CN205489618U - 基于超级电容和蓄电池的电力推进船舶复合储能系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种基于超级电容和蓄电池的电力推进船舶复合储能系统，该系统主要包括逆变器/整流器、电机、负载、复合储能装置和船舶电网，复合储能装置包括蓄电池组和超级电容组，且蓄电池组和超级电容组分别串联一个DC/DC转换器后再并联；该系统还包括安装在船舶电网和复合储能装置之间的参数检测装置以及控制复合储能装置充电和放电过程的DSP控制装置；该系统还包括所EPS电源管理系统和应急电源负载，在船舶电源故障时控制复合储能装置向应急电源负载供电。本实用新型复合储能系统既能提高船舶电网系统的安全性和稳定性，又能按需为船舶提供紧急供电，达到了船舶安全航行、节能环保的目的。

Description

基于超级电容和蓄电池的电力推进船舶复合储能系统
技术领域
本实用新型涉及电力推进船舶储能系统领域，尤其涉及一种基于超级电容和蓄电池的电力推进船舶复合储能系统。
背景技术
随着电力电子技术的飞速发展，大功率交流电机变频调速技术的日趋成熟，使电力推进船舶在可靠性和运行速率方面有所突破，应用领域不断扩大。海洋是一个复杂多变的环境，风浪对负载有极大的影响，带来的扰动也是不断变换的，这些扰动会对船舶电网带来巨大的冲击和扰动，对船舶推进系统的性能也有着巨大影响。此外，对于经常启停的电力推进船舶，当船舶处于减速制动过程时，电机处于再生制动状态，会产生大量的制动能量。这部分能量通过变频器回馈到中间直流环节，造成直流环节的电压增加。传统电力推进系统大多采用消耗电阻对这部分能量进行消耗，这样不仅降低了能量的使用效率，而且产生的大量热会影响周围的电力电子器件的正常工作。为了提高电力推进船舶运行的安全性和稳定性，提高能量的利用率，提出一种基于超级电容和蓄电池的复合储能系统，该系统能在船舶制动及负载不大的情况下将多余的能量储存起来，防止能量对电网的扰动，在船舶过载和船舶电源异常时，此部分能量又可以用作船舶推进动力和船舶应急电源使用。
基于超级电容和蓄电池的电力推进船舶复合储能系统是利用复合储能技术，根据船舶运行工况变换及船舶电网状态来储存和释放能量，维持船舶运行和船舶电网的稳定。复合储能系统在船舶电源故障时又可以切换作为船舶应急电源使用，保障了船舶运行的安全。本系统所面临的问题是超级电容组成本过高和频繁的充放电会造成蓄电池寿命降低。
目前复合储能技术已经在电动汽车方面有一定程度的应用，随着环保型电动汽车的研究和发展，在民用汽车领域，超级电容器和各种动力电池配合组成的复合储能装置应用于汽车的电源启动系统，在汽车的启动、加速、制动过程中起到保护蓄电池和节约能源的作用。对与船舶行业近些年也进行了有关船舶储能技术的研究，但是大多研究都是单一的储能单元，且储能装置并没有涉及到船舶再生制动能量以及提供船舶应急电源，鉴此本实用新型提供了一种基于超级电容和蓄电池的电力推进船舶复合储能系统。
发明内容
本实用新型的发明目的是：提供一种基于超级电容和蓄电池的电力推进船舶复合储能系统，能在船舶制动及负载不大的情况下将多余的能量储存起来，来防止能量对船舶电网的扰动，在船舶过载和船舶电网异常时，此部分能量又可以用作船舶推进动力和船舶应急电源使用。
本实用新型为达上述目的所采用的技术方案是：
提供一种基于超级电容和蓄电池的电力推进船舶复合储能系统，该系统主要包括逆变器/整流器、电机、负载、复合储能装置和船舶电网，复合储能装置和逆变器/整流器军与直流母线双向连接，逆变器/整流器和负载均与电机双向连接；复合储能装置包括蓄电池组和超级电容组，且蓄电池组和超级电容组分别串联一个DC/DC转换器后再并联；
该系统还包括安装在船舶电网和复合储能装置之间的参数检测装置以及控制复合储能装置充电和放电过程的DSP控制装置；
