CN116054230B - 基于多端口能量路由器的船舶全直流综合电力系统架构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于多端口能量路由器的船舶全直流综合电力系统架构，包括：发电系统、配电系统、综合电力推进系统、储能系统以及能量管理系统；所述发电系统用于生成电能，所述配电系统包括多端口的能量路由器，所述能量路由器的多个端口分别与发电系统和综合电力推力系统以及储能系统电连接，进行电制的转换和能量传输，所述能量管理系统与其他系统连接，实行电能分配和监控。本发明基于多端口能量路由器，实现多种形式电能变换，提高了能源转换效率，可以提升船舶综合能效。
Description
技术领域
本发明涉及电气工程与船舶技术领域，具体地，涉及一种基于多端口能量路由器的船舶全直流综合电力系统架构。
背景技术
为响应国家“碳达峰”和“碳中和”的战略目标，倡导绿色可持续发展理念，在化石能源逐渐减少、环境问题日益突出、燃油成本和运输成本与日俱增的大时代背景下，如何提升船舶电力系统的能源利用率，减少运输成本与污染物排放已迫在眉睫。随着船舶电站电气化程度的逐步提升，融合了大型发电系统、储能系统和综合电力推进技术的全电力船舶可以改变这一不利局面。
在全电力船舶组网架构方面，随着船舶功率和体积的增加，传统交流供配电形式具有功率损耗大、转换效率低、供电直流低等缺陷。在此背景催生下，船舶全直流供配电方式逐渐兴起。然而，现有的船舶全直流组网需要多级变换装置才能顺利实现输配电功能，导致能量转换损耗大、空间占用率高等问题。而多端口能量路由器可以实现能量互补互济，具有高功率密度及控制灵活等优势，可以解决现有船舶全直流组网的多级变换问题，也可以更好地适配船舶综合电力系统的模块化、集成化特性，同时还能提高输变配电的效率，提高系统的可靠性，提升舰船生命力。
近年来，电力电子高频化和高功率密度发展逐渐成为主流，采用可控型电力电子器件柔性调节能量流动的“能量路由器”应运而生。借助于能量流和信息流的交互融合，多端口能量路由器可以实现多个能源设备的协调管理和控制调度，同时具备多个端口间能量流的路径选择和分配功能，是未来建设海上移动能源互联网的关键技术之一。
在公开号为CN101165988A的中国专利文献中，公开了一种中压直流区域配电系统，包括若干个配电分区和能量管理系统，每个配电分区内设置有DC/DC变流器，DC/DC变流器的输出端通过隔离互锁开关分别与左右舷低压直流母线相连接，左右舷直流母线联络屏分别与左右舷低压直流母线相连接，左右舷直流母线联络屏的输出端分别与各电力电子设备的输入端相连接，能量管理系统通过通讯总线和各配电分区内的电力电子设备相连接。本发明有效减少电缆用量，减少电缆穿舱孔数量和面积，缩短电缆敷设时间，降低配电系统尺寸、重量，降低了配电系统整体的经济、体积、重量等成本。该文献提出了一种船舶中压直流区域配电系统的设计方案，但该配电系统只适用于直流区域，同时使用多个直流变换器导致能量损失较多。本发明设计的基于多端口能量路由器的船舶直流组网架构，借助多端口能量路由器实现多种形式多种电制的电能变换与接口匹配，可以连接交直流两侧电力设备，同时各端口具备潮流可控的能力，可实现各端口所连接的船载设备互补互济，提升船舶电力系统供电可靠性。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于多端口能量路由器的船舶全直流综合电力系统架构。
根据本发明提供的一种基于多端口能量路由器的船舶全直流综合电力系统架构，包括：发电系统、配电系统、综合电力推进系统、储能系统以及能量管理系统；所述发电系统用于生成电能，所述配电系统包括多端口的能量路由器，所述能量路由器的多个端口分别与发电系统和综合电力推力系统以及储能系统电连接，进行电制的转换和能量传输，所述能量管理系统与其他系统连接，实行电能分配和监控。
优选地，所述发电系统包括发电机组、可变直流母线，中压直流母线、以及岸电系统；所述发电机组通过整流后连接所述可变直流母线，所述可变直流母线与能量路由器电连接，所述岸电系统以及储能系统与中压直流母线电连接，所述中压直流母线与所述能量路由器电连接。
优选地，所述发电机组包括主发电机和备用发电机，所述主发电机通过整流后与所述可变直流母线电连接，所述备用发电机与所述能量路由器电连接。
