專利名稱：電油混合能源轉(zhuǎn)換電驅(qū)動(dòng)船舶的間接型矩陣控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種多能源電動(dòng)船舶的電源組合及推進(jìn)控制系統(tǒng)，特別是一種電油混合能源轉(zhuǎn)換電驅(qū)動(dòng)船舶的間接型矩陣控制系統(tǒng)，即以發(fā)電機(jī)組和取用岸電的動(dòng)力蓄電池組相結(jié)合的電油混合能源全電動(dòng)船舶的、交直流電源直接并聯(lián)運(yùn)行的間接型矩陣控制的電站系統(tǒng)，和采用間接型矩陣變換器與直接轉(zhuǎn)矩變頻控制相結(jié)合的組合式控制策略的推進(jìn)控制系統(tǒng)疊加形成的間接型矩陣控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
混合動(dòng)力電動(dòng)汽車具有環(huán)保節(jié)能和行駛里程較大的優(yōu)勢?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)船舶具有同樣的特性和特殊的用途，例如科學(xué)測量船舶、具體為一種經(jīng)常性頻繁進(jìn)行水文測量的船舶，需要靜音工作環(huán)境和較大的續(xù)航力，以及能夠在流水和風(fēng)浪中定位于一點(diǎn)、或以極低的航速運(yùn)行的性能，以適應(yīng)于水文測量的需求。顯然，采用熱力機(jī)推進(jìn)和發(fā)電機(jī)組供電都不能實(shí)現(xiàn)靜音目的，而蓄電池電動(dòng)船舶缺乏大續(xù)航力，唯有電油混合全電動(dòng)船舶可達(dá)到其雙重目標(biāo)。電力推進(jìn)具有定位航行和低速性能，且能以蓄電池工作于測量工況，而以有噪聲的發(fā)電機(jī)組用于其它工況，從而可同時(shí)兼顧靜音測量環(huán)境和大續(xù)航力雙重需求，對(duì)蓄電池充電可引用岸電，也可采用船電，后者雖然效率低一點(diǎn)，但測量時(shí)間不長、而靜音環(huán)境成為主要矛盾，且雙重技術(shù)目的得以實(shí)現(xiàn)。然而難題在于混合能源中以燃油為能源的柴油發(fā)電機(jī)組為交流電，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)交流化是成熟的水陸發(fā)電技術(shù)，而蓄電池為直流電，兩者如何配套和控制？顯然將交流電整流為直流電，再轉(zhuǎn)換為交流電的交-直-交方式是一種工作模式，然而由于控制過程必須經(jīng)過整流濾波環(huán)節(jié)，所以直流環(huán)節(jié)需要較大的儲(chǔ)能電感或電容器而耗能高且體積較大。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種電油混合能源轉(zhuǎn)換電驅(qū)動(dòng)船舶的間接型矩陣控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)交流電與直流電的高效對(duì)接和并聯(lián)運(yùn)行；并且采用間接型矩陣變換器與直接轉(zhuǎn)矩控制策略相結(jié)合，構(gòu)成組合式控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)于推進(jìn)電動(dòng)機(jī)高效節(jié)能的變頻無級(jí)調(diào)速控制。形成混合能源電動(dòng)船舶優(yōu)化的電站構(gòu)成方案和推進(jìn)控制方式、以及電站與推進(jìn)控制兩者優(yōu)化配套的總體方案。