该系统还包括所EPS电源管理系统和应急电源负载，该EPS电源管理系统分别和复合储能装置、应急电源负载双向连接，在船舶电源故障时控制复合储能装置向应急电源负载供电。
本实用新型所述的基于超级电容和蓄电池的电力推进船舶复合储能系统中，该电力推进船舶复合储能系统还包括触摸显示装置，该触摸显示装置与参数检测装置单向连接，且在船舶运行过程中实时检测和显示船舶电网的状态。
本实用新型所述的基于超级电容和蓄电池的电力推进船舶复合储能系统中，该超级电容组为采用150个参数为2.7V/600F的单体超级电容器组成的参数为400V/4.5F的复合式超级电容器；蓄电池组为采用20个参数为336V/17AH的锂电池组成的蓄电池组。
本实用新型所述的基于超级电容和蓄电池的电力推进船舶复合储能系统中，所述逆变器/整流器的基本单元包括AC-DC整流器和DC-AC逆变器。
本实用新型所述的基于超级电容和蓄电池的电力推进船舶复合储能系统中，所述触摸屏显示装置包含两个COM端口和一个USB2.0接口。
本实用新型所述的基于超级电容和蓄电池的电力推进船舶复合储能系统中，所述EPS电源管理系统由逆变器、滤波器、应急配电板、DSP控制器、电压电流互感器组成。
本实用新型所述的基于超级电容和蓄电池的电力推进船舶复合储能系统中，所述应急电源负载主要有：船上应急照明、通信联络设备、消防灭火设备、船行灯及各种信号灯。
使用本实用新型的有益效果：首先，基于超级电容和蓄电池的电力推进船舶复合储能系统，在船舶制动及负载不大的情况下将多余的能量用复合储能装置储存起来，来防止能量对船舶电网的扰动和回收船舶再生制动能量，提高了能量的再利用率和系统的稳定性；在船舶过载或需要加速时，此部分能量又可以通过逆变器逆变为交流电用作船舶推进动力使用。其次，在船舶航行过程中，若船舶的电源系统发生故障，导致供电电源中断，复合储能系统可以通过EPS电源管理系统向船舶上重要的应急用电负载进行供电，来保障船舶应急控制和船上人员安全，有效的避免因为断电而造成的事故。最后，参数检测装置实时的检测船舶电网状况，DSP控制装置对检测到的参数进行与内部预存的数据比对处理，来控制复合储能装置充电和放电过程。进一步地，检测到的参数也会通过触摸屏显示装置显示出来，船舶工作人员可以直观的观察。
附图说明
图1是本实用新型基于超级电容和蓄电池的电力推进船舶复合储能系统的结构示意图。
图2是本实用新型EPS电源管理系统的结构示意图。
图3是本实用新型复合储能装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型专利作进一步说明。
本实用新型提供的基于超级电容和蓄电池的电力推进船舶复合储能系统，能在船舶制动及负载不大的情况下将多余的能量储存起来，来防止能量对船舶电网的扰动，在船舶过载和船舶电网异常时，此部分能量又可以用作船舶推进动力和船舶应急电源使用。
该系统的结构如图1所示，该系统主要由逆变器/整流器、电机、复合储能装置，安装在船舶电网和复合储能装置之间的参数检测装置以及控制复合储能装置充电和放电过程的DSP控制装置组成。EPS电源管理系统分别和复合储能装置、应急电源负载双向连接，在船舶电源故障时控制复合储能装置向应急电源负载供电。参数检测装置和触摸屏显示装置单向连接，在船舶运行过程中实时的检测和通过触摸屏显示装置显示电机的运行状态。
船舶在正常工况下运行，船舶电网直接提供电能给电机，使电机直接带动负载工作。船舶由于负载减小使得船舶电网电量过多，此时就可以通过整流器将交流电转化为直流电，直接用复合储能装置储存起来。当船舶需要加速或者过载时，复合储能装置又可以通过逆变器将直流电转化为交流电，满足负载的需求。船舶制动时，电机的再生制动能量经过逆变器后直接用复合储能装置将能量储存起来，减小了直流环节的泵升电压对直流母线的影响以及提高了能量的利用率。复合储能装置、EPS电源管理系统、应急电源依次双向连接，可以在船舶主电源故障时通过EPS电源管理系统调节控制后临时的向船上各种应急设备供电，来保障船舶的应急处理和人员的安全。参数检测装置、DSP控制装置、触摸屏显示装置分别单向连接，可以对电机运行参数的检测和显示来控制复合储能装置的充电、放电过程。
