CN115498622B - 电电混合船舶直流综合电力系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电电混合船舶直流综合电力系统及控制方法，包括包括直流母排、交流配电板、左侧发电机组、右侧发电机组、左侧锂电池组、右侧锂电池组、左侧推进变频器组、左侧作业变频器、右侧推进变频器组、右侧作业变频器；所有设备均通过直流断路器与直流母排连接。发电机组和锂电池组为直流母排提供直流电能，直流母排为推进/作业变频器和逆变器提供直流电能。直流电经推进/作业变频器转化为交流电为推进/作业电机供能，直流电经DC/AC逆变器逆变为交流电后，通过变压器输出为日用交流配电区域供能。本发明可以通过发电机组与锂电池组的不同组网和控制方式，应对船舶综合电力系统不同的运行模式，节省燃料，提高效率，降低排放。
Description
技术领域
本发明涉及船舶电力系统技术领域，具体涉及一种电电混合船舶直流综合电力系统及控制方法。
背景技术
在我国“双碳”目标的背景下，为了缓解传统船舶对柴油等燃料消耗的依赖，全电或多电供电方案成为了船舶运输业节能减排的主要实现手段。我国全电或多电船舶技术应用尚未成熟，多种类型供电源的船舶投入运营数量较少。目前主要将锂电池储能装置与发电机组并联的多电供电方案作为发展过渡，满足当前船舶运输行业节能减排的短期目标。然而，现有多电混合船舶电力系统普遍存在以下三方面问题：
1）船舶运行模式多、负荷差异大，使得发电机组供电效率低。船舶电力系统仍然主要依靠发电机组供电，船舶灵活的运行模式间功率需求差异较大，导致发电机组经常工作在低负荷工况下，使得效率降低，甚至出现故障。
2）锂电池储能装置作用发挥不明显，充电依赖于岸电。一般将锂电池储能装置用来为应急工况下的日用配电系统供能或为发电机起动供能，在系统运行过程中并未降低船舶对柴油等燃料消耗的依赖，发挥作用较小，且锂电池一般需要通过岸电充电，应用灵活性不高。
3）系统集成度不高。直-交流配电板间通过电缆连接，且分别配置安装，使得系统集成度不高，可靠性降低。
为解决现有多电供电的船舶电力系统面临的上述现实问题，有必要提出一种新型电电混合船舶直流综合电力系统方案，在满足全船推进和日用负载供电需求的基本前提下，尽可能优化系统运行模式，提高供电效率，降低燃料消耗和碳排放量，增强电电混合船舶直流综合电力系统的实用性。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种船舶在不同的运行模式下均可以保持较高的供电效率、减少燃料消耗量的电电混合船舶直流综合电力系统及控制方法。
本发明提供一种电电混合船舶直流综合电力系统，包括直流母排、交流配电板、左侧发电机组、右侧发电机组、左侧锂电池组、右侧锂电池组、左侧推进变频器组、左侧作业变频器、右侧推进变频器组、右侧作业变频器、左侧DC/AC逆变器、右侧DC/AC逆变器、左侧隔离变压器、右侧隔离变压器；
直流母排包括左侧直流母排单元和右侧直流母排单元，左侧直流母排单元和右侧直流母排单元之间通过直流断路器连接；左侧发电机组通过直流断路器与左侧直流母排连接，左侧锂电池组依次通过DC/DC双向变流器和直流断路器连接于左侧直流母排，左侧推进变频器组通过直流断路器与左侧直流母排连接，左侧作业变频器通过直流断路器与左侧直流母排连接，左侧DC/AC逆变器通过直流断路器与左侧直流母排连接，左侧DC/AC逆变器通过左侧隔离变压器和交流断路器连接于交流配电板；右侧发电机组通过直流断路器与右侧直流母排连接，右侧锂电池组依次通过DC/DC双向变流器和直流断路器连接于右侧直流母排，右侧推进变频器组通过直流断路器与右侧直流母排连接，右侧作业变频器通过直流断路器与右侧直流母排连接，右侧DC/AC逆变器通过直流断路器与右侧直流母排连接，右侧DC/AC逆变器通过右侧隔离变压器和交流断路器连接于交流配电板。
