大功率船舶岸電電源的製作方法
2023-12-11 10:49:27
專利名稱：大功率船舶岸電電源的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種給停靠於港口碼頭的船舶供電的岸電電源，具體地說，是 涉及一種高壓大功率變頻的電源設備，屬於供電電源技術領域。
背景技術：
大型船舶特別是油船和貨櫃船靠港時通常使用燃油製品(多為重油和柴 油)發電，來滿足船舶用電需求。重油和柴油等燃油製品在燃燒過程中產生大量 硫化物和氮氧化物，對周邊環境造成嚴重汙染，汙染後通過氣候作用可以傳播 至數百公裡以外的地區。而且國內外很多港區都集中在市區，到港船舶停靠港 口產生汙染與中心城區環境保護的矛盾已經越來越突出。如果採用陸地電網對 靠港船舶供電，對於保護港區環境、建i更清潔宜人的綠色港口，無疑具有十分 重要的意義。
目前國內電網供電為50Hz，而國外船舶供電電源均為60Hz，如果採用陸地 電網供電，港口和船舶供電電制的不同勢必對船舶電氣設備造成嚴重影響。對 於大型船隻而言，船上各種電氣設備對負荷需求較大，以3000KVA為例，為滿 足陸地電網對靠港船舶的供電需求，有人提出了一種低壓大功率岸電電源方案， 其原理是把電網三相50Hz的高壓電先採用變壓器降壓至380V/50Hz,然後輸入 低壓岸電電源，經低壓逆變系統整流逆變為60Hz輸出，然後再經電力變壓器升 壓至高壓60Hz後，給靠港船舶供電。這種低壓岸電供電技術存在著下述缺點 1、在低壓岸電技術中，大功率逆變電源都採用小功率逆變電源衝莫塊並Jf關的方式 實現，對於容量高達數兆瓦的岸電電源而言，要求並聯的逆變模塊眾多，任何 一個模塊的故障，都使得岸電電源必須降額使用，甚至停機。而且因為船舶負載的複雜性，經常需要帶大功率電機直接啟動，對電源衝擊性強，因此，低壓
逆變方案可靠性大大降低；2、低壓岸電電源技術中，電源輸入側需要降壓變壓 器降壓，逆變後需要正弦波濾波，最後還要經過升壓變壓器升壓後才能得到高 電壓，而升、降壓變壓器一般採用電力變壓器，其效率最高為95%,正弦波濾 波器效率90%,使得電源整機效率最高為85%，大大降低了系統效率；3、低壓 逆變技術一般採用6脈沖整流，輸入功率因數低，對電網將形成較大汙染；4、 低壓岸電技術中，對於容量高達數兆瓦的岸電電源來說，其額定輸入電流為數 千安培,給輸入輸出側配電設計帶來了很大困難。
發明內容
一種大功率船舶岸電電源，所述岸電電源採用高壓逆變系統，直接將電網三相 交流輸入的高壓電進4f整流和逆變，然後輸出高壓三相交流電，減少了中間變 換環節，提高了功率因數和產品可靠性。
為解決上述技術問題，本發明採用以下技術方案予以實現
一種大功率船舶岸電電源，包括電網高壓三相交流輸入、電源高壓三相交 流輸出及逆變系統；所述逆變系統為高壓逆變系統，所述高壓逆變系統將電網 三相交流l命入的高壓電直4姿進4亍整流和逆變，並輸出高壓三相交流電。
根據本發明，所述高壓逆變系統包括移相變壓器、功率單元模塊及控制系 統；所述移相變壓器的初級繞組連接電網高壓三相交流輸入，其次級繞組與所 述功率單元模塊的輸入端相連接；所述功率單元^^莫塊將高壓三相交流輸入電整 流、逆變後，輸出高壓三相交流電；所述控制系統連接所述功率單元模塊的控 制端，並輸出PWM控制信號至所述控制端控制所述功率單元模塊。
根據本發明，所述功率單元模塊由24個功率單元組成，每相交流電包括有 8個相互串聯的功率單元，每個功率單元的輸入端分別與移相變壓器的次級繞 組相連接；每相串聯的功率單元的輸出採用Y型連接後輸出高壓三相交流電。
