CN114295385B - 一种船舶动力系统试验验证平台及验证方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种船舶动力系统试验验证平台及验证方法，属于船舶动力系统技术领域，包括柴油机、变速发电机和变流器，柴油机与变速发电机机械连接，变速发电机将柴油机的机械能转换成电能，在转速变化情况下，变速发电机输出变频变压的电能；变速发电机与变流器电气连接，变流器将变速发电机发出的变频变压的电能转换成恒频恒压的电能。本发明采用变速发电机和变流器的组合，在变转速变负荷情况下，发出恒频恒压的电能，供耗功装置消耗，使得柴油机转速和负荷可以进行同步调整，从而模拟柴油机推进特性和发电特性，并进行智能系统测试试验；通过给出发电特性模拟试验和推进特性模拟试验的试验步骤，对柴油机的运行参数进行监测。
Description
技术领域
本发明属于船舶动力系统的试验技术领域，具体涉及一种船舶动力系统试验验证平台及验证方法。
背景技术
随着船舶技术的发展，对船舶动力系统的可靠性和经济性要求越来越高，船舶智能系统的应用可以实现船舶动力系统的故障诊断、能效优化和辅助决策建议，提高船舶运营效益。智能系统的开发和验证，需针对推进主机和发电机组的不同工况进行测试验证，以提高智能系统的可靠性和鲁棒性。
传统船舶动力系统试验验证平台一般只能单独测试推进特性或发电特性，推进特性试验台一般只能对柴油机转速进行调节，发电特性试验台一般只能对柴油机负荷进行调节。推进特性试验台一般采用柴油机+水力测功器的型式，柴油机转速调整时，柴油机负荷跟随转速变化而变化；发电特性试验台一般采用柴油机+常规发电机+水/干负载的型式，负荷可调而柴油机转速保持恒定。如果采用传统动力系统试验验证平台进行柴油机发电特性和推进特性的验证试验，需要两套试验平台，成本较高。
CN113300422A公开了一种船舶混合供电系统，包括：动力系统和控制系统；动力系统和控制系统连接，且动力系统和控制系统均能连接至待供电设备；动力系统，包括：动力源、直流配电系统和推进系统，动力源、直流配电系统和推进系统依次连接；控制系统，包括：能量管理系统、电池管理系统和功率控制系统；电池管理系统、能量管理系统和功率控制系统依次连接；动力源，还分别与电池管理系统和能量管理系统连接；直流配电系统，还分别与电池管理系统和能量管理系统连接；推进系统，还与功率控制系统连接；其中，动力源，被配置为在电池管理系统和能量管理系统的管理下，基于混合能源，提供第一电能；混合能源，包括：两种以上能源中的任一种能源或任几种能源；直流配电系统，被配置为在电池管理系统和能量管理系统的管理下，基于动力源提供的第一电能，采用交-直-交配电方式，进行交-直-交组网配电，得到第二电能；第二电能，还能向日用电网负载供电；推进系统，被配置为在功率控制系统的控制下，利用直流配电系统经交-直-交组网方式得到的第二电能，推进待供电设备运行。该发明通过综合利用绿色能源的交-直-交混合电力推进船舶，实现在不同场景下能源的稳定接入与切换，提高能源的利用效率，降低船舶污染物排放；通过提供能用多种能源作为动力的船舶混合供电系统，能够减少船舶运行产生中的排放物造成的环境污染，有利于提升船舶的环保性能，其并不涉及船舶动力系统试验验证。
CN113437741A公开了一种船舶多能源供电系统的能量和健康管控系统、船舶及其供电管控方法，该装置包括：能量控制系统，被配置为在不同工况和/或不同负载的情况下，对多能源供电系统中的混合能源之间的运行情况进行协调配合，以实现混合能源中各能源的协同工作；健康管理系统，被配置为对多能源供电系统中混合能源的设备状态进行监测，根据监测得到的混合能源的设备状态对混合能源的故障进行辨识和定位。该方案，通过对绿色多能源动力系统中的不同动力源进行管控，有利于提升整个绿色多能源动力系统的供电可靠性，该发明关注的是绿色多能源动力系统，其并不涉及船舶动力系统试验验证。