进一步地，所述左侧发电机组和右侧发电机组均包括至少一台发电机组单元，左侧锂电池组和右侧锂电池组均包括至少一个锂电池储能站，左侧推进变频器组和右侧推进变频器组均包括至少一台主推进变频器和一台侧推进变频器；左侧作业变频器驱动左侧作业电机工作，左侧推进变频器组的主推进变频器驱动左侧主推进电机工作、侧推进变频器驱动左侧侧推进电机工作；右侧作业变频器驱动右侧作业电机工作，右侧推进变频器组的主推进变频器驱动右侧主推进电机工作、侧推进变频器驱动右侧侧推进电机工作。
进一步地，每台所述发电机组单元采用十二相同步整流发电机组，由无刷励磁装置+十二相同步发电机+二十四脉波不控整流器构成；所述左侧作业变频器、右侧作业变频器、主推进变频器和侧推进变频器均采用三相两电平电压源型PWM变流器结构。
进一步地，所述DC/DC双向变流器采用三重化PWM变流器结构或双向H桥变流器结构；所述左侧DC/AC逆变器和右侧DC/AC逆变器均采用三相两电平电压源型PWM逆变器结构。
还提供一种如上述所述电电混合船舶直流综合电力系统的控制方法如下：
巡航或静音/零碳航行工况时，发电机组出口断路器断开，锂电池组的DC/DC双向变流器出口断路器闭合，并连接于直流母排，为直流母排提供电能，此时，单机运行信号Flag_s=1；所述锂电池组工作于放电模式，此时，充放电控制信号Flag_c=1；所述直流母排经变频器向推进/作业负载供电，所述直流母排经DC/AC逆变器向日用负载供电；
高速航行或作业工况，发电机组出口断路器闭合，锂电池组的DC/DC双向变流器出口断路器闭合，发电机组和锂电池组并联运行，并连接于直流母排，此时，单机运行信号Flag_s=0；当负载较重时，发电机组和锂电池组共同为直流母排提供电能；所述锂电池组工作于放电模式，此时，充放电控制信号Flag_c=1；所述直流母排经变频器向推进/作业负载供电，所述直流母排经DC/AC逆变器向日用负载供电。
当负载较轻时，仅发电机组为直流母排提供电能；所述锂电池组工作于充电模式，此时，充放电控制信号Flag_c=0；所述直流母排经变频器向推进/作业负载供电，所述直流母排经DC/AC逆变器向日用负载供电，所述直流母排经DC/DC变流器为锂电池组充电。
根据船舶运行模式，检测Flag_s和Flag_c的值，即可切换至对应运行模式下的控制策略。
进一步地，每台所述发电机组单元采用无刷励磁装置+十二相同步发电机+二十四脉波不控整流器结构；励磁调节器控制策略采用电压电流双闭环控制策略，所述双闭环控制的外环采用输出直流电压PI控制，所述双闭环控制的内环采用励磁机励磁电流PI控制。
进一步地，所述锂电池组工作于巡航或静音/零碳航行工况下的放电模式，此时，Flag_s=Flag_c=1；DC/DC双向变流器采用三重化PWM变流器结构或双向H桥变流器结构，控制策略采用电压电流双闭环控制策略，所述双闭环控制的外环采用输出直流电压PI控制，所述双闭环控制的内环采用电感电流PI控制。
进一步地，所述锂电池组工作于高速航行或作业工况下的放电模式，此时，Flag_s=0，Flag_c=1，DC/DC变流器采用三重化PWM变流器结构或双向H桥变流器结构，控制策略采用恒流输出控制策略，所述恒流控制采用电感电流PI控制；若该工况下突卸负载至轻载，DC/DC双向变流器检测到直流电压过压信号，则变流器紧急封锁脉冲，负载全部由发电机供电。
