CN114336948A - 新能源船舶不间断供电配系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新能源船舶不间断供电配系统及其控制方法，通过岸电和应急发电机连接至交流配电板，将双向可逆变频模块和日用变压器连接与交流配电板和直流配电板之间，并配置相应的供配电控制系统的方案；将传统的大功率整流模块和日用逆变模块合二为一，将岸侧大功率日用变压器和船上日用变压器合二为一，节省了船舶的空间和设备的价格，解决了共模电压问题；通过有效的控制逻辑和控制方法，实现电池组、应急发电机、交流岸电箱三种电源的不间断切换，正常航行、应急航行和靠港充电三种工况之间不断电切换，提升了电池动力船舶的安全性、体验感和自动化水平。

Description

新能源船舶不间断供电配系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种船舶供电技术，特别涉及一种新能源船舶不间断供电配系统及其控制方法。

背景技术

随着国家将对船舶污染物排放进行大力度的控制，以及电池技术的进步和价格的下降，电池动力作为清洁的动力系统的代表被广泛的提出，其满足“零排放”、“低噪音”的同时会进一步降低运行成本，是未来中小型内河船舶的动力首选。

由于目前船舶直流充电规范的缺失，以及岸侧直流供电能力的限制，目前大部分新能源船舶岸电需要采用交流岸电接入的方式，又因交流电转换成直流电给电池充电需要大功率可控整流模块，而大功率整流模块占地空间大、价格成本高且存在共模电压等问题，长期困扰着新能源船舶的设计者和使用者。

大型旅游船由于需要更高的安全配置和应急方案，以及用户对于电池剩余电量的焦虑等情况，大型旅游船配置一套应急发电机机组作为应急动力所需。

目前已有的电池动力船舶，普遍配置2套单独的大功率可控整流模块在船上，岸侧需要配置单独的大功率隔离变压器，同时还需配置2套给全船日用负荷供电的日用逆变模块，以及相应的2套日用变压器。

目前已有的电池动力船舶，当进行岸电、应急发电机和日用逆变器进行供配电工况切换时，需要短时失去电力。

发明内容

针对现在电池动力船舶电力系统采用大功率可控整流设备时存在设备占用空间大、价格成本高且存在共模电压，以及无法实现多电源不间断切换问题，提出了一种新能源船舶不间断供电配系统及其控制方法，通过岸电和应急发电机连接至交流配电板，将双向可逆变频模块和日用变压器连接与交流配电板和直流配电板之间，并配置相应的供配电控制系统的方案，有效解决了上述现有电池动力船舶存在的缺陷。

本发明的技术方案为：一种新能源船舶不间断供电配系统，包括电池组、应急发电机、交流岸电箱、与电池组配套的直流变换器、应急发电机断路器、岸电断路器、交流配电板、直流配电板、2套正弦波滤波器、2套日用变压器和控制配电的供配电控制系统；应急发电机通过应急发电机断路器接交流配电板，交流岸电箱通过岸电断路器接交流配电板，交流配电板中间设置有正常航行时闭合的母联开关，直流配电板设有快速熔断器型母联开关，交流配电板与直流配电板两侧之间分别通过串联的日用变压器、正弦波滤波器连接，电池组通过直流变换器接直流配电板；直流配电板通过推进逆变模块给船舶提供动力电。

所述新能源船舶不间断供电配系统的控制方法，控制船舶在正常航行、应急航行和靠港充电三种工况之间不断电切换；

新能源船舶正常航行时，电池组的能量通过2套双向可逆变频模块、2套日用变压器断路器将电能传输至交流配电板，同时电池组通过直流配电板、推进逆变模块将能量传输至螺旋桨；

新能源船舶应急航行时，电池组的能量不足以满足供电时，通过一套应急发电机给交流配电板供电，交流配电板通过2套日用变压器断路器、2套双向可逆变频模块给直流配电板供电，与电池组一起将电能通过推进逆变模块将能量传输至螺旋桨；

新能源船舶靠港充电时，通过1套交流岸电箱将岸电传输至交流配电板，再通过2套日用变压器断路器、2套双向可逆变频模块给直流配电板供电，电能通过直流变换器给电池组进行充电。

进一步，所述双向可逆变频模块配置有电压采集模块和电网同步控制模块；第一套双向可逆变频模块同步电压采集交流配电板应急发电机断路器上端电压、交流配电板岸电断路器上端电压、交流配电板左侧母线电压；第二套双向可逆变频模块电压采集交流配电板应急发电机断路器上端电压、交流配电板岸电断路器上端电压、交流配电板右侧母线电压；