CN213689872U公开了一种船用电池动力系统试验平台，包括第一供电模拟模块，包括多组燃料电池和多组锂电池，第一供电模拟模块用于模拟船舶供电模块；第一直流母排和第二直流母排，第一直流母排和第二直流母排之间连接有隔离开关和断路器；第一直流母排和第二直流母排电连接有相同数量的燃料电池以及相同数量的锂电池；负载模拟模块，包括电机和负载箱，电机和负载箱与第一直流母排和/或第二直流母排电连接；电机用于模拟船舶推进电机，负载箱用于模拟船舶日用负载及各种泵类负载；能量管理单元，能量管理单元与燃料电池和锂电池通信连接，能量管理单元用于根据负载模拟模块模拟船舶的运行状态调控第一供电模拟模块的放电；该实用新型实现了为中小型船舶的氢燃料电池动力系统提供试验平台。然而其仅仅适用于中小型船舶的氢燃料电池动力系统。
发明内容
发明目的：本发明提供一种船舶动力系统试验验证平台，可以模拟柴油机推进特性和发电特性；本发明提供一种船舶动力系统试验验证平台的验证方法。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明提供一种船舶动力系统试验验证平台，包括：柴油机、变速发电机和变流器，所述柴油机与变速发电机机械连接，所述变速发电机将柴油机的机械能转换成电能，在转速变化情况下，变速发电机输出变频变压的电能；所述变速发电机与变流器电气连接，所述变流器将变速发电机发出的变频变压的电能转换成恒频恒压的电能。
在一些实施例中，还包括配电板、耗功装置和集控台；所述变流器通过配电板与耗功装置电气连接，所述变流器输出的恒频恒压的电能经配电板传输至耗功装置；所述柴油机、配电板分别与集控台电气连接。
在一些实施例中，所述柴油机作为船舶动力系统试验验证平台的驱动源，其输出端与变速发电机输入端通过联轴器机械连接，驱动变速发电机旋转并发电。
在一些实施例中，所述变流器的输入端与变速发电机的输出端通过电力电缆连接，所述变流器的输出端与配电板的输入端通过电力电缆连接。
在一些实施例中，所述配电板输出端与耗功装置通过电力电缆连接。
在一些实施例中，所述耗功装置为水电阻负载。
在一些实施例中，所述集控台与转速控制模块、配电板通过控制电缆连接。
在一些实施例中，所述集控台包括数据采集模块，所述数据采集模块与柴油机、配电板分别通过信号线连接，所述集控台监测柴油机、配电板的运行参数。通过集控台控制柴油机启动、停止、加速和减速，控制配电板开关分闸、合闸。
在一些实施例中，所述耗功装置包括负载电阻和调节电机，所述集控台通过按钮及继电器控制调节电机，实现负载电阻的调节。
在一些实施例中，所述转速控制模块包括PLC和I/O模块，转速控制模块与柴油机的调速器通过控制电缆连接。
优选的，所述的一种船舶动力系统试验验证平台的验证方法，包括如下步骤：
1)根据给定的柴油机转速和柴油机实际转速，通过给柴油机调速器发送加速或减速指令，从而实现柴油机的转速调节；
2)采用变速发电机与变流器电气连接，在变转速变负荷情况下发出恒频恒压的电能，供耗功装置消耗，使得柴油机转速和负荷进行同步调整，从而进行柴油机推进特性模拟试验和发电特性模拟试验，并进行试验验证。
在一些实施例中，所述步骤1)中，具体包括：通过转速控制模块的I/O输入模块接收集控台给定的柴油机转速和柴油机实际转速，PLC模块计算实际转速与给定转速的差值，通过I/O输出模块给柴油机调速器发送加速或减速指令，从而实现柴油机的转速调节。
在一些实施例中，所述发电特性模拟试验过程如下：通过集控台调节柴油机转速并保持稳定(稳定在1500r/min),同时控制和调节耗功装置以调整负载功率，使柴油机运行在发电特性曲线上，并对柴油机运行参数进行监测。