进一步地，所述锂电池组工作于高速航行或作业工况下的充电模式，此时，Flag_s=0，Flag_c=0，DC/DC双向变流器可采用三重化PWM变流器结构或双向H桥变流器结构，控制策略采用恒流充电控制策略，所述恒流控制采用电感电流PI控制。
进一步地，所述锂电池组的DC/DC双向变流器采用三重化PWM变流器结构或双向H桥变流器变流器结构；若采用三重化PWM变流器结构，当发生短路故障时，通过封锁脉冲限制变流器的输出；若采用双向H桥变流器结构，当发生短路故障时，通过控制限流，限制变流器的输出。
本发明的有益效果为：本发明采用“交直流混合电制、变配电集成、锂电池组与发电机组并联供电、储能装置DC/DC双向变流器充放电功能复用”的技术方案，在巡航或静音/零碳航行工况，锂电池组经直流断路器向1000V直流母排供电，推进/作业变频器驱动推进/作业电机，DC/AC逆变器经390V交流母排向日用负载供电；在高速航行或作业工况，负荷较重时，锂电池储能装置与发电机组并联运行，通过直流断路器向1000V母排供电，锂电池储能装置工作于放电模式，推进/作业变频器驱动推进/作业电机，DC/AC逆变器经390V交流母排向日用负载供电；负载较轻时，发电机组经直流断路器向1000V母排供电，一方面经直流断路器和DC/DC变流器向锂电池储能站充电，锂电池储能装置工作于充电模式，另一方面经直流断路器和推进/作业变频器驱动推进/作业电机，DC/AC逆变器经390V交流母排向日用负载供电。本发明提出的电电混合船舶直流综合电力系统方案及其组网控制方法，在满足全船负载供电、锂电池充放电的前提下，优化了系统运行模式，提高了供电效率，降低了燃料消耗量和碳排放量，增强了电电混合船舶直流综合电力系统的实用性。
1、本发明采用锂电池组与发电机组并联运行的供电模式，替代传统主要依靠发电机组的供电模式，不仅降低了对燃料消耗的依赖，减少了排放，而且可以根据船舶运行工况改变供电模式，提高了系统运行灵活性。
2、本发明采用DC/DC双向变流器充电放集成装置，在巡航或静音/零碳航行工况下，通过控制使其工作在放电模式，为1000V直流母排供电；在高速航行和作业工况下，通过控制根据负荷功率需求使其工作在放电或充电模式，重载时，同发电机组并联为1000V直流母排供电，轻载时，由发电机组为1000V直流母排供电，并向锂电池储能站充电。该充放电集成装置不仅降低了总体燃料消耗，而且可以使发电机组保持在最佳运行状态，提高了供电效率。另外，还摆脱了锂电池对岸电充电的依赖。
3、本发明采用1套1000V直流变配电设备，集成了直流配电、交流配电、DC/DC变频器、DC/AC逆变器、推进/作业变频器等，提高了系统集成度，增强了系统运行可靠性。
4、本发明很好地利用了锂电池组的性能优势，丰富了系统组网供电灵活性，可以在航行或作业过程中为锂电池储能站充电，摆脱了对岸电充电的依赖；此外，直-交流配电板和变配电设备功能集成，提高了系统集成度，增强了运行可靠性。
附图说明
图1为本发明电电混合船舶直流综合电力系统的电网结构示意图；
图2为本发明电电混合船舶直流综合电力系统的电网结构一种较佳实施例的结构示意图；
图3为本发明十二相同步整流发电机组的电路图；
图4为本发明锂电池组中三重化DC/DC变流器的电路图；
图5为本发明锂电池组中双向H桥变流器的电路图；
图6为本发明推进/作业变频器和推进/作业电机的电路图；
图7为本发明DC/AC双向逆变器的电路图；
图8为本发明在巡航或静音/零碳航行工况下的能量流示意图；
图9a、9b为本发明在高速航行或作业工况下的能量流示意图；
图10为本发明十二相同步整流发电机组励磁调节器的控制策略图；
