電力推進船舶直流組網電力系統的製作方法

2023-12-12 13:24:32

本發明涉及船舶電力推進系統，具體為電力推進船舶直流組網電力系統。

背景技術：

近年來隨著電力電子技術、變頻電機製造技術、交流電機變頻調速技術和計算機控制技術的日漸成熟，船舶電力推進系統以其所具備的經濟性、機動性、操縱性、安全性、環保低排放等優勢，使其裝船率逐年上升，已經成為當前船舶動力發展的主流方向。目前，船舶電力推進系統已趨近成熟並商業化。

在電力推進船舶的發展進程中，交流組網電力系統以功能塊技術成熟、開發快捷等優勢，成為當前電力推進船舶的主流方案。然而，交流組網電力系統也存在控制複雜，諧波汙染等問題，長期困擾著電力推進船舶的發展。隨著可控整流及斬波逆變技術的進步，加上能源價格的上升，船舶直流組網電力系統的發展引起了關注。

目前，電力推進船舶電力系統普遍採用交流併網的組網形式(如圖1所示)。電力系統採用兩臺或多臺恆速內燃機(多為柴油機)驅動發電機發出頻率、電壓均固定的三相交流電，然後通過交流配電裝置，將多臺發電機發出的交流電併網組成可靈活分配的動力電站，為電力推進系統和輔助負載提供電能，實現電力推進系統、輔助供電系統、照明系統等負載的電站共享。

交流組網系統主要包含以下五大核心設備：1)恆速柴油發電機組：由柴油機和發電機組成，機械傳動端通過彈性連接軸或法蘭盤互相連接，公共底座安裝；設置柴油機電子調速系統及發電機恆壓勵磁調節系統保證其發出電壓、頻率相對恆定的三相交流電，供整船使用；一般電力推進船舶配置兩臺或多臺恆速柴油發電機組。2)交流配電裝置：將多臺恆速發電機組發出的穩定交流電通過併網組成一個動力電站，可手動或自動根據負載需求完成多臺發電機組的啟動、併網、負載轉移、故障機組解列以及電能分配，同時具有頻率、電壓超標、逆功等保護功能及報警功能。3)變壓器或者電抗器：交流組網的電力推進船舶一般會在交流配電裝置和推進變頻器之間設計隔離變壓器、移向變壓器或濾波電抗器等裝置，主要是為了匹配系統的電壓等級，抵制變頻器產生的高次諧波向電網傳遞，減少變頻器產生的電流諧波失真對電網的影響，減少高次諧波對其它元器件的幹擾，改善電網質量、提高功率因數、滿足電網諧波失真等要求。4)推進變頻器+制動電阻：將電壓、頻率固定的交流電轉換為電壓、頻率均可連續調節的三相變頻電源，為主推進/側推電動機供電；主要由整流功率單元、逆變功率單元、制動單元及控制單元組成。由於一般整流方式採用二極體不控整流，不能為電機的再生制動提供反向電流的通路，所以每臺變頻器均需要增加制動電阻來消耗制動能量。5)主推進/側推電動機：在推進變頻器的控制下，將電能轉換成轉矩、轉速連續可調的機械能，通過齒輪箱或直驅帶動螺旋槳轉動，從而實現船舶前進、後退及轉向運行。

交流組網系統的缺點：1)交流組網系統為了消除諧波增加了濾波電抗器或變壓器，設備種類多，佔用空間大，重量大，設備成本高；2)由於柴油機發電機組恆速運行，無法按照柴油機最佳燃油經濟曲線調速，加之系統運行時的無功功率損耗，導致其能源消耗大，節能效果差，工作效率低；3)交流組網中，因需要解決電網諧波失真對系統穩定性的影響、發電機之間無功功率分配、交流併網時電源頻率、電壓、相位角同步等技術問題，導致維護成本增加，同時造成系統運行風險增大，可靠性降低。

技術實現要素：

本發明為了解決上述問題，提供了電力推進船舶直流組網電力系統。電力推進船舶直流組網電力系統採用調速柴油發電機組發出三相或六相交流電，通過發電機配套的勵磁調節裝置的自動調節保證其輸出電壓均恆定，然後再通過整流器整流後輸出直流電給直流配電裝置，直流配電裝置經過直流併網後形成直流動力電站，電站通過各種不同功率等級的逆變器輸出完成整船電能分配，為電力推進系統和輔助負載提供電能，實現電站共享。

本發明是採用如下的技術方案實現的：電力推進船舶直流組網電力系統，其包括調速柴油發電機組、整流器、直流配電裝置、逆變器和電動機，

其中調速柴油發電機組包括柴油機和發電機，柴油機和發電機傳動端通過彈性連接軸或法蘭盤互相連接，公共底座安裝，調速柴油發電機組設置電子調速裝置和發電機勵磁調節裝置，保證其輸出電壓穩定；整流器安裝在發電機出線口上方，形成一個動力包，整流器可根據系統的需要採用六脈波整流、十二脈波整流或者晶閘管可控整流；