优选地，所述发电系统还包括低压交流母线，所述电力系统架构还包括日用负载以及脉冲负载，所述综合电力推进系统通过能量路由器与所述可变直流母线电连接，所述日用负载通过变压器与所述低压交流母线电连接，所述脉冲负载通过变压器与所述低压交流母线电连接。
优选地，所述综合电力推进系统包括主推进电机和侧推进电机，所述主推进电机通过主推进逆变器与所述可变直流母线电连接，所述侧推进电机通过逆变器与所述可变直流母线电连接。
优选地，所述能量路由器包括DC/DC模块、DC/AC模块、AC/AC模块以及AC/DC模块；
所述DC/DC模块的第一DC端口与所述DC/AC模块的DC端口电连接，构成P1端口；
所述DC/AC模块的AC端口与所述AC/AC模块的第一AC端口电连接，构成P2端口；
所述DC/DC模块的第二DC端口与所述AC/DC模块的DC端口电连接，构成P3端口；
所述AC/DC模块的AC端口与所述AC/AC模块的第二AC端口电连接，构成P4端口；
所述P1端口与所述可变直流母线电连接，所述P2端口与所述低压交流母线电连接，所述P3端口与所述中压直流母线电连接，所述P4端口与所述备用发电机电连接。
优选地，所述储能系统由蓄电池组成，所述蓄电池包括锂电池、钠硫电池以及铅酸电池。
优选地，所述主发电机采用汽轮发电机组，所述汽轮发电机组采用12相整流发电机，所述备用发电机采用柴油发电机。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明基于多端口能量路由器，实现多种形式电能变换，提高了能源转换效率，可以提升船舶综合能效。
2、本发明借助于电力电子变换单元的复用降低了子模块器件的使用，实现高集中度的电力电子变换装置，可节约船舶空间。
3、本发明强化了船载设备间的柔性互联互济能力，供电可靠性显著提高。
4、本发明通过多端口能量路由器内部灵活的潮流控制技术，有效抑制了负荷的波动，提高了电能质量。
5、本发明构建了船舶电力系统的清洁高效、安全可靠、高效优质的供电网络架构，可有效助力海上移动能源网络安全可持续发展。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明基于能量路由器的船舶全直流组网架构图；
图2为本发明基于多端口能量路由器的船舶全直流综合电力系统架构分系统构成图；
图3为本发明四端口能量路由器结构示意图；
图4为本发明三种架构系统能量损耗柱状图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明公开了一种基于多端口能量路由器的船舶全直流综合电力系统架构，参照图1和图2所示，包括：发电系统、配电系统、综合电力推进系统、储能系统以及能量管理系统；发电系统将原电机的机械能转变为电能，经电网向全船各区域供电；配电系统根据用电器的用电需求改变电压、频率等，所述配电系统包括多端口的能量路由器，所述能量路由器的多个端口分别与发电系统和综合电力推力系统以及储能系统电连接，进行电制的转换和能量传输，综合电力推进系统包含推进电机和推进变频器，负责推动舰船航行，储能系统用于电能的存储和释放，支撑系统安全稳定运行，同时也为各种高能武器的使用提供基础，能量管理系统对全船各区域配电系统实行电能分配和智能监控。
基于能量路由器的新型架构与传统全直流组网架构最大的不同点在于基于多端口的能量路由器把五大系统“有机”结合。两台主发电机组通过整流器连接到可变直流母线，构成主发电系统。发电系统发出的能量通过配电系统向下传递，并且进行电制的转换以将能量输送给推进系统以及储能系统。在新型架构的设计中，配电系统中使用多端口能量路由器以提高传输电效率，同时可以适应不同类型负载的用电需求，更好实现船载源荷储的匹配。能量管理系统与各个分系统直接连接，对全船各区域实行电能分配和智能监控。