应急航行和靠港充电工况下，交流配电板通过双向可逆变频模块向直流配电板供电时，双向可逆变频模块工作于整流模式下；

正常航行工况下，直流配电板通过双向可逆变频模块向交流配电板供电时，双向可逆变频模块工作于逆变模式下。

进一步，正常航行、应急航行和靠港充电三种工况之间进行切换时，先通过双向可逆变频模块实现供电的同步并网，再进行负载供电转移。

进一步，正常航行向应急航行切换：同步并网前由2套双向可逆变频模块承担所有交流配电板负载，控制系统控制2套双向可逆变频模块供电和发电机供电进行同步并网，同步并网后逐渐将双向可逆变频模块承担的负载转移至发电机，完成了不间断供电和负载平稳转移。

进一步，所述双向可逆变频模块通过增加、减少输出电压频率来增加、降低并网负荷功率。

本发明的有益效果在于：本发明新能源船舶不间断供电配系统及其控制方法，通过岸电和应急发电机连接至交流配电板，将双向可逆变频模块和日用变压器连接与交流配电板和直流配电板之间，并配置相应的供配电控制系统的方案；将传统的大功率整流模块和日用逆变模块合二为一，将岸侧大功率日用变压器和船上日用变压器合二为一，节省了船舶的空间和设备的价格，解决了共模电压问题；通过有效的控制逻辑和控制方法，实现三种电源的不间断切换，提升了电池动力船舶的安全性、体验感和自动化水平。

附图说明

图1为本发明新能源船舶不间断供电配系统实施例示意图；

图2为本发明双向可逆变频模块同步电网电压采集点示意图；

图3为本发明靠港充电转正常航行能量流示意图；

图4为本发明应急航行转靠港充电能量流示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示新能源船舶不间断供电配系统实施例示意图，系统由2套400kW双向可逆变频模块，2套正弦波滤波器(SIN滤波器)、2套日用变压器、1套600kWh应急发电机、1套1000A容量交流岸电箱、1套直流配电板和1套供配电控制系统组成。交流配电板额定电压为400VAC，直流配电板额定电压为1000VDC，全船配置4组732kWh电池组，和2套450kW的推进变频和电机。交流配电板设置有用于应急发电机接入的应急发电机断路器，用于岸电接入的岸电断路器，用于1#双向可逆变频模块接入的1#日用变压器断路器，用于2#双向可逆变频模块接入的2#日用变压器断路器，交流配电板中间设置有母联开关，正常航行时母联处于常闭状态。直流配电板母联开关采用快速熔断器型式，双向可逆变频模块接入直流配电板亦采用快速熔断器型式，可以有效防止因直流部分短路引起的大电流，相关熔断器的保护功能具有选择性。

新能源船舶存在三种工况，即正常航行、应急航行和靠港充电三种工况，三种工况之间任意切换时，整个供配电系统平稳供电不会失去电力。新能源船舶正常航行时，电池组的能量通过2套双向可逆变频模块、2套日用变压器断路器将电能传输至交流配电板，同时电池组通过直流配电板、推进逆变模块将能量传输至螺旋桨；新能源船舶应急航行时，电池组的能量不足以满足供电时，通过一套应急发电机给交流配电板供电，同时通过2套日用变压器断路器、2套双向可逆变频模块给直流配电板供电，与电池组一起将电能通过推进逆变模块将能量传输至螺旋桨；新能源船舶靠港充电时，通过1套交流岸电箱将岸电传输至交流配电板，再通过2套日用变压器断路器、2套双向可逆变频模块给直流配电板供电，电能通过直流变换器给电池组进行充电。

停船状态指全船处于无电情况，直流配电板和交流配电板均没有电的情况；当应急航行和靠港充电工况下，即交流配电板通过双向可逆变频模块向直流配电板供电时，双向可逆变频模块工作于整流模式下；当正常航行工况下，即直流配电板通过双向可逆变频模块向交流配电板供电时，双向可逆变频模块工作于逆变模式下；双向可逆变频模块配置有电压采集模块和电网同步控制模块；1#双向可逆变频模块同步电压采集点有三处，分别设置于交流配电板应急发电机断路器上端电压、交流配电板岸电断路器上端电压、交流配电板左侧母线电压；2#双向可逆变频模块电压采集点有三处，分别设置于交流配电板应急发电机断路器上端电压、交流配电板岸电断路器上端电压、交流配电板右侧母线电压。

