船用发电机组变转速运行的直流幅压综合电力系统的制作方法

1.本发明属于船上辅助设备技术领域，具体涉及一种船用发电机组变转速运行的直流幅压综合电力系统。


背景技术：

2.传统舰船上推进系统和电力系统相互独立，电力推进系统采用机械推进方式，即利用原动机通过齿轮减速等机械结构直接带动螺旋桨旋转实现推进；电力系统通过专用发电机提供独立供电。但是，推进系统的功率约占到全船功率的80％-90％，在船舶推进所需功率低的工况下，不能将多余产生的机械能转换为电能，即不能实现原动机产生的机械能与发电机产生的电能之间的灵活调配，造成船上资源的浪费。此外，传统的原动机是船舶主要的噪声源，无法满足降噪需求。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明提供了一种船用发电机组变转速运行的直流幅压综合电力系统，能够仅采用两台或者三台整流发电机进行供电，在满足船舶各种工况下的供电需求的前提下，不仅可以灵活调配对推进负载和日用负载间的供电，节约船上资源，而且通过冗余设计实现配电的无缝切换，具有遇故障时较强的恢复能力，满足船舶各种工况下的稳定供电需求，同时可以降低噪音。
4.本发明是通过下述技术方案实现的：
5.船用发电机组变转速运行的直流幅压综合电力系统，包括总供电系统、总直流汇流排、电力推进系统和配电系统；
6.总供电系统、配电系统和电力推进系统均连接在总直流汇流排上，通过总直流汇流排电连接进行电力传输；
7.其中，总供电系统包括两台以上整流发电机以及能够与岸电相连的电接口；
8.所述整流发电机为变转速变电压运行的整流幅压发电机，能够通过改变转速在560v-710v的范围内改变输出电压至总直流汇流排；
9.总直流汇流排包括：直流汇流排ⅰ以及直流汇流排ⅱ；直流汇流排ⅰ与直流汇流排ⅱ通过隔离开关电连接；
10.至少一台整流发电机和岸电分别与直流汇流排ⅱ电连接，其余整流发电机分别与直流汇流排ⅰ电连接；
11.电力推进系统包括两台主推进器和艏侧推；一台主推进器和艏侧推一一与直流汇流排ⅰ电连接，另一台主推进器与直流汇流排ⅱ电连接；
12.所述配电系统包括直流560v-710v配电系统、直流24v配电系统、交流220v配电系统和交流380v配电系统。
13.进一步的，所述直流560v-710v配电系统包括直流560v-710v负载组，直流560v-710v负载组内的负载通过直流塑壳断路器与总直流汇流排连接。
14.进一步的，所述直流24v配电系统包括一组以上ups、若干断路器以及24v负载组；
15.ups用于将直流560v-710v电压转换为直流24v电压；
16.每组ups包括两个ups，令两个ups分别为：upsⅰ、upsⅱ，upsⅰ通过相应的断路器与直流汇流排ⅰ电连接，upsⅱ通过相应的断路器与直流汇流排ⅱ电连接；
17.24v负载组既与upsⅰ电连接，也与upsⅱ电连接，upsⅰ和upsⅱ的输出端均连接有二极管。
18.进一步的，24v负载组内的负载均通过电子开关与ups连接。
19.进一步的，所述交流220v配电系统包括两个逆变器b、220v负载组和若干开关；逆变器b用于将直流560v-710v电压转换为交流220v电压；
20.其中一个逆变器b通过相应的断路器与直流汇流排ⅰ电连接，另一个逆变器b通过相应的断路器与直流汇流排ⅱ电连接；两条线路中输出的交流220v相位相同；两路220v电压均分别通过断路器与双电源不断电装置连接，双电源不断电装置通过开关与220v负载组一一电连接。
21.进一步的，采用两个双电源不断电装置并联。
22.进一步的，所述开关采用集成有熔断器的接触器。
23.进一步的，所述交流380v配电系统包括380v负载组；
24.在交流220v配电系统采用的逆变器b替换为两台将直流560v-710v电压转换为交流380v电压的逆变器，该380v电压为380v负载组进行供电；
25.采用变压器将交流380v转换为220v电压，对220v负载组进行双电源不间断供电。
26.进一步的，总供电系统还包括锂电池组，锂电池组通过锂电池充电装置与直流汇流排ⅱ电连接，通过锂电池放电装置与直流汇流排ⅰ电连接。
27.进一步的，适用在无人船上时，综合电力系统还包括智能能量管理系统和智能健康管理系统；