图11为本发明双向DC/DC变流器在巡航或静音/零碳航行工况、高速航行或作业工况充放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所示电电混合船舶直流综合电力系统包括直流母排、交流配电板、左侧发电机组、右侧发电机组、左侧锂电池组、右侧锂电池组、左侧推进变频器组、左侧作业变频器、右侧推进变频器组、右侧作业变频器、左侧DC/AC逆变器、右侧DC/AC逆变器、左侧隔离变压器、右侧隔离变压器。
直流母排包括左侧直流母排单元和右侧直流母排单元，左侧直流母排单元和右侧直流母排单元之间通过直流断路器连接。左侧发电机组通过直流断路器与左侧直流母排连接，左侧锂电池组依次通过DC/DC双向变流器和直流断路器连接于左侧直流母排，左侧推进变频器组通过直流断路器与左侧直流母排连接，左侧作业变频器通过直流断路器与左侧直流母排连接，左侧DC/AC逆变器通过直流断路器与左侧直流母排连接，左侧DC/AC逆变器通过左侧隔离变压器和交流断路器连接于交流配电板。同理，右侧发电机组通过直流断路器与右侧直流母排连接，右侧锂电池组依次通过DC/DC双向变流器和直流断路器连接于右侧直流母排，右侧推进变频器组通过直流断路器与右侧直流母排连接，右侧作业变频器通过直流断路器与右侧直流母排连接，右侧DC/AC逆变器通过直流断路器与右侧直流母排连接，右侧DC/AC逆变器通过右侧隔离变压器和交流断路器连接于交流配电板。在巡航或静音/零碳航行工况下，采用锂电池组供电；在高速航行和作业工况下采用锂电池组与发电机组并联供电，向大功率推进、作业负载供电，并在负载较小时向锂电池组充电。
左侧发电机组和右侧发电机组均包括至少一台发电机组单元，左侧锂电池组和右侧锂电池组均包括至少一个锂电池储能站，左侧推进变频器组和右侧推进变频器组均包括至少一台主推进变频器和一台侧推进变频器。左侧作业变频器驱动左侧作业电机工作，左侧推进变频器组的主推进变频器驱动左侧主推进电机工作、侧推进变频器驱动左侧侧推进电机工作；同理，右侧作业变频器驱动右侧作业电机工作，右侧推进变频器组的主推进变频器驱动右侧主推进电机工作、侧推进变频器驱动右侧侧推进电机工作。
交流配电板包括390V交流配电板和230V交流配电板，左侧DC/AC逆变器通过左侧隔离变压器和交流断路器连接于390V交流配电板，右侧DC/AC逆变器通过右侧隔离变压器和交流断路器连接于390V交流配电板；390V交流配电板通过岸电电源交流断路器与390V交流岸电连接，390V交流配电板给AC380V日用负载供电，390V交流配电板通过380V/230V变压器与230V交流配电板呈辐射状连接。
图2示出了本申请较佳实施例提供的一种电电混合船舶直流综合电力系统供电方案的电网结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
包括直流母排、2套十二相同步整流发电机组、2套锂电池储能站、2台主推进变频器+2台主推进电机、2台作业变频器+2台作业电机、2台侧推进变频器+2台侧推进电机的船舶为例进行说明，其中，直流母排包括左侧直流母排单元和右侧直流母排单元，左侧直流母排单元和右侧直流母排单元之间通过直流断路器BKBUS连接，图中：
