一种全电力推进舰船用电力能源动力系统的制作方法
一种全电力推进舰船用电力能源动力系统的制作方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种全电力推进舰船的电力推进系统。
【背景技术】
[0002]常规全电力推进舰船的综合电力推进系统包括单机系统和双机并联系统，其结构如图1及图2所示，图1及图2未画出冷却系统、传感器、电池监控系统等部件。
[0003]图1为单机系统的常规综合电力推进系统结构示意图，柴油发电机组输出直流电在直流汇流排中进行能量汇流，能量供后级电机驱动螺旋桨系统使用。该方案属于单机串联式混合动力系统方案，系统结构简单，但是系统的可靠性较差，当系统的某个环节出现故障时，系统就不能正常工作。
[0004]图2是双机并联的常规综合电力驱动系统结构示意图，两套柴油发电机组输出直流电在直流汇流排中进行能量汇流，能量供后级两套电机驱动螺旋桨系统使用。该方案属于直流侧并网方案，电力推进系统的容量占舰船电网容量的90%，推进电机的启动过程伴随着巨大的能量需求，且柴油发电单元或者电力推进单元带电并入或带电切出直流侧并网过程中系统拓扑结构发生变化，系统能否稳定工作对系统的控制方式提出了很高的要求，使得系统控制方案复杂，实现起来具有很大的难度。
[0005]将发电机与整流装置定义为发电装置；将逆变器与电动机定义为电机驱动装置。在图3中点状虚线框标出的柴油发电单元DGl和DG2即为发电装置。中小功率系统一般由三相发电机和三相不控或可控整流装置构成，其结构简图如图4所示。在图3中点状虚线框标出的电力推进单元Pl和P2即为电机驱动装置。中小功率系统一般由三相逆变器和三相电动机构成，其结构简图如图5所示。此时全电力推进舰船的综合电力推进系统由中央控制器、发动机控制器、发动机、发电装置、电机驱动装置、通讯总线、电池、输出轴以及冷却系统和传感器等部分共同组成。
[0006]单机系统的常规综合电力驱动系统结构，若柴油机、发电机或整流器任何一处出现故障，如发电机故障通常是绕组断路，整流装置故障通常是桥臂断路，则整个发电装置无法工作，整个系统只能依靠储能电池提供电能进行低功率运行。若逆变器或电机出现问题，如逆变器故障通常是桥臂断路，驱动电机故障通常是绕组断路，则驱动环节无法正常工作，整个系统将进入停机状态。由以上分析可知，单机系统的常规综合电力驱动系统结构的可靠性较差，发电装置和电机驱动装置任何一处故障，系统将难以运行，严重时将导致系统瘫痪，因此要着重提高系统各环节的可靠性。
[0007]双机系统的常规综合电力驱动系统中，两套单机系统共用一套直流汇流排。若其中一套单机系统出现故障时，系统不能有效将故障系统切除，两套单机系统不能工作在独立状态。若系统的直流汇流排发生故障，如线路短路，系统将陷入瘫痪。由以上分析可知，虽然双机系统的常规综合电力驱动系统结构较单机系统可靠性有所提高，但它的任意一个单机系统不能独立工作，系统可靠性依赖于直流汇流母排的可靠性，一旦发电装置、电机驱动装置或直流汇流母排出现故障，系统只能运行在低功率状态，严重时将导致系统瘫痪，因此要着重提高系统各环节的可靠性。
[0008]较大功率的舰船通常会采用多相电机技术来提高系统可靠性。在系统故障时，多相电机系统可以运用缺相控制技术继续运行。但多相电机系统的控制相对复杂，对空间要求高且成本较高，更适用于具有较高功率等级、具有较大安装空间的场合，难以在功率等级不高、安装空间较小的中小型舰船领域加以应用。
