CN115549063B - 一种船用直流集成式变配电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种船用直流集成式变配电装置，包括直流配电、交流配电、交流岸电接入、日用逆变、推进变频、整流充电和能量管理等多种功能集成于一体，实现了全船电能变换、分配与管理的综合集成，体积重量小、线缆数量少、功率密度高，具有较好的适装性、维修性和经济性。采用分布式直流配电拓扑结构，减少了直流电网短路电流，降低了直流电网供电支路短路保护要求，易于直流开关元件的选型及系统选择性保护功能的实现，降低了配置成本，提高了直流电源接入容量，特别适用于空间、重量限制严格的船舶综合电力系统。

Description

一种船用直流集成式变配电装置
技术领域
本发明涉及船舶电力系统技术领域，具体涉及一种船用直流集成式变配电装置。
背景技术
电力推进船舶因其零排放、无污染、静音、操控性好等优点，在船舶交通运输领域受到越来越多的关注，内河领域作为典型应用场景，电力推进系统已在中短途运输船、观光游览船、客货渡船等船型上开展示范应用。然而，目前已有和在研的电力推进船舶，其变配电设备普遍存在以下三方面问题：
1）系统集成度不高。电力推进船舶一般需配置日用逆变器、推进变频器等多种变电设备，种类、数量多且分散布置于船舱内，占用了较大空间，增加船舶体积设计要求，同时这些设备与直流配电板、交流配电板母排之间需要通过配置额外开关元件和较长线缆进行连接，不仅布线安装困难，而且系统可靠性不高、造价成本增加。
2）直流电网短路电流大。现有电力推进船舶通常采用集中式直流配电拓扑结构，直流电网短路电流较大，由于直流电流无过零点，出现短路故障时较之交流系统分断保护的难度大，不仅增加了直流开关元件选型难度和购置成本，而且限制了直流电力系统容量。
3）负载供电连续性较差。现有电力推进船舶系统拓扑中，每台推进电机对应一台推进变频器，供电回路无冗余备用；另外，日用负载虽然设置有备用供电支路，但备用供电支路需检测到主供电回路失电方可启动运行，无法做到无缝衔接。因此，一旦航行状态船舶的负载供电回路出现故障，特别是在繁忙拥挤的航道区域上突发此类情况，其安全性难以保证。
为解决电力推进船舶变配电设备面临的上述现实问题，有必要设计一种新型直流集成式变配电装置，在满足全船负载供配电需求的基本前提下，尽量优化变配电设备配置，提升变配电设备的适装性、维修性、经济性和可靠性，提高电力推进船舶航行安全性。
发明内容
本发明的目的就是针对现有电力推进船舶变配电技术的缺陷，提供一种降低直流电网短路电流、增加直流电源接入容量的船用直流集成式变配电装置。
本发明一种船用直流集成式变配电装置包括
直流配电单元：包括左侧直流母排及右侧直流母排，左侧直流母排包括若干段直流母排单元，每相邻两段直流母排单元通过直流断路器连接，同理，右侧直流母排包括若干段直流母排单元，每相邻两段直流母排单元通过直流断路器连接；
功率单元：包括左侧DC/AC逆变模块、至少一组左侧变频驱动/整流充电集成模块、右侧DC/AC逆变模块、至少一组右侧变频驱动/整流充电集成模块；左侧DC/AC逆变模块通过直流开关组件与左侧直流母排连接，右侧DC/AC逆变模块通过直流开关组件与右侧直流母排连接；所有左侧变频驱动/整流充电集成模块通过直流开关组件与左侧直流母排连接，所有右侧变频驱动/整流充电集成模块通过直流开关组件与右侧直流母排连接；
交流配电单元：包括三段交流分段母排，三段交流分段母排通过隔离开关连接；左侧DC/AC逆变模块、所有左侧变频驱动/整流充电集成模块、右侧DC/AC逆变模块、所有右侧变频驱动/整流充电集成模块均通过交流断路器与交流分段母排连接；左侧推进电机通过隔离开关与左侧的交流分段母排连接，右侧推进电机通过隔离开关与右侧的交流分段母排连接，中间段交流分段母排为日用负载供电。
进一步地，还包括交流岸电接入单元：将交流岸电通过交流断路器和相序保护器接入交流配电单元的交流分段母排，完成交流岸电相序校对。
