CN218431697U - 一种大功率直流混动系统及船舶 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种大功率直流混动系统及船舶，大功率直流混动系统配置有直流配电单元、交流配电单元、发电单元以及轴发单元；发电单元通过功率单元与直流配电单元相连接；交流配电单元通过逆变单元接入直流配电单元；轴发单元通过轴发功率单元与直流配电单元相连接；直流配电单元的输出电压为1000V，功率单元的输出功率为500kW～1000kW。本实用新型提出的混动系统配置有至少两种类型的动力源，同时配置有高压直流配电单元以及大输出功率的功率单元，使混动系统支持大功率用电负载，进而保证船舶可以持续运行在最佳经济点、提高能量利用效率。

Description

一种大功率直流混动系统及船舶

技术领域

本实用新型实施例涉及船舶技术，尤其涉及一种大功率直流混动系统及船舶。

背景技术

目前船用混动船舶电力推进系统基本采用柴发机组发电，交流主网配电，配合锂电池发电供电，推进电机作为推进动力，通过锂电池与柴油发电机共同供电，起到节省能源消耗的目的。但交流主网配电的模式存在如下问题：柴油发电机无法持续运行在最佳经济点、油耗高、能量利用效率低、发电功率较小，从而导致目前混合动力船舶不适用于远洋航行。

综上所述，亟需一种大功率船用混合动力系统以满足船舶对大功率负载的使用需求，从而促进船舶行业的产业升级。

实用新型内容

本实用新型提供一种大功率直流混动系统及船舶，以达到使混动系统支持大功率用电负载，以及满足船舶上交流、直流配电需求的目的。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种大功率直流混动系统，配置有直流配电单元、交流配电单元、发电单元以及轴发单元；

所述发电单元通过功率单元与所述直流配电单元相连接；

所述交流配电单元通过逆变单元接入所述直流配电单元；

所述轴发单元通过轴发功率单元与所述直流配电单元相连接；

所述直流配电单元的输出电压为1000V，所述功率单元的输出功率为500kW～1000kW。

可选的，所述直流配电单元包括第一直流配电单元、第二直流配电单元，所述交流配电单元包括第一交流母线、第二交流母线；

所述第一直流配电单元通过直流配电单元联络开关与所述第二直流配电单元串联；

所述第一交流母线通过联络开关与所述第二交流母线串联；

所述第一交流母线通过第一逆变单元接入所述第一直流配电单元，所述第二交流母线通过第二逆变单元接入所述第二直流配电单元。

交流母线交流母线交流母线交流母线交流母线交流母线交流母线交流母线交流母线交流母线

可选的，所述发电单元包括动力电池；

所述动力电池通过第一功率单元与所述直流配电单元相连接。

可选的，所述发电单元包括发电机；

所述发电机通过第二功率单元与所述直流配电单元相连接。

可选的，所述轴发单元包括柴油主机、轴带发电机和齿轮箱；

所述柴油主机与所述轴带发电机以及齿轮箱相连接，所述轴带发电机还通过轴发功率单元与所述直流配电单元相连接。

可选的，还包括岸电单元，所述岸电单元通过第三功率单元与所述直流配电单元相连接。

可选的，所述动力电池的电量为1260kWh、放电倍率为0.5C、输出电压为690V。

可选的，所述发电机的额定功率为1000kW，额定电压为690V。

可选的，所述柴油主机采用低速主机，所述低速主机的额定输入功率为3300kW，轴系转速为127r/min。

第二方面，本实用新型实施例还提供了一种船舶，包括本实用新型实施例记载的大功率直流混动系统。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：本实用新型提出一种大动率混动系统，该系统中，通过配置发电单元和轴发单元使系统具有至少两种类型的动力源(即混动)；通过配置高压直流配电单元以及选用合适输出功率的发电单元，使混动系统支持大动率用电负载，进而保证船舶可以持续运行在最佳经济点、提高能量利用效率；通过配置交流母线使该系统支持日用交流负载的用电需求，完善了该系统的配电功能。

