一种适用于港作拖船的串联式混合动力系统的制作方法

1.本实用新型涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种适用于港作拖船的串联式混合动力系统。


背景技术：

2.随着电力电子技术及锂电池储能技术的发展，电力推进系统已经广泛运用于海洋工程船上并成为海洋工程船的主流配置，锂电池动力系统也逐步在工程船上实现运用。
3.目前国内大部分的港作拖轮都是采用传统的主机推进动力形式，如申请号为cn204871558u、名称为一种电动拖船及其动力系统的中国实用新型专利。其主机通常选择高速柴油机或者中速柴油机，柴油机通过推进轴系驱动全回转舵桨，全船用电设备所需的电源由船上另外配置的柴油发电机组组成供配电板系统提供，在航行、守备及各个作业工况下船上的柴油机组都需投入使用，传统港作拖轮动力形式设计方案存在以下缺点：其一、港区内低速航行及守备状态运行工况下，两台均需运行且处于低负荷运行状态，根据柴油机的燃油燃烧特性，此时燃油消耗不经济，油耗大，带污染的尾气排放问题严重。其二、港作拖轮在作业工况下负荷多变，主机存在频繁突加负荷及突降负荷的情况，特别是突加负荷状态，此时由于柴油机空气吸入速度赶不上柴油机负荷加载速度，造成燃油燃烧不充分而出现冒黑烟的情况，形成大量的含有硫化物、氮氧化物的尾气排放污染环境。其三、传统主机推进采用机械传动，从控制指令到动力输出整个流程响应速度较慢，作业效率较低。其四、全船柴油机装机容量大，主机及柴油发电机组均需在线运行。


