CN208127971U - 基于有源前端变频技术的船舶混合动力推进系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于有源前端变频技术的船舶混合动力推进系统，其包括变速发电机组、储能装置、变压器、直流配电板、推进电机、恒压恒频逆变模块以及能源管理系统装置；变速发电机组连接有第一有源前端整流装置；储能装置和变压器之间连接有调压模块和第二有源前端整流装置；推进电机连接有电动机逆变模块；储能装置与调压模块之间、第一有源前端整流装置和储能装置之间、第一有源前端整流装置和直流配电板之间、第二有源前端整流装置和直流配电板之间均分别通过空气断路器连接。本实用新型的推进系统解决了谐波污染、提高了电源转换效率、提高了发电机组的负荷率，达到了节能减排、降低成本、提高船舶安全性的目的。

Description

基于有源前端变频技术的船舶混合动力推进系统

技术领域

本实用新型涉及一种基于有源前端变频技术的船舶混合动力推进系统。

背景技术

电力推进船舶与常规柴油机推进相比具有节能、操纵性佳、布置灵活等特点，随着电力电子技术的发展，越来越多的船舶使用电力推进方式。电力推进船舶普遍采用交流柴油发电机组提供电源，通过交流配电板供电给移相变压器和交直交变频器，变频电机驱动螺旋桨为船舶提供动力。因为电力推进船舶的推进电机功率较大，推进电机的容量与船舶电站的功率之比达到了0.5以上，有的甚至达到了0.8，大功率变频器的应用带来了谐波干扰等新的问题。一些工程船舶因为工况复杂，不同工况下电力负荷变化较大，造成发电机组经常工作在较低的负荷率，特别是配备二级和三级动力定位的船舶，为了防止单个发电机组故障或机舱火灾造成定位能力损失，特意保持多台发电机组在网引起了发电机组经常工作在较低的负荷率。发电机组运行在较低负荷率会造成效率降低、燃烧不充分、缸体积碳等问题。

另外，通常电力推进船舶使用的交直交变频器需要配备移相变压器，电源经过了移相变压器、整流单元、逆变单元，每一个变频电机都需要一整套移相变压器、整流单元、逆变单元，造成了设备尺寸较大、电能转换损失较多等后果。

随着锂电池技术的快速发展以及在新能源汽车上的成熟应用，对于航行距离短、不需要长时间满功率航行、不同工况下功率变化较大的船舶例如渡轮、港作拖轮、短距离航行货船等船舶非常适应于使用锂电池作为主电源或补充电源。

目前几乎所有的船舶都是使用定速柴油发电机组作为电源，然而因为柴油机的特性，负荷率在85～90％时燃烧较充分、效率最高、燃油消耗率最低，当负荷率降低时效率降低、燃油消耗率升高。变速柴油发电机组可以根据负荷率调整发电机组的转速，从而实现在较宽的效率范围内都保持较高的效率。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是为了克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种基于有源前端变频技术的船舶混合动力推进系统。

本实用新型是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种基于有源前端变频技术的船舶混合动力推进系统，其包括变速发电机组、储能装置、变压器、直流配电板、推进电机、恒压恒频逆变模块以及用于系统管理控制的能源管理系统装置；变速发电机组连接有第一有源前端整流装置；储能装置和变压器之间依次连接有调压模块和第二有源前端整流装置；推进电机连接有电动机逆变模块；储能装置与调压模块之间、第一有源前端整流装置和储能装置之间、第一有源前端整流装置和直流配电板之间、第二有源前端整流装置和直流配电板之间、电动机逆变模块和直流配电板之间、恒压恒频逆变模块和直流配电板之间、第二有源前端整流装置和变压器之间均分别通过空气断路器连接；变速发电机组、第一有源前端整流装置、调压模块、第二有源前端整流装置、直流配电板、电动机逆变模块及恒压恒频逆变模块均分别与能源管理系统装置连接。

恒压恒频逆变模块连接有无源滤波器，无源滤波器连接有负载接口装置。船舶上的辅助负载可以连接于负载接口装置上，该负载接口装置可以提供电源。无源滤波器，又称LC滤波器，可滤除某一次或多次谐波，解决了系统中的谐波问题，消除了谐波污染。

变速发电机组包括变速柴油机以及变速柴油机驱动的发电机；发电机为异步发电机或永磁发电机。变速柴油机和发电机组成变速柴油发电机组。与定速柴油发电机组相比，变速柴油发电机组效率更高、更加节能。