进一步地，所述左侧变频驱动/整流充电集成模块和右侧变频驱动/整流充电集成模块均采用带交流侧电感的三相两电平电压源型PWM变流器结构；航行工况下，左侧变频驱动/整流充电集成模块和右侧变频驱动/整流充电集成模块工作在推进变频模式下，将直流电变换为推进电机所需交流电；靠岸工况下，左侧变频驱动/整流充电集成模块和右侧变频驱动/整流充电集成模块工作在充电控制模式下，用于将交流岸电转变成直流电。
进一步地，所述左侧DC/AC逆变模块和右侧DC/AC逆变模块均采用三相两电平电压源型PWM逆变器结构。
进一步地，还包括能量管理单元，能量管理单元采用功率管理系统+功率单元控制器+功率单元驱动板三层控制器管理架构；其中，PMS采用PLC控制方式，负责接收功率单元、开关元件状态信息，进行逻辑判断后，发送命令给功率单元控制器，启停功能模块、切换工作模式，控制相应开关元件分合闸同步动作；功率单元控制器共3台：2个变频驱动/整流充电集成模块共用1台控制器，2个DC/AC逆变功能模块共用1台控制器，功率单元控制器实时接收功率模块电压、电流等电气参数，通过计算与分析，给出底层驱动板的PWM脉冲控制指令，驱动功率单元运行并按照要求进行电压、电流输出。
进一步地，其特征在于：所述左侧变频驱动/整流充电集成模块和右侧变频驱动/整流充电集成模块采用带速启动控制方式，可实现推进负载在不同直流电源间的无缝切换供电，保证了全船推进负载的供电连续性。
进一步地，所述左侧DC/AC逆变模块和右侧DC/AC逆变模块均采用短时并联转移负载控制方式，可实现日用负载在不同直流电源间的无缝切换供电，保证了全船日用负载供电连续性。
本发明的有益效果为：本发明采用“功能复用、综合集成”的技术方案，航行工况下，直流配电单元从船载电源接入直流电，由功率单元变换为交流电后向推进负载、日用负载供电（变频驱动/整流充电集成模块工作在变频器模式）；靠岸工况下，交流配电单元经交流岸电接入单元从岸电供电设施取电，一方面直接向日用负载供电，另一方面经功率单元（变频驱动/整流充电集成模块工作在整流充电模式）、直流配电单元向化学储能型直流源（蓄电池或电容）充电。本发明设计的船用直流变配电装置，高度集成、功能复用，在满足全船负载供电、化学储能型直流电源充电等功能需求的前提下，将大幅提高船舶电力系统可靠性、降低采购成本和对船总体的资源消耗，提升变配电设备的性能代价比。
1、本发明采用功能模块单元化设计理念，通过一套直流集成式变配电设备，将直流配电、交流配电、交流岸电接入、日用逆变、推进变频、整流充电和能量管理等多种功能集成于一体，实现了全船电能变换、分配与管理的综合集成，体积重量小、线缆数量少、功率密度高，具有较好的适装性、维修性和经济性。
2、本发明采用分布式直流配电拓扑结构，减少了直流电网短路电流，降低了直流电网供电支路短路保护要求，易于直流开关元件的选型及系统选择性保护功能的实现，降低了配置成本，提高了直流电源接入容量。
3、本发明通过能量管理单元对全船电能的综合管理，实现了推进负载、日用负载在不同直流电源间的无缝切换供电，保证了全船负载供电连续性；提高了装置冷却整体效率，减少电能消耗，增强了船舶续航力。
附图说明
图1为本发明船用直流集成式变配电装置结构示意图；
图2为本发明船用直流集成式变配电装置在纯电池动力船舶综合电力系统中的一种较佳实施例的电路示意图；
图3为本发明船用直流集成式变配电装置航行工况模式与岸电充电模式切换示意图；
图4为本发明船用直流集成式变配电装置在正常航行工况模式下的状态机；
图5为本发明变频驱动/整流充电集成模块的电路图；
图6为本发明DC/AC逆变模块的电路图；
图7为本发明能量管理单元三层控制器架构示意图。
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所示船用直流集成式变配电装置包括：
