CN117614106A - 一种船舶电站管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种船舶电站管理系统，其直流配电板、主配电板内设有若干个断路器，包括：设置于直流配电板内整流模块交流端的断路器Q1、设置于逆变模块交流端的断路器Q2、并联的设置于Q1、Q2之间的断路器Q3、设置于Q3与主配电板连接通路上位于主配电板内的断路器Q4；所述整流模块和逆变模块的直流端通过直流母排连接；船舶电站主机在恒转速或可变转速下工作，在可变转速模式时，仅Q1、Q2、Q4闭合，轴带发电机通过整流模块、直流母排、和逆变模块向主配电板供电；在恒转速模式时，仅Q3、Q4闭合，轴带发电机直接向主配电板供电。本发明的方法实现了轴带发电机多种工作模式的灵活切换，降低功率损耗，节能和减排效果明显。

Description

一种船舶电站管理系统

技术领域

本发明属于电力管理技术领域，具体涉及一种船舶电站管理系统。

背景技术

传统的船舶轴带发电机，直接向主配电板供电，只能在恒转速下运行。由于经常受海况影响，主机转速波动较大，进而影响电网的电压和频率。由于主机本身的调速性能限制，轴带发电机与主发电机之间仅可短时并车，用于负荷转移，轴带发电机与主发电机之间，以及两台轴带发电机之间无法长时间并车，严重限制了电站容量的有效发挥，电网负荷较高时，轴带发电机与主发电机无法组合使用。

由于变频器的普及和应用，使得轴带发电机运行在可变转速模式成为可能，轴带发电机可通过变频器向主配电板输出稳定的交流电压和频率。船舶主推进系统可通过机、桨配合选择合适的主机转速以达到经济航速。当电网负荷较高时，两台轴带发电机可通过变频器经由主配电板并车使用。然而，由于变频器内整流和逆变模块的短路电流能力受限，轴带发电机经过变频器后输出交流电源，其短路电流能力远小于轴带发电机直接输出的短路电流能力，难以与下级大功率配电板或负载满足完全选择性要求，下级负载短路时容易造成全船失电。通常由两台变频器并车提升主配电板侧短路电流分断能力，但在电网低负荷时，双台变频器并车不经济，变频器运行产生大量功率损耗，约损耗5％的额定电功率，此时又不利于运营成本控制。

另，由于变频器自身的突加负荷能力限制，两台变频器并车运行时，如一台变频器的原动机突然异常停车，故障的变频器与主电网断开后，将导致电网的全部负荷突加至剩余的变频器上，在负荷过高时，将导致剩余变频器脱扣进而全船失电。

大型客船在正常航行时，以轴带发电机作为主电源，其相比主发电机控制难度大，也无法像主发电机一样随时启停。主机作为轴带发电机的原动机，一般在停车前有预报警触发，电站管理系统在接收到预报警后，将启动主发电机并与主电网并车，再将故障的轴带发电机分闸。但对于一些极端的工况，如出现主机调速器故障，以及人为紧急停车时，主机无任何预警信号输出，电站管理系统无法提前触发备用发电机启动，此时可能造成全船失电。尽管船级社规范上允许船舶在正常航行时短暂失电，只要能在45s对主推进、舵机等恢复供电即可，然而短暂失电必定对航行安全产生一定的影响，甚至是有一定安全隐患的。

对于推进功率要求大的客船，通常采用左、右两个机舱独立布置以满足安全返港要求。为实现不同工况下的航行需求，大型客船每侧机舱配置两台主机，或者单机运行、或者双机并机运行驱动一侧机舱的螺旋桨和轴带发电机。这对所驱动的轴带发电机产生不同的影响，在单主机驱动的轴带发电机时，如主机故障停车，此时轴带发电机如不能与在较短时间内从主电网分闸，这台轴带发电机将从电网吸收较大的无功功率，增加在网的另一台轴带发电机负荷，将造成剩下的轴带发电机过载而脱扣，进而全船失电。对于双主机并机驱动的轴带发电机，在主机输出较大功率时，如其中一台主机突然停车，意味着对剩余主机突加较大负荷，将导致剩余主机转速迅速下降，瞬间下降的转速在超出轴带发电机工作转速下限时，同样影响轴带发电机的正常工作；但双主机并机运行时，如主机的输出功率较小，一台主机故障停车，则剩余主机只需要承担较小的突加负荷，其瞬间的转速下降仍在轴带发电机正常工作范围内，此时又不会影响轴带发电机正常工作。