能量路由器是一种可以实现能量转化、转递等功能的枢纽装置，是继承了多种系统调节和保护功能的网络潮流枢纽。能量路由器融合了信息技术与电力电子变换技术，可以实现分布式能量的高效利用和传输。融合了电力电子变换技术的能量路由器为各种类型的分布式电源、储能设备和新型负载提供所需的电能接口形式，包括各种电压、电流的直流或交流形式等。能量路由器在船舶电力系统中可以连接各供能单元和用能单元。正常运行时，基于各端口获取的设备单元状态信息，内部控制系统能够控制各端口的潮流分布，减少内部功率损耗，实现船载设备间的互补互济，减小负荷和新能源波动带来的影响。当端口故障时，内部控制系统通过获取接入能量路由器的各供能单元状态信息，对供能单元的输出电压进行调整，保障船舶直流配网为外部负荷提供稳定的输出电压，提高船舶电网的供电可靠性。
参照图3所示，所述能量路由器包括DC/DC模块、DC/AC模块、AC/AC模块以及AC/DC模块。所述DC/DC模块的第一DC端口与所述DC/AC模块的DC端口电连接，构成P1端口；所述DC/AC模块的AC端口与所述AC/AC模块的第一AC端口电连接，构成P2端口；所述DC/DC模块的第二DC端口与所述AC/DC模块的DC端口电连接，构成P3端口；所述AC/DC模块的AC端口与所述AC/AC模块的第二AC端口电连接，构成P4端口。
所述发电系统包括发电机组、可变直流母线，中压直流母线、以及岸电系统；所述发电机组包括主发电机和备用发电机，所述主发电机通过整流后与所述可变直流母线电连接，所述备用发电机与所述能量路由器电连接。所述可变直流母线与能量路由器电连接，所述岸电系统以及储能系统与中压直流母线电连接，所述中压直流母线与所述配电系统电连接。
主发电机组由两台汽轮发电机组构成，整流后通过机端直流母线与能量路由器的P1端口相连，同时电路中加入断路器控制发电机的接入情况。汽轮发电机采用12相整流发电机，为船舶航行和船上用电提供电能输入。
备用发电机组包括两台柴油发电机，通过交流母线与能量路由器的P4端口相连。正常工况下，备用发电机组处于关断状态，并不参与供电。当发电机组出现故障不能正常供电时，启动备用发电机组，维持船舶的用电需求。
储能系统由两台蓄电池组成，使用但不限于锂电池、钠硫电池、铅酸电池等。储能系统通过中压直流母线与能量路由器的P3端口相连，参与船舶能量调度，平抑船载光伏和负荷的波动，也可作为船舶的备用电源。当船载负载在短时间内需要大量功率时，比如舰船发射高能武器，储能系统可以为大功率负载供电。
岸电采用直流岸电方式，和储能系统同样接在中压直流母线上，进而与能量路由器的端口P3连接。用于船舶靠港作业时接入港口电网，由港口提供电力供应，减轻船舶靠港时因汽轮发电机运转带来的环境污染。
船舶用能单元分为综合电力推进系统、日用负载、脉冲负载等。所述发电系统还包括低压交流母线，所述电力系统架构还包括日用负载以及脉冲负载，所述综合电力推进系统通过配电系统与所述可变直流母线电连接，所述日用负载通过变压器与所述低压交流母线电连接，所述脉冲负载通过变压器与所述低压交流母线电连接。
综合电力推进系统包括但不限于船舶主推进电机，侧推进电机。主推进电机包含两台大功率交流电机，通过发电机整流后的中压直流母线与能量路由器的端口P1相连，主要负责克服船舶阻力做功，推动船舶前进。主推进电机通过逆变器从中压直流母线直接获得电能，以减少能量传输的消耗。侧推进电机包含两台小功率交流电机，通过整流后的可变直流母线与能量路由器的端口P1相连。侧推进电机主要为船舶转向提供动力，调整船舶航行方向。
日用负载包括船舶的日常照明负载、直流变频空调等服务性负荷及船舶通信电子设备等。各种日用负载通过交流母线与能量路由器的端口P3相连，为船舶日常航行提供电力基础。
脉冲负载多指大功率脉冲负载，如高能武器发射器。大功率脉冲负载通过低压交流母线与能量路由器的端口P2相连，从能量路由器中获取电能以维持自身电能需求。
实施例1
以船舶中压直流系统为例，该系统具有两台2800KW的汽轮发电机，两台备用1500KW的柴油发电机，两台1500KW的主推进器和两台400KW的侧推进器；400KW的日用负载，200KW的脉冲负载，直流额定功率为2142KW的发电端逆变器和交流额定功率为2000KW的推进端逆变器，直流母线电压等级为1000V。
为验证所提出新型船舶电力系统架构的有效性，对比分析了船舶电力系统辐射状架构、环网架构、区域环网架构以及基于多端口能量路由器的新型架构的可靠性和系统损耗，具体结果如下表所示。
表1-可靠性分析结果
| 辐射状 | 环网状 | 区域环网状 | 新型架构 | |
| 平均服务有效性指标 | 0.9989 | 0.9984 | 0.9962 | 0.9991 |