28.智能能量管理系统接收上位机指令，并根据上位机指令通过船上主控制器对供电系统、电力推进系统和配电系统进行控制，对无人船的六种工况进行自主切换，六种工况分别为低噪音工况ⅰ、低噪音工况ⅱ、巡航工况、进出港工况、高速航行工况和停泊工况；
29.智能健康管理系统通过采集无人船上各个部件的运行参数，对故障进行定位和预警；通过调配电力的分配以及断路器的开闭，对系统进行重构，从而进行故障恢复；同时，基于专家库给出维修建议。
30.有益效果：
31.(1)本发明中总供电系统包括两台或三台整流发电机以及能够与岸电相连的电接口，总直流汇流排包括：直流汇流排ⅰ以及直流汇流排ⅱ；直流汇流排ⅰ与直流汇流排ⅱ通过隔离开关电连接；一台整流发电机和岸电分别与直流汇流排ⅱ电连接，其余整流发电机分别与直流汇流排ⅰ电连接。本发明采用两台或三台整流发电机，均与总直流汇流排连接，推进负载和日用负载均直接从总直流汇流排上取电，从而能够实现推进负载和日用负载间的灵活调配，充分利用船上资源，满足船舶各种工况下的供电需求，提高了系统的可用度。
32.同时，可在无需对舰船进行推进的时候，减少发电机运行的数量，并将功率调配至日用负载，以降低发电机产生的噪音。
33.同时，本发明中整流发电机采用变转速变电压运行的整流幅压发电机，能够根据
负载对电量的需求，调整转速，从而在560v-710v范围内调整发电机的输出电压至总直流汇流排，燃油经济性好，能实现高续航，满足船舶远航程的需要。
34.同时，在满足负载对电量的需求的情况下，降低整流幅压发电机的转速还可以进一步降低噪音。
35.(2)本发明中，直流24v配电系统包括一组以上ups，每组ups包括两个ups，令两个ups分别为upsⅰ和upsⅱ，upsⅰ通过与直流汇流排ⅰ电连接，upsⅱ与直流汇流排ⅱ电连接；24v负载组既与upsⅰ电连接，也与upsⅱ电连接，upsⅰ和upsⅱ的输出端均连接有二极管，upsⅰ和upsⅱ中输出电压高的为24v负载组供电。采用该种电路设置，当一条供电电路失电时，可直接采用另一条供电电路供电，无切换时间，保证系统供电的不间断性和可靠性。
36.(3)本发明中，24v负载组内的负载均通过电子开关与ups连接。本发明采用电子开关，电子开关不仅可以与上位机通信，而且对负载的关断速度快于传统的机械式断路器，能够快速切断故障，保证其他负载不受影响，进一步保证电力系统的可靠性。
37.(4)本发明交流220v配电系统包括两个逆变器b和220v负载组；逆变器b用于将直流560v-710v电压转换为交流220v电压；其中一个逆变器b与直流汇流排ⅰ电连接，另一个逆变器b与直流汇流排ⅱ电连接；两条线路中输出的交流220v相位相同；两路220v电压均分别通过断路器与双电源不断电装置连接，双电源不断电装置通过开关与220v负载组一一电连接。本发明由于在将直流560v-710v电压转换为交流220v时仅有两个逆变器b，所以通过两个逆变器b之间的通信可以保持两条线路上的交流220v的相位一致，且采用电子式双电源不断电装置，当两路电源满足同相位的前提下，转换时间小于5ms，实现了交流220v的无缝切换。
38.(5)本发明采用两个双电源不断电装置并联。本发明在正常工作时只用一台双电源不断电装置向220v负载组供电，只有在该双电源不断电装置发生故障时，切换为另一个双电源不断电装置投入工作，进一步确保双路交流220v电源供电的可靠性。
39.(6)本发明中双电源不断电装置与220v负载组之间的开关采用集成有熔断器的接触器，本发明由于船上空间的紧凑性，选用集成有熔断器的接触器的组合，既保证体积小于传统机械开关，电流承受能力又强于电子开关。
40.(7)本发明在交流220v配电系统中采用的逆变器为将直流560v-710v电压转换为交流380v电压的逆变器，该380v电压可直接为380v负载组进行供电，采用变压器将交流380v转换为220v电压，对220v负载组进行双电源不间断供电，以减少船上逆变器数量的设置，节省船上空间。
41.(8)本发明中，总供电系统还包括锂电池组，在无人船处于低噪音工况下，无需启动发电机，由锂电池组通过锂电池充放电装置向两个直流汇流排供电，从而向无人船上的推进设备和全船日用负载供电，进一步实现船舶行进时的低噪音。