[0009]另一种提高全电力推进舰船的综合电力推进系统可靠性的方法是采用系统备份。其原理是在舰船上采用k(k> = 2)组相互独立的综合电力推进系统，当某套系统中整流器、逆变器或电动机故障时，切换到另外一套系统，使舰船继续航行。这种方法一方面造成驱动系统体积与重量的增加，带来了一系列的安装方面的困难；另一方面，由于大多数情况下只有单套系统工作，备份系统处于闲置状态，造成了资源的浪费，降低了整个系统的经济性。如一种提高串联结构混合动力电动汽车可靠性的方法是采用系统备份。日本专利JP2004120906 的“POWER SUPPLY CIRCUIT SYSTEM OF HYBRID ELECTRIC AUTOMOBILE”提出了类似办法，其原理是每个车轴采用k(k> = 2)的相互独立的逆变器及电动机，当某逆变器不能工作时，正常逆变器驱动与其相连接的电机，使车辆运行，从而提高运行可靠性。该专利对逆变器及驱动电机系统采用备份的方式实现冗余，未考虑如何提高发电装置的可靠性；且采用系统备份方式易造成体积与重量的增加，在车辆狭窄空间情况下安装比较困难。
【发明内容】
[0010]本发明的目的是克服现有全电力推进舰船大功率发电、电动机组对空间要求高，成本较高以及系统备份单元安装困难的缺点，提出一种舰船用电力能源动力系统。本发明结构简单、体积较小，而且控制方便，在提高综合电力推进系统可靠性的同时具有很好的经济性和宽范围的高效性，可以满足电力舰船对综合电力推进系统功率需求及可靠性要求。
[0011]本发明采用以下技术方案:
[0012]本发明舰船用电力能源动力系统包括两台单机电力能源动力系统和直流接触箱。两台单机电力能源动力系统共用一个储能电池。所述的储能电池与第一单机能源动力系统的第一直流汇流母排并联连接，所述的第一直流汇流母排的正极与直流接触器的输入端连接，直流接触器的输出端与第二单机能源动力系统的第二直流汇流母排的正极相连接；所述的第一直流汇流母排的负极与第二直流汇流母排的负极相连接，构成双机并联系统。
[0013]储能电池的正极与第三二极管的正极连接，第三二极管的负极与第一直流汇流母排的正极连接，储能电池的负极与第一直流汇流母排的负极连接。
[0014]所述的单机电力能源动力系统主要由发电装置、电机驱动装置、直流汇流母排、以及储能电池组成。发电装置由柴油机、发电机、整流器构成，柴油机的轴与发电机的轴连接，发电机与整流器的一端连接连接，整流器的另一端与二极管的正极串联连接。电机驱动装置由逆变器、电动机和螺旋桨构成，逆变器与电动机连接，电动机的轴与螺旋桨连接。发电装置的输出端与直流汇流母排的输入端连接，二极管的负极与直流汇流母排的输入端连接，电机驱动装置与直流汇流母排的输出端连接，构成单机能源动力系统。
[0015]本发明的两台单机能源动力系统相互协调工作，增加了系统的运行效率和可靠性。
[0016]本发明舰船用电力能源动力系统的两套发电装置经整流后，其直流汇流排通过直流接触器连接，组成并联结构，增加了系统的冗余。通过控制直流接触器的通断，可以选择单发电机供电或双发电机供电。当任意一台发电机故障时，通过控制直流接触器，便可保证整个系统稳定运行于半功率模式。
[0017]本发明舰船用电力能源动力系统通过一个直流接触器连接两套电机驱动装置的直流供电部分。当任一逆变器发生故障时，关闭该逆变器，接通直流接触器的可控开关，可将全部电力提供到另一台电机上，便可保证有一台逆变器正常运转，也就是说舰船最少可以降功率长时航行。
[0018]本发明舰船用电力能源动力系统的发电装置采用可控整流方式，其整流器和电机驱动装置逆变器的拓扑结构相同、容量相同，且二者可以互换，增加了系统的冗余，提高了系统的稳定性，降低了系统的硬件成本。
[0019]本发明舰船用电力能源动力系统直流汇流母排通过直流接触器相连接，通过控制直流接触器的通断，可以实现各个工作模式的切换，本发明的工作过程如下:
[0020]模式一、纯电动模式
[0021]此时两台单机电力能源动力系统的两台柴油机均不起动，直流接触器吸合，储能电池为直流汇流母排供电，带动电机驱动装置工作。
[0022]模式二、纯电动模式向油电混合动力模式切换
[0023]直流接触器吸合，储能电池为电动机供电；需要切换到混合动力模式时，首先启动两台柴油机，柴油机组从怠速逐渐升速到额定转速2200rpm，第一发电机控制器设定输出电压为750V，第二发电机控制器设定输出电压为700V，此时第一发电机输出电压较第二发电机或者储能电池 电压高，第一二极管导通，第二二极管截止，和储能电池正极连接的第三二极管截止。第一发电机组为电机驱动装置及船载设备供电，稳定一定时间后，预估约I分钟，直流接触器断开，第二二极管导通，此时第一二极管和第二二极管同时导通，第三二极管截止，两台发电机分别为第一第二电动机供电，将第二发电机输出电压调到750V，至此完成由纯电动到混合动力的切换。如果只需要第一发电机工作，则第二发电机可以不起动，直流接触器处于吸合状态。
[0024]模式三、油电混合动力模式向纯电动模式切换
[0025]将第二发电机输出电压调低到700V，吸合开关，此时第二二极管自动截止，可以关闭第二柴油机。降低第一发电机转速，直至停车。降速过程中第一发电机输出直流电压不断降低，某时刻第一二极管自动截止，而第三二极管自动导通，切换为储能电池向直流汇流母排供电，完成柴油机组向储能电池的切换。
[0026]本发明还可以将m个所述的发电装置和η个所述的电机驱动装置通过直流接触器连接，构成mXn并联的电力能源动力系统。
[0027]当m>n时，发电装置数量多于电机驱动装置，适用于采用m个小功率发电装置和η个大功率电机驱动装置构成的电力能源动力系统；im〈n时，适合于采用m个大功率发电装置和η个小功率电机驱动装置构成的电力能源动力系统；当m = η时，适合于采用等功率的m个发电装置和η个电机驱动装置构成的电力能源动力系统。
[0028]m和η的选取原则:满足单个发电装置的功率*m =单个电机驱动装置的功率*n。由于受系统体积所限，一般选取m和η都小于等于4。
[0029]本发明在纯电动模式和混动模式相互切换过程中电动机不必停机，混动模式下可以实现柴油机组单机、双机以及单机与双机工作间的无缝切换。直流接触器选用现有的发电机控制器的配电箱。接触器可以满足600A下带载可靠分断10000次，可靠性较高。
【附图说明】
[0030]下面结合附图和【具体实施方式】进一步说明本发明。
[0031]图1为单机系统的常规综合电力驱动系统结构示意图；
[0032]图2为双机并联的常规综合电力驱动系统结构示意图；
[0033]图3为本发明的综合电力驱动系统结构示意图；
[0034]图4为常规综合电力驱动系统发电装置示意图；
[0035]图5为常规综合电力驱动系统电机驱动装置示意图；
[0036]图6为本发明由两个三相发电机及2个并联的三相整流装置组成全电力推进舰船用电力能源动力系统发电装置原理图；
[0037]图7为本发明由2个并联的三相整流装置及2个电动机装置组成全电力推进舰船用电力能源动力系统电机驱动装置原理图；
[0038]图8为图6所示的发电装置中单个发电机出现故障情况示意图；
[0039]图9为图6所示的发电装置中单个整流装置桥臂出现故障情况示意图；
[0040]图10为图6所示的发电装置中储能电池出现故障情况示意图；
[0041]图11为图6所示的发电装置中直流接触器出现故障情况示意图；
[0042]图12为图7所示的电机驱动装置中单个逆变器桥臂出现故障情况示意图；
