CN116707039A - 一种散货船的混合电站系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种散货船的混合电站系统及控制方法，其包括轴带发电机、若干蓄电池组、交流配电组件、直流配电组件；所述轴带发电机设置在主机中间轴上，并由主机带动；所述轴带发电机通过整流器与直流配电组件的输入端电连接；所述若干蓄电池组与直流配电组件的输入端电连接；所述交流配电组件与船上用电负载连接；所述直流配电组件的输出端通过逆变器与所述交流配电组件并网供电。本发明提供的方案配置轴带发电机与蓄电池组，并引入直流配电控制方案，实现航行期间不需启动独立发电机，直接由轴带发电机进行供电，锂电池组用作补充以稳定电网供电，使得主推进柴油机始终处于经济燃油区间内，减少排放，从而实现节能减排目标。

Description

一种散货船的混合电站系统及控制方法

技术领域

本发明涉及船舶电站系统，具体涉及散货船混合电站配置及控制方法。

背景技术

参见图1，为了满足船舶航行需要，常规同类型散货船电站的电源装置一般由3台主柴油发电机(150)组成。根据不同的工况使用不同台数的主柴油发电机满足船舶操舵、生活、锚泊、装卸货时的电力需求。

如此配置的散货船在运行时，所有工况下主机均正常开启工作仅用于提供船东推进动力，航行工况需要额外开启1台主柴油发电机，进出港工况视情况需开启2-3台主柴油发电机，停泊工况需开启1台主柴油发电机。如此配置的现有散货船电站方案在实际应用过程主要存在如下的问题：

(1)现有散货船电站中的主柴油发电机一般采用柴油，而主机燃烧重油，从经济性来说不如主机带动的轴带发电机；

(2)现有散货船电站中主柴油发电机与船舶主机的负荷经常会面临剧烈变化，而造成无法长期工作在燃油经济区间，发出单位功率的油耗增加，经济性不行，排放也偏高；

(3)船舶进入排放控制区，现有散货船电站的配置无法满足法规要求；

(4)现有散货船电站方案，在停泊工况下，主柴油发电机负荷率偏低，单位功率油耗增大，经济性不够。

可见，随着国际海事组织(IMO)对船舶排放要求的逐步提高，传统的动力装置配备已经不能满足日益提高的节能减排需求。

因此，提供一种能够不降低主机功率，但是能够有效降低船舶营运能耗，减少二氧化碳排放量的散货船动力配置技术方案。

发明内容

针对现有散货船动力方案存在能耗以及二氧化碳排放量高的问题，本发明的第一目的在于提供一种散货船的混合电站系统，本发明的第二目的在于提供一种散货船的混合电站系统的控制方法；本发明所形成的方案能够在不降低主机功率的条件下，降低船舶营运能耗，减少二氧化碳排放量。

为了达到上述目的，本发明提供的散货船的混合电站系统，包括轴带发电机、若干蓄电池组、交流配电组件、直流配电组件；所述轴带发电机设置在主机中间轴上，并由主机带动；所述轴带发电机通过整流器与直流配电组件的输入端电连接；所述若干蓄电池组与直流配电组件的输入端电连接；所述交流配电组件与船上用电负载连接；所述直流配电组件的输出端通过逆变器与所述交流配电组件并网供电。

进一步的，所述轴带发电机采用抱轴式电机。

进一步的，所述蓄电池组为集装箱蓄电池组，所述集装箱蓄电池组通过双向DC模块连接到直流配电组件，能够通过双向DC模块进行充放电。

进一步的，所述交流配电组件内集成有功率管理系统，所述直流配电组件内集成有蓄电池管理系统，所述功率管理系统与蓄电池管理系统之间相互连接配合构成电站能量管理系统。

进一步的，所述电站能量管理系统通过实时读取主机转速数据，当主机转速低于设定值时，自行启动蓄电池组放电。

进一步的，所述电站能量管理系统能够调节轴带发电机的发电功率，使得主机始终运行在经济油耗区间。

进一步的，所述电站能量管理系统能够在轴带发电机发电量不足时，控制锂电池组放电补充所需电量；在轴带发电机发电量过量时，将多余电量充入锂电池组存储。

进一步的，所述混合电站系统中还包括若干的独立发电机组，所述若干独立发电机组与交流配电组件进行连接。

为了达到上述目的，本发明提供的散货船的混合电站控制方法，在服务航速的航行工况下仅开启轴带发电机；

在主机降速运行时，轴带发电机发电量不足时，控制蓄电池组放电进行补充；在轴带发电机发电量过量时，将多余电量充入蓄电池组存储。

进一步的，所述控制方法将轴带发电机输出的交流电进行整流转换为直流电，并接入直流配电组件中；同时在直流配电组件中接入若干蓄电池组进行并网；将直流配电组件中的直流电通过逆变转换为交流电接入交流配电组件中，进行并网，供给全船用电负载使用。