在一些实施例中，所述推进特性模拟试验过程如下：根据柴油机推进特性曲线对应的转速和负载情况，由集控台调节柴油机转速，并控制和调节耗功装置以调整负载功率，使柴油机运行在推进特性曲线上，并对柴油机运行参数进行监测。
有益效果：与现有技术相比，本发明的一种船舶动力系统试验验证平台，采用变速发电机和变流器的组合，可在变转速变负荷情况下发出恒频恒压的电能，供耗功装置消耗，使得柴油机转速和负荷可以进行同步调整，从而模拟柴油机推进特性和发电特性，并进行智能系统测试试验。本发明的一种船舶动力系统试验验证平台的验证方法，给出发电特性模拟试验和推进特性模拟试验的试验步骤，对柴油机的运行参数进行监测。
附图说明
图1为本发明试验验证平台一实施例的系统框图；
图2为试验验证平台一实施例的俯视图；
图3为柴油机可运行的特性曲线图；
图4是一种船舶动力系统试验验证平台的电气系统图；
附图标记：1-柴油机、2-变速发电机、3-变流器、4-配电板、5-耗功装置、6-集控台、7-转速控制模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
如图1和图2所示，一种船舶动力系统试验验证平台，包括柴油机1、变速发电机2、变流器3、配电板4、耗功装置5、集控台6和转速控制模块7；柴油机1与变速发电机2机械连接；变速发电机2与变流器3电气连接，变流器3通过配电板4与耗功装置5电气连接；柴油机1、配电板4分别与集控台6电气连接。
一种船舶动力系统试验验证平台，采用变速发电机2和变流器3的组合，可在变转速变负荷情况下发出恒频恒压的电能，供耗功装置5消耗，使得柴油机1转速和负荷可以进行同步调整，从而模拟柴油机1推进特性和发电特性，并进行智能系统测试试验。
柴油机1作为动力系统试验验证平台的驱动源，其输出端与变速发电机2输入端通过高弹性联轴器机械连接，驱动变速发电机2旋转并发电。
变速发电机2将柴油机1的机械能转换成电能，在转速变化情况下，变速发电机2输出的是变频变压的电能。
变流器3将变速发电机2发出的变频变压的电能转换成恒频恒压的电能，变流器3输出的恒频恒压的电能经配电板4传输至耗功装置5。
变流器3的输入端与变速发电机2的输出端通过电力电缆连接，变流器3的输出端与配电板4的输入端通过电力电缆连接。
配电板4主要实现变流器3与耗功装置5之间开关合闸和分闸控制，并对耗功装置5的负载水平进行控制。配电板4输出端与耗功装置5通过电力电缆连接。
耗功装置5为水电阻负载。
转速控制模块7主要由PLC和I/O模块组成，转速控制模块7与柴油机1的调速器、集控台6通过控制电缆连接。
转速控制模块7通过I/O输入模块接收集控台6给定的柴油机1转速和柴油机1实际转速，PLC模块计算实际转速与给定转速的差值，通过I/O输出模块给柴油机1调速器发送加速或减速指令，从而实现柴油机1的转速调节。
集控台6对试验验证平台的设备进行远程控制和运行参数监测，集控台6与转速控制模块7、配电板4通过控制电缆连接。
集控台6可控制柴油机1启动、停止、加速和减速，控制配电板4开关分闸、合闸，控制耗功装置5负载增加、减少。
集控台6可监测柴油机1、配电板4的运行参数。
一种船舶动力系统试验验证平台的验证方法，包括如下步骤：
1)根据给定的柴油机1转速和柴油机1实际转速，通过给柴油机1调速器发送加速或减速指令，从而实现柴油机1的转速调节；
2)采用变速发电机2与变流器3电气连接，在变转速变负荷情况下发出恒频恒压的电能，供耗功装置5消耗，使得柴油机1转速和负荷可以进行同步调整，从而进行柴油机1推进特性模拟试验和发电特性模拟试验，并进行试验验证。
如图3所示，在进行发电特性模拟试验时，通过集控台6调节柴油机1转速并稳定在1500r/min,同时控制和调节耗功装置5以调整负载功率，使柴油机1运行在发电特性曲线上，并对柴油机1运行参数进行监测。