附图说明

图1是实施例中的大功率直流混动系统结构框图；

图2是实施例中的另一种大功率直流混动系统结构框图；

图3是实施例中的又一种大功率直流混动系统结构框图；

图4是实施例中的又一种大功率直流混动系统结构框图；

图5是实施例中的又一种大功率直流混动系统结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1是实施例中的大功率直流混动系统结构框图，参考图1，大功率直流混动系统配置有直流配电单元、交流母线交流配置单元、发电单元100以及轴发单元200。

示例性的，本实施例中，直流配电单元至少包括直流母线，交流配置单元至少包括交流母线。

参考图1，发电单元100通过功率单元300与直流母线相连接；交流母线通过逆变单元400接入直流母线；轴发单元200通过轴发功率单元2000与直流母线相连接。

示例性的，本实施例中，配置轴发单元200至少支持通过两种不同类型的能源进行驱动，例如，可以配置轴发单元200支持柴油驱动和电源驱动，相应的，可以配置轴发单元200支持柴油驱动与电源驱动之间的切换或并车。

示例性的，本实施例中，配置轴发功率单元2000至少用于轴发单元200通过电源驱动时的电源逆变、电源变频及功率转换。

示例性的，本实施例中，配置采用直流母线构成大动率混动系统的配电主干网络，配置采用发电单元100作为直流母线的输入源。

示例性的，本实施例中，为提高直流母线的输出功率，设置直流母线的母线电压为800V～1500V的高压(优选1000V电压)，同时，设置发电单元100通过功率单元300接入直流母线，通过功率单元300实现对发电单元100的升压，以使发电单元100可以正常的接入直流母线。

示例性的，本实施例中，根据母线电压以及发电单元100的输出电压、输出电流，可以设置功率单元的输出功率为500kW～1000kW。

本实施例提出一种大动率混动系统，该系统中，通过配置发电单元和轴发单元使系统具有至少两种类型的动力源(即混动)；通过配置高压直流配电单元以及选用合适输出功率的发电单元，使混动系统支持大动率用电负载，进而保证船舶可以持续运行在最佳经济点、提高能量利用效率；通过配置交流母线使该系统支持日用交流负载的用电需求，完善了该系统的配电功能。

图2是实施例中的另一种大功率直流混动系统结构框图，参考图2，在图1所示方案的基础上，发电单元包括动力电池101，动力电池101通过第一功率单元301与直流配电单元相连接。

示例性的，本方案中，动力电池101的参数可以根据需求选定，例如，可以采用参数如下的动力电池：锂电池、电量1260kWh、放电倍率0.5C、输出电压690V。

示例性的，本方案中，第一功率单元301需根据动力电池101的选型以及直流配电单元电压而确定，例如，采用上述参数的动力电池时，第一功率单元301可以采用锂电池斩波单元，锂电池斩波单元的参数为：额定功率500kW、额定电流500A。

示例性的，本方案中，第一功率单元301用于动力电池101输出电压、电流的转换，其主要用于将动力电池101的输出电压升压为1000V。

示例性的，本方案中，动力电池可以配置独立的电池管理系统，电池管理系统可以包括电池采样、电池监控、电池控制、电池单体控制等功能模块，其中，可以配置电池采样模块和电池控制模块分别含有完全独立的安全功能模块，在出现动力电池单点失效或非安全功能异常时，保证动力电池的安全性。

示例性的，本方案中，可以配置多套动力电池，动力电池的装机电量主要考虑船舶满足排放控制区零排放运行所需的推进功率及电力负荷

示例性的，本方案中，在不同的工况模式下，可以选择是否启动动力电池，启动动力电池时，可以通过动力电池给全船用电负载供电(包括为轴发单元供电，使轴发单元中的柴油驱动机构与电源驱动机构之间并车)。

参考图2，在图1所示方案的基础上，发电单元包括发电机102，发电机102通过第二功率单元302与直流配电单元相连接。

示例性的，本方案中，发电机102采用柴油发电机，其电机参数可以根据需求选定，例如，发电机的参数可以为：额定功率1000kW、额定电压690V、额定频率50Hz、额定转速1500r/min、功率因数0.8滞后、相数3。