42.(9)本发明适用在无人船上时，还包括智能能量管理系统和智能健康管理系统，智能智能能量管理系统能够接受上位机指令，通过船上主控制器对供电系统、电力推进系统和配电系统进行控制，实现无人船的六种工况的自主切换，满足无人船不同种工况下的用电需求；通过智能健康管理系统能够在故障前预警，故障中重构恢复以及故障后提供维修建议，从而能够第一时间对故障进行定位和恢复，全方位保障无人船运行。
附图说明
43.图1是综合电力系统组成示意图；
44.图2是电力推进系统和直流560v-710v配电系统单线图；
45.图3是直流24v配电系统单线图；
46.图4是交流220v配电系统和交流380v配电系统单线图。
具体实施方式
47.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
48.实施例1：
49.本实施例提供了一种船用发电机组变转速运行的直流幅压综合电力系统，参见附图1，包括总供电系统、总直流汇流排、电力推进系统和配电系统；
50.总供电系统、配电系统和电力推进系统均连接在总直流汇流排上，通过总直流汇流排电进行电力传输；
51.其中，总供电系统包括三台整流发电机，锂电池组以及能够与岸电相连的电接口；
52.整流发电机为变转速变电压运行的整流幅压发电机，能够通过改变转速在560v-710v的范围内改变输出电压至总直流汇流排；
53.总直流汇流排包括：直流汇流排ⅰ以及直流汇流排ⅱ；直流汇流排ⅰ与直流汇流排ⅱ通过隔离开关电连接；
54.一台整流发电机和岸电分别通过设置有断路器的电路与直流汇流排ⅱ电连接，另两台整流发电机分别通过设置有断路器的电路与直流汇流排ⅰ电连接；锂电池组通过锂电池充电装置与直流汇流排ⅱ电连接，用于为锂电池组充电，通过锂电池放电装置与直流汇流排ⅰ电连接；
55.或者，也可仅设置两台整流发电机，一台整流发电机与直流汇流排ⅱ电连接，另一台整流发电机与直流汇流排ⅰ电连接；
56.电力推进系统包括两台主推进器和艏侧推；一台主推进器和艏侧推分别通过相应的逆变器a和相应的断路器一一与直流汇流排ⅰ电连接，另一台主推进器分别通过相应的逆变器a和相应的断路器与直流汇流排ⅱ电连接；
57.配电系统包括直流560v-710v配电系统、直流24v配电系统、交流220v配电系统和交流380v配电系统；
58.进一步的，参见附图2，直流560v-710v配电系统包括若干逆变器a、直流560v-710v负载组、若干备用接口和若干直流塑壳断路器；
59.其中，直流560v-710v负载组包括与整流发电机一一对应的发电机组海水冷却泵、两台主海水冷却泵、两个任务负载控制柜和两个电动舵机控制箱；两台发电机组海水冷却泵和一台主海水冷却泵分别通过相应的逆变器a和相应的直流塑壳断路器一一与直流汇流排ⅰ电连接；一个电动舵机控制箱和一个任务负载控制柜分别通过相应的直流塑壳断路器与直流汇流排ⅰ电连接；另一台发电机组海水冷却泵和另一台主海水冷却泵分别通过相应的逆变器a和相应的直流塑壳断路器一一与直流汇流排ⅱ电连接，另一个任务负载控制柜和另一个电动舵机控制箱分别通过相应的直流塑壳断路器与直流汇流排ⅱ电连接；
60.直流汇流排ⅰ和直流汇流排ⅱ上均通过直流塑壳断路器电连接有若干备用接口；
61.进一步的，参见附图3，直流24v配电系统包括一组以上ups、若干电子开关以及24v负载组；ups用于将直流560v-710v电压转换为直流24v电压；且ups内设置有蓄电池，可在传输电力的同时，对自身的蓄电池进行充电。当直流汇流排失电时，ups可通过自身的蓄电池为24v负载组和供电，保证对24v负载组供电的稳定性；
62.每组ups包括两个ups，令两个ups分别为：upsⅰ和upsⅱ，upsⅰ通过相应的断路器与直流汇流排ⅰ电连接，upsⅱ通过相应的断路器与直流汇流排ⅱ电连接；24v负载组既与upsⅰ电连接，也与upsⅱ电连接，upsⅰ和upsⅱ的输出端均连接有二极管，upsⅰ和upsⅱ中输出电压高的为24v负载组供电；采用该种设置方式当upsⅰ或upsⅱ发生故障时，24v负载组将直接由另外1个未发生故障的ups供电，无切换时间，保证系统供电的不间断性和可靠性；
63.24v负载组内的负载均通过电子开关与ups连接，电子开关不仅可以与上位机通信，监测自身状况，而且对负载的关断速度快于传统的机械式断路器，能够快速切断故障，保证其他负载不受影响，进一步保证电力系统的可靠性。