| 系统平均中断时间指标 | 9.6390 | 14.0929 | 32.8518 | 7.7736 |
| 系统平均中断频率指标 | 2.1232 | 2.1335 | 2.2266 | 0.8788 |
表中平均服务有效性指标表征的是电力系统在一年中有效可用的时间比例，该指标值越大，一定程度上可以说明系统的可靠性越高。由表中结果可以看出，辐射状和环网状架构的有效性指标相近，但新型架构的有效性指标均高于另外三种典型架构，由此可见新型架构在平均服务指标上的优势。系统平均中断时间指标和平均中断频率指标是从宏观，系统层面上衡量可靠性，该两项指标的值越大，可以表明系统可靠性越低。从表中也可以明显看出，新型架构的中断时间指标和中断频率指标都是四种架构中的最低值，其中新型架构的系统平均中断频率指标更是不到另外三种架构的50％，由此可见新型架构在此方面的优势。综合平均服务有效性指标、系统平均中断时间指标和系统平均中断频率指标，可以看出本方案所提出的新型架构可以提升船舶电力系统可靠性，具有很好的实际效益。
为进一步验证新型架构的优势，对比分析了系统损耗，如图4所示。图中平均未供能量和期望缺供能量从系统层级上表征了能量的损耗，其值越大，说明系统的能量损耗越高，效率更低。从图4可知，新型架构的平均未供能量与期望缺供能量分别为7.2533MWh和87.039MWh，均低于辐射状和环网状结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (5)
1.一种基于多端口能量路由器的船舶全直流综合电力系统架构，其特征在于，包括：发电系统、配电系统、综合电力推进系统、储能系统以及能量管理系统；所述发电系统用于生成电能，所述配电系统包括多端口的能量路由器，所述能量路由器的多个端口分别与发电系统和综合电力推力系统以及储能系统电连接，进行电制的转换和能量传输，所述能量管理系统与其他系统连接，实行电能分配和监控；
所述发电系统包括发电机组、可变直流母线，中压直流母线、以及岸电系统；所述发电机组通过整流后连接所述可变直流母线，所述可变直流母线与能量路由器电连接，所述岸电系统以及储能系统与中压直流母线电连接，所述中压直流母线与所述能量路由器电连接；所述发电系统还包括低压交流母线，所述综合电力推进系统通过能量路由器与所述可变直流母线电连接；
所述发电机组包括主发电机和备用发电机，所述主发电机通过整流后与所述可变直流母线电连接，所述备用发电机与所述能量路由器电连接；
所述能量路由器包括DC/DC模块、DC/AC模块、AC/AC模块以及AC/DC模块；
所述DC/DC模块的第一DC端口与所述DC/AC模块的DC端口电连接，构成P1端口；
所述DC/AC模块的AC端口与所述AC/AC模块的第一AC端口电连接，构成P2端口；
所述DC/DC模块的第二DC端口与所述AC/DC模块的DC端口电连接，构成P3端口；
所述AC/DC模块的AC端口与所述AC/AC模块的第二AC端口电连接，构成P4端口；
所述P1端口与所述可变直流母线电连接，所述P2端口与所述低压交流母线电连接，所述P3端口与所述中压直流母线电连接，所述P4端口与所述备用发电机电连接。
2.根据权利要求1所述的基于多端口能量路由器的船舶全直流综合电力系统架构，其特征在于，所述电力系统架构还包括日用负载以及脉冲负载，所述日用负载通过变压器与所述低压交流母线电连接，所述脉冲负载通过变压器与所述低压交流母线电连接。
3.根据权利要求2所述的基于多端口能量路由器的船舶全直流综合电力系统架构，其特征在于，所述综合电力推进系统包括主推进电机和侧推进电机，所述主推进电机通过主推进逆变器与所述可变直流母线电连接，所述侧推进电机通过逆变器与所述可变直流母线电连接。
4.根据权利要求1所述的基于多端口能量路由器的船舶全直流综合电力系统架构，其特征在于，所述储能系统由蓄电池组成，所述蓄电池包括锂电池、钠硫电池以及铅酸电池。
5.根据权利要求1所述的基于多端口能量路由器的船舶全直流综合电力系统架构，其特征在于，所述主发电机采用汽轮发电机组，所述汽轮发电机组采用12相整流发电机，所述备用发电机采用柴油发电机。
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