1)供配电控制系统具体实施：

供配电控制系统采用冗余可编程控制器作为主控制器，并配置用于和双向可逆变频模块的现场总线通讯模块，配置用于和应急发电机通讯的串口通讯模块，配置用于和全船综合控制系统通讯的网口模块，配置用于和触摸屏通讯的网口模块。同时供配电控制系统配置数字量输入输出模块和模拟量输入模块，用于对双向可逆变频模块、应急发电机和岸电的控制和状态信号采集。

供配电控制系统与双向可逆变频模块的通讯协议为Profibus-DP，主要用于实现模块的启停控制、整流逆变模式切换、负荷功率调整、电网同步控制等功能，主要通讯数据为：1)控制数据包括：模块启动、模块停止、总线控制模式、同步控制、整流模式、逆变模式、负荷功率增加，负荷功率减小；2)状态数据包括：模块直流电压、模块输出电压、模块频率、模块功率、模块电流、模块电压、模块温度、模块故障字、整流模式、逆变模式、同步完成、模块就绪、模块运行、模块报警、模块故障；

供配电控制系统与应急发电机的通讯协议为Modbus-Rtu，主要通讯数据为：综合报警、综合故障、发电机绕组温度、发电机轴承温度、发电机机油压力、发电机转速，急停状态，三次启动失败等信号；

数字量输入模块采集信号包括：岸电采样接触器合闸反馈、发电机采样接触器合闸反馈、1#日用变压器采样触器合闸反馈、2#日用变压器采样触器合闸反馈、交流配电板母联状态、交流配电板失电信号、正常航行切换、应急航行切换、靠港充电切换、发电机启停命令、发电机就绪、发电机运行、发电机故障、发电机备车、发电机断路器就绪、发电机断路器合闸、1#双向可逆变频模块启停命令、1#日用变压器开关就绪、1#日用变压器开关合闸、1#日用变压器开关故障、2#双向可逆变频模块启停命令、2#日用变压器开关就绪、2#日用变压器开关合闸、2#日用变压器开关故障、岸电断路器就绪、岸电断路器合闸、岸电断路器故障；

数字量输出模块信号包括：发电机运行控制、发电机断路器合闸控制、1#日用变压器开关合闸控制、2#日用变压器开关合闸控制、岸电采样接触器合闸控制、发电机采样接触器合闸控制、1#日用变压器采样触器合闸控制、2#日用变压器采样触器合闸控制、综合故障指示、蜂鸣器报警输出等；

模拟量输入模块信号包括：发电机功率、岸电功率、1#日用变压器绕组温度、2#日用变压器绕组温度；

2)双向可逆变频模块同步电网和增减负荷功率功能实施

同步电网功能可以使船舶交流配电板在不失电的情况下完成负载转移和不同工况的切换功能；正常航行时，电池电能给直流配电板供电，电池电能经过直流配电板和2套双向可逆变频模块向交流配电板供电；应急航行时，发电机电能给交流配电板供电，同时交流配电板经过2套双向可逆变频模块向直流配电板供电；靠港充电时，岸电电能给交流配电板供电，岸电电能经过交流配电板和2套双向可逆变频模块向直流配电板供电；三种工况之间切换，如正常航行向应急航行切换时，同步并网前由2套双向可逆变频模块承担所有交流配电板负载，控制系统控制2套双向可逆变频模块供电和发电机供电进行同步并网，同步并网后逐渐将双向可逆变频模块承担的负载转移至发电机，完成了不间断供电和负载平稳转移；其他工况以此类推；

如图2所示，本实施例中，1#双向可逆变频模块需要和交流配电板左母排1电压、应急发电机断路器上端2电压和岸电断路器上端3电压进行采样，2#双向可逆变频模块需要和交流配电板右母排4电压、岸电断路器上端2电压和应急发电机断路器上端3电压进行采样；所采的电压的相序、幅值、相角、频率和双向可逆变频模块输出的相序幅值、相角、频率进行对比，对比数据达到同步要求值后控制相应的断路器合闸，完成同步电网的功能；

双向可逆变频模块通过减少输出电压频率来降低并网负荷功率，双向可逆变频模块通过增加输出电压频率来增加并网负荷功率，负荷功率的上升率和下降率可根据岸电和应急发电机的模型进行实时调整，以满足负荷转移的安全性和效率。

3)一键切换工况控制逻辑及方法实施；

本发明实施例在交流配电板上设置了一键切换工况的按钮指示灯，包括，在集控台触摸屏上配置了一键切换的软按钮指示灯，包括一键切换至“正常航行”、“靠港充电”和“应急航行”，指示灯闪烁表示一键切换工况运行中，指示灯常亮表示一键切换工况成功；