本实用新型的一个实施例中，参数检测装置采用升阳电子科技有限公司生产的GC-9100智能电机参数测量仪。
逆变器/整流器选择ABB公司开发的中压高性能驱动变频器ACS6000系列，其中基本单元有AC-DC整流器和DC-AC逆变器。
DSP控制装置为TMS320LF2407A型DSP处理器组成。
触摸屏显示装置为威纶通科技有限公司生产的WEINVIEW TK6102i系列触摸屏，采用高度为400MHZ RISC CPU,搭配功能强大的EB8000组态软件，包含两个COM端口和一个USB2.0接口，功能强大，使用方便。
应急电源负载主要有：船行灯及各种信号灯、船上应急照明、通信联络设备、消防灭火设备等。
EPS电源管理系统结构图如图2所示，由逆变器、滤波器、应急配电板、DSP控制器、电压电流互感器组成。电压电流互感器测量船舶电网参数后与DSP控制器相连，如若船舶电网发生故障，DSP控制器与复合储能装置单向相连控制复合储能系统放电，复合储能装置分别与逆变器、滤波器、应急配电板依次单向连接，将直流电通过逆变滤波后变为船舶应急负载可以使用的交流电。
本实用新型的一个实施例中，电流互感器可选择西门子公司的ALH-066II电流互感器。
逆变器可选用武汉鸿宝公司生产的HBC-PSW微电脑智能型正弦波逆变器，是世界上最先进的直流交流转换产品之一，具有操作简单、工作稳定、无噪声、无污染等优点。
滤波器可选用菲奥特的型号为FT3200的三相四线滤波器，用来稳定电压和频率。
DSP控制器为TMS320LF2407A型DSP处理器组成。
复合储能装置的结构示意图如图3所示，由蓄电池组和超级电容组分别串联一个DC/DC转换器后再并联连接直流母线。在船舶制动及负载不大的情况下，交流电通过整流器整流成直流电到直流母线上后连接DC/DC变换器根据不同的情况分别给超级电容组和蓄电池组充电。在船舶过载时，此部分能量经过逆变器逆变为交流电后又可以用作船舶推进动力使用。超级电容具有高功率密度，循环使用寿命长，但是难以满足长时间的供电需求。蓄电池具有高能量密度的优势，但是循环使用次数受限。复合储能装置将超级电容和蓄电池相结合，充分利用了超级电容高功率密度，循环使用寿命长和蓄电池高能量密度的优势，在船舶加速时，超级电容可以提供瞬态的大功率输出，减少对蓄电池的冲击，可以延长蓄电池的使用寿命。在船舶制动、减速时等能量回馈的状态下，超级电容组吸收波动功率，为蓄电池提供缓冲平台。
本实用新型专利提供的复合储能装置可以很好地提高船舶的动态响应性，增强负载的适应能力。DC/DC变换器采用双向的两象限半桥转换器，超级电容组DC/DC变换器由两个IGBT(S1和S2)分别并联二极管D1、D2组成。当船舶制动时，电网电压增加，这时控制S1闭合，S2断开。S1与D2构成一个Buck电路，通过Buck电路降压后向超级电容充电，同样的蓄电池组也是通过DC/DC变化器转换后进行充电。
本实用新型的一个实施例中，超级电容组可采用150个参数为2.7V/600F的单体超级电容器组成参数为400V/4.5F的复合式超级电容器；蓄电池组采用20个参数为336V/17AH的锂电池组成的蓄电池组；双向DC/DC变换器的参数为400V/10A。
本实用新型提供的一种基于超级电容和蓄电池的电力推进船舶复合储能系统，其工作过程是：在船舶制动及负载不大的情况下通过复合储能装置将多余的电能储存起来，来防止能量对船舶电网的扰动，其中可以通过触摸屏显示装置观察电机运行参数、DSP控制装置来控制复合储能装置的充电。在船舶过载和船舶电网异常时，复合储能装置储存的能量又可以用作船舶推进动力和船舶应急电源使用。本实用新型复合储能系统既可以提高船舶电网系统的安全性和稳定性，又满足了对船舶提供应急供电保障，达到了船舶安全航行、节能环保的目的。