技术实现要素：

4.为了克服上述现有技术的缺陷，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种适用于港作拖船的串联式混合动力系统，提高船舶的节能环保性、经济性以及船舶电网的稳定性，实现港口航行静音零排放及作业节能减排的要求。
5.为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：一种适用于港作拖船的串联式混合动力系统，包括柴油发电机组、锂电池动力系统、直流母线和负载端；
6.所述柴油发电机组通过ac/dc整流模块与直流母线连接；
7.所述锂电池动力系统通过dc/dc模块与直流母线连接；
8.所述直流母线通过dc/ac模块与负载端连接。
9.进一步地，所述柴油发电机组为变速交流柴油发电机组。
10.进一步地，所述柴油发电机组和锂电池动力系统的个数均为两个。
11.进一步地，所述负载端包括推进电机和全回转舵浆，所述直流母线通过dc/ac模块与推进电机连接，所述推进电机与全回转舵浆连接。
12.进一步地，所述推进电机为同步永磁电机。
13.进一步地，所述负载端还包括隔离主变压器、交流配电板和交流负载，所述直流母线通过dc/ac模块与隔离主变压器连接，所述隔离主变压器与交流配电板连接，所述交流配
电板与交流负载连接。
14.进一步地，所述直流母线上设有固态开关。
15.本实用新型的有益效果在于：提供一种适用于港作拖船的串联式混合动力系统，采用柴油发电机组及锂电池动力系统作为主动力源的直流组网技术，同时提供能量给直流母线，根据作业工况下的推进器输出及日用负载端需求，自动调整柴油发电机组在网数量及负荷率，并根据实际情况自动控制锂电池组的充放电，实现串联式混合动力输出。本实用新型提供的适用于港作拖船的串联式混合动力系统基于港作拖轮实际使用要求，采用柴油发电机组及锂电池动力系统作为主动力源的直流组网混合动力电力推进系统，以提高船舶的节能环保性、经济性以及船舶电网的稳定性，实现港口航行静音零排放及作业节能减排的要求。
附图说明
16.图1所示为本实用新型实施例的适用于港作拖船的串联式混合动力系统的结构示意图；
17.标号说明：
18.1、柴油发电机组；11、ac/dc整流模块；2、锂电池动力系统；21、dc/dc模块；3、直流母线；31、dc/ac模块；32、固态开关；4、负载端；41、推进电机；42、全回转舵浆；43、隔离主变压器；44、交流配电板；45、交流负载。
具体实施方式
19.为详细说明本实用新型的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
20.本实用新型提供一种适用于港作拖船的串联式混合动力系统，应用在港作拖轮作业当中。
21.请参照图1所示，本实用新型的一种适用于港作拖船的串联式混合动力系统，包括柴油发电机组1、锂电池动力系统2、直流母线3和负载端4；
22.所述柴油发电机组1通过ac/dc整流模块11与直流母线3连接；
23.所述锂电池动力系统2通过dc/dc模块21与直流母线3连接；
24.所述直流母线3通过dc/ac模块31与负载端4连接。
25.从上述描述可知，本实用新型的有益效果在于：提供一种适用于港作拖船的串联式混合动力系统，采用柴油发电机组1及锂电池动力系统2作为主动力源的直流组网技术，同时提供能量给直流母线3，根据作业工况下的推进器输出及日用负载端4需求，自动调整柴油发电机组1在网数量及负荷率，并根据实际情况自动控制锂电池组的充放电，实现串联式混合动力输出。本实用新型提供的适用于港作拖船的串联式混合动力系统基于港作拖轮实际使用要求，采用柴油发电机组1及锂电池动力系统2作为主动力源的直流组网混合动力电力推进系统，以提高船舶的节能环保性、经济性以及船舶电网的稳定性，实现港口航行静音零排放及作业节能减排的要求。
26.在可选实施例中，所述柴油发电机组1为变速交流柴油发电机组1。
27.从上述描述可知，采用变速交流柴油发电机组1，经配电系统的ac/dc整流模块11
连接至直流母线3。
28.在可选实施例中，所述柴油发电机组1和锂电池动力系统2的个数均为两个。
29.在可选实施例中，所述负载端4包括推进电机41和全回转舵浆42，所述直流母线3通过dc/ac模块31与推进电机41连接，所述推进电机41与全回转舵浆42连接。
30.在可选实施例中，所述推进电机41为同步永磁电机。
31.从上述描述可知，采用同步永磁电机驱动全回转舵桨的电力推进系统。
32.在可选实施例中，所述负载端4还包括隔离主变压器43、交流配电板44和交流负载45，所述直流母线3通过dc/ac模块31与隔离主变压器43连接，所述隔离主变压器43与交流配电板44连接，所述交流配电板44与交流负载45连接。
33.从上述描述可知，交流负载45通过直流母线3系统的dc/ac模块31转化成交流再进过隔离变压器连接至甲流配电板。
34.在可选实施例中，所述直流母线3上设有固态开关32。
35.在可选实施例中，锂电池动力系统2在停泊状态下充电所需的直流岸电充电装置通过直流母线3系统的d/dc模块连接至直流母线3。