双向可逆变频模块与交流配电板同步过程：控制系统通过控制1#和2#双向可逆变频模块工作于逆变模式下，控制系统控制1#双向可逆变频模块电压采样点至交流配电板左侧母线电压采样点，控制系统控制2#双向可逆变频模块电压采样点至交流配电板右侧母线电压采样点，控制系统给1#和2#双向可逆变频模块发送电网同步指令，1#和2#双向可逆变频模块与交流配电板进行电网同步，同步完成后给控制系统发送同步完成指令，控制系统控制交流配电板内1#和2#日用变压器断路器合闸；

双向可逆变频模块与岸电同步过程：控制系统控制1#和2#双向可逆变频模块工作于逆变模式下，控制系统控制1#和2#双向可逆变频模块电压采样点至交流配电板岸电断路器上端电压采样点，控制系统给1#和2#双向可逆变频模块发送电网同步指令，1#和2#双向可逆变频模块与岸电进行电网同步，同步完成后给控制系统发送同步完成指令，控制系统控制交流配电板岸电断路器合闸；

双向可逆变频模块与应急发电机同步过程：控制系统控制1#和2#双向可逆变频模块工作于逆变模式下，控制系统控制1#和2#双向可逆变频模块电压采样点至交流配电板应急发电机断路器上端电压采样点，控制系统给1#和2#双向可逆变频模块发送电网同步指令，1#和2#双向可逆变频模块与应急发电机进行电网同步，同步完成后给控制系统发送同步完成指令，控制系统控制交流配电板应急发电机断路器合闸；

(1)一键切换至“正常航行”逻辑控制及方法如下：

a)停船状态切换至正常航行工况

供配电控制系统检测到交流配电板没电时，并收到一键切换至“正常航行”请求，控制系统控制1#和2#双向可逆变频模块工作于逆变模式下，控制系统控制交流配电板内1#和2#的日用变压器断路器合闸；

b)靠港充电工况切换至正常航行工况

供配电控制系统检测到岸电向交流配电板，并收到一键切换至“正常航行”请求，供电时控制系统控制完成双向可逆变频模块与岸电同步过程，控制系统控制1#和2#双向可逆变频模块增加功率负荷，当控制系统检测到岸电负荷功率小于10％时，控制系统断开交流配电板内的岸电断路器。能量流如图3中A和B所示。

c)应急航行工况切换至正常航行工况

供配电控制系统检测到应急发电机向交流配电板供电时，并收到一键切换至“正常航行”请求，控制系统控制完成双向可逆变频模块与应急发电机同步过程，控制系统控制1#和2#双向可逆变频模块增加功率负荷，当控制系统检测到应急发电机负荷功率小于10％时，控制系统断开交流配电板内的应急发电机断路器。

(2)一键切换至“靠港充电”逻辑控制及方法如下：

d)停船状态切换至靠港充电工况

供配电控制系统检测到交流配电板没电时，并收到一键切换至“靠港充电”请求，控制系统控制交流配电板内岸电断路器合闸，控制系统控制完成双向可逆变频模块与岸电同步过程，控制系统控制1#和2#双向可逆变频模块工作于整流模式下；

e)应急航行工况切换至靠港充电工况

供配电控制系统检测到应急发电机向交流配板电供电时，并收到一键切换至“靠港充电”请求，控制系统控制完成双向可逆变频模块与应急发电机同步过程，控制系统控制1#和2#双向可逆变频模块增加功率负荷，当控制系统检测到应急发电机负荷功率小于10％时，控制系统断开交流配电板内的应急发电机断路器；控制系统控制完成双向可逆变频模块与岸电同步过程，控制系统控制1#和2#双向可逆变频模块减小功率负荷，当控制系统检测到1#和2#双向可逆变频模块负荷功率小于10％时，控制系统控制1#和2#双向可逆变频模块工作于整流模式下。能量流如图4所示A、B、C、D所示。

f)正常航行工况切换至靠港充电工况

供配电控制系统检测到双向可逆变频模块向交流配电板供电时，并收到一键切换至“靠港充电”请求，控制系统控制完成双向可逆变频模块与岸电同步过程，控制系统控制1#和2#双向可逆变频模块减小功率负荷，当控制系统检测到1#和2#双向可逆变频模块负荷功率小于10％时，控制系统控制1#和2#双向可逆变频模块工作于整流模式下；