G1、G2为2台十二相同步整流发电机组；B1、B2为2组锂电池储能站；D1、D2为2台DC/DC双向变流器，当储能装置工作在放电模式时，用于为1000V直流母排供电，当储能装置工作在充电模式时，用于为锂电池储能站充电；Pw1、Pw2为2台作业变频器，用于驱动作业电机；Mw1、Mw2为2台作业电机；Ppm1、Ppm2为2台主推进变频器，用于驱动主推进电机；Mpm1、Mpm2为2台主推进电机；Ppl1、Ppl2为2台侧推进变频器，用于驱动侧推进电机；Mpl1、Mpl2为2台侧推进电机；In1、In2为2台DC/AC逆变器，用于将直流电逆变为交流电，为日用交流配电板供电；T1、T2为2台隔离变压器。G1通过直流断路器BKG1与左侧直流母排连接，B1依次通过D1和直流断路器BKB1连接于左侧直流母排，Ppm1通过直流断路器BKM1与左侧直流母排连接，Pw1通过直流断路器BKW1与左侧直流母排连接，Ppl1通过直流断路器BKL1与左侧直流母排连接，In1通过直流断路器BKI1与左侧直流母排连接，In1通过T1和交流断路器BKT1连接于309V交流配电板，Ppm1驱动Mpm1，Ppl1驱动Mpl1，Pw1驱动Mw1。同理，G2通过直流断路器BKG2与右侧直流母排连接，B2依次通过D2和直流断路器BKB2连接于右侧直流母排，Ppm2通过直流断路器BKM2与右侧直流母排连接，Pw2通过直流断路器BKW2与右侧直流母排连接，Ppl2通过直流断路器BKL2与右侧直流母排连接，In2通过直流断路器BKI2与右侧直流母排连接，In2通过T2和交流断路器BKT2连接于309V交流配电板，Ppm2驱动Mpm2，Ppl2驱动Mpl2，Pw2驱动Mw2。390V交流配电板通过岸电电源交流断路器与390V交流岸电连接，390V交流配电板给AC380V日用负载供电，390V交流配电板通过380V/230V变压器与230V交流配电板呈辐射状连接。实际运行过程中，逆变器In1和In2仅投入一台运行，另外一台用作备用。
如图3所示，每台发电机组单元采用十二相同步整流发电机组，由无刷励磁装置+十二相同步发电机+二十四脉波不控整流器构成。十二相同步发电机定子上布置4套互移15°的三相绕组，输出的十二相交流电经二十四脉波不控整流器形成电压脉动很小的直流电
U dc。二十四脉波不控整流器输出经直流滤波电容和半H桥斩波器后产生电压可调的直流电
u fde，向励磁机励磁绕组供电。励磁机的励磁绕组布置在定子上、电枢绕组布置在转子上，控制励磁机的励磁电压
u fde即可控制其电枢绕组输出电压，从而通过旋转整流器产生电压可调的直流电
u fd，向十二相同步发电机励磁绕组供电。因此，励磁调节器通过控制励磁机励磁电压，可以控制十二相同步发电机整流系统输出的直流电压。输出直流电经直流断路器接至1000V直流母排，通过对半H桥斩波器开关的导通关断控制，实现向1000V直流母排供能。
如图4和图5所示，DC/DC双向变流器采用三重化PWM变流器结构（图4）或双向H桥变流器结构（图5）。每台锂电池储能站接至每台DC/DC双向变流器的输入侧，DC/DC双向变流器输出经直流断路器接入至1000V直流母排，通过对IGBT器件的导通关断控制，实现锂电池储能站与1000V直流母排的电能变换。当DC/DC双向变流器工作在放电模式时，能量流由锂电池储能站侧输入，经DC/DC双向变流器输出给1000V直流母排；当DC/DC双向变流器工作在充电模式时，能量流由1000V直流母排侧输入，经DC/DC双向变流器输出给锂电池储能站，向锂电池储能站充电。图4中，
V bat为锂电池储能站输出电压；
i L为电感电流；
L 1、
L 2、
L 3为储能电感；
C 1、
C 2、
C 3为滤波电容；
R 0为输出侧并联电阻；
V dc为输出直流电压；S1~S6为IGBT控制信号。通过对S1~S6的导通关断控制，实现对DC/DC变流器的充放电控制。图5中，
V bat为锂电池储能站输出电压；
i L1为电感电流；