进一步的，所述控制方法还通过调节轴带发电机的发电功率，使得主机始终运行在经济油耗区间。

本发明提供的方案配置轴带发电机与蓄电池组，并引入直流配电控制方案，实现航行期间不需启动独立发电机，从而实现节能减排目标。

再者，本发明提供的方案相对于现有技术，具有如下优点：

(1)节能减排效果明显；

(2)在不影响船舶航速及续航力的前提下，燃料成本显著降低；

(3)使用箱式蓄电池组并联到船舶电力系统，有效减少振动源，降低噪声。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为常规散货船动力、电源装置示例图；

图2为本发明中散货船混合电站及配电系统配置示例图；

图3为本发明中混合电站系统的电气原理图；

图4为本发明实例中轴带发电机的启动流程图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

针对现有散货船动力装置采用主机与主柴油发电机组相组合的配置方案，存在营运能耗与二氧化碳排放量高的问题，本发明方案创新地采用轴带发电机组合蓄电池组件的方式来实现为船舶航行提供电力；在此基础上，进一步配置直流配电组件与交流配电组件，由此来形成电站能量管理系统，进行智能化配电控制，从而实现在不影响航行性能，不降低主机功率的条件下，有效降低船舶营运能耗，减少二氧化碳排放量。

据此，本实例中针对73800DWT散货船给出适配的混合电站系统方案，实现针对73800DWT散货船进行智能化配电控制，从而实现在不影响航行性能，不降低主机功率的条件下，有效降低船舶营运能耗，减少二氧化碳排放量。

参见图2与图3，其所示为本实例给出的73800DWT散货船给出适配的混合电站系统100主要由轴带发电机120、若干集装箱式锂电池组130、若干独立的独立发电机组150、交流配电板160、直流配电板170相互配合构成。

其中，轴带发电机120设置在主机110的中间轴111(即尾轴)上，并由主机110带动。

直流配电板170作为相应的直流配电组件，通过相应的整流器171与轴带发电机120的输出进行电连接；与此同时，若干集装箱式锂电池组130分别直接与直流配电板170的输入端电连接。直流配电板170还通过逆变器172与交流配电板160连接并网供电。

交流配电板160作为相应的交流配电组件，其输入还与若干的独立的独立发电机组150进行连接；该交流配电板160的输出与船上用电负载连接。

由此构成的混合电站系统100中由交流配电板160与直流配电板170配合构成相应的电站能量管理系统，该电站能量管理系统协调控制整个混合电站系统中各个组成部件之间协同作用，将轴带发电机120输出的交流电进行整流转换为直流电，并接入直流配电板170中；同时在直流配电板170中接入若干集装箱式锂电池组130进行并网。在此基础上，将直流配电板170中的直流电通过逆变转换为交流电接入交流配电板160中，进行并网，供给全船用电负载使用。

在此基础上，该电站能量管理系统还通过调节轴带发电机120的发电功率，使得主机110始终运行在经济油耗区间。

具体的，由于主机110同时带动轴带发电机120以及螺旋桨112运行，这样主机110的输出功率将转换成螺旋桨输出功率与轴带发电机输出功率，即螺旋桨输出功率与轴带发电机输出功率之和等主机110的输出功率。

这样控制主机输出功率大致不变，始终运行在经济油耗区间，当螺旋桨输出功率发生变化、波动时，可瞬时调节(增加或减小)轴发的输出功率，若轴发发出的电量过多时储存进锂电池组，发出电量过低时，由锂电池组补充供电维持电所需，如此使轴发和螺旋桨的总功率始终不发生大的变动，使得主机始终维持在经济油耗区间。

进一步的，该电站能量管理系统能够在73800DWT散货船处于服务航速的航行工况下时，仅开启轴带发电机；再者，该电站能量管理系统通过实时读取散货船中主机110的转速数据，当主机110转速低于设定值，轴带发电机120发电量不足时，控制启动相应的集装箱式锂电池组130放电进行补充以供应电网负载；同时在轴带发电机120发电量过量时，将多余电量充入相应的集装箱式锂电池组130存储。