(3)一键切换至“应急航行”逻辑控制及方法如下：

g)停船状态切换至应急航行工况

供配电控制系统检测到交流配电板没电时，并收到一键切换至“应急航行”请求，控制系统控制交流配电板应急发电机断路器合闸，控制系统控制完成双向可逆变频模块与应急发电机同步过程，控制系统控制1#和2#双向可逆变频模块工作于整流模式下；

h)靠港充电工况切换至应急航行工况

供配电控制系统检测到岸电向交流配板电供电时，并收到一键切换至“应急航行”请求，控制系统控制完成双向可逆变频模块与岸电同步过程，控制系统控制1#和2#双向可逆变频模块增加功率负荷，当控制系统检测到岸电负荷功率小于10％时，控制系统断开交流配电板内的岸电断路器；控制系统控制完成双向可逆变频模块与应急发电机同步过程，控制系统控制1#和2#双向可逆变频模块减小功率负荷，当控制系统检测到1#和2#双向可逆变频模块负荷功率小于10％时，控制系统控制1#和2#双向可逆变频模块工作于整流模式下；

i)正常航行工况切换至应急航行工况

供配电控制系统检测到双向可逆变频模块向交流配电板供电时，并收到一键切换至“应急航行”请求，控制系统控制完成双向可逆变频模块与应急发电机同步过程，控制系统控制1#和2#双向可逆变频模块减小功率负荷，当控制系统检测到1#和2#双向可逆变频模块负荷功率小于10％时，控制系统控制1#和2#双向可逆变频模块工作于整流模式下。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种新能源船舶不间断供电配系统，其特征在于，包括电池组、应急发电机、交流岸电箱、与电池组配套的直流变换器、应急发电机断路器、岸电断路器、交流配电板、直流配电板、2套正弦波滤波器、2套日用变压器和控制配电的供配电控制系统；应急发电机通过应急发电机断路器接交流配电板，交流岸电箱通过岸电断路器接交流配电板，交流配电板中间设置有正常航行时闭合的母联开关，直流配电板设有快速熔断器型母联开关，交流配电板与直流配电板两侧之间分别通过串联的日用变压器、正弦波滤波器连接，电池组通过直流变换器接直流配电板；直流配电板通过推进逆变模块给船舶提供动力电。

2.根据权利要求1所述新能源船舶不间断供电配系统的控制方法，其特征在于，控制船舶在正常航行、应急航行和靠港充电三种工况之间不断电切换；

新能源船舶正常航行时，电池组的能量通过2套双向可逆变频模块、2套日用变压器断路器将电能传输至交流配电板，同时电池组通过直流配电板、推进逆变模块将能量传输至螺旋桨；

新能源船舶应急航行时，电池组的能量不足以满足供电时，通过一套应急发电机给交流配电板供电，交流配电板通过2套日用变压器断路器、2套双向可逆变频模块给直流配电板供电，与电池组一起将电能通过推进逆变模块将能量传输至螺旋桨；

新能源船舶靠港充电时，通过1套交流岸电箱将岸电传输至交流配电板，再通过2套日用变压器断路器、2套双向可逆变频模块给直流配电板供电，电能通过直流变换器给电池组进行充电。

3.根据权利要求2所述新能源船舶不间断供电配系统的控制方法，其特征在于，所述双向可逆变频模块配置有电压采集模块和电网同步控制模块；第一套双向可逆变频模块同步电压采集交流配电板应急发电机断路器上端电压、交流配电板岸电断路器上端电压、交流配电板左侧母线电压；第二套双向可逆变频模块电压采集交流配电板应急发电机断路器上端电压、交流配电板岸电断路器上端电压、交流配电板右侧母线电压；

应急航行和靠港充电工况下，交流配电板通过双向可逆变频模块向直流配电板供电时，双向可逆变频模块工作于整流模式下；

正常航行工况下，直流配电板通过双向可逆变频模块向交流配电板供电时，双向可逆变频模块工作于逆变模式下。

4.根据权利要求3所述新能源船舶不间断供电配系统的控制方法，其特征在于，正常航行、应急航行和靠港充电三种工况之间进行切换时，先通过双向可逆变频模块实现供电的同步并网，再进行负载供电转移。

5.根据权利要求4所述新能源船舶不间断供电配系统的控制方法，其特征在于，正常航行向应急航行切换：同步并网前由2套双向可逆变频模块承担所有交流配电板负载，控制系统控制2套双向可逆变频模块供电和发电机供电进行同步并网，同步并网后逐渐将双向可逆变频模块承担的负载转移至发电机，完成了不间断供电和负载平稳转移。

6.根据权利要求4或5所述新能源船舶不间断供电配系统的控制方法，其特征在于，所述双向可逆变频模块通过增加、减少输出电压频率来增加、降低并网负荷功率。

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