示例性的，本方案中，第二功率单元302用于发电机102输出电压、电流的转换，其主要用于实现发电机102输出电压的整流，以及将发电机102输出电压升压为1000V。

示例性的，本方案中，第二功率单元302需根据发电机102的选型以及直流配电单元电压而确定，例如，采用上述参数的发电机时，第二功率单元302的额定功率可以为1000kW。

示例性的，本方案中，发电机配置有发电机控制箱、空气系统、冷却系统、滑油系统、燃油系统、排气系统、起动系统，配备发电机控制箱由AC220V和DC24V双电源供电；

在不同的工况模式下，可以选择是否启动发电机，发电机启动时，可以通过发电机给全船用电负载供电(配置动力电池时，可以为动力电池充电；轴发单元供电，使轴发单元中的柴油驱动机构与电源驱动机构之间并车)。

参考图2，在图1所示方案的基础上，大功率直流混动系统还包括岸电单元103，岸电单元103通过第三功率单元303与直流母线相连接。

示例性的，本方案中，岸电单元103采用交流岸电单元，其参数可以根据需求选定，例如，岸电单元103的参数可以为：输入电压400V、输出电压580V/690V、功率500kVA。

示例性的，本方案中，第三功率单元303用于岸电单元103输出电压、电流的转换，其主要用于实现岸电单元103输出电压的整流，以及将岸电单元103输出电压升压为1000V。

示例性的，本方案中，第三功率单元303需根据岸电单元103的选型以及直流母线电压而确定，例如，采用上述参数的岸电单元时，第三功率单元303的额定功率可以为500kW。

示例性的，本方案中，配置动力电池时，船舶停泊时可利用交流岸电单元为动力电池充电；此外，配置发电机时，交流岸电单元不允许与发电机并车供电。

作为一种可实施方案，在图2所示方案的基础上，大功率直流混动系统可以配置多组动力电池、多台发电机、套岸电单元，例如，图3是实施例中的又一种大功率直流混动系统结构框图，大功率直流混动系统可以包括：

第一直流母线、第一动力电池11、第一斩波单元31、第一发电机12、第一整流单元32、第一轴发单元201；

第一动力电池11通过第一斩波单元31与第一直流母线相连接，第一发电机12通过第一整流单元32与第一直流母线相连接，第一轴发单元201通过第一轴发功率单元2001与第一直流母线相连接；

第二直流母线、第二动力电池13、第二斩波单元33、第二发电机14、第二整流单元、第二轴发单元202；

第二动力电池13通过第二斩波单元33与第二直流母线相连接，第二发电机14通过第二整流单元34与第二直流母线相连接，第二轴发单元202通过第二轴发单元2002与第二直流母线相连接；

岸电单元103、第三功率单元303，岸电单元103通过第三功率单元303与第一端直流配电单元或者第二直流母线相连接；

交流母线，交流母线通过逆变单元400接入第一直流母线以及第二直流母线；

第一直流母线通过直流母线联络开关1与第二直流母线串联。

示例性的，本方案中，可以将第一直流母线、第一动力电池11、第一斩波单元31、第一发电机12、第一整流单元32、第一轴发单元201划分为左舷混动单元，将第二直流母线、第二动力电池13、第二斩波单元33、第二发电机14、第二整流单元、第二轴发单元202划分为右舷混动单元。

示例性的，本方案中，通过直流配电单元联络开关1可以断开或连通第一直流母线与第二直流母线；

直流配电单元联络开关1断开时，左舷混动单元可以独立的用于船舶左舷的供电与传动；右舷混动单元可以独立的用于船舶右舷的供电与传动；

直流配电单元联络开关1闭合时，左舷混动单元可以用于船舶左和/或右舷的供电与传动，右舷混动单元可以用于船舶左和/或右舷的供电与传动。

示例性的，本方案中，第一轴发单元201和第二轴发单元202单元的结构相同，以第一轴发单元201为例，轴发单元可以包括：柴油主机、轴带发电机和齿轮箱；

柴油主机与轴带发电机以及齿轮箱相连接，轴带发电机还通过轴发功率单元与直流配电单元相连接。

示例性的，本方案中，柴油主机以及轴带发电机的参数根据需求选定，例如，柴油主机的参数可以为：低速主机、额定输入功率3300kW，轴系转速127r/min；轴带发电机的参数可以为：额定输入功率1410kW，额定输入转速1500r/min。