直流配电单元：对直流集成式变配电装置外接的直流电源电能进行分配，包括左侧直流母排及右侧直流母排，左侧直流母排包括若干段直流母排单元，每相邻两段直流母排单元通过直流断路器连接，同理，右侧直流母排包括若干段直流母排单元，每相邻两段直流母排单元通过直流断路器连接；每段直流母排单元均通过直流断路器与至少一组电池组连接。每段直流母排单元（含跨接后同组母排）同一时段只有一组直流电源供电，每段直流母排单元通过对应的功率单元模块为负载供电，负载供电支路均有冗余备份，提高了系统运行可靠性；通过分布式直流配电拓扑，有效降低了直流电网的短路电流，增强了直流系统电源接入容量。
功率单元：包括左侧DC/AC逆变模块、至少一组左侧变频驱动/整流充电集成模块、右侧DC/AC逆变模块、至少一组右侧变频驱动/整流充电集成模块；左侧DC/AC逆变模块通过直流开关组件与左侧直流母排连接，右侧DC/AC逆变模块通过直流开关组件与右侧直流母排连接；所有左侧变频驱动/整流充电集成模块通过直流开关组件与左侧直流母排连接，所有右侧变频驱动/整流充电集成模块通过直流开关组件与右侧直流母排连接；直流开关组件由直流断路器和直流熔断器串联而成。
交流配电单元：对直流集成式变配电装置的交流电能进行分配，包括若三段交流分段母排，三段交流分段母排通过隔离开关连接；左侧DC/AC逆变模块、所有左侧变频驱动/整流充电集成模块、右侧DC/AC逆变模块、所有右侧变频驱动/整流充电集成模块均通过交流断路器与交流分段母排连接；左侧推进电机通过隔离开关与左侧的交流分段母排连接，右侧推进电机通过隔离开关与右侧的交流分段母排连接，中间段交流分段母排为日用负载供电。
交流岸电接入单元：将交流岸电通过交流断路器和相序保护器接入交流配电单元的交流分段母排，完成交流岸电相序校对。
其中，左侧DC/AC逆变模块和右侧DC/AC逆变模块均采用三相两电平电压源型PWM逆变器结构，采用短时并联转移负载控制方式，可实现推进负载、日用负载在不同直流电源间的无缝切换供电，保证了全船负载供电连续性；左侧变频驱动/整流充电集成模块和右侧变频驱动/整流充电集成模块均采用带交流侧电感的三相两电平电压源型PWM变流器结构，采用带速启动控制方式，具备能量双向流通功能。航行工况下，左侧变频驱动/整流充电集成模块和右侧变频驱动/整流充电集成模块工作在推进变频模式下，将直流电变换为推进电机所需交流电，用于驱动左侧推进电机和右侧推进电机；靠岸工况下，左侧变频驱动/整流充电集成模块和右侧变频驱动/整流充电集成模块工作在充电控制模式下，用于将交流岸电转变成直流电，向电池组充电。
图2示出了本发明较佳实施例提供的一种船用直流集成式变配电装置电路示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
B1、B2、B3、B4为船用低压直流集成式变配电装置四段750V直流母排外接的四套电池组，KB1、KB2、KB3、KB4为750V直流母排与电池组间连接的直流断路器，KB12、KB34为跨接同组两段直流母排单元的直流断路器，KD1、KD2、KD3、KD4为用于四套150kW级变频驱动/整流充电集成模块（D1、D2、D3、D4）接入直流母排单元的直流开关组件；KI1、KI2为用于两套50kVA DC/AC逆变模块（I1、I2）接入直流母排单元的直流开关组件。
左侧直流母排包括通过KB12连接的两段直流母排单元，右侧直流母排包括通过KB34连接的两段直流母排单元，B1通过KB1与左侧直流母排中的一段直流母排单元连接，B2通过KB2与左侧直流母排中的另一段直流母排单元连接，B3通过KB3与右侧直流母排中的一段直流母排单元连接，B4通过KB4与右侧直流母排中的另一段直流母排单元连接；三段交流分段母排通过隔离开关JB1和JB2连接。
I1通过KI1接入左侧直流母排，D1通过KD1接入左侧直流母排中的一段直流母排单元，D2通过KD2接入左侧直流母排中的另一段直流母排单元；同理，I2通过KI2接入右侧直流母排，D3通过KD3接入右侧直流母排中的一段直流母排单元，D4通过KD4接入右侧直流母排中的另一段直流母排单元；