以下针对本实例给出的73800DWT散货船给出适配的混合电站系统100的具体构成方案进行具体说明。

本系统中涉及到的主机110用于提供散货船航行的动力，其设置在散货船的船舱内，并通过尾轴111驱动连接螺旋桨112，由此来形成驱动散货船航行的动力。

本方案对于主机110的具体构成不加以限定，具体可根据实际需求而定。

在此基础上，轴带发电机120设置在主机110驱动的尾轴111上，由主机110来带动，由此作为船舶航行时的主要电力供应。

作为优选，本系统中的轴带发电机120优选采用抱轴式电机，占用安装空间较小。

这里的抱轴式轴带发电机主要由机座、定子铁心、转子、支撑板、夹紧装置、定子线圈、端盖、电机支架、调整装置、钢板底座、端盖连接装置和机座连接装置等构成。该抱轴式轴带发电机其电机转子与主轴直接连接为一体结构，大大降低了主轴偏摆对电机转子的影响；再者，整个电机为全封闭结构，进一步保证了电机的可靠性。

现有船用轴带发电机主要有两种型式：一种是在船用主发动机自由端引出一根传动轴连接发电机；另一种是在带有主发动机减速箱上引出一根轴连接发电机。这两种型式的轴带发电机在实际应用时都存在较大的局限性，第一种形式的轴带发电机在具体应用时，自由端空间很小，无法安装，即使有空间，从发动机自由端引轴也十分困难，甚至影响主发动机的可靠性；第二种形式的轴带发电机在具体应用时，大型船舶没有主机减速机，即使小型船舶有减速机接轴也十分困难，特别是大型船舶用电量较大，安装轴带发电机的影响更加明显。

与之对应的，本方案通过采用抱轴式轴带发电机，这样不需要改造主轴，对船上空间限制要求降低；同时，电机本体将轴承取消，大大减少了轴承等易损件的维修、维护及保养成本，降低了工人的维护、维修强度。

与之配合的，本方案还通过若干集装箱式锂电池组130来构成相应的蓄电池组，用于作电力补充。

这里的若干集装箱式锂电池组130可设置在船舶的甲板上，但并不限于此，可根据实际需求而定。

作为举例，本实例中采用3组集装箱式锂电池组130，并分别设置在船舶的甲板上，同时与系统中配置的直流配电板170进行连接。

对于集装箱式锂电池组130的实际数量，并不限于此处的3组，具体根据实际需求而定，如可以采用2组、4组、5组、20组、100组等等。

每组集装箱式锂电池组130优选1540KW锂电池组，同时采用磷酸铁锂电池组作为储能介质。如此构成的3组集装箱式锂电池组130通过双向DC模块连接到直流配电板170中的直流母排，可以通过双向DC进行充放电。

本实例方案中通过并联3组集装箱式锂电池组130到船舶电力系统中，从而有效减少柴油发电机的使用，减少了噪音和二氧化碳排放。

本实例方案中的若干独立的独立发电机组150分别由柴油发电机组来构成，若干的柴油发电机150连接至交流配电板160，基于交流配电板160来实现辅助供电，用于特殊工况下短暂开启来满足全船用电需求。

这里对于采用的柴油发电机150的数量不加以限定，可根据实际需求而定，如可以采用1台、2台、3台、4台，20台等，只要实际可行即可。作为举例，本实例中采用2台柴油发电机150独立设置，并连接于交流配电板160。

本实例方案中通过直流配电板170与交流配电板160之间的有机配合来构成电站能量管理系统。其中，直流配电板170用于接入所有的集装箱式锂电池组130及轴轴带发电机120，可通过相应的逆变器171将直流电源转换为交流电供给交流配电板160，也可由交流配电板160返供电给直流配电板170，以对集装箱式锂电池组130进行充电。同时交流配电板160基于直流配电板170的提供的交流电或独立发电机组150提供的交流电来对船舶用电负载(即用电设备)进行分配供电。

具体的，本实例中的直流配电板170内集成BMS(蓄电池管理系统)，交流配电板160内集成PMS(功率管理系统)系统，同时两者通过网络连接共同构成电站的能量管理系统，对整个电站的各个发电、用电设备进行不间断的监测、控制、报警等。