L 1为储能电感；
C 1为输入侧电容；C2为输出侧电容；
L 2为输出侧电感；
R 0为输出侧并联电阻；
V dc为输出直流电压；S1~S4为IGBT控制信号。通过对S1~S4的导通关断控制，实现对DC/DC变流器的充放电控制。
如图6所示，推进变频器、作业变频器均采用三相两电平电压源型PWM变流器结构，通过变流器的并联可以扩充单台设备容量。其直流侧经直流断路器接入到1000V直流母排，交流侧经LC滤波器、隔离开关向三相感应电机供电。图中，
U dc为直流侧输入电压；
I dc为直流侧输入电流；
C 1为支撑电容；
R 1为限流电阻；
C f1为滤波电容；
L f1为滤波电感；
i a1、
i b1、
i c1分别为变流器输出滤波前三相电流；
i La1、
i Lb1、
i Lc1分别为变流器输出滤波后三相电流。通过对IGBT器件S1~S6的导通关断控制，将直流电逆变为390V/50Hz三相交流电。
如图7所示， DC/AC逆变器采用三相两电平电压源型PWM逆变器结构。其直流侧经直流断路器接入1000V直流母排，交流侧经LC滤波器、隔离变压器向390V/50Hz交流母排供电。通过对IGBT器件S1~S6的导通关断控制，将直流电逆变为390V/50Hz三相交流电。图中，
U dc为直流侧输入电压；
C 1为支撑电容；
L 1为滤波电感；
C 2为滤波电容；
i a1，
i b1，
i c1为逆变器输出滤波前电流。通过对IGBT器件S1~S6的导通关断控制，将直流电逆变为390V/30Hz三相交流电。
本发明电电混合船舶直流综合电力系统的控制过程如下：
如图8所示，在巡航或静音/零碳航行工况下，根据负载功率需求投入1台或2台锂电池储能站为1000V直流母排供电（直流断路器BKB1或BKB2合闸，或均合闸），十二相同步整流发电机组均不投入运行（直流断路器BKG1和BKG2分闸）。2台DC/DC双向变流器D1或D2或D1和D2工作在放电模式。仅投入1台逆变器（In1）为390V交流配电板供电，另1台逆变器（In2）用作备用（直流断路器BKI1，BKT1合闸，直流断路器BKI2，BKT2分闸）。岸电断路器BKS1分闸。
如图9a所示，在高速航行或作业工况下，重载时，锂电池储能装置和发电机组并联运行为1000V直流母排供电（直流断路器BKG1，BKG2，BKB1，BKB2合闸）。2台DC/DC双向变流器D1，D2工作在放电模式。1000V直流母排为推进/作业变频器提供电能（BKW1，BKW2，BKL1，BKL2，BKM1，BKM2合闸），仅投入1台逆变器（In1）为390V交流配电板供电，另1台逆变器（In2）用作备用（断路器BKI1，BKT1合闸，断路器BKI2，BKT2分闸）。岸电断路器BKS1分闸。
如图9b所示，在高速航行或作业工况下，轻载时，发电机组投入运行，为1000V直流母排供电（断路器BKG1，BKG2合闸），同时为锂电池储能站充电（断路器BKB1和BKB2合闸）。2台双向DC/DC变流器D1，D2工作在充电模式。1000V直流母排为推进/作业变频器提供电能（断路器BKW1，BKW2，BKL1，BKL2，BKM1，BKM2合闸），仅投入1台逆变器（In1）为390V交流配电板供电，另1台逆变器（In2）用作备用（断路器BKI1，BKT1合闸，断路器BKI2，BKT2分闸）。岸电断路器BKS1分闸。
如图10所示，十二相同步整流发电机的励磁调节器采用输出直流电压外环控制和励磁机励磁电流内环控制的双闭环控制策略，外环为直流电压PI控制，内环为励磁机励磁电流PI控制。其中，
U ref为直流电压指令值；
U dc和