示例性的，本方案中，基于大功率直流混动系统可以实现如下模式：

PTO发电模式，该模式下，柴油主机带动轴带发电机运动，轴带发电机工作在发电工况，轴发功率单元将轴带发电机输出的交流电转换为直流电，并馈送至直流配电单元中；

PTI模式，该模式下，轴带发电机工作在电动工况，轴发功率单元从直流配电单元取电，此模式下，轴带发电机与柴油主机并车驱动螺旋桨；

PTH模式下，该模式下，柴油主机停机，轴带发电机工作在电动工况，由轴带发电机单独驱动螺旋桨。

海上航行主要包括常规航行、经济航行、恶劣海况航行三种工况，本方案中，根据不同工况下所需的电力负荷，大功率直流混动系统配备包括2台柴油发电机、1台柴油主机、1台轴带发电机、两组动力电池；

常规航行工况时，通过柴油主机驱动螺旋桨，柴油主机和动力电池作为混合动力发电系统为全船供电；

经济航行工况时，使用轴带发电机为全船供电，不开启柴油发电机，同时通过轴带发电机发电给动力电池充电；

恶劣海况航行且动力电池电量充足时，柴油主机与动力电池并网驱动螺旋桨，动力电池电量不足时，柴油主机与柴油发电机并网驱动螺旋桨，同时柴油发电机的富余功率给锂电池充电；

在近海、内河及排放区要求范围内航行时，主要由柴油发电机和动力电池作为混合能源发电为全船及轴带发电机供电，通过轴带发电机驱动螺旋桨；

在停泊工况时，由于全船用电负载比较小，主要由动力电池为全船供电，只有在动力电池电量不足时，启动柴油发电机给全船供电，同时为动力电池充电；

在作业工况时，通过柴油发电机和动力电池混合能源发电供电；

岸电工况时，全船用电通过岸电单元供电，同时为动力电池充电。

图4是实施例中的又一种大功率直流混动系统结构框图，参考图4，在图1所示方案的基础上，交流母线包括第一交流母线、第二交流母线；

第一交流母线通过联络开关2与第二交流母线串联；第一交流母线通过第一逆变单元401接入直流配电单元，第二交流母线通过第二逆变单元402接入直流配电单元。

示例性的，本方案中，通过联络开关2可以断开或连通第一交流母线与第二交流母线；

联络开关2断开时，第一交流母线可以独立的为接入的交流用电负载供电；第二交流母线可以独立的为接入的交流用电负载供电；

联络开关2闭合时，第一交流母线可以用于为接入第一交流母线和/或第二交流母线的交流用电负载供电，第二交流母线可以用于为接入第一交流母线和/或第二交流母线的交流用电负载供电。

示例性的，本方案中，第一交流母线、第二交流母线的输出电压可以根据需求设定，例如，可以设定第一交流母线、第二交流母线的输出电压为380V；

相应的，第一逆变单元401、第二逆变单元402的参数可以根据第一交流母线、第二交流母线的输出电压以及直流配电单元的母线电压确定；

例如，若第一交流母线、第二交流母线的输出电压为380V，则第一逆变单元401、第二逆变单元402的参数可以为：额定功率250kW、功率300kVA、一级压降输出电压550V、二级压降输出电压380V。

参考图4，进一步的，配置第一段交流母线通过电压转换单元403与第三负载屏503相连接，配置第一段交流母线与第一负载屏501相连接，配置第二段交流母线与第二负载屏502相连接。