為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是:一種電油混合能源轉(zhuǎn)換電驅(qū)動(dòng)船舶的間接型矩陣控制系統(tǒng)，包括:三相交流柴油發(fā)電機(jī)組、間接型矩陣變換器、動(dòng)力蓄電池組、雙向PWM開關(guān)、三相交流推進(jìn)電動(dòng)機(jī)、螺旋槳、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器、開關(guān)換流控制器、速度傳感器、充電機(jī)，三相交流柴油發(fā)電機(jī)組與間接型矩陣變換器的輸入端AC/DC變換器相連，三相交流推進(jìn)電動(dòng)機(jī)與間接型矩陣變換器的輸出端DC/AC變換器相連，且與螺旋槳機(jī)械相連，間接型矩陣變換器的虛擬直流環(huán)節(jié)箝位電路與雙向PWM開關(guān)相連，雙向PWM開關(guān)與動(dòng)力蓄電池組相連，開關(guān)換流控制器與間接型矩陣變換器的輸入端AC/DC變換器和輸出端DC/AC變換器的開關(guān)控制線路相連，直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器與開關(guān)換流控制器、三相交流柴油發(fā)電機(jī)組、三相交流推進(jìn)電動(dòng)機(jī)以及速度傳感器相連，速度傳感器與推進(jìn)電動(dòng)機(jī)機(jī)械相連，具有接交流岸電插口的充電機(jī)與動(dòng)力蓄電池組相連。所述的間接型矩陣變換器為采用間接空間矢量調(diào)制算法的間接型矩陣變頻控制器，采用虛擬整流和虛擬逆變相結(jié)合的方式進(jìn)行控制。所述的間接型矩陣變換器的開關(guān)低頻傳遞函數(shù)矩陣T可表示為兩部分的乘積AB，即:T=AB;且B與矩陣輸入三相相電壓基波矩陣Uiph的乘積為常數(shù)C，即:BUiph=C ；而A與常數(shù)的乘積為矩陣輸出線電壓基波矩陣Uw即:AC=Uol ；可得:UoL=TUiph = ABUiph=AC,其中 C 為常數(shù)；Uiph和Uti分別為下式:
權(quán)利要求1.一種電油混合能源轉(zhuǎn)換電驅(qū)動(dòng)船舶的間接型矩陣控制系統(tǒng)，包括:三相交流柴油發(fā)電機(jī)組(I)、間接型矩陣變換器(2 )、動(dòng)力蓄電池組(3 )、雙向PWM開關(guān)(4)、三相交流推進(jìn)電動(dòng)機(jī)(5)、螺旋槳(6)、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器(7)、開關(guān)換流控制器(8)、速度傳感器(9)、充電機(jī)(10)，其特征是:三相交流柴油發(fā)電機(jī)組(I)與間接型矩陣變換器(2)的輸入端AC/DC變換器相連，三相交流推進(jìn)電動(dòng)機(jī)(6)與間接型矩陣變換器(2)的輸出端DC/AC變換器相連，且與螺旋槳(7)機(jī)械相連，間接型矩陣變換器(2)的虛擬直流環(huán)節(jié)箝位電路與雙向PWM開關(guān)(4)相連，雙向PWM開關(guān)(4)與動(dòng)力蓄電池組(3)相連，開關(guān)換流控制器(8)與間接型矩陣變換器(2)的輸入端AC/DC變換器和輸出端DC/AC變換器的開關(guān)控制線路相連，直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器(7)與開關(guān)換流控制器(8)、三相交流柴油發(fā)電機(jī)組(I)、三相交流推進(jìn)電動(dòng)機(jī)(5)以及速度傳感器(9 )相連，速度傳感器(9 )與推進(jìn)電動(dòng)機(jī)(6 )機(jī)械相連，具有接交流岸電插口的充電機(jī)(10)與動(dòng)力蓄電池組(3)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電油混合能源轉(zhuǎn)換電驅(qū)動(dòng)船舶的間接型矩陣控制系統(tǒng)，其特征是:所述的間接型矩陣變換器(2)為采用間接空間矢量調(diào)制算法的間接型矩陣變頻控制器，采用虛擬整流和虛擬逆變相結(jié)合的方式進(jìn)行控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種電油混合能源轉(zhuǎn)換電驅(qū)動(dòng)船舶的間接型矩陣控制系統(tǒng)，其特征是:所述的間接型矩陣變換器(2)的開關(guān)低頻傳遞函數(shù)矩陣T可表示為兩部分的乘積AB，即:T=AB; 且B與矩陣輸入三相相電壓基波矩陣Uiph的乘積為常數(shù)C，即: BUiph=C ； 而A與常數(shù)的乘積為矩陣輸出線電壓基波矩陣UoL，即: AC=Uol ； 可得:UQL=TUiph=ABUiph=AC，其中 C 為常數(shù)； Uiph和Uol分別為下式: Cos(O)i t)cos( o)J -φο+ 30。)