在进行推进特性模拟试验时，根据柴油机1推进特性曲线对应的转速和负载情况，由集控台6调节柴油机1转速，并控制和调节耗功装置5以调整负载功率，使柴油机1运行在推进特性曲线上，并对柴油机1运行参数进行监测。
如图4所示，通过集控台6对试验验证平台的设备进行远程控制和运行参数监测。集控台6包括UPS电源、开关电源、工控机、显示器、鼠标、键盘、数据采集模块、按钮及继电器；配电板4包括断路器、电能计、按钮及继电器；转速控制模块7包括PLC及I/O模块组成。数据采集模块与柴油机1、配电板4分别通过信号线连接，通过集控台6控制柴油机1的启动、停止、加速和减速，通过集控台6控制配电板4开关分闸、合闸，通过集控台6控制耗功装置5负载增加、减少。通过集控台6监测柴油机1、配电板4的运行参数。耗功装置5包括负载电阻和调节电机，集控台6通过按钮及继电器控制调节电机，实现负载电阻的调节。
下表1为设备组成及型号。下述的零件的品牌或型号在实现本发明功能的情况下可以替换为其他型号。
表1设备组成及型号
实施例
如表2所示，通过模拟多个工况点，从而完成柴油机推进特性曲线的模拟。推进特性试验：
调整柴油机转速至1100r/min，根据推进特性曲线该转速对应的功率值调整耗功装置，使柴油机负载控制在74kW，使柴油机运行在推进特性曲线上。
调整柴油机转速至1200r/min，根据推进特性曲线该转速对应的功率值调整耗功装置，使柴油机负载控制在96kW，使柴油机运行在推进特性曲线上。
调整柴油机转速至1300r/min，根据推进特性曲线该转速对应的功率值调整耗功装置，使柴油机负载控制在122kW，使柴油机运行在推进特性曲线上。
调整柴油机转速至1400r/min，根据推进特性曲线该转速对应的功率值调整耗功装置，使柴油机负载控制在151kW，使柴油机运行在推进特性曲线上。
调整柴油机转速至1500r/min，根据推进特性曲线该转速对应的功率值调整耗功装置，使柴油机负载控制在184kW，使柴油机运行在推进特性曲线上。
如表3所示，发电特性试验：
调整并保持柴油机转速为1500r/min，调整耗功装置使柴油机负荷率为0％、25％、50％、75％和100％，对应的柴油机负载为0kW、46kW、92kW、138kW、184kW。通过模拟多个工况点，从而完成柴油机发电特性曲线的模拟。
表2推进特性试验工况点
| 柴油机转速(r/min) | 负载功率(kW) |
| 1100 | 74 |
| 1200 | 96 |
| 1300 | 122 |
| 1400 | 151 |
| 1500 | 184 |
表3发电特性试验工况点
| 负荷率(％) | 柴油机转速(r/min) | 负载功率(kW) |
| 0 | 1500 | 0 |
| 25 | 1500 | 46 |
| 50 | 1500 | 92 |
| 75 | 1500 | 138 |
| 100 | 1500 | 184 |
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的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
以上对本发明实施例所提供的一种船舶动力系统试验验证平台及验证方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的技术方案及其核心思想；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发明各实施例的技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种船舶动力系统试验验证平台，其特征在于，包括柴油机（1）、变速发电机（2）和变流器（3），所述柴油机（1）与变速发电机（2）机械连接，所述变速发电机（2）将柴油机（1）的机械能转换成电能，在转速变化情况下，变速发电机（2）输出变频变压的电能；所述变速发电机（2）与变流器（3）电气连接，所述变流器（3）将变速发电机（2）发出的变频变压的电能转换成恒频恒压的电能；