第一有源前端整流装置连接于发电机；第一有源前端整流装置为发电机有源前端整流装置。可以把发电机发出的交流电整流成直流电，也可以把储能装置的直流电逆变成交流电向发电机供电使其作为电动机运行。

储能装置为锂电池组，第二有源前端整流装置为锂电池有源前端整流装置。锂电池组可以为变速发电机组提供起动电源，还可以向直流配电板提供电源。

储能装置为超级电容，第二有源前端整流装置为超级电容有源前端整流装置。超级电容可以为变速发电机组提供起动电源，还可以向直流配电板提供电源。

能源管理系统装置通过CAN总线与第一有源前端整流装置、调压模块、第二有源前端整流装置及直流配电板连接；能源管理系统装置通过通讯电缆与变速发电机组、电动机逆变模块及恒压恒频逆变模块连接。根据不同的设备，连接不同的电缆线，以实现能源管理系统装置对不同设备的良好管理、监测和控制。

变压器上设有用于与岸电连接的空气断路器，该空气断路器通过信号电缆与能源管理系统装置连接。通过该断路器，可以控制岸电是否向储能装置充电，而在能源管理系统装置控制该断路器的开与关，使得在决定岸电是否对储能装置进行充电的操作更简单。

第二有源前端整流装置和变压器之间的空气断路器通过信号电缆与能源管理系统装置连接。通过该断路器，可以控制岸电是否向储能装置充电，而在能源管理系统装置控制该断路器的开与关，使得在决定岸电是否对储能装置进行充电的操作更简单。

能源管理系统装置为可编程逻辑控制器，或为数字处理器。通过能源系统管理装置，实现对发电机组状态信息采集和控制、对发电机有源前端整流装置和锂电池有源前端整流装置的状态指令控制、对直流配电板状态监测和控制、对锂电池组的控制等。

本实用新型的积极进步效果在于：本实用新型针对现有的电力推进船舶存在的问题提出了一种基于有源前端变频技术的混合动力推进系统，解决了谐波污染、提高了电源转换效率、提高了发电机组的负荷率，达到了节能减排、降低成本、提高船舶安全性的目的。

附图说明

图1为本实用新型较佳实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面举个较佳实施例，并结合附图来更清楚完整地说明本实用新型。

如图1所示，一种基于有源前端变频技术的船舶混合动力推进系统，其包括变速发电机组10、发电机有源前端整流装置1、调压模块2、锂电池有源前端整流装置3、电动机逆变模块4、恒压恒频逆变模块5、直流配电板6、锂电池组7以及用于系统管理控制的能源管理系统装置8；还包括无源滤波器9、变压器11、推进电机12及断路器。本实施例中，断路器为空气断路器。

变速发电机组10为变速柴油发电机组，具体而言，包括变速柴油机以及变速柴油机驱动的发电机。该发电机为异步发电机或永磁发电机。变速发电机组10连接有发电机有源前端整流装置1。发电机有源前端整流装置1 连接于发电机。

锂电池组7和变压器11之间依次连接有调压模块2和锂电池有源前端整流装置3。变压器11为岸电变压器。

推进电机12连接有电动机逆变模块4。推进电机为异步电动机。

恒压恒频逆变模块5连接有无源滤波器9，无源滤波器9连接有负载接口装置13。

锂电池组7与调压模块2之间、发电机有源前端整流装置1和锂电池组 7之间、发电机有源前端整流装置1和直流配电板6之间、锂电池有源前端整流装置3和直流配电板6之间、电动机逆变模块4和直流配电板6之间、恒压恒频逆变模块5和直流配电板6之间、锂电池有源前端整流装置3和变压器11之间均分别通过空气断路器连接。

具体的连接方式为：

锂电池组7通过第一空气断路器21和调压模块2连接；发电机有源前端整流装置1通过第二空气断路器22与锂电池组7连接；发电机有源前端整流装置1通过第三空气断路器23与直流配电板6连接；锂电池有源前端整流装置3通过第四空气断路器24与直流配电板6连接；电动机逆变模块4 通过第五空气断路器25与直流配电板6连接；恒压恒频逆变模块5通过第六空气断路器26与直流配电板6连接；锂电池有源前端整流装置3通过第七空气断路器27与变压器11连接。变压器11上设有用于与岸电30连接的第八空气断路器28。

变速发电机组10、发电机有源前端整流装置1、调压模块2、锂电池有源前端整流装置3、直流配电板6、电动机逆变模块4及恒压恒频逆变模块5 均分别与能源管理系统装置8连接。