64.24v负载组包括计程仪显示器、测深仪主机、ais主机、驾驶台、两个发电机电动排气挡板、蓄电池组及其充放电控制器、发电机励磁控制柜、直流配电板电源、柴油机节能管理控制器和主推进模块；
65.具体实施例中，24v负载组为本船的电力、动力、通信导航和作业系统控制电源，为保证设备通讯和控制的可靠性，将24v负载组分为两组，分别为24v负载组a和24v负载组b，共对应配置了两组ups；upsⅰa和upsⅱa为一组冗余设置的ups组，为24v负载组a供电；upsⅰb和upsⅱb为另一组冗余设置的ups组，为24v负载组b供电，当一个ups组中的一个ups发生故障时，直流24v将直接由另外1个ups供电，无切换时间，保证系统供电的不间断性。
66.进一步的，交流220v配电系统包括两个逆变器b、220v负载组和若干集成有熔断器的接触器；逆变器b用于将直流560v-710v电压转换为交流220v电压；
67.其中一个逆变器b通过相应的断路器与直流汇流排ⅰ电连接，另一个逆变器b通过相应的断路器与直流汇流排ⅱ电连接；两条线路中输出的交流220v相位相同；两路220v电压均分别通过相应的断路器与双电源不断电装置连接，双电源不断电装置通过集成有熔断器的接触器与220v负载组一一电连接，从而在其中一个220v电压线路出现故障时，能够无缝切换至另一条220v电压线路对220v负载组进行供电；
68.本发明由于在将直流560v-710v电压转换为交流220v时仅有两个逆变器b，所以通过两个逆变器b之间的通信可以保持两条线路上的交流220v的相位一致，且采用电子式双电源不断电装置，当两路电源满足同相位的前提下，转换时间小于5ms，实现了交流220v的无缝切换。
69.为了进一步确保双路交流220v电源供电的可靠性，采用两个双电源不断电装置并联，正常工作时只用一台双电源不断电装置向220v负载组供电，只有在该转换装置发生故障时，切换为另一个双电源不断电装置投入工作。
70.220v负载组中的负载通过集成有熔断器的接触器与双电源不断电装置电连接，由于船上空间的紧凑性，选用集成有熔断器的接触器的组合，既保证体积小于传统机械开关，电流承受能力又强于电子开关。
71.进一步的，交流380v配电系统包括逆变器c、380v负载组和若干断路器；逆变器c用于将直流560v-710v电压转换为交流380v电压，380v负载组的负载再通过相应的断路器一
一与逆变器的输出端连接。由于380v负载组内的负载均为不影响舰船正常工作的负载，所以可以仅一路供电。
72.或者，参见附图4，在交流220v配电系统中采用的逆变器b还可以为两台将直流560v-710v电压转换为交流380v电压的逆变器，该380v电压可直接为380v负载组进行供电，然后采用变压器将交流380v转换为220v电压，对220v负载组进行双电源不间断供电，以减少船上逆变器数量的设置，节省船上空间。
73.实施例2：
74.本实施例提供了一种船用发电机组变转速运行的直流幅压综合电力系统，适用在无人船上时，所述综合电力系统还包括智能能量管理系统和智能健康管理系统；
75.智能能量管理系统接受上位机指令，并根据上位机指令通过船上主控制器对供电系统、电力推进系统和配电系统进行控制，从而实现无人船六种工况的自主切换，六种工况分别为低噪音工况ⅰ、低噪音工况ⅱ、巡航工况、进出港工况、高速航行工况和停泊工况；
76.智能健康管理系统通过采集无人船上各个部件的运行参数，对故障进行定位和预警；通过调配电力的分配以及断路器的开闭，对系统进行重构，从而进行故障恢复；同时，基于专家库给出维修建议，便于无人船到港时的及时维修。
77.其余连接关系和工作原理与实施例1相同，此处不再赘述。