I dc分别为直流电压和直流电流的测量值；
K d为下垂系数；
i fde为励磁机励磁电流；
i ffdmax和
i ffdmin为电压外环PI控制输出限幅；
d max和
d min为电流内环输出限幅；
d 0为恒定值，用于将内环控制输出的正负值信号调理为正值信号；
d为占空比。
本实施例DC/DC双向变流器采用三重化变流器结构。
如图11所示，在巡航或静音/零碳航行工况下（对应于图7），三重化DC/DC双向变流器采用电压电流双闭环控制策略，工作于恒压控制下的放电模式，即控制信号Flag_s=Flag_c=1。此时，双闭环控制的外环为直流电压PI控制，内环为储能电感电流PI控制。其中，
V ref为直流电压指令值；
i Lref为储能电感电流指令值；
i L为储能电感电流测量值；
T=1/
f，
f为额定频率。这里规定电感电流由锂电池流出向电感方向为正。
在高速航行或作业工况下的放电模式时（对应于图9a），三重化DC/DC变流器采用恒流输出控制策略，即Flag_s=0，Flag_c=1。此时，采用电流环PI控制，储能电感电流测量值为1/3
i L，表示由锂电池储能站放电。
在高速航行或作业工况下的充电模式时（对应于图9b），三重化DC/DC变流器采用恒流充电控制策略，即Flag_s=0，Flag_c=0。电流指令值由电池BMS系统给定，当电池端电压达到预设值，电池BMS系统限制电流指令值，降低输入，直至电池端电压升至额定值。其中，电流内环测量值为-1/3
i L，表示储能电感流过反向电流，直流母排为锂电池储能站充电。
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 (5)
1.一种电电混合船舶直流综合电力系统，其特征在于：包括直流母排、交流配电板、左侧发电机组、右侧发电机组、左侧锂电池组、右侧锂电池组、左侧推进变频器组、左侧作业变频器、右侧推进变频器组、右侧作业变频器、左侧DC/AC逆变器、右侧DC/AC逆变器、左侧隔离变压器、右侧隔离变压器；
直流母排包括左侧直流母排单元和右侧直流母排单元，左侧直流母排单元和右侧直流母排单元之间通过直流断路器连接；左侧发电机组通过直流断路器与左侧直流母排连接，左侧锂电池组依次通过DC/DC双向变流器和直流断路器连接于左侧直流母排，左侧推进变频器组通过直流断路器与左侧直流母排连接，左侧作业变频器通过直流断路器与左侧直流母排连接，左侧DC/AC逆变器通过直流断路器与左侧直流母排连接，左侧DC/AC逆变器通过左侧隔离变压器和交流断路器连接于交流配电板；右侧发电机组通过直流断路器与右侧直流母排连接，右侧锂电池组依次通过DC/DC双向变流器和直流断路器连接于右侧直流母排，右侧推进变频器组通过直流断路器与右侧直流母排连接，右侧作业变频器通过直流断路器与右侧直流母排连接，右侧DC/AC逆变器通过直流断路器与右侧直流母排连接，右侧DC/AC逆变器通过右侧隔离变压器和交流断路器连接于交流配电板；
所述左侧发电机组和右侧发电机组均包括至少一台发电机组单元，左侧锂电池组和右侧锂电池组均包括至少一个锂电池储能站，左侧推进变频器组和右侧推进变频器组均包括至少一台主推进变频器和一台侧推进变频器；左侧作业变频器驱动左侧作业电机工作，左侧推进变频器组的主推进变频器驱动左侧主推进电机工作、侧推进变频器驱动左侧侧推进电机工作；右侧作业变频器驱动右侧作业电机工作，右侧推进变频器组的主推进变频器驱动右侧主推进电机工作、侧推进变频器驱动右侧侧推进电机工作；
所述电电混合船舶直流综合电力系统的控制方法：