大型客船航行情况复杂多样，船级社规范对航行时的失电要求比较宽松，传统的电站管理系统未涉如此细致的控制领域。

发明内容

本发明的目的在于填补现有技术的空白，提供一种可以灵活选择轴带发电机不同工作模式的船舶电站管理系统，在两种工作模式下，基于不同额定电流的输入以实现相应的过载及短路保护和选择性保护要求。在低电网负荷时，可通过单台轴带发电机传统模式为全船电网供电；在高电网负荷时，可通过两台轴带机变频模式并车运行为全船电网供电。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种船舶电站管理系统，包括两台主发电机和两套主配电板，还包括两台轴带发电机和两套直流配电板，所述直流配电板内集成变频器，所述轴带发电机由齿轮箱驱动，每台齿轮箱由两台主机驱动；

所述直流配电板、主配电板内设有若干个断路器，包括：设置于直流配电板内整流模块交流端的断路器Q1、设置于逆变模块交流端的断路器Q2、并联的设置于Q1、Q2之间的断路器Q3、设置于Q3与主配电板连接通路上位于主配电板内的断路器Q4；所述整流模块和逆变模块的直流端通过直流母排连接；

所述主机在恒转速或可变转速下工作，在可变转速模式时，仅Q1、Q2、Q4闭合，轴带发电机通过整流模块、直流母排、和逆变模块向主配电板供电；在恒转速模式时，仅Q3、Q4闭合，轴带发电机直接向主配电板供电。

作为一种优选的实施方式，所述齿轮箱和轴带发电机均配置滑油预供泵，分别用于齿轮箱和轴带发电机运行前的预润滑；与齿轮箱相连的主机的启动信号输入船舶电站管理系统，任一台主机的启动信号触发后，船舶电站管理系统均自动启动相应齿轮箱和轴带发电机的滑油预供泵。

作为一种优选的实施方式，恒转速模式时，断路器Q3用作联络开关，断路器Q4作为轴带发电机的主开关，用于轴带发电机与主配电板的同步、合闸并车；

可变转速模式时，断路器Q4先保持合闸状态，为直流配电板的预充磁和冷却水泵供电，等预充磁完毕、内部冷却完毕，由断路器Q2实现直流配电板和主配电板的同步、合闸并车。

作为一种优选的实施方式，恒转速模式时，输入至主配电板的电流为轴带发电机的额定电流，通过断路器Q4实现其过载和短路保护；

可变转速模式时，主配电板的并车和保护单元PPU在检测到95％的额定电流时触发Q4脱扣；所述额定电流为轴带发电机的额定电流。

作为一种优选的实施方式，可变转速模式时，两台直流配电板分别通过可变转速模式向主配电板供电，最终在主配电板侧并车运行，主配电板侧的主发电机处于备车状态。

作为一种优选的实施方式，可变转速模式时，获取主机降负荷、停车相关信号，在主机运行并且主机与齿轮箱的离合器啮合后，任一降负荷或停车相关信号均触发主发电机启动；

所述主机降负荷、停车相关信号包括停车预报警、降负荷请求、停车动作信号。

作为一种优选的实施方式，在主机运行并且主机与齿轮箱的离合器啮合，且系统获取任一降负荷或停车相关信号后，启动主发电机与轴带发电机并车，在主发电机已启动并与轴带发电机并车后，断开故障轴带发电机相关断路器Q4，由主发电机供电。

作为一种优选的实施方式，在主机运行并且主机与齿轮箱的离合器啮合，且系统获取任一降负荷或停车相关信号后，如果还未启动主发电机与轴带发电机并车，则卸载全船非重要负载，再断开故障轴带发电机相关断路器Q4。

作为一种优选的实施方式，如果单侧轴带发电机由两台主机驱动，则检测两台主机是否并车，如果两台主机未并车，则检测故障主机驱动转速是否低于轴带发电机正常工作范围，否则检测剩余主机的驱动转速是否低于轴带发电机正常工作范围，任一情况下驱动转速低于轴带发电机正常工作范围，则断开故障主机相关断路器Q2，轴带发电机脱扣并停车。