I1通过交流断路器BI1接入交流分段母排，I2通过交流断路器BI2接入交流分段母排，D1通过交流断路器BD1接入交流分段母排，D2通过交流断路器BD2接入交流分段母排，D3通过交流断路器BD3接入交流分段母排，D4通过交流断路器BD4接入交流分段母排；交流岸电通过交流断路器BS1交流分段母排，完成交流岸电相序校对。变频驱动/整流充电集成模块工作在变频器模式时，用于驱动推进电机M1、推进电机M2，当其工作在整流充电模式时，用于将390V/50Hz交流岸电转变成直流电，向电池组充电；DC/AC逆变模块用于将电池组输出的直流电逆变为390V/50Hz三相三线制交流电，为日用负载供电。
如图3所示，航行初始阶段，正常情况下船用低压直流集成式变配电装置从电池组B1、B2、B4取电，变频驱动/整流充电集成模块D1、D4分别驱动两台推进电机M1、M2运行，DC/AC逆变模块I1运行为日用负载供电，另外一套DC/AC逆变模块处于I2备用状态。随着航行过程中锂电池组能量不断消耗，低压直流集成式变配电装置切换工作状态：
（1）电池组B2、B3之间SOC差值超过20%时，DC/AC逆变模块I2投入，DC/AC逆变模块I1、I2并联运行，日用负载不断电地平滑转移至由DC/AC逆变模块I2供电后，DC/AC逆变模块I1停机，整个过程日用负载供电连续不间断。
（2）推进负载供电支路电源B1、B4中任意一套电池组报SOC低值预警切除时，将与故障电池组同编组的电池组接入直流配电单元，并启动对应的变频驱动/整流充电集成模块，在推进电机带速状态动下驱动电机运行，保证航行动力的连续性。
如图4所示，船用集成式变配电装置航行工况工作模式与岸电充电工况工作模式切换所需开关动作及功能模块启停均可在能量管理单元控制下自动完成，具体如下：工作在航行工况模式，交流断路器BS1分闸，隔离开关JB1和JB2分闸、交流断路器BD1和BD4合闸，启动DC/AC逆变模块I1为日用负载供电，发送指令给变频驱动/整流充电集成模块D1、D4分别驱动两台推进电机M1、M2运行。
直流集成式变配电装置工作在岸电充电工况模式，两个DC/AC逆变模块均停机，隔离开关JB1和JB2合闸、交流断路器BD1、BD2、BD3、BD4合闸，交流岸电接入单元相序保护器自动对岸电相序进行校验，确认相序一致后交流断路器BS1合闸，随后发送指令启动变频驱动/整流充电集成模块D1、D2、D3、D4，装置向电池组B1、B2、B3、B4充电。
如图5所示，变频驱动/整流充电集成模块采用带交流侧电感的三相两电平电压源型PWM变流器结构。功率单元控制器对IGBT器件SD1-SD6的导通关断控制，实现直流电与交流电的电能变换（双向型）。当其工作在变频模式时，断路器K1合闸、K2分闸，能量流由直流侧输入、交流侧输出，以驱动推进电机并控制其转速；当其工作在整流充电模式时，断路器K1分闸、K2合闸，能量流由交流侧输入、直流侧输出，向电池组充电。
如图6所示，左侧DC/AC逆变模块和右侧DC/AC逆变模块均采用三相两电平电压源型PWM逆变器结构。其直流侧经直流开关组件接入至750V直流母排，交流侧经LCL滤波、交流断路器向390V/50Hz交流母排供电。功率单元控制器通过对IGBT器件SI1-SI6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，还包括能量管理单元，能量管理单元采用“功率管理系统（简称PMS）+功率单元控制器+功率单元驱动板”三层控制器管理架构。其中，PMS采用PLC控制方式，负责接收功率单元、开关元件状态信息，进行逻辑判断后，发送命令给功率单元控制器，启停功能模块、切换工作模式，控制相应开关元件分合闸同步动作；功率单元控制器共3台：2个变频驱动/整流充电集成模块共用1台控制器，2个DC/AC逆变功能模块共用1台控制器，功率单元控制器实时接收功率模块电压、电流等电气参数，通过计算与分析，给出底层驱动板的PWM脉冲控制指令，驱动功率单元运行并按照要求进行电压、电流输出。