巡航或静音/零碳航行工况时，发电机组出口断路器断开，锂电池组的DC/DC双向变流器出口断路器闭合，并连接于直流母排，为直流母排提供电能，此时，单机运行信号Flag_s＝1；所述锂电池组工作于放电模式，此时，充放电控制信号Flag_c＝1；所述直流母排经变频器向推进/作业负载供电，所述直流母排经DC/AC逆变器向日用负载供电；
高速航行或作业工况，发电机组出口断路器闭合，锂电池组的DC/DC双向变流器出口断路器闭合，发电机组和锂电池组并联运行，并连接于直流母排，此时，单机运行信号Flag_s＝0；当负载较重时，发电机组和锂电池组共同为直流母排提供电能；所述锂电池组工作于放电模式，此时，充放电控制信号Flag_c＝1；所述直流母排经变频器向推进/作业负载供电，所述直流母排经DC/AC逆变器向日用负载供电；
当负载较轻时，仅发电机组为直流母排提供电能；所述锂电池组工作于充电模式，此时，充放电控制信号Flag_c＝0；所述直流母排经变频器向推进/作业负载供电，所述直流母排经DC/AC逆变器向日用负载供电，所述直流母排经DC/DC变流器为锂电池组充电；
根据船舶运行模式，检测Flag_s和Flag_c的值，即可切换至对应运行模式下的控制策略；
所述锂电池组工作于巡航或静音/零碳航行工况下的放电模式，此时，Flag_s＝Flag_c＝1；DC/DC双向变流器采用三重化PWM变流器结构或双向H桥变流器结构，控制策略采用电压电流双闭环控制策略，所述双闭环控制的外环采用输出直流电压PI控制，所述双闭环控制的内环采用电感电流PI控制；所述锂电池组工作于高速航行或作业工况下的放电模式，此时，Flag_s＝0，Flag_c＝1，DC/DC变流器采用三重化PWM变流器结构或双向H桥变流器结构，控制策略采用恒流输出控制策略，所述恒流控制采用电感电流PI控制；若该工况下突卸负载至轻载，DC/DC双向变流器检测到直流电压过压信号，则变流器紧急封锁脉冲，负载全部由发电机供电；所述锂电池组工作于高速航行或作业工况下的充电模式，此时，Flag_s＝0，Flag_c＝0，DC/DC双向变流器可采用三重化PWM变流器结构或双向H桥变流器结构，控制策略采用恒流充电控制策略，所述恒流控制采用电感电流PI控制。
2.根据权利要求1所述电电混合船舶直流综合电力系统，其特征在于：每台所述发电机组单元采用十二相同步整流发电机组，由无刷励磁装置+十二相同步发电机+二十四脉波不控整流器构成；所述左侧作业变频器、右侧作业变频器、主推进变频器和侧推进变频器均采用三相两电平电压源型PWM变流器结构。
3.根据权利要求1所述电电混合船舶直流综合电力系统，其特征在于：所述DC/DC双向变流器采用三重化PWM变流器结构或双向H桥变流器结构；所述左侧DC/AC逆变器和右侧DC/AC逆变器均采用三相两电平电压源型PWM逆变器结构。
4.根据权利要求1所述电电混合船舶直流综合电力系统的控制方法，其特征在于：每台所述发电机组单元采用无刷励磁装置+十二相同步发电机+二十四脉波不控整流器结构；励磁调节器控制策略采用电压电流双闭环控制策略，所述双闭环控制的外环采用输出直流电压PI控制，所述双闭环控制的内环采用励磁机励磁电流PI控制。
5.根据权利要求1所述电电混合船舶直流综合电力系统的控制方法，其特征在于：所述锂电池组的DC/DC双向变流器采用三重化PWM变流器结构或双向H桥变流器变流器结构；若采用三重化PWM变流器结构，当发生短路故障时，通过封锁脉冲限制变流器的输出；若采用双向H桥变流器结构，当发生短路故障时，通过控制限流，限制变流器的输出。
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