5根據本發明，所述移相變壓器為兩個，每個移相變壓器具有12個次級繞組；
每個功率單元的輸入端分別與移相變壓器的其中一個次級繞組相連接。優選的，
所述移相變壓器的次級繞組採用延邊三角形接法，以實現多重化，降低輸入電 流的諧波成分。
根據本發明，所述功率單元的輸入端連接有二極體組成的三相全波整流器， 所述整流器將所述功率單元輸入端輸入的高壓三相交流電整流成直流電，所述 直流電經與所述整流器並聯的直流濾波電容濾波後，傳輸至單相全橋逆變器， 所述逆變器在所述控制系統輸出的p麗控制信號控制下將直流電進行逆變，並
由功率單元輸出端輸出單相交流電；在所述功率單元輸出端並聯有可控矽組成 的旁路。
根據本發明，所述控制系統輸出的P麗控制信號經光電隔離電路隔離後， 通過光纖傳輸至所述功率單元^f莫塊的控制端。
根據本發明，所述高壓逆變系統的輸出端連接有才全測電路，所述檢測電路 的信號輸出端連接所述控制系統；所述衝全測電路檢測高壓逆變系統輸出的電流
信號，並將所述電流信號傳輸至所述控制系統，所述控制系統根據傳輸的電流 信號調節所述高壓逆變系統的輸出。
根據本發明，為減少電源對用電設備的絕緣損壞，所述高壓逆變系統的輸 出端還連接有高壓電抗器；為便於岸電電源與供電船舶插拔連接，所述岸電電 源輸出端設置有高壓電源連接器。
與現有技術相比，本發明的優點和積極效果是
1 、本發明所述大功率船舶岸電電源採用高壓逆變系統將電網三相交流輸入 的高壓電直4秦進行整流和逆變，並輸出高壓三相交流電，不需要4氐壓逆變系統 中的升、降壓變壓器及正弦波濾波器，減少了中間變換環節，使得電源的損耗、 體積、重量均減小，成本降低，而且提高了產品可靠性。
2、電源高壓逆變系統採用冗餘設計，每相均包括8個相串聯的功率單元， 而且每個功率單元帶有可控矽組成的旁路側。在某個功率單元出現故障時，電
6源主控系統能夠在短時間內將出現故障的功率單元進^f亍旁^^切除，並重新計算 輸出波形，保持輸出電壓波形的完整。由於每個功率單元結構相同，可以互換， 不僅便於調試維修，而且備份方便經濟。
3、高壓逆變系統輸入端採用兩個具有12個次級繞組的移相變壓器供電， 採用24脈衝整流方式，改善了電網側的電流波形，降低了輸入電流諧波成分， 提高了功率因數，使得負載下的電網側功率因數接近1。
4 、高壓逆變系統中的控制系統與功率單元模塊之間採用多通道光纖通信， 實現了高壓部分與低壓部分的真正電氣隔離，提高了電源系統的安全性和可靠 性，並使得系統具有很好的抗電磁幹擾能力。
5、通過設置檢測電路實現岸電電源的閉環反饋穩壓，提高了輸出電壓的穩 定性。
圖l是本發明大功率船舶岸電電源的原理框圖； 圖2是圖1中高壓逆變系統的原理框圖； 圖3是圖2中功率單元的電路圖4是本發明岸電電源中PWM控制信號隔離輸入電路圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步詳細的i兌明。
參閱圖1所示的岸電電源原理框圖，本發明所述岸電電源是採用陸地電網 給靠港船舶、尤其是負荷較大的靠港船舶供電的電源。所述岸電電源包括輸入 開關K1、高壓逆變系統1及輸出開關K2,在高壓逆變系統l的輸出端串聯有高 壓電抗器L。港區變電站對陸地50Hz的電能進行二次分配，通過降壓變壓器將 高壓20-100KV電壓降低；然後，降壓後的50Hz電網高壓交流輸入通過電纜輸 送到岸電電源的輸入端。閉合開關K1及開關K2，電網高壓交流輸入通過開關