直流配電裝置是船舶的電能管理系統，其預先編制不同負荷條件下柴油機的最佳燃油消耗曲線，通過與發電機、推進系統及其它負荷系統的控制器連接，監控整船電能負荷需求，設置最佳柴油機轉速，確保調速柴油發電機組工作的轉速和負荷可以安全地實現最小燃油消耗量和最低溫室氣體排放水平，控制柴油機、電動機和其它負荷系統在不同的功率需求下工作，使船舶處於最佳工作狀態；同時，直流配電裝置可手動或自動根據負載需求完成多臺調速柴油發電機組的併網、負載轉移、故障機組解列以及電能分配，具有保護及報警功能；

逆變器包括推進逆變器和輔助逆變器，推進逆變器和輔助逆變器將直流配電裝置的直流電通過逆變轉換為電壓、頻率均連續可調節的三相交流電源，為電動機及輔助負載系統供電；

電動機包括主推進電動機和側推電動機，在推進變頻器的控制下，將電能轉換成轉矩、轉速連續可調的機械能，通過齒輪箱或直驅帶動螺旋槳轉動，從而實現船舶前進、後退及轉向運行。

本發明技術方案帶來的有益效果：

1)節約空間、減小體積及總體重量，減少電纜用量，設備成本低。

船舶使用直流電力系統後，可以採用功率密度更高的整流器代替體積重量龐大的變壓器或濾波電抗器來實現電壓轉換。同時，由於直流電力系統消除了交流系統的集膚效應及無功功率傳輸，也簡化了併網條件，這樣可以減少電纜的使用數量及無功補償處理設備，節約空間，減少設備重量。表1為某挖泥船的交直方案對比，認為直流組網方案重量節約40％左右，體積、佔地面積節約50％左右，電纜用量節約15％。

2)相比交流組網系統，節能15％左右，減排20％左右。

圖4為柴油機轉速-功率與油耗率之間的曲線關係。柴油機輸出功率為轉速和轉矩的乘積，同等功率下，柴油機的油耗率會隨轉速和轉矩變化，每條等功率線上都能找到油耗相對最低點。交流電網受頻率限制，柴油機轉速幾乎恆定，工作點無法在等功率線上自由移動，因此無法選擇最經濟點，油耗相對較高。如採用直流併網電力系統，柴油機的轉速和轉矩都與輸出功率解耦，對應任意輸出功率，柴油機都可選擇相應油耗最低的轉速與之匹配，有利於節約能源，減少排放量。圖5、圖6分別為油耗、排放量對比圖。

3)能源接口簡便，方便多種能源接入。

直流電力系統各種電源之間並聯運行只需要電壓相同就可以進行併網運行。未來船舶電力系統可能使用太陽能、風能及儲能設備等新能源，這些新能源在交流電制下與主電網並聯時空之比較複雜，而在直流電制下，並聯運行接口、控制更為簡便，有利於合理利用多種能源，進一步減少化石能源消耗，提高船舶運行經濟性。

附圖說明

圖1為電力推進船舶交流組網電力系統拓撲圖。

圖2為電力推進船舶直流組網電力系統拓撲圖。

圖3為電力推進破冰船直流組網電力系統拓撲圖。

圖4為為柴油機轉速-功率與油耗率之間的曲線關係圖。

圖5為恆速採油機和調速採油機油耗對比圖。

圖6為恆速採油機和調速採油機排放量對比圖。

具體實施方式

以該直流組網電力系統應用於電力推進破冰船為例，具體闡述該發明的實施情況。所述電力推進破冰船直流組網電力系統如圖3所示，整船採用四臺相同型號功率為3000千瓦、調速範圍300-700轉/分鐘的調速柴油機，分別通過法蘭盤連接帶動功率為3000kw的六相交流發電機，發電機設置恆壓勵磁調節裝置保證其輸出電壓恆定的六相690v交流電，再通過十二脈波整流器整流後併網形成直流940v電站，為推進系統及其它電力負載分配電能。發電機採用六相交流發電機，可減小相電流、降低損耗、節約成本，整流器採用十二脈波不可控整流，在降低成本的同時可降低電網諧波含量、優化直流電壓波形、保證電網電源質量。

整船設計兩套1000千瓦的側推系統、兩套4000千瓦的主推進系統，均採用交流變頻調速，主要由逆變器、推進電機、制動電阻及舵漿組成。逆變器採用三相橋式逆變，通過svpwm調製方式，將電網中電壓恆定的直流電變換為電壓、頻率均可連續調節的交流電源供給交流推進電動機，電動機輸出轉矩、轉速連續可調的機械能，通過軸系帶動螺旋槳運轉，從而實現船舶運行。

直流電網通過兩套1000kva的輔助逆變器及變壓器(兩套一備一用，不可同時使用)輸出電壓固定的三相交流400v電源供整船風機、水泵、油泵等負載使用。400v交流電網通過變壓器輸出交流220v電源供整船生活用電、照明等負載使用。