具体连接方式为：

能源管理系统装置8通过CAN总线分别与发电机有源前端整流装置1、调压模块2、锂电池有源前端整流装置3及直流配电板6连接；能源管理系统装置8通过通讯电缆分别与变速发电机组10、电动机逆变模块4及恒压恒频逆变模块5连接；能源管理系统装置8通过信号电缆分别与第七空气断路器27及第八空气断路器28连接。

其中，CAN总线是实施电子装置之间信息交换的一种串行通信方式，其方法是，利用金属线分别连接各个电子装置中CAN通信接口电路的输入输出信号端，构成基于总线的数据通信网络，完成电子装置之间的信息交换。

能源管理系统装置8具有能源管理系统(EMS)，是船舶混合动力推进系统的核心，负责发电机组状态信息采集和控制、发电机有源前端整流装置和锂电池有源前端整流装置的状态指令控制、直流配电板状态监测和控制、锂电池组的控制等。

能源管理系统装置8通过对变速发电机组的功率、转速、推进电机的功率、锂电池组的状态、辅助负载的功率监测，经过一定的计算和分析后向变速发电机组发出转速指令控制变速发电机组的转速，监测直流配电板断路器的状态并发出控制指令实现锂电池组的并网、控制锂电池组实现其用于起动变速发电机组和向直流配电板供电，监测和控制岸电向锂电池组充电。

能源管理系统装置8为可编程逻辑控制器，或为数字处理器。能源管理系统装置8具有RS485、PROFIBUS-DP、TCP/IP协议以及IEC61850通讯协议接口。

变速发电机组10可以向推进电机12和连接辅助负载的负载接口装置13 提供电源，也可以为锂电池组7提供充电电源。

发电机有源前端整流装置1的一端与变速发电机组10的发电机使用电力电缆相连，另一端通过第二空气断路器22与锂电池组7使用电力电缆相连，还通过第三空气断路器23与直流配电板6使用电力电缆相连。发电机有源前端整流装置可以把发电机发出的交流电整流成直流电，也可以把锂电池组的直流电逆变成交流电向发电机供电使其作为电动机运行。

发电机有源前端整流装置1既可以作为变速发电机组的整流模块，也可作为锂电池组7的逆变模块为变速发电机组提供起动电源。

变速发电机组10能在能源管理系统的监测和控制下实现不同的负荷率时运行在不同的转速，从而提高效率实现节能减排的目的。

调压模块2与锂电池有源前端整流装置3集成在同一柜中，调压模块2 通过第一空气断路器21与锂电池组7使用电力电缆相连，锂电池有源前端整流装置3通过第四空气断路器24与直流配电板6使用电力电缆相连，还通过第七空气断路器27、变压器11以及第八空气断路器28与岸电30相连。通过调压模块2与锂电池有源前端整流装置3可以实现港口的岸电向本系统中的锂电池组充电，也可以把锂电池组的直流电提供给直流配电板6，还可以通过第二空气断路器22和发电机有源前端整流装置1为变速发电机组的发电机提供交流电源。

电动机逆变模块4通过第五空气断路器25与直流配电板6相连，把来自直流配电板6的直流电逆变成交流电，以驱动推进电机12。电动机逆变模块4输入的直流电来自直流配电板6，输出电压和频率可调的三相交流电给推进电机12。

恒压恒频逆变模块5通过第六空气断路器26与直流配电板6相连，把来自直流配电板6的直流电逆变成恒压恒频的交流电提供给负载接口装置，负载接口装置上可连接辅助负载。恒压恒频逆变模块5的直流电源来自直流配电板6，输出电压和频率恒定的三相交流电通过无源滤波器后给负载接口装置13。

直流配电板6通过第三空气断路器23与发电机有源前端整流装置1相连，直流配电板6通过第四空气断路器24与锂电池有源前端整流装置3相连，直流配电板6通过第五空气断路器25与电动机逆变模块4相连，直流配电板6通过第六空气断路器26与恒压恒频逆变模块5相连，对来自变速发电机组10和锂电池组7的电源进行分配、监测和保护。

直流配电板6配备直流母排，第三空气断路器23、第四空气断路器24、第五空气断路器25和第六空气断路器26均固定于直流配电板6上。第三空气断路器23、第四空气断路器24、第五空气断路器25和第六空气断路器26 均为直流空气断路器，且均具有短路保护功能。

锂电池组7包含蓄电池管理系统(BMS)。蓄电池管理系统(BMS)负责蓄电池充电管理、电压、电流温度监测等。锂电池组7的一端通过第二空气断路器22与发电机有源前端整流装置1相连，锂电池组7的另一端通过第一空气断路器21与调压模块2及锂电池有源前端整流装置3相连。