示例性的，本方案中，配置电压转换单元403用于380V至230V的电压转换，配置第三负载屏503为230V负载屏；

配置第一负载屏501、第二负载屏502为400V负载屏。

本实施例中，图1至图4的方案可以自由结合，图5是实施例中的又一种大功率直流混动系统结构框图，参考图5，例如，在一种可实施方案中，大功率直流混动系统包括：

第一直流母线、第一动力电池11、第一斩波单元31、第一发电机12、第一整流单元32、第一轴发单元201；

第一动力电池11通过第一斩波单元31与第一直流母线相连接，第一发电机12通过第一整流单元32与第一直流母线相连接，第一轴发单元201通过第一轴发功率单元2001与第一直流母线相连接；

第二直流母线、第二动力电池13、第二斩波单元33、第二发电机14、第二整流单元、第二轴发单元202；

第二动力电池13通过第二斩波单元33与第二直流母线相连接，第二发电机14通过第二整流单元34与第二直流母线相连接，第二轴发单元202通过第二轴发功率单元2002与第二直流母线相连接；

岸电单元103、第三功率单元303，岸电单元103通过第三功率单元303与第一端直流配电单元或者第二直流母线相连接；

第一直流母线通过直流配电单元联络开关1与第二直流母线串联；

第一交流母线、第二交流母线、第一逆变单元401、第二逆变单元402、电压转换单元403、第一负载屏501、第二负载屏502、第三负载屏503；

第一交流母线通过联络开关2与第二交流母线串联；

第一交流母线通过第一逆变单元401接入第一直流母线，第二交流母线通过第二逆变单元402接入第二直流母线；

第一段交流母线通过电压转换单元403与第三负载屏503相连接，第一段交流母线与第一负载屏501相连接，第二段交流母线与第二负载屏502相连接。

实施例二

本实施例提出一种船舶，包括实施例一记载的任意一种大功率直流混动系统，其有益效果与实施例一中记载的对应内容相同，在此不再赘述。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种大功率直流混动系统，其特征在于，配置有直流配电单元、交流配电单元、发电单元以及轴发单元；

所述发电单元通过功率单元与所述直流配电单元相连接；

所述交流配电单元通过逆变单元接入所述直流配电单元；

所述轴发单元通过轴发功率单元与所述直流配电单元相连接；

所述直流配电单元的输出电压为1000V，所述功率单元的输出功率为500kW～1000kW。

2.如权利要求1所述的大功率直流混动系统，其特征在于，所述直流配电单元包括第一直流配电单元、第二直流配电单元，所述交流配电单元包括第一交流母线、第二交流母线；

所述第一直流配电单元通过直流配电单元联络开关与所述第二直流配电单元串联；

所述第一交流母线通过联络开关与所述第二交流母线串联；

所述第一交流母线通过第一逆变单元接入所述第一直流配电单元，所述第二交流母线通过第二逆变单元接入所述第二直流配电单元。

3.如权利要求1所述的大功率直流混动系统，其特征在于，所述发电单元包括动力电池；

所述动力电池通过第一功率单元与所述直流配电单元相连接。

4.如权利要求1所述的大功率直流混动系统，其特征在于，所述发电单元包括发电机；

所述发电机通过第二功率单元与所述直流配电单元相连接。

5.如权利要求1所述的大功率直流混动系统，其特征在于，所述轴发单元包括柴油主机、轴带发电机和齿轮箱；

所述柴油主机与所述轴带发电机以及齿轮箱相连接，所述轴带发电机还通过轴发功率单元与所述直流配电单元相连接。

6.如权利要求1所述的大功率直流混动系统，其特征在于，还包括岸电单元，所述岸电单元通过第三功率单元与所述直流配电单元相连接。

7.如权利要求3所述的大功率直流混动系统，其特征在于，所述动力电池的电量为1260kWh、放电倍率为0.5C、输出电压为690V。

8.如权利要求4所述的大功率直流混动系统，其特征在于，所述发电机的额定功率为1000kW，额定电压为690V。

9.如权利要求5所述的大功率直流混动系统，其特征在于，所述柴油主机采用低速主机，所述低速主机的额定输入功率为3300kW，轴系转速为127r/min。

10.一种船舶，其特征在于，包括权利要求1至9任一所述的大功率直流混动系统。

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