在此基础上，本直流配电板170具体由汇流排174、若干的双向DC模块173以及逆变器172、整流器171配合构成。

其中的，整流器171与轴带发电机120的输出进行连接，用于将船舶轴带发电机120输出的交流电转换为直流电接入直流配电板中的汇流排174中。

若干的双向DC模块173分别与对应的集装箱式锂电池组130进行连接，用于将每个集装箱式锂电池组130连接到直流配电板中的汇流排174中，能够与轴带发电机120产生的电流实现并网；同时可以对集装箱式锂电池组130进行充放电，据此可实现由岸电给集装箱式锂电池组130进行充电。

逆变器172用于将汇流排174中的直流电转换为交流电接入交流配电板160，进行并网，供给全船用电设备使用。

作为优选，这里的逆变器172采用带晶闸管逆变器，从而能够有效的将汇流排174中的直流电转换为供电网使用的交流电。

例如，针对散货船采用定距桨的情况，此情况下，主机转速将会按航行或作业的需要随时会变化。而由主机带动的轴带发电机的频率将随转速的变化而变化，据此情况所发出的电能将无法直接供给电网使用。

在本方案中，轴带发电机在频率变化状态下所输出的交流电首先通过整流器171转换为直流电，再接入直流配电板汇流排中，锂电池组也同时接入汇流排中与轴发并网；再者接着，直流配电板汇流排的直流电流通过带晶闸管逆变器转换为交流电接入交流配电板，进行并网，供给全船用电设备使用，由此能够有效解决定距桨轴带发电机频率不稳定的问题。

由此构成的73800DWT散货船混合电站系统，可通过电站能源管理系统来控制相应的锂电池组来实现随时放电供应整个电网或将电网多余电能存储进蓄电池组内，起到削峰填谷的作用；再者，在散货船航行工况下，船舶电站由轴带发电机进行供电，锂电池组用作补充以稳定电网供电，使得主推进柴油机始终处于经济燃油区间内，减少排放；对于电站中配置的主柴油发电机组可减少配置数量，在停泊期间，船舶可仅使用锂电池组供电，使得船舶进入零排放模式。

可见，本实例给出的73800DWT散货船混合电站系统能够通过所构建的能量管理系统来调节轴带发电机的发电功率，使得主机始终运行在经济油耗区间，通过实时读取主机转速数据，当主机转速低于设定值，轴带发电机发电量不足时，启动集装箱蓄电池组放电补充所需电量；在轴带发电机发电量过量时，多余电量充入锂电池组存储起来，从而有效克服由于船舶主机110带动螺旋桨112旋转以产生船舶推力时，因此船舶所处海况发生变化，主机110所需输出功率也会发生变化，从而造成主机110经常运行在油耗不经济的区间，造成油耗、排放增加的问题。

以下通过一具体实例来进一步说明本发明提供的散货船混合电站系统的实施过程。

这里以本发明提供的散货船混合电站系统用于73800DWT散货船为为例。

本实例中在73800DWT散货船上配置本方案提供的散货船混合电站系统，具体配置一组抱轴式发电机、三组集装箱蓄电池组、一套交流直流混合配电系统以及若干的独立发电机。

其中，抱轴式发电机增设在散货船中主机驱动螺旋桨的尾轴处，三组集装箱蓄电池组设置在散货船的甲板上。

在此基础上，本实例中的交流直流混合配电系统由上述交流配电板与直流配电板配合构成，能够有效联控抱轴式发电机与三组集装箱蓄电池组，将抱轴式发电机运行产生的交流电与集装箱蓄电池组的直流电进行并网，实现交流直流并网，且在主机降速运行时，控制集装箱蓄电池组自动加入电网，实现蓄电池组的放电从而对电力系统提供补充，为全船提供电力。

基于上述配置所形成的73800DWT散货船混合电站系统，其运行控制过程如下：

一、轴带发电机系统起动，如图4所示。

当船舶离港进入正常航行工况后，主机转速达到要求时，可投入轴带发电机系统。

⑴接通控制系统的电源；

⑵检查起动条件，当系统无故障报警和车钟在大于最小转速(＞75％额定转速)位时，

允许起动调相机(发出允许起动信号)；

⑶按下异步电动机的起动按钮(或自动控制起动)，带动调相机起动，并建立电压；

⑷检查调相机建立正常电压后，接通轴带发电机的励磁电路，发电机起压空载运行；

⑸给整流器、逆变器触发脉冲，逆变器开始向调相机输出功率，异步电动机断电；

⑹轴带发电机系统已经具备供电能力，起动成功。见下图表示自动起动程序步骤。

二、轴带发电机与辅助发电机并联和转换。

如果是手动并车，其整步合闸、负载转移和辅助柴油发电机的解列与一般的手动准同步并车操作相同。经自动频率预调，有功通道的主开关储能，观察整步灯，满足并车条件时进行合闸。操作调速开关进行负载转移，辅助发电机组解列、停机。如此切操作可由自动并车装置完成。