作为一种优选的实施方式，如果单侧轴带发电机由一台主机驱动，则直接检测电网负荷。

本发明具有如下有益效果：

1.实现了轴带发电机多种工作模式的灵活切换，轴带发电机可在恒转速下，直接向交流主配电板供电；在可变转速下，经由直流配电板并车后向主配电板供电。

2.有效应对多种复杂工况，设置不同的过载保措施及满足完全选择性要求，可有效应对主机紧急停车对轴带发电机和全船电网的影响，降低了船舶电站异常失电的风险，实现船舶电站的安全、可靠和稳定运行，提升船舶航行安全性和可靠性。

3.视船舶电网负荷情况，灵活选择工作模式，降低功率损耗，节能和减排效果明显。

附图说明

图1是电站管理系统拓扑图。

图2是两台轴带发电机PTO经济模式并车主机降负荷和停车流程图(以左机舱为例，右机舱流程相同)；注：1.以每台轴带发电机和直流配电板可以承受750kW的突加负荷计算，正常航行时，电网功率以两台轴带发电机750kW*2＝1500kW判定条件；2.主推进扭矩以40kNm为判定条件。

具体实施方式

下面结合附图说明和具体实施例对本发明的技术方案做进一步阐述。

实施例1

本实施例具体说明本发明电站管理系统的系统设计结构。

如图1所示，船舶硬件设施包括两台主发电机，两套主配电板，两台轴带发电机和两套直流配电板，变频器集成于直流配电板内，每台轴带发电机均由一齿轮箱驱动，除驱动轴带发电机外，齿轮箱还驱动可调桨为船舶提供推进动力。每台齿轮箱可由一台主机驱动，也可由两台主机驱动，如表1所示，每侧机舱运行主机的数量是基于船舶航速和经济性能的需求。

两台主机可并机运行驱动齿轮箱，也可单机驱动齿轮箱。此处的并机指单边机舱并机，即一台齿轮箱由两台主机驱动。任一主机脱扣后，是否对轴带发电机有影响，基于表1中的分析，对不同的组合，不同的转矩，提出不同的应对轴带发电机失电的措施。

齿轮箱和轴带发电机均配置滑油预供泵，分别用于齿轮箱和轴带发电机运行前的预润滑。与齿轮箱相连的主机的启动信号输入至电站管理系统，任一台主机的启动信号触发后，电站管理系统均自动启动相应齿轮箱和轴带发电机的滑油预供泵，以实现齿轮箱和轴带发电机运行前的预润滑目的。本申请利用主机的启动信号(而非主机运行信号)启动预润滑油泵，主机完成运行时，预润滑油泵已经自动启动，此时再手动将齿轮箱的离合器合闸，再手动启动轴发励磁发电，可减少手动启动预滑油泵的操作，避免手动操作风险。

每台轴带发电机均通过一套直流配电板为主配电板供电，可通过内部不同开关组合构成不同工作模式。每套直流配电板内设置Q1、Q2和Q3三个断路器，主配电板内设置Q4断路器；见图1所示。主机可工作在恒转速和可变转速下工作，在可变转速模式时，断路器Q1、Q2、Q4闭合，断路器Q3断开，轴带发电机通过整流、直流母排、和逆变模块向主配电板供电；在恒转速时，断路器Q1、Q2断开，断路器Q3、Q4闭合，轴带发电机直接向主配电板供电，不再经由直流配电板进行整流和逆变；本发明中将轴带发电机直接向主配电板供电的模式，即仅Q3、Q4闭合时定义为PTO传统模式，即图1中①所示电流方向；将仅断路器Q1、Q2、Q4闭合时定义为PTO经济模式，即图1中②所示电流方向。

PTO传统模式时，直流配电板内断路器Q3用作联络开关，主配电板内断路器Q4作为轴带发电机的主开关，用于轴带发电机与主配电板的同步、合闸并车。

PTO经济模式时，由于直流配电板运行前需要预充磁和启动冷却水系统为内部模块冷却，主配电板内的断路器Q4需先保持合闸状态，为直流配电板的预充磁和冷却水泵供电，等预充磁完毕、内部冷却完毕，再闭合Q1、Q2。直流配电板不需要提供额外的预充磁电源和冷却水泵电源。此时由直流配电板内的断路器Q2实现直流配电板和主配电板的同步、合闸并车。