36.本实用新型的工作原理是：直流母线3系统集成能量管理系统(ems)，实现不同运行工况下的能量控制。(1)锂电池动力系统2作为主动力源，在低速航行及守备状态运行工况下由锂电池组提供能量给推进电机41驱动全回转舵桨，无需柴油发电机组1运行，可实现静音运行及零排放。(2)整个系统采用的是直流组网，柴油发电机组1和锂电池组可以根据需求快速接入系统，(3)在负荷突变的作业工况下，优先由锂电池组提供能量，从而保证在相同功率需求的情况下，柴油发电机组1有充分的空气吸入响应时间，从而保证了燃油燃烧充分，解决常规拖轮冒黑烟的情况，减少含有硫化物、氮氧化物的尾气排放。(4)直流母线3上集成能量管理系统，柴油发电机组1、锂电池组以及推进电机41的输出全部由能量管理系统控制，相对于传统主机推进采用机械传动的控制方式，响应时间更快，提高了作业效率。(5)可以选择小功率的柴油发电机组1以减少整船的柴油机装机容量。以5000马力港作拖轮为例，全回转舵桨需要输入功率为1860kwx2,常规主机推进需要配置两台1900千瓦的主推进柴油机加上两台100kwe的柴油发电机组1，柴油机总装机容量为4000千瓦；而采用串联式混合动力形式的设计方案的港拖拖轮，可以仅配置两台1400kwe的柴油发电机组1，剩余输出给全回转舵桨驱动电机的能量来自锂电池组，锂电池组充电来自码头直流充电桩，柴油机总装机容量为2800千瓦，减少了柴油机装机容量，也减少了污染物排放及燃油消耗，增加了节能环保性能。(6)选用可变速发电机组，发电机组可以工作在不同的转速下，可以根据不同的负载端4条件实现变速运行，通过发电机的转速-负荷-燃油消耗曲线，使发电机组始终运行在转速、扭矩输出与燃油消耗的最经济点，从而提升柴油发电机组1的运行效率，降低能耗与排放，还降低了发电机组的维护成本，延长了柴油发电机组1的寿命。(7)永磁同步电机采用双向变频控制单元，作业突卸负荷过程中产生的大量反馈电能经过整流可以直接方向反馈于直流电网，并经过锂电池动力系统2的dc/dc模块21进行能量回收，起到了节能的作用。(8)变速发电机组不直接给船用负载端4供电，而是通过一个逆变器将直流母线3转换成交流电源给负载端4供电，由于逆变器集成正弦波滤波器，输出电压的波形质量比传统交流发电机产生的电源更为清洁，提高了电能质量，减少了不必要的损耗。(9)锂电池动力系统2相应迅速能快速投入电网使用，在作业工况下使用混合动力形式，起到削峰填谷、节
能减排的作用。利用在线锂电池动力系统2，发电机组低负荷运行时给锂电池充电以提高发电机组的负荷率从而提高燃油燃烧效率，减少柴油机积碳及有害气体的排放，同时减少船舶的维护费用；发电机高负荷运行时，反馈电网，以满足大功率工况下的使用要求，起到峰值补偿的作用。
37.请参照图1所示，本实用新型的实施例一为：一种适用于港作拖船的串联式混合动力系统，包括柴油发电机组1、锂电池动力系统2、直流母线3和负载端4；
38.所述柴油发电机组1通过ac/dc整流模块11与直流母线3连接；
39.所述锂电池动力系统2通过dc/dc模块21与直流母线3连接；
40.所述直流母线3通过dc/ac模块31与负载端4连接。
41.所述柴油发电机组1为变速交流柴油发电机组1。所述柴油发电机组1和锂电池动力系统2的个数均为两个。所述负载端4包括推进电机41和全回转舵浆42，所述直流母线3通过dc/ac模块31与推进电机41连接，所述推进电机41与全回转舵浆42连接。所述推进电机41为同步永磁电机。所述负载端4还包括隔离主变压器43、交流配电板44和交流负载45，所述直流母线3通过dc/ac模块31与隔离主变压器43连接，所述隔离主变压器43与交流配电板44连接，所述交流配电板44与交流负载45连接。所述直流母线3上设有固态开关32。
42.综上所述，本实用新型提供一种适用于港作拖船的串联式混合动力系统，采用柴油发电机组及锂电池动力系统作为主动力源的直流组网技术，同时提供能量给直流母线，根据作业工况下的推进器输出及日用负载端需求，自动调整柴油发电机组在网数量及负荷率，并根据实际情况自动控制锂电池组的充放电，实现串联式混合动力输出。本实用新型提供的适用于港作拖船的串联式混合动力系统基于港作拖轮实际使用要求，采用柴油发电机组及锂电池动力系统作为主动力源的直流组网混合动力电力推进系统，以提高船舶的节能环保性、经济性以及船舶电网的稳定性，实现港口航行静音零排放及作业节能减排的要求。
43.以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种适用于港作拖船的串联式混合动力系统，其特征在于，包括柴油发电机组、锂电池动力系统、直流母线和负载端；所述柴油发电机组通过ac/dc整流模块与直流母线连接；所述锂电池动力系统通过dc/dc模块与直流母线连接；所述直流母线通过dc/ac模块与负载端连接。2.根据权利要求1所述的适用于港作拖船的串联式混合动力系统，其特征在于，所述柴油发电机组为变速交流柴油发电机组。3.根据权利要求1所述的适用于港作拖船的串联式混合动力系统，其特征在于，所述柴油发电机组和锂电池动力系统的个数均为两个。4.根据权利要求1所述的适用于港作拖船的串联式混合动力系统，其特征在于，所述负载端包括推进电机和全回转舵浆，所述直流母线通过dc/ac模块与推进电机连接，所述推进电机与全回转舵浆连接。5.根据权利要求4所述的适用于港作拖船的串联式混合动力系统，其特征在于，所述推进电机为同步永磁电机。6.根据权利要求1所述的适用于港作拖船的串联式混合动力系统，其特征在于，所述负载端还包括隔离主变压器、交流配电板和交流负载，所述直流母线通过dc/ac模块与隔离主变压器连接，所述隔离主变压器与交流配电板连接，所述交流配电板与交流负载连接。7.根据权利要求1所述的适用于港作拖船的串联式混合动力系统，其特征在于，所述直流母线上设有固态开关。

技术总结
本实用新型涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种适用于港作拖船的串联式混合动力系统，包括柴油发电机组、锂电池动力系统、直流母线和负载端；所述柴油发电机组通过AC/DC整流模块与直流母线连接；所述锂电池动力系统通过DC/DC模块与直流母线连接；所述直流母线通过DC/AC模块与负载端连接。本实用新型提供的适用于港作拖船的串联式混合动力系统基于港作拖轮实际使用要求，采用柴油发电机组及锂电池动力系统作为主动力源的直流组网混合动力电力推进系统，以提高船舶的节能环保性、经济性以及船舶电网的稳定性，实现港口航行静音零排放及作业节能减排的要求。放及作业节能减排的要求。放及作业节能减排的要求。


技术研发人员：翁康强
受保护的技术使用者：福建省福船海洋工程技术研究院有限公司
技术研发日：2022.11.29
技术公布日：2023/7/4