三、停机条件。

导致停机的条件：①按停机按钮；②电源故障；③运行故障(短路、过载、欠压、转速过低、频率过高等)；④系统中任一电机绕组过热等。这些条件都将引起轴带发电机系统自动开关跳闸、整流器逆变器停止触发而停机。

四、正常停机操作流程。

当船舶需要转入机动工况(如进港等)时，因主机将进行减速、倒车、停车等操纵，轴带发电机应停止工作。

⑴动柴油辅助发电机组，与轴带发电机短时并网。

⑵成辅助发电机的手动或自动并车及转移负荷，之后才能操纵主机减速或倒车。

⑶当主机转速降低到额定转速的40％以下时，轴带发电机励磁终止，主开关跳闸，逆变器停止触发，轴带发电机终止发电。

五、由于主机转速小于额定转速的40％时，轴带发电机系统将丧失发电功能，即当单独使用轴带发电机系统供电时.在主机转入机动工况前应及早起动备用发电机接替供电。如果是在航行中发生故障或意外情况主机紧急停车或倒车可由锂电池组瞬间替代轴发供电，保证电站供电的稳定性，之后再启动主柴油发电机组对电网进行供电。

据此，本实例中针对的73800DWT散货船，通过配置本实例提供的散货船混合电站系统，能够实现江海全周期航行期间，不需开启独立发电机的功能，可大幅度降低燃油消耗，减少碳排放量。按船舶年均运行200天计算，可降低燃油消耗624t，减少二氧化碳排放1944t，大幅满足IMO现阶段的排放要求，亦为下阶段排放要求的满足留足了空间。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种散货船的混合电站系统，其特征在于，包括轴带发电机、若干蓄电池组、交流配电组件、直流配电组件；所述轴带发电机设置在主机中间轴上，并由主机带动；所述轴带发电机通过整流器与直流配电组件的输入端电连接；所述若干蓄电池组与直流配电组件的输入端电连接；所述交流配电组件与船上用电负载连接；所述直流配电组件的输出端通过逆变器与所述交流配电组件并网供电。

2.根据权利要求1所述的混合电站系统，其特征在于，所述轴带发电机采用抱轴式电机。

3.根据权利要求1所述的混合电站系统，其特征在于，所述蓄电池组为集装箱蓄电池组，所述集装箱蓄电池组通过双向DC模块连接到直流配电组件，能够通过双向DC模块进行充放电。

4.根据权利要求1所述的混合电站系统，其特征在于，所述交流配电组件内集成有功率管理系统，所述直流配电组件内集成有蓄电池管理系统，所述功率管理系统与蓄电池管理系统之间相互连接配合构成电站能量管理系统。

5.根据权利要求4所述的混合电站系统，其特征在于，所述电站能量管理系统通过实时读取主机转速数据，当主机转速低于设定值时，自行启动蓄电池组放电。

6.根据权利要求4所述的混合电站系统，其特征在于，所述电站能量管理系统能够调节轴带发电机的发电功率，使得主机始终运行在经济油耗区间。

7.根据权利要求4所述的混合电站系统，其特征在于，所述电站能量管理系统能够在轴带发电机发电量不足时，控制锂电池组放电补充所需电量；在轴带发电机发电量过量时，将多余电量充入锂电池组存储。

8.根据权利要求1所述的混合电站系统，其特征在于，所述混合电站系统中还包括若干的独立发电机组，所述若干独立发电机组与交流配电组件进行连接。

9.一种散货船的混合电站控制方法，其特征在于，在服务航速的航行工况下仅开启轴带发电机；

在主机降速运行时，轴带发电机发电量不足时，控制蓄电池组放电进行补充；在轴带发电机发电量过量时，将多余电量充入蓄电池组存储。

10.根据权利要求9所述的混合电站控制方法，其特征在于，所述控制方法还通过调节轴带发电机的发电功率，使得主机始终运行在经济油耗区间。