锂电池组7可以通过发电机有源前端整流装置1向发电机提供交流电源，为变速发电机组提供起动电源，使其作为电动机运行，还可以通过调压模块2、第四空气断路器24向直流配电板6提供直流电源。

锂电池组7可以通过第四空气断路器24和调压模块2用来自直流配电板6的直流电源对其充电，也可以通过第八空气断路器28、变压器11、第七空气断路器27、锂电池有源前端整流装置3以及调压模块2用岸电对其充电。

在其他实施例中，用超级电容替换锂电池组，用超级电容有源前端整流装置替换锂电池有源前端整流装置，其他部件及连接方式均不变，也可以实现与本实施例相同的效果。

本实施例的船舶混合动力推进系统，具有以下6种工作模式，具体为：

模式1：变速发电机组起动模式。在变速发电机组10没有起动时打开第一空气断路器21和第三空气断路器23，关闭第二空气断路器22，控制发电机有源前端整流装置1向发电机提供交流电，使发电机变成电动机并带动变速柴油发电机组运转，当转速超过其怠速转速时，打开第二空气断路器22，控制发电机有源前端整流装置1为整流模式，此时变速发电机组起动完成并可以向直流配电板提供直流电能。

模式2：岸电向蓄电池充电模式。当船舶靠港接入岸电时关闭第一空气断路器21、变压器11两边的第七空气断路器27和第八空气断路器28，控制调压模块2和锂电池有源前端整流装置3向锂电池组7充电。

模式3：变速发电机组向全船供电模式。关闭第三空气断路器23、第五空气断路器25和第六空气断路器26，打开第一空气断路器21、第二空气断路器22和第四空气断路器24，变速发电机组10通过发电机有源前端整流装置1、直流配电板6和电动机逆变模块4向推进电机12供电，通过直流配电板6、恒压恒频逆变模块5、无源滤波器9及负载接口装置13向全船辅助负载供电。

模式4：变速发电机组向全船供电模式同时向锂电池组充电。关闭第一空气断路器21、第三空气断路器23、第四空气断路器24、第五空气断路器 25和第六空气断路器26，打开第二空气断路器22，变速发电机组10通过发电机有源前端整流装置1、直流配电板6和电动机逆变模块4向推进电机12 供电，通过直流配电板6、恒压恒频逆变模块5、无源滤波器9及负载接口装置13向全船辅助负载供电，通过控制调压模块2、锂电池有源前端整流装置3向锂电池组7充电。

模式5：变速发电机组和锂电池组共同向全船供电。关闭第一空气断路器21、第三空气断路器23、第四空气断路器24、第五空气断路器25和第六空气断路器26，打开第二空气断路器22，变速发电机组10通过发电机有源前端整流装置1以及锂电池组7通过锂电池有源前端整流装置3共同向直流配电板6供电，直流配电板6将电能输送给电动机逆变模块4向推进电机12 供电，直流配电板6将电能输送给恒压恒频逆变模块5、无源滤波器9和负载接口装置13向全船辅助负载供电。

模式6：锂电池组单独向全船供电。关闭第一空气断路器21、第四空气断路器24、第五空气断路器25和第六空气断路器26，打开第二空气断路器 22和第三空气断路器23，锂电池组7通过调压模块2、锂电池有源前端整流装置3向直流配电板6供电，直流配电板6将电能送给电动机逆变模块4向推进电机12供电，直流配电板6将电能送给恒压恒频逆变模块5、无源滤波器9和负载接口装置13向全船辅助负载供电。

本实用新型除了上述之外，还可以根据实际情况进行演化，具体为：

演化1：锂电池组不用于起动变速发电机组也不用岸电向锂电池组充电，直接通过调压模块2、锂电池有源前端整流装置3或者直接通过锂电池有源前端整流装置3和变压器直接接到直流配电板上，这个状况下实现上述的模式4和模式6功能。

演化2：锂电池组直接接到电动机逆变模块4的直流侧，或直接接到恒压恒频逆变模块5的直流侧，此时锂电池组仅为推进电动机或辅助负载提供电源，不需要调压模块2和锂电池有源前端整流装置3。

演化3：变速发电机组的发电机不采用异步发电机而采用同步发电机，此时可以不使用发电机有源前端整流装置而采用二极管整流单元。

本实用新型的船舶混合动力推进系统，具有以下优点：

一、首次将岸电、变速发电机组、锂电池三种能源集中应用于船舶上，船舶航行时可以单独采用变速柴油发电机组供电，也可以只采用锂电池组向直流配电板供电，还可以采用变速柴油发电机组和锂电池组同时向直流配电板供电；当船舶航行时变速柴油发电机组可以向直流配电板供电同时可以向锂电池组充电，当船舶靠港时也可以使用岸电向锂电池组充电。

