本發(fā)明涉及船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)，具體為電力推進(jìn)船舶直流組網(wǎng)電力系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

近年來隨著電力電子技術(shù)、變頻電機(jī)制造技術(shù)、交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)和計算機(jī)控制技術(shù)的日漸成熟，船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)以其所具備的經(jīng)濟(jì)性、機(jī)動性、操縱性、安全性、環(huán)保低排放等優(yōu)勢，使其裝船率逐年上升，已經(jīng)成為當(dāng)前船舶動力發(fā)展的主流方向。目前，船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)已趨近成熟并商業(yè)化。

在電力推進(jìn)船舶的發(fā)展進(jìn)程中，交流組網(wǎng)電力系統(tǒng)以功能塊技術(shù)成熟、開發(fā)快捷等優(yōu)勢，成為當(dāng)前電力推進(jìn)船舶的主流方案。然而，交流組網(wǎng)電力系統(tǒng)也存在控制復(fù)雜，諧波污染等問題，長期困擾著電力推進(jìn)船舶的發(fā)展。隨著可控整流及斬波逆變技術(shù)的進(jìn)步，加上能源價格的上升，船舶直流組網(wǎng)電力系統(tǒng)的發(fā)展引起了關(guān)注。

目前，電力推進(jìn)船舶電力系統(tǒng)普遍采用交流并網(wǎng)的組網(wǎng)形式(如圖1所示)。電力系統(tǒng)采用兩臺或多臺恒速內(nèi)燃機(jī)(多為柴油機(jī))驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)出頻率、電壓均固定的三相交流電，然后通過交流配電裝置，將多臺發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電并網(wǎng)組成可靈活分配的動力電站，為電力推進(jìn)系統(tǒng)和輔助負(fù)載提供電能，實現(xiàn)電力推進(jìn)系統(tǒng)、輔助供電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等負(fù)載的電站共享。

交流組網(wǎng)系統(tǒng)主要包含以下五大核心設(shè)備：1)恒速柴油發(fā)電機(jī)組：由柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)組成，機(jī)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(shè)置柴油機(jī)電子調(diào)速系統(tǒng)及發(fā)電機(jī)恒壓勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)保證其發(fā)出電壓、頻率相對恒定的三相交流電，供整船使用；一般電力推進(jìn)船舶配置兩臺或多臺恒速柴油發(fā)電機(jī)組。2)交流配電裝置：將多臺恒速發(fā)電機(jī)組發(fā)出的穩(wěn)定交流電通過并網(wǎng)組成一個動力電站，可手動或自動根據(jù)負(fù)載需求完成多臺發(fā)電機(jī)組的啟動、并網(wǎng)、負(fù)載轉(zhuǎn)移、故障機(jī)組解列以及電能分配，同時具有頻率、電壓超標(biāo)、逆功等保護(hù)功能及報警功能。3)變壓器或者電抗器：交流組網(wǎng)的電力推進(jìn)船舶一般會在交流配電裝置和推進(jìn)變頻器之間設(shè)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(tǒng)的電壓等級，抵制變頻器產(chǎn)生的高次諧波向電網(wǎng)傳遞，減少變頻器產(chǎn)生的電流諧波失真對電網(wǎng)的影響，減少高次諧波對其它元器件的干擾，改善電網(wǎng)質(zhì)量、提高功率因數(shù)、滿足電網(wǎng)諧波失真等要求。4)推進(jìn)變頻器+制動電阻：將電壓、頻率固定的交流電轉(zhuǎn)換為電壓、頻率均可連續(xù)調(diào)節(jié)的三相變頻電源，為主推進(jìn)/側(cè)推電動機(jī)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。由于一般整流方式采用二極管不控整流，不能為電機(jī)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(jìn)/側(cè)推電動機(jī)：在推進(jìn)變頻器的控制下，將電能轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)的機(jī)械能，通過齒輪箱或直驅(qū)帶動螺旋槳轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)船舶前進(jìn)、后退及轉(zhuǎn)向運行。