78.综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.船用发电机组变转速运行的直流幅压综合电力系统，其特征在于，包括总供电系统、总直流汇流排、电力推进系统和配电系统；总供电系统、配电系统和电力推进系统均连接在总直流汇流排上，通过总直流汇流排电连接进行电力传输；其中，总供电系统包括两台以上整流发电机以及能够与岸电相连的电接口；所述整流发电机为变转速变电压运行的整流幅压发电机，能够通过改变转速在560v-710v的范围内改变输出电压至总直流汇流排；总直流汇流排包括：直流汇流排ⅰ以及直流汇流排ⅱ；直流汇流排ⅰ与直流汇流排ⅱ通过隔离开关电连接；至少一台整流发电机和岸电分别与直流汇流排ⅱ电连接，其余整流发电机分别与直流汇流排ⅰ电连接；电力推进系统包括两台主推进器和艏侧推；一台主推进器和艏侧推一一与直流汇流排ⅰ电连接，另一台主推进器与直流汇流排ⅱ电连接；所述配电系统包括直流560v-710v配电系统、直流24v配电系统、交流220v配电系统和交流380v配电系统。2.如权利要求1所述船用发电机组变转速运行的直流幅压综合电力系统，其特征在于，所述直流560v-710v配电系统包括直流560v-710v负载组，直流560v-710v负载组内的负载通过直流塑壳断路器与总直流汇流排连接。3.如权利要求1所述船用发电机组变转速运行的直流幅压综合电力系统，其特征在于，所述直流24v配电系统包括一组以上ups、若干断路器以及24v负载组；ups用于将直流560v-710v电压转换为直流24v电压；每组ups包括两个ups，令两个ups分别为：upsⅰ、upsⅱ，upsⅰ通过相应的断路器与直流汇流排ⅰ电连接，upsⅱ通过相应的断路器与直流汇流排ⅱ电连接；24v负载组既与upsⅰ电连接，也与upsⅱ电连接，upsⅰ和upsⅱ的输出端均连接有二极管。4.如权利要求3所述船用发电机组变转速运行的直流幅压综合电力系统，其特征在于，24v负载组内的负载均通过电子开关与ups连接。5.如权利要求1所述船用发电机组变转速运行的直流幅压综合电力系统，其特征在于，所述交流220v配电系统包括两个逆变器b、220v负载组和若干开关；逆变器b用于将直流560v-710v电压转换为交流220v电压；其中一个逆变器b通过相应的断路器与直流汇流排ⅰ电连接，另一个逆变器b通过相应的断路器与直流汇流排ⅱ电连接；两条线路中输出的交流220v相位相同；两路220v电压均分别通过断路器与双电源不断电装置连接，双电源不断电装置通过开关与220v负载组一一电连接。6.如权利要求5所述船用发电机组变转速运行的直流幅压综合电力系统，其特征在于，采用两个双电源不断电装置并联。7.如权利要求5所述船用发电机组变转速运行的直流幅压综合电力系统，其特征在于，所述开关采用集成有熔断器的接触器。8.如权利要求5-7任意一项所述船用发电机组变转速运行的直流幅压综合电力系统，
其特征在于，所述交流380v配电系统包括380v负载组；在交流220v配电系统采用的逆变器b替换为两台将直流560v-710v电压转换为交流380v电压的逆变器，该380v电压为380v负载组进行供电；采用变压器将交流380v转换为220v电压，对220v负载组进行双电源不间断供电。9.如权利要求1-7任意一项所述船用发电机组变转速运行的直流幅压综合电力系统，其特征在于，总供电系统还包括锂电池组，锂电池组通过锂电池充电装置与直流汇流排ⅱ电连接，通过锂电池放电装置与直流汇流排ⅰ电连接。10.如权利要求1-7任意一项所述船用发电机组变转速运行的直流幅压综合电力系统，其特征在于，适用在无人船上时，综合电力系统还包括智能能量管理系统和智能健康管理系统；智能能量管理系统接收上位机指令，并根据上位机指令通过船上主控制器对供电系统、电力推进系统和配电系统进行控制，对无人船的六种工况进行自主切换，六种工况分别为低噪音工况ⅰ、低噪音工况ⅱ、巡航工况、进出港工况、高速航行工况和停泊工况；智能健康管理系统通过采集无人船上各个部件的运行参数，对故障进行定位和预警；通过调配电力的分配以及断路器的开闭，对系统进行重构，从而进行故障恢复；同时，基于专家库给出维修建议。

技术总结
本发明公开了一种船用发电机组变转速运行的直流幅压综合电力系统，属于船上辅助设备技术领域，包括：总供电系统、总直流汇流排、电力推进系统和配电系统；总供电系统、配电系统和电力推进系统均连接在总直流汇流排上，通过总直流汇流排电连接进行电力传输；总供电系统包括两台以上整流发电机；本发明能够仅采用两台或者三台整流发电机进行供电，在满足船舶各种工况下的供电需求的前提下，可以灵活调配对推进负载和日用负载间的供电，节约船上资源。节约船上资源。节约船上资源。


技术研发人员：母海方
受保护的技术使用者：浙江北鲲智能科技有限公司
技术研发日：2023.01.20
技术公布日：2023/5/16