轴带发电机经过直流配电板整流和逆变后存在能量损耗，在轴带发电机输出额定功率的情况下，PTO经济模式比PTO传统模式能量损耗相差约为5％。两种模式下最终输出至主配电板侧的电功率和电流也不同。因此主配电板需要设置应对不同模式下的过载和短路保护，PTO传统模式时输入至主配电板的电流为轴带发电机的额定电流，通过断路器Q4实现其过载和短路保护；PTO经济模式时输入至主配电板的额定电流约为轴带发电机的额定电流的95％，此时通过主配电板的并车和保护单元PPU实现过载和短路保护，PPU检测到95％的额定电流时，触发断路器Q4脱扣。

直流配电板内的断路器Q3和主配电板内的断路器Q4的长延时及电流设定值、短延时及电流设置设定值完全相同，PTO传统模式时，不需要考虑Q3与Q4的选择性保护；PTO经济模式时，由于单变频器内部模块整流和逆变的短路电流承受能力受限，远小于PTO传统模式下的轴带发电机短路电流承受能力，此时须采取两台直流配电板并车提升短路电流能力，实现与下级配电板或负载实现完全选择性。所述两台直流配电板并车指：两台直流配电板分别通过PTO经济模式向主配电板供电，最终在主配电板侧并车运行。

正常航行时，两台轴带发电机在PTO经济模式下经由主配电板并车运行，此时两个主配电板的两个开关Q4P和QF4S合闸，联络开关TP和TS合闸，主配电板侧的主发电机处于备车状态。

实施例2

两侧PTO经济模式在主配电板(交流配电)上并车时，使用过程中可能遇到的各种复杂工况，本实施例具体说明对复杂工况的处理的方法。

将主机的停车预报警、降负荷请求、应急停车、停车动作等所有涉及主机降负荷、停车相关的信息送至电站管理系统，在主机运行并且主机与齿轮箱的离合器啮合后，任一种主机的降负荷或停车信号均触发备用的主发电机启动。

如每侧机舱两台主机均并机运行，如一侧机舱的一台主机因故障突然停车，即使安保系统可触发CPP的减螺距命令，但无法瞬间降低，该机舱剩余的一台主机的负载被瞬间增加，其转速被迫下降，转速可能低于轴带发电机正常的工作范围，有导致轴带发电机变频器停车的风险。此时，每台轴带发电机可由两台主机驱动，任一台主机故障异常停车时，电站管理系统需要检测单机舱的主推进扭矩，如果扭矩小于40kNm时，剩余主机可承受单机舱全部推进负荷，此时剩余主机仍可正常驱动轴带发电机，其瞬间转速降低仍在轴发正常工作范围内，电站管理系统无需要执行任何操作；如果扭矩大于40kNm时，因单侧机舱的主推进负荷较大，一台故障主机应急停车后，另一台运行的主机被突加负荷，其转速瞬间降低，将超出轴带发电机正常的转速范围，轴带发电机脱扣并停车，此时电站管理系统需要判断电网负荷，是否大于1500kW。

上述情况下，如果电网功率大于1500kW，需要判定备用的主发电机是否已启动并且已并车，如果已与另一台轴带发电机并车，则故障轴带发电机可以与主电网立即分离，相应的Q4分闸，否则立即卸载全部非重要负载，将电网负荷降至1500kW以下，再触发Q4分闸命令。

单侧轴带发电机只有一台主机驱动时，电站管理系统直接判定电网负荷是否大于1500kW，不再检测单侧机舱主推进，如果大于1500kW，则按上一条所述流程执行。

作为备用方案，如果上述主配电板内的Q4分闸失败，考虑将直流配电板内的Q2分闸，单侧机舱分为单机运行和双机并车两种工况，单机运行时，故障的主机转速下降直致停车；对于双主机并机运时，故障的主机立即停车时，剩余主机的转速下降；基于上述两种主机的转速下降，直流配电板检测轴带发电机转速超出其工作下限时，立即触发Q2分闸命令，确保直流配电板与主配电板分离，避免增加在网轴带发电机的负荷。因主机从正常转速下降至轴带发电机工作转速的下限有一定的时间相对较长，其时间长于电站管理系统执行“卸载非重要负载”命令的时间，因此可确保在非重要负载全部卸载后，即电网功率在1500kW以下时，直流配电板才与主配电板分离，避免了对剩余轴带发电机和或主发电机的冲击。