本发明船用直流集成式变配电装置可以外接4套独立电池组，通过4个变频驱动/整流充电集成模块向2套150kW级推进负载供电，通过2个50kVA DC/AC逆变模块向日用负载供电，推进和日用负载供电支路均有冗余，提高船舶负载供电的可靠性。变频驱动/整流充电集成模块可工作在变频器模式，用于航行工况驱动推进电机并控制推进电机转速；也可工作在整流充电模式，用于靠岸工况交流岸电经该整流充电装置向锂电池组充电。本发明采用功能模块化设计，将直流配电、交流配电、交流岸电接入、日用逆变、推进变频、整流充电、能量管理等功能集成于一体，高度集成、结构紧凑、功能全面，减少了连接电缆，增强了电力系统运行可靠性和续航力，具有易于在线检修更换、不需额外配置整流充电装置、效率高等优点，特别适用于纯电池动力船舶直流1kV级及以下电压等级的低压综合电力系统。
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或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
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 (4)

1.一种船用直流集成式变配电装置，其特征在于：包括
直流配电单元：包括左侧直流母排及右侧直流母排，左侧直流母排包括若干段直流母排单元，每相邻两段直流母排单元通过直流断路器连接，同理，右侧直流母排包括若干段直流母排单元，每相邻两段直流母排单元通过直流断路器连接；
功率单元：包括左侧DC/AC逆变模块、至少一组左侧变频驱动/整流充电集成模块、右侧DC/AC逆变模块、至少一组右侧变频驱动/整流充电集成模块；左侧DC/AC逆变模块通过直流开关组件与左侧直流母排连接，右侧DC/AC逆变模块通过直流开关组件与右侧直流母排连接；所有左侧变频驱动/整流充电集成模块通过直流开关组件与左侧直流母排连接，所有右侧变频驱动/整流充电集成模块通过直流开关组件与右侧直流母排连接；
交流配电单元：包括三段交流分段母排，三段交流分段母排通过隔离开关连接；左侧DC/AC逆变模块、所有左侧变频驱动/整流充电集成模块、右侧DC/AC逆变模块、所有右侧变频驱动/整流充电集成模块均通过交流断路器与交流分段母排连接；左侧推进电机通过隔离开关与左侧的交流分段母排连接，右侧推进电机通过隔离开关与右侧的交流分段母排连接，中间段交流分段母排为日用负载供电；
所述左侧变频驱动/整流充电集成模块和右侧变频驱动/整流充电集成模块均采用带交流侧电感的三相两电平电压源型PWM变流器结构；航行工况下，左侧变频驱动/整流充电集成模块和右侧变频驱动/整流充电集成模块工作在推进变频模式下，将直流电变换为推进电机所需交流电；靠岸工况下，左侧变频驱动/整流充电集成模块和右侧变频驱动/整流充电集成模块工作在充电控制模式下，用于将交流岸电转变成直流电；
还包括交流岸电接入单元：将交流岸电通过交流断路器和相序保护器接入交流配电单元的交流分段母排，完成交流岸电相序校对；还包括能量管理单元，能量管理单元采用功率管理系统+功率单元控制器+功率单元驱动板三层控制器管理架构；其中，PMS采用PLC控制方式，负责接收功率单元、开关元件状态信息，进行逻辑判断后，发送命令给功率单元控制器，启停功能模块、切换工作模式，控制相应开关元件分合闸同步动作；功率单元控制器共3台：2个变频驱动/整流充电集成模块共用1台控制器，2个DC/AC逆变功能模块共用1台控制器，功率单元控制器实时接收功率模块电压、电流等电气参数，通过计算与分析，给出底层驱动板的PWM脉冲控制指令，驱动功率单元运行并按照要求进行电压、电流输出。
2.根据权利要求1所述船用直流集成式变配电装置，其特征在于：所述左侧DC/AC逆变模块和右侧DC/AC逆变模块均采用三相两电平电压源型PWM逆变器结构。
3.根据权利要求1所述船用直流集成式变配电装置，其特征在于：所述左侧变频驱动/整流充电集成模块和右侧变频驱动/整流充电集成模块采用带速启动控制方式。
4.根据权利要求1所述船用直流集成式变配电装置，其特征在于：所述左侧DC/AC逆变模块和右侧DC/AC逆变模块均采用短时并联转移负载控制方式。
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