二、相比于常规船舶采用的定速柴油发电机组，本实用新型采用了变速柴油发电机组。通过检测发电机组的功率，能源管理系统(EMS)控制变速柴油发电机组运行在特定的转速，相较于定速柴油发电机组效率更高、更加节能。

三、通过能源管理系统(EMS)控制有源前端整流装置，可以实现锂电池组向发电机提供交流电，此时异步发电机变为异步电动机带动变速柴油机发电机组转动实现发电机组的起动，从而节省了变速柴油发电机组常用的复杂的压缩空气起动装置和直流蓄电池通过直流电机和减速齿轮箱的起动装置，降低了发电机组成本、减少了故障点。

四、配备了能源管理系统(EMS)，对变速柴油发电机组、锂电池组、断路器、直流配电板、有源前端整流装置、逆变模块、异步电动机进行管理，通过控制锂电池组作为变速发电机组的补充，同等船舶需要配备的发电机容量更小。

五、通过三种能源的灵活使用，在船舶航行、工作等工况下可以使发电机组始终运行在效率最高的工况点，也可以通过引入锂电池能源减少高速时发电机组数量，还可以使用岸电向锂电池组充电，从而达到节约能源、降低氮化物(NO_X)、硫化物(SO_X)和二氧化碳排放的目的。

虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本实用新型的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本实用新型的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于有源前端变频技术的船舶混合动力推进系统，其特征在于，其包括变速发电机组、储能装置、变压器、直流配电板、推进电机、恒压恒频逆变模块以及用于系统管理控制的能源管理系统装置；变速发电机组连接有第一有源前端整流装置；储能装置和变压器之间依次连接有调压模块和第二有源前端整流装置；推进电机连接有电动机逆变模块；储能装置与调压模块之间、第一有源前端整流装置和储能装置之间、第一有源前端整流装置和直流配电板之间、第二有源前端整流装置和直流配电板之间、电动机逆变模块和直流配电板之间、恒压恒频逆变模块和直流配电板之间、第二有源前端整流装置和变压器之间均分别通过空气断路器连接；变速发电机组、第一有源前端整流装置、调压模块、第二有源前端整流装置、直流配电板、电动机逆变模块及恒压恒频逆变模块均分别与能源管理系统装置连接。

2.如权利要求1所述的基于有源前端变频技术的船舶混合动力推进系统，其特征在于，恒压恒频逆变模块连接有无源滤波器，无源滤波器连接有负载接口装置。

3.如权利要求1所述的基于有源前端变频技术的船舶混合动力推进系统，其特征在于，变速发电机组包括变速柴油机以及变速柴油机驱动的发电机；发电机为异步发电机或永磁发电机。

4.如权利要求3所述的基于有源前端变频技术的船舶混合动力推进系统，其特征在于，第一有源前端整流装置连接于发电机；第一有源前端整流装置为发电机有源前端整流装置。

5.如权利要求1所述的基于有源前端变频技术的船舶混合动力推进系统，其特征在于，储能装置为锂电池组，第二有源前端整流装置为锂电池有源前端整流装置。

6.如权利要求1所述的基于有源前端变频技术的船舶混合动力推进系统，其特征在于，储能装置为超级电容，第二有源前端整流装置为超级电容有源前端整流装置。

7.如权利要求1所述的基于有源前端变频技术的船舶混合动力推进系统，其特征在于，能源管理系统装置通过CAN总线分别与第一有源前端整流装置、调压模块、第二有源前端整流装置及直流配电板连接；能源管理系统装置通过通讯电缆分别与变速发电机组、电动机逆变模块及恒压恒频逆变模块连接。

8.如权利要求1所述的基于有源前端变频技术的船舶混合动力推进系统，其特征在于，变压器上设有用于与岸电连接的空气断路器，该空气断路器通过信号电缆与能源管理系统装置连接。

9.如权利要求1所述的基于有源前端变频技术的船舶混合动力推进系统，其特征在于，第二有源前端整流装置和变压器之间的空气断路器通过信号电缆与能源管理系统装置连接。

10.如权利要求1所述的基于有源前端变频技术的船舶混合动力推进系统，其特征在于，能源管理系统装置为可编程逻辑控制器，或为数字处理器。