基于上述逻辑分析，基于不同的主机组合模式、电网负荷、主推进扭矩，电站管理系统所需要执行操作如下表1所示。

表1电站管理系统基于不同主机组合模式、电网负荷、主推进扭矩执行的操作

Claims (10)

1.一种船舶电站管理系统，包括两台主发电机和两套主配电板，其特征在于，还包括两台轴带发电机和两套直流配电板，所述直流配电板内集成变频器，所述轴带发电机由齿轮箱驱动，每台齿轮箱由两台主机驱动；

所述直流配电板、主配电板内设有若干个断路器，包括：设置于直流配电板内整流模块交流端的断路器Q1、设置于逆变模块交流端的断路器Q2、并联的设置于Q1、Q2之间的断路器Q3、设置于Q3与主配电板连接通路上位于主配电板内的断路器Q4；所述整流模块和逆变模块的直流端通过直流母排连接；

所述主机在恒转速或可变转速下工作，在可变转速模式时，仅Q1、Q2、Q4闭合，轴带发电机通过整流模块、直流母排、和逆变模块向主配电板供电；在恒转速模式时，仅Q3、Q4闭合，轴带发电机直接向主配电板供电。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述齿轮箱和轴带发电机均配置滑油预供泵，分别用于齿轮箱和轴带发电机运行前的预润滑；与齿轮箱相连的主机的启动信号输入船舶电站管理系统，任一台主机的启动信号触发后，船舶电站管理系统均自动启动相应齿轮箱和轴带发电机的滑油预供泵。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，恒转速模式时，断路器Q3用作联络开关，断路器Q4作为轴带发电机的主开关，用于轴带发电机与主配电板的同步、合闸并车；

可变转速模式时，断路器Q4先保持合闸状态，为直流配电板的预充磁和冷却水泵供电，等预充磁完毕、内部冷却完毕，由断路器Q2实现直流配电板和主配电板的同步、合闸并车。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，恒转速模式时，输入至主配电板的电流为轴带发电机的额定电流，通过断路器Q4实现其过载和短路保护；

可变转速模式时，主配电板的并车和保护单元PPU在检测到95%的额定电流时触发Q4脱扣；所述额定电流为轴带发电机的额定电流。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，可变转速模式时，两台直流配电板分别通过可变转速模式向主配电板供电，最终在主配电板侧并车运行，主配电板侧的主发电机处于备车状态。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，可变转速模式时，获取主机降负荷、停车相关信号，在主机运行并且主机与齿轮箱的离合器啮合后，任一降负荷或停车相关信号均触发主发电机启动；

所述主机降负荷、停车相关信号包括停车预报警、降负荷请求、停车动作信号。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，在主机运行并且主机与齿轮箱的离合器啮合，且系统获取任一降负荷或停车相关信号后，启动主发电机与轴带发电机并车，在主发电机已启动并与轴带发电机并车后，断开故障轴带发电机相关断路器Q4，由主发电机供电。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，在主机运行并且主机与齿轮箱的离合器啮合，且系统获取任一降负荷或停车相关信号后，如果还未启动主发电机与轴带发电机并车，则卸载全船非重要负载，再断开故障轴带发电机相关断路器Q4。

9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，如果单侧轴带发电机由两台主机驱动，则检测两台主机是否并车，如果两台主机未并车，则检测故障主机驱动转速是否低于轴带发电机正常工作范围，否则检测剩余主机的驱动转速是否低于轴带发电机正常工作范围，任一情况下驱动转速低于轴带发电机正常工作范围，则断开故障主机相关断路器Q2，轴带发电机脱扣并停车。

10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，如果单侧轴带发电机由一台主机驱动，则直接检测电网负荷。