7Kl輸入至所述高壓逆變系統1中，經高壓逆變系統l整流、逆變後，輸出三相
準正弦波。所述三相準正弦波再經高壓電抗器L濾波後，得到三相60Hz的正弦 高電壓，並經輸出開關K2輸出。為便於岸電電源與供電船舶插拔連接，在所述 岸電電源的輸出端還連接有高壓電源連接器，在所述高壓電源連接器上連接有 通往靠港船舶的電纜，岸電電源輸出的60Hz的正弦高電壓通過高壓電源連接器 及電纜輸送到靠港船舶上，給船舶負載供電。
本發明為提高電源輸出電壓的穩定性，在高壓逆變領域引入了閉環反饋單 元。具體為在電源交流輸出側連接有檢測電路，所述檢測電路實時檢測輸出 的負載電流，然後將電流信號反饋至所述高壓逆變系統1中，高壓逆變系統1 根據檢測電路反饋的電流的大小調節電源的輸出，達到控制輸出電壓穩定性的 目的。通過設置上述檢測電路構成的閉環反饋單元，可使輸出電壓的穩態調整 率達到± 2%。
在大功率船舶岸電電源中，高壓逆變系統1是電源的核心，圖2示出了高 壓逆變系統l的原理框圖。所述高壓逆變系統1包括移相變壓器、功率單元沖莫 塊及控制系統。所述移相變壓器為兩個，每個均具有12個次級繞組，兩個變壓 器共有24個次級繞組，且二次繞組採用延邊三角形^接法。功率單元才莫塊包括 24個結構相同的功率單元，每相對應有8個，且每相的8個功率單元相互串聯； 相鄰相的功率單元的輸出端串接，形成"Y"型結構輸出。每個功率單元的輸入 端分別與所述移相變壓器的一個次級繞組相連"l妻，而移相變壓器的初級繞組連 接電網高壓三相交流輸入。控制系統包括控制器、人機界面及可編程控制器 (PLC)。所述控制器採用高速處理器，對功率單元發送P麗控制信號，並通過 其內部算法，保證電源所帶感性負載達到最優的運行性能。所述可編程控制器 用於對電源各開關信號進行邏輯處理及協調現場各操作信號和狀態信號，以增 強電源供電系統的靈活性。而人機界面提供友好的監控和操作界面，同時還可 實現遠程監控和網絡化控制。電網電壓經移相變壓器降壓後給功率單元供電， 功率單元在控制器發出的PWM控制信號的控射下對電網電壓進行整流、逆變；最終輸出60Hz的高壓三相交流電。
此外，所述控制器具有一套獨立於高壓電源的獨立控制電源，在不加高壓 的情況下，僅加入獨立控制電源，系統各點的波形與加高壓時基本相似，給整 機調試、維護及培訓帶來極大的方便性和安全性。
圖3示出了上述功率單元的電路圖，所述功率單元包括六個二極體組成的 三相全波整流器11及單相全橋逆變器12,在所述整流器11的兩端並聯有直流 濾波電容C1和C2。經移相變壓器降壓後的三相輸入R、 S、 T經整流器ll整流 成直流電，並經電容C1和C2濾波後傳至逆變器12中。逆變器12,控制器輸 出的PWM控制信號控制下將直流電逆變，輸出單相交流電UV。在功率單元的單 相輸出端還並聯有可控矽K組成的旁路，如果某個功率單元發生故障，該單元 的輸出端能自動通過可控矽旁路，不會影響電源整機的連續運行，提高了電源 工作的可靠性。
請參閱圖4所示的P麗控制信號隔離輸入電路圖，本發明岸電電源為實現 真正意義上的高壓電與低壓電的電氣隔離，控制系統與功率單元之間採用多通 道光纖通信。P麗控制信號SINEDRV輸入光電隔離電路U4的3腳，隔離後的PWM 信號通過U4的5腳和6腳輸出，然後再通過光纖傳輸至功率單元控制端，從而 提高了電源系統的安全性和可靠性。