Uiph -Uim cos(叫-120°) UoL-^Uom cos(aj -φ。+ 3Oc -120°)cos(fi^ + 12Cr)CQS(G)J - φ。+30° +120。) 式中: Uim是輸入相電壓幅值； Wi是輸入電壓角頻率； Uom是輸出相電壓幅值； ω。是輸出電壓角頻率； 扒是輸出電壓與輸入電壓的相位差。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電油混合能源轉(zhuǎn)換電驅(qū)動(dòng)船舶的間接型矩陣控制系統(tǒng)，其特征是:所述的間接型矩陣變換器(2)中包括: 由6對(duì)兩兩反并聯(lián)的逆阻式絕緣柵雙極晶體管RB-1GBT構(gòu)成的6個(gè)雙向開關(guān)，組成一個(gè)雙向可逆的三相橋式電路，與6個(gè)帶反并聯(lián)二極管的絕緣柵雙極晶體管IGBT組成的三相橋式逆變電路共同構(gòu)成RB-1GBT逆阻式雙級(jí)矩陣變換器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電油混合能源轉(zhuǎn)換電驅(qū)動(dòng)船舶的間接型矩陣控制系統(tǒng)，其特征是:所述的間接型矩陣變換器(2)中包括: 由6個(gè)串聯(lián)有二極管的IGBT組成的三相橋式電路、與6個(gè)帶反并聯(lián)二極管的IGBT組成的三相橋式逆變電路共同構(gòu)成的稀疏矩陣變換器。
6.根據(jù)權(quán)利要 求4或5所述的一種電油混合能源轉(zhuǎn)換電驅(qū)動(dòng)船舶的間接型矩陣控制系統(tǒng)，其特征是:在AB兩部分連接部位的虛擬直流環(huán)節(jié)上并聯(lián)一個(gè)由小容量電容器和一個(gè)二極管組成的箝位電路，且將其箝位電路并聯(lián)于雙向PWM開關(guān)(4)與動(dòng)力蓄電池組(3)的串聯(lián)電路上、并控制其電路的極性保持與蓄電池一致而恒定不變。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種電油混合能源轉(zhuǎn)換電驅(qū)動(dòng)船舶的間接型矩陣控制系統(tǒng)，其特征是:所述的直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器(7)中，在電動(dòng)機(jī)定子坐標(biāo)系中，將三相對(duì)稱的定子系統(tǒng)等效變換為相互垂直的兩相系統(tǒng)的矢量關(guān)系，通過檢測定子電壓或者直流供電母線電壓和定子電流，直接計(jì)算出電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，再利用兩個(gè)滯環(huán)比較器，直接實(shí)現(xiàn)對(duì)定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的解耦控制的變頻器； 直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器(7)與開關(guān)換流控制器(8)、三相交流柴油發(fā)電機(jī)組(I)、三相交流推進(jìn)電動(dòng)機(jī)(5 )和速度傳感器(9 )相連，將速度傳感器(9 )由三相交流推進(jìn)電動(dòng)機(jī)(5 )獲得的轉(zhuǎn)速信號(hào)反饋于直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器(7)，形成速度閉環(huán)控制系統(tǒng)而追蹤給定速度，并通過檢測間接型矩陣變換器(2)的輸入端AC/DC變換器的電壓和輸出端DC/AC變換器的電流，獲得三相交流推進(jìn)電動(dòng)機(jī)(5)的定子電壓和電流值，來形成直接轉(zhuǎn)矩變頻控制信號(hào)，且輸入到開關(guān)換流控制器(8)，與間接型矩陣變換器(2)的控制信號(hào)疊加，由開關(guān)換流控制器(8)控制間接型矩陣變換器(2)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于三相交流推進(jìn)電動(dòng)機(jī)(5)的直接轉(zhuǎn)矩變頻控制和間接式矩陣控制的組合式控制，構(gòu)成交流電動(dòng)機(jī)的間接型矩陣變換器——直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電油混合能源轉(zhuǎn)換電驅(qū)動(dòng)船舶的間接型矩陣控制系統(tǒng)，其特征是:所述的雙向PWM開關(guān)(4)包括開關(guān)主電路和PWM控制器，開關(guān)主電路是由兩個(gè)反向并聯(lián)的逆阻式絕緣柵雙極晶體管RB-1GBT和一個(gè)PWM控制器組成的一個(gè)雙向可控功率開關(guān)，PWM控制器與RB-1GBT晶體管的控制線路相連，雙極晶體管RB-1GBT的一端接在間接型矩陣變換器(2)的箝位電路的正極上、另一端接在動(dòng)力蓄電池組(3)的正極上，動(dòng)力蓄電池組(3)的負(fù)極與箝位電路的負(fù)極相連，控制雙向PWM開關(guān)(4)可正反雙向接通和斷開動(dòng)力蓄電池組(3)與矩陣變換器(2)的虛擬直流側(cè)的連接，使動(dòng)力蓄電池組(3)參與供電、接受充電和處于關(guān)斷狀態(tài)，并采用PWM脈寬調(diào)制法控制其放電和充電電流的大小。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電油混合能源轉(zhuǎn)換電驅(qū)動(dòng)船舶的間接型矩陣控制系統(tǒng)，其特征是:所述的動(dòng)力蓄電池組(3)采用多組可快速充放電的磷酸鐵釩鋰動(dòng)力蓄電池，作為進(jìn)行船舶推進(jìn)的靜音電源或能量源使用，動(dòng)力蓄電池組(3)與充電機(jī)(9)相連，其正極與雙向PWM開關(guān)(4)的一端相連，負(fù)極接到間接型矩陣變換器(2)的箝位電路的負(fù)極上。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電油混合能源轉(zhuǎn)換電驅(qū)動(dòng)船舶的間接型矩陣控制系統(tǒng)，其特征是:所述的推進(jìn)電動(dòng)機(jī)(6)為正弦波驅(qū)動(dòng)的永磁無刷同步電動(dòng)機(jī)。
專利摘要一種電油混合能源轉(zhuǎn)換電驅(qū)動(dòng)船舶的間接型矩陣控制系統(tǒng)，三相交流柴油發(fā)電機(jī)組與間接型矩陣變換器的輸入端AC/DC變換器相連，三相交流推進(jìn)電動(dòng)機(jī)與間接型矩陣變換器的輸出端DC/AC變換器相連，間接型矩陣變換器的虛擬直流環(huán)節(jié)箝位電路與雙向PWM開關(guān)相連，雙向PWM開關(guān)與動(dòng)力蓄電池組相連，開關(guān)換流控制器與間接型矩陣變換器的輸入端AC/DC變換器和輸出端DC/AC變換器的開關(guān)控制線路相連，直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器與開關(guān)換流控制器、三相交流柴油發(fā)電機(jī)組、三相交流推進(jìn)電動(dòng)機(jī)以及速度傳感器相連，充電機(jī)與動(dòng)力蓄電池組相連。本實(shí)用新型可以實(shí)現(xiàn)交流電與直流電的高效對(duì)接和并聯(lián)運(yùn)行；實(shí)現(xiàn)對(duì)于推進(jìn)電動(dòng)機(jī)高效節(jié)能的變頻無級(jí)調(diào)速控制。
文檔編號(hào)H02P21/00GK203039635SQ20132004733
公開日2013年7月3日 申請日期2013年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月29日
發(fā)明者龐志森, 王文忠, 龐明 申請人:龐志森, 王文忠, 張大中, 龐明, 宜昌發(fā)中船務(wù)有限公司