交流組網(wǎng)系統(tǒng)的缺點：1)交流組網(wǎng)系統(tǒng)為了消除諧波增加了濾波電抗器或變壓器，設(shè)備種類多，占用空間大，重量大，設(shè)備成本高；2)由于柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組恒速運行，無法按照柴油機(jī)最佳燃油經(jīng)濟(jì)曲線調(diào)速，加之系統(tǒng)運行時的無功功率損耗，導(dǎo)致其能源消耗大，節(jié)能效果差，工作效率低；3)交流組網(wǎng)中，因需要解決電網(wǎng)諧波失真對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響、發(fā)電機(jī)之間無功功率分配、交流并網(wǎng)時電源頻率、電壓、相位角同步等技術(shù)問題，導(dǎo)致維護(hù)成本增加，同時造成系統(tǒng)運行風(fēng)險增大，可靠性降低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述問題，提供了電力推進(jìn)船舶直流組網(wǎng)電力系統(tǒng)。電力推進(jìn)船舶直流組網(wǎng)電力系統(tǒng)采用調(diào)速柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)出三相或六相交流電，通過發(fā)電機(jī)配套的勵磁調(diào)節(jié)裝置的自動調(diào)節(jié)保證其輸出電壓均恒定，然后再通過整流器整流后輸出直流電給直流配電裝置，直流配電裝置經(jīng)過直流并網(wǎng)后形成直流動力電站，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(jìn)系統(tǒng)和輔助負(fù)載提供電能，實現(xiàn)電站共享。

本發(fā)明是采用如下的技術(shù)方案實現(xiàn)的：電力推進(jìn)船舶直流組網(wǎng)電力系統(tǒng)，其包括調(diào)速柴油發(fā)電機(jī)組、整流器、直流配電裝置、逆變器和電動機(jī)，

其中調(diào)速柴油發(fā)電機(jī)組包括柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)，柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)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(diào)速柴油發(fā)電機(jī)組設(shè)置電子調(diào)速裝置和發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)節(jié)裝置，保證其輸出電壓穩(wěn)定；整流器安裝在發(fā)電機(jī)出線口上方，形成一個動力包，整流器可根據(jù)系統(tǒng)的需要采用六脈波整流、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(tǒng)，其預(yù)先編制不同負(fù)荷條件下柴油機(jī)的最佳燃油消耗曲線，通過與發(fā)電機(jī)、推進(jìn)系統(tǒng)及其它負(fù)荷系統(tǒng)的控制器連接，監(jiān)控整船電能負(fù)荷需求，設(shè)置最佳柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，確保調(diào)速柴油發(fā)電機(jī)組工作的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷可以安全地實現(xiàn)最小燃油消耗量和最低溫室氣體排放水平，控制柴油機(jī)、電動機(jī)和其它負(fù)荷系統(tǒng)在不同的功率需求下工作，使船舶處于最佳工作狀態(tài)；同時，直流配電裝置可手動或自動根據(jù)負(fù)載需求完成多臺調(diào)速柴油發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)、負(fù)載轉(zhuǎn)移、故障機(jī)組解列以及電能分配，具有保護(hù)及報警功能；

逆變器包括推進(jìn)逆變器和輔助逆變器，推進(jìn)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(zhuǎn)換為電壓、頻率均連續(xù)可調(diào)節(jié)的三相交流電源，為電動機(jī)及輔助負(fù)載系統(tǒng)供電；

電動機(jī)包括主推進(jìn)電動機(jī)和側(cè)推電動機(jī)，在推進(jìn)變頻器的控制下，將電能轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)的機(jī)械能，通過齒輪箱或直驅(qū)帶動螺旋槳轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)船舶前進(jìn)、后退及轉(zhuǎn)向運行。

本發(fā)明技術(shù)方案帶來的有益效果：

1)節(jié)約空間、減小體積及總體重量，減少電纜用量，設(shè)備成本低。

船舶使用直流電力系統(tǒng)后，可以采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(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換。同時，由于直流電力系統(tǒng)消除了交流系統(tǒng)的集膚效應(yīng)及無功功率傳輸，也簡化了并網(wǎng)條件，這樣可以減少電纜的使用數(shù)量及無功補(bǔ)償處理設(shè)備，節(jié)約空間，減少設(shè)備重量。表1為某挖泥船的交直方案對比，認(rèn)為直流組網(wǎng)方案重量節(jié)約40％左右，體積、占地面積節(jié)約50％左右，電纜用量節(jié)約15％。