综上，本实用新型具有以下优点：
1.维持船舶运行工况和船舶电网的稳定，提高能量的再利用率。
海洋是一个复杂多变的环境，风浪对负载有极大的影响，带来的扰动也是不断变换的，这些扰动会对船舶电网带来巨大的冲击和扰动，对船舶推进系统的性能也有着巨大影响。基于超级电容和蓄电池的电力推进船舶复合储能系统，在船舶制动及负载不大的情况下将多余的能量用复合储能装置储存起来，来防止能量对船舶电网的扰动和回收船舶再生制动能量，提高了能量的再利用率和系统的稳定性；在船舶过载或需要加速时，此部分能量又可以通过逆变器逆变为交流电用作船舶推进动力使用。
2.在船舶电源故障时，复合储能系统能用来保障船舶的应急处理和人员的安全。
在船舶航行过程中，船舶的电源系统发生故障，导致供电电源中断，复合储能系统可以通过EPS电源管理系统向船舶上重要的应急用电负载进行供电，来保障船舶应急控制和船上人员安全，有效的避免因为断电而造成的事故。
3.在船舶运行过程中，对船舶电网参数的实时检测和显示。
参数检测装置实时的检测船舶电网状况，DSP控制装置对检测到的参数进行与内部预存的数据比对处理，来控制复合储能装置充电和放电过程。检测到的参数也会通过触摸屏显示装置显示出来，船舶工作人员可以直观的观察。
上文仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用来限定本实用新型实施的范围，凡依本实用新型权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本实用新型的权利要求范围内。

Claims (7)

1.一种基于超级电容和蓄电池的电力推进船舶复合储能系统，其特征在于，该系统主要包括逆变器/整流器、电机、负载、复合储能装置和船舶电网，复合储能装置和逆变器/整流器军与直流母线双向连接，逆变器/整流器和负载均与电机双向连接；复合储能装置包括蓄电池组和超级电容组，且蓄电池组和超级电容组分别串联一个DC/DC转换器后再并联；
该系统还包括安装在船舶电网和复合储能装置之间的参数检测装置以及控制复合储能装置充电和放电过程的DSP控制装置；
该系统还包括所EPS电源管理系统和应急电源负载，该EPS电源管理系统分别和复合储能装置、应急电源负载双向连接，在船舶电源故障时控制复合储能装置向应急电源负载供电。
2.根据权利要求1所述的基于超级电容和蓄电池的电力推进船舶复合储能系统，其特征在于，该电力推进船舶复合储能系统还包括触摸显示装置，该触摸显示装置与参数检测装置单向连接，且在船舶运行过程中实时检测和显示船舶电网的状态。
3.根据权利要求1所述的基于超级电容和蓄电池的电力推进船舶复合储能系统，其特征在于，该超级电容组为采用150个参数为2.7V/600F的单体超级电容器组成的参数为400V/4.5F的复合式超级电容器；蓄电池组为采用20个参数为336V/17AH的锂电池组成的蓄电池组。
4.根据权利要求1所述的基于超级电容和蓄电池的电力推进船舶复合储能系统，其特征在于，所述逆变器/整流器的基本单元包括AC-DC整流器和DC-AC逆变器。
5.根据权利要求2所述的基于超级电容和蓄电池的电力推进船舶复合储能系统，其特征在于，所述触摸屏显示装置包含两个COM端口和一个USB2.0接口。
6.根据权利要求1所述的基于超级电容和蓄电池的电力推进船舶复合储能系统，其特征在于，所述EPS电源管理系统由逆变器、滤波器、应急配电板、DSP控制器、电压电流互感器组成。
7.根据权利要求1所述的基于超级电容和蓄电池的电力推进船舶复合储能系统，其特征在于，所述应急电源负载包括：船上应急照明、通信联络设备、消防灭火设备、船行灯及各种信号灯。
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