还包括配电板（4）、耗功装置（5）、集控台（6）和转速控制模块（7）；所述变流器（3）通过配电板（4）与耗功装置（5）电气连接，所述变流器（3）输出的恒频恒压的电能经配电板（4）传输至耗功装置（5）；所述柴油机（1）、配电板（4）分别与集控台（6）电气连接；
采用所述变速发电机（2）与所述变流器（3）电气连接，在变转速变负荷情况下发出恒频恒压的电能，供所述耗功装置（5）消耗，使得所述柴油机（1）的转速和负荷进行同步调整，从而进行所述柴油机（1）推进特性模拟试验和发电特性模拟试验，并进行试验验证；
所述发电特性模拟试验过程如下：通过集控台（6）调节柴油机（1）转速并保持稳定,同时控制和调节耗功装置（5）以调整负载功率，使柴油机（1）运行在发电特性曲线上，并对柴油机（1）运行参数进行监测；
所述推进特性模拟试验过程如下：根据柴油机（1）推进特性曲线对应的转速和负载情况，由集控台（6）调节柴油机（1）转速，并控制和调节耗功装置（5）以调整负载功率，使柴油机（1）运行在推进特性曲线上，并对柴油机（1）运行参数进行监测。
2.根据权利要求1所述的一种船舶动力系统试验验证平台，其特征在于，所述柴油机（1）作为船舶动力系统试验验证平台的驱动源，其输出端与变速发电机（2）输入端通过联轴器连接，驱动变速发电机（2）旋转并发电。
3.根据权利要求1所述的一种船舶动力系统试验验证平台，其特征在于，所述变流器（3）的输入端与变速发电机（2）的输出端通过电力电缆连接，所述变流器（3）的输出端与配电板（4）的输入端通过电力电缆连接。
4.根据权利要求1所述的一种船舶动力系统试验验证平台，其特征在于，所述配电板（4）输出端与耗功装置（5）通过电力电缆连接。
5.根据权利要求1所述的一种船舶动力系统试验验证平台，其特征在于，所述耗功装置（5）为水电阻负载。
6.根据权利要求1所述的一种船舶动力系统试验验证平台，其特征在于，所述集控台（6）与所述转速控制模块（7）、配电板（4）分别通过控制电缆连接。
7.根据权利要求6所述的一种船舶动力系统试验验证平台，其特征在于，所述转速控制模块（7）包括PLC和I/O模块，所述转速控制模块（7）与柴油机（1）的调速器通过控制电缆连接。
8.权利要求1~7中任意一项所述的一种船舶动力系统试验验证平台的验证方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）根据给定的柴油机（1）的转速和柴油机（1）的实际转速，通过给柴油机（1）的调速器发送加速或减速指令，实现柴油机（1）的转速调节；
2）采用变速发电机（2）与变流器（3）电气连接，在变转速变负荷情况下发出恒频恒压的电能，供耗功装置（5）消耗，使得柴油机（1）的转速和负荷进行同步调整，从而进行柴油机（1）推进特性模拟试验和发电特性模拟试验，并进行试验验证。
9.根据权利要求8所述的一种船舶动力系统试验验证平台的验证方法，其特征在于，所述步骤1）中，具体包括：通过转速控制模块（7）的I/O输入模块接收集控台（6）给定的柴油机（1）转速和柴油机（1）实际转速，转速控制模块（7）的PLC模块计算实际转速与给定转速的差值，通过I/O输出模块给柴油机（1）调速器发送加速或减速指令，实现柴油机（1）的转速调节。
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