2)相比交流組網(wǎng)系統(tǒng)，節(jié)能15％左右，減排20％左右。

圖4為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速-功率與油耗率之間的曲線關(guān)系。柴油機(jī)輸出功率為轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的乘積，同等功率下，柴油機(jī)的油耗率會隨轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)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(wǎng)受頻率限制，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速幾乎恒定，工作點無法在等功率線上自由移動，因此無法選擇最經(jīng)濟(jì)點，油耗相對較高。如采用直流并網(wǎng)電力系統(tǒng)，柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩都與輸出功率解耦，對應(yīng)任意輸出功率，柴油機(jī)都可選擇相應(yīng)油耗最低的轉(zhuǎn)速與之匹配，有利于節(jié)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(tǒng)各種電源之間并聯(lián)運行只需要電壓相同就可以進(jìn)行并網(wǎng)運行。未來船舶電力系統(tǒng)可能使用太陽能、風(fēng)能及儲能設(shè)備等新能源，這些新能源在交流電制下與主電網(wǎng)并聯(lián)時空之比較復(fù)雜，而在直流電制下，并聯(lián)運行接口、控制更為簡便，有利于合理利用多種能源，進(jìn)一步減少化石能源消耗，提高船舶運行經(jīng)濟(jì)性。

附圖說明

圖1為電力推進(jìn)船舶交流組網(wǎng)電力系統(tǒng)拓?fù)鋱D。

圖2為電力推進(jìn)船舶直流組網(wǎng)電力系統(tǒng)拓?fù)鋱D。

圖3為電力推進(jìn)破冰船直流組網(wǎng)電力系統(tǒng)拓?fù)鋱D。

圖4為為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速-功率與油耗率之間的曲線關(guān)系圖。

圖5為恒速采油機(jī)和調(diào)速采油機(jī)油耗對比圖。

圖6為恒速采油機(jī)和調(diào)速采油機(jī)排放量對比圖。

具體實施方式

以該直流組網(wǎng)電力系統(tǒng)應(yīng)用于電力推進(jìn)破冰船為例，具體闡述該發(fā)明的實施情況。所述電力推進(jìn)破冰船直流組網(wǎng)電力系統(tǒng)如圖3所示，整船采用四臺相同型號功率為3000千瓦、調(diào)速范圍300-700轉(zhuǎn)/分鐘的調(diào)速柴油機(jī)，分別通過法蘭盤連接帶動功率為3000kw的六相交流發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)設(shè)置恒壓勵磁調(diào)節(jié)裝置保證其輸出電壓恒定的六相690v交流電，再通過十二脈波整流器整流后并網(wǎng)形成直流940v電站，為推進(jìn)系統(tǒng)及其它電力負(fù)載分配電能。發(fā)電機(jī)采用六相交流發(fā)電機(jī)，可減小相電流、降低損耗、節(jié)約成本，整流器采用十二脈波不可控整流，在降低成本的同時可降低電網(wǎng)諧波含量、優(yōu)化直流電壓波形、保證電網(wǎng)電源質(zhì)量。

整船設(shè)計兩套1000千瓦的側(cè)推系統(tǒng)、兩套4000千瓦的主推進(jìn)系統(tǒng)，均采用交流變頻調(diào)速，主要由逆變器、推進(jìn)電機(jī)、制動電阻及舵漿組成。逆變器采用三相橋式逆變，通過svpwm調(diào)制方式，將電網(wǎng)中電壓恒定的直流電變換為電壓、頻率均可連續(xù)調(diào)節(jié)的交流電源供給交流推進(jìn)電動機(jī)，電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)的機(jī)械能，通過軸系帶動螺旋槳運轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)船舶運行。

直流電網(wǎng)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(fēng)機(jī)、水泵、油泵等負(fù)載使用。400v交流電網(wǎng)通過變壓器輸出交流220v電源供整船生活用電、照明等負(fù)載使用。