當然，以上所述僅是本發明的一種優選實施方式而已，應當指出，對於本 技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若 幹改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。
權利要求
1、一種大功率船舶岸電電源，包括電網高壓三相交流輸入、電源高壓三相交流輸出及逆變系統，其特徵在於，所述逆變系統為高壓逆變系統，所述高壓逆變系統將電網三相交流輸入的高壓電直接進行整流和逆變，並輸出高壓三相交流電。
2、 根據權利要求l所述的大功率船舶岸電電源，其特徵在於，所述高壓逆 變系統包括移相變壓器、功率單元才莫塊及控制系統；所述移相變壓器的初級繞 組連接電網高壓三相交流輸入，其次級繞組與所述功率單元模塊的輸入端相連 接；所述功率單元模塊將高壓三相交流輸入電整流、逆變後，輸出高壓三相交 流電；所述控制系統連接所述功率單元模塊的控制端，並輸出P麗控制信號至 所述控制端控制所述功率單元才莫塊。
3、 根據權利要求2所述的大功率船舶岸電電源，其特徵在於，所述功率單 元模塊由24個功率單元組成，每相交流電包括有8個相互串聯的功率單元，每 個功率單元的輸入端分別與移相變壓器的次級繞組相連4^;每相串聯的功率單 元的輸出採用Y型連接後輸出高壓三相交流電。
4、 根據權利要求3所述的大功率船舶岸電電源，其特徵在於，所述移相變 壓器為兩個，每個移相變壓器具有12個次級繞組，每個功率單元的輸入端分別 與移相變壓器的其中 一個次級繞組相連4妻。
5、 根據權利要求4所述的大功率船舶岸電電源，其特徵在於，所述移相變 壓器的次級繞組採用延邊三角形接法。
6、 根據權利要求3所述的大功率船舶岸電電源，其特徵在於，所述功率單 元的輸入端連接有二極體組成的三相全波整流器，所述整流器將所述功率單元 輸入端輸入的高壓三相交流電整流成直流電，所述直流電經與所述整流器並4關 的直流濾波電容濾波後，傳輸至單相全橋逆變器，所述逆變器在所述控制系統 輸出的P麗控制信號控制下將直流電進行逆變，並由功率單元輸出端輸出單相 交流電；在所述功率單元輸出端並聯有可控矽組成的旁^各。
7、 根據權利要求2所述的大功率船舶岸電電源，其特徵在於，所述控制系統輸出的PWM控制信號經光電隔離電路隔離後，通過光纖傳輸至所述功率單元模塊的控制端。
8、 根據權利要求2至7中任一項所述的大功率船舶岸電電源，其特徵在於， 所述高壓逆變系統的輸出端連接有檢測電路，所述;f企測電路的信號輸出端連接 所述控制系統；所述檢測電路^全測高壓逆變系統輸出的電流信號，並將所述電 流信號傳輸至所述控制系統，所述控制系統根據傳輸的電流信號調節所述高壓 逆變系統的輸出。
9、 才艮據權利要求8所述的大功率船舶岸電電源，其特徵在於，所述高壓逆 變系統的輸出端連接有高壓電抗器。
10、 根據權利要求l所述的大功率船舶岸電電源，其特徵在於，所述岸電 電源輸出端設置有高壓電源連接器。
全文摘要
本發明公開了一種大功率船舶岸電電源，包括電網高壓三相交流輸入、電源高壓三相交流輸出及逆變系統，所述逆變系統為高壓逆變系統，所述高壓逆變系統將電網三相交流輸入的高壓電直接進行整流和逆變，並輸出高壓三相交流電，從而減少了中間變換環節，提高了電源的功率因數和產品的可靠性。
文檔編號H02M5/451GK101488720SQ20081015813
公開日2009年7月22日 申請日期2008年10月24日 優先權日2008年10月24日
發明者郜克存, 隋學禮 申請人:青島經濟技術開發區創統科技發展有限公司