制方法还包括预检步骤。启动整个电网前，可以通过预检步骤预先检测电网。若是电网不存在故障，其可以正常工作，则正常启动电网。预检步骤包括：

步骤一、向直流母线120发送预检电信号。

启动整个电网前，控制单元160控制限流单元140，进而控制直流储能单元130向直流母线120发送预检电信号。

步骤二、采集直流母线120的预检电压值。

步骤三、若预检电压值等于预设预检电压值，则控制直流母线120工作。

步骤四、否则，采集预检电流值，根据预检电流值和预检电压值确定母线的短路电阻。

控制单元160采集直流母线120上的预检电压值。若预检电压值等于预设预检电压值(预设预检电压值可以通过实验获取)，则表示电网不存在短路的地方，此时可以控制直流母线120工作，以使电网正常启动。

若预检电压值小于预设预检电压值，则表示电网的某个位置短路，此时不允许电网启动，以保护电网和电气元件。此时控制单元160可以采集预检电流值，进而根据预检电流值和预检电压值确定电网的短路电阻。例如短路电阻可以等于预检电压值和预检电流值的比值。

优选地，预检电信号的电压值为24V/48V。

本实施方式中，根据检测电流值、检测电压值，以及熔断器的状态判定熔断器的第二端所在的支路是否故障；根据检测电流方向和熔断器的状态判定直流母线是否故障；进而可以及时地将发生故障的直流母线从电网中断开，确保电网的其他部分可以正常工作；并且仅采集直流母线的电流值、电压值与电流方向，无需在每个支路上均设置采集电流值、电压值与电流方向的设备，成本低。

本发明还提供了一种船舶。船舶包括前述的电网。船舶可以由前述的电网控制方法控制。

本实施方式中，船舶由前述的电网控制方法控制，根据检测电流值、检测电压值，以及熔断器的状态判定熔断器的第二端所在的支路是否故障；根据检测电流方向和熔断器的状态判定直流母线是否故障；进而可以及时地将发生故障的直流母线从电网中断开，确保电网的其他部分可以正常工作；并且仅采集直流母线的电流值、电压值与电流方向，无需在每个支路上均设置采集电流值、电压值与电流方向的设备，成本低。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

除非另有定义，本文中所使用的技术和科学术语与本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中使用的术语只是为了描述具体的实施目的，不是旨在限制本发明。本文中出现的诸如“部件”等术语既可以表示单个的零件，也可以表示多个零件的组合。本文中出现的诸如“安装”、“设置”等术语既可以表示一个部件直接附接至另一个部件，也可以表示一个部件通过中间件附接至另一个部件。本文中在一个实施方式中描述的特征可以单独地或与其它特征结合地应用于另一个实施方式，除非该特征在该另一个实施方式中不适用或是另有说明。

本发明已经通过上述实施方式进行了说明，但应当理解的是，上述实施方式只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施方式范围内。本领域技术人员可以理解的是，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。

Claims (9)

1.一种电网控制方法，所述电网控制方法用于船舶，所述船舶包括电网，所述电网包括至少两条依次连接的直流母线、熔断器与逆变器，每条所述直流母线分别通过所述熔断器连接至所述逆变器，其特征在于，所述电网控制方法包括：

向在正常工作的过程中发生故障的所述电网的所述直流母线发送受控电信号；

判定所述熔断器的状态是熔断状态或者导通状态；

采集所述直流母线的检测电压值和检测电流值；

根据所述检测电流值、所述检测电压值，以及所述熔断器的状态判定所述熔断器的远离所述直流母线的一端所在的支路是否故障；

采集所述直流母线的检测电流方向；

根据所述检测电流方向和所述熔断器的状态判定所述直流母线是否故障；

其中，在启动所述电网时，所述电网控制方法还包括；

向所述直流母线发送预检电信号；

采集所述直流母线的预检电压值；

若所述预检电压值等于预设预检电压值，则控制所述直流母线工作；

若所述预检电压值小于预设预检电压值，则采集预检电流值，根据所述预检电流值和所述预检电压值确定所述电网的短路电阻。

2.根据权利要求1所述的电网控制方法，其特征在于，在所述向在正常工作的过程中发生故障的所述电网的所述直流母线发送所述受控电信号的步骤之前，所述电网控制方法还包括：

采集处于工作状态的所述直流母线的工作电压值；

若所述工作电压值为预设故障电压值，则判定所述电网故障。

3.根据权利要求1所述的电网控制方法，其特征在于，所述判定所述熔断器的状态是熔断状态或者导通状态的步骤包括：

采集所述熔断器的状态数据，根据所述状态数据判定所述熔断器的状态是熔断状态或者导通状态。

4.根据权利要求1所述的电网控制方法，其特征在于，所述根据所述检测电流值、所述检测电压值，以及所述熔断状态判定所述熔断器的远离所述直流母线的一端所在的支路是否故障的步骤包括：

若是所述熔断器的状态为所述熔断状态，所述检测电压值在预设时间段内由预设电压值先逐渐减小然后逐渐恢复至所述预设电压值，在所述预设时间段的所述检测电流值包括短路突变电流值，则判定所述熔断器的远离所述直流母线的一端所在的支路故障。

5.根据权利要求1所述的电网控制方法，其特征在于，所述根据所述检测电流方向和所述熔断器的状态判定所述直流母线是否故障的步骤包括：

若是所述熔断器处于导通状态，则判定位于所述电流方向的最下游的所述直流母线故障。

6.根据权利要求5所述的电网控制方法，其特征在于，在所述若是所述熔断器处于导通状态，则判定位于所述电流方向的最下游的所述直流母线故障的步骤之后，所述电网控制方法还包括：

断开故障的所述直流母线和与之连接的所述直流母线之间的连接。

7.根据权利要求1所述的电网控制方法，其特征在于，所述受控电信号的电压值为24V/48V。

8.一种船舶，所述船舶包括电网，所述电网包括至少两条依次连接的直流母线、熔断器与逆变器，每条所述直流母线分别通过所述熔断器连接至所述逆变器，其特征在于，所述船舶的所述电网由权利要求1至7中任一项所述的电网控制方法控制。

9.根据权利要求8所述的船舶，其特征在于，所述电网还包括二极管和直流储能单元，所述二极管的负极连接至所述直流母线，所述直流储能单元的第一储能端口连接至所述二极管的正极，所述直流储能单元用于经由所述二极管向所述直流母线发送所述受控电信号。

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