[0043]图13为图7所示的电机驱动装置中单个电动机出现故障情况示意图；
[0044]图14为图6所示的发电装置中两个发电机出现故障情况示意图；
[0045]图15为图6所示的发电装置中两个整流装置桥臂出现故障情况示意图；
[0046]图16为图6所示的发电装置中同一机组发电机和整流装置桥臂出现故障情况示意图；
[0047]图17为图6所示的发电装置中不同机组发电机和整流装置桥臂出现故障情况示意图；
[0048]图18为图6所示的发电装置中单个发电机和电池出现故障情况示意图；
[0049]图19为图6所示的发电装置中单个整流装置桥臂和电池出现故障情况示意图；
[0050]图20为图6所示的发电装置中同一机组发电机、整流装置桥臂及电池出现故障情况示意图；
[0051]图21为图7所示的电机驱动装置中同一机组逆变器桥臂及电动机出现故障情况示意图。
【具体实施方式】
[0052]本发明舰船用电力能源动力系统包括两台单机电力能源动力系统和直流接触箱Co两台单机电力能源动力系统共用一个储能电池A，所述的储能电池A与第一单机能源动力系统的第一直流汇流母排BI并联连接，所述的第一直流汇流母排BI的正极与直流接触器C的输入端连接，直流接触器C的输出端与第二单机能源动力系统的第二直流汇流母排B2的正极相连接；所述的第一直流汇流母排BI的负极与第二直流汇流母排B2的负极相连接，构成双机并联系统。
[0053]所述的单机电力能源动力系统主要由发电装置、直流汇流母排B1、B2、直流接触箱C、储能电池A以及电机驱动装置组成。
[0054]所述发电装置由柴油机D1、D2，发电机Gl、G2，整流器Rl、R2，二极管E1、E2组成。所述的电机驱动装置由电机逆变器11、12、电动机Ml、M2及螺旋桨Pl、P2组成。
[0055]第一台单机能源动力系统中，发电装置的第一柴油机Dl的轴与第一发电机Gl的轴连接，第一发电机Gl与第一整流器Rl的一端连接，第一整流器Rl的另一端与第一二极管El的正极串联连接。电机驱动装置的第一逆变器Il的输出端与第一电动机Ml连接，第一电动机Ml的轴与第一螺旋桨Pl连接。第一二极管El的负极与第一直流汇流母排BI的输入端连接，第一逆变器Il的输入端与第一直流汇流母排BI的输出端连接。
[0056]第二台单机能源动力系统中，发电装置的第二柴油机D2的轴与第二发电机G2的轴连接，第二发电机G2与第二整流器R2的一端串联连接，第二整流器R2的另一端与第二二极管E2的正极串联连接；第二逆变器12的输出端与第二电动机M2连接，第二电动机M2的轴与第二螺旋桨P2连接；第二二极管E2的负极与第二直流汇流母排B2的输入端连接，第二逆变器12的输入端与直流汇流母排C的输出端连接二台单机系统。
[0057]储能电池A的正极与第三二极管E3的正极连接，第三二极管E3的负极与第一直流汇流母排BI的正极连接，储能电池A的负极与第一直流汇流母排BI的负极连接。第一直流汇流母排BI的正极与直流接触器C的输入端连接，直流接触器C的输出端与第二直流汇流母排B2的正极相连接，第一直流汇流母排BI的负极与第二直流汇流母排B2的负极相连接，构成并联的双机系统。
[0058]本发明的发电装置、直流汇流母排和电机驱动装置分别采用并联结构，两个独立的直流汇流母排通过一个直流接触器连接，形成并联的双机系统。
[0059]图6所示为本发明舰船用电力能源动力系统发电装置的结构。所述的发电装置由两套独立的发电机Gl、G2、整流器Rl、R2和第一直流汇流母排BI通过直流接触器C相连，构成并联结构。在轻载情况下，可以依靠其中一套发电装置电；重载情况下，两套发电装置同时供电；可以提高发电装置在整个运行范围的效率。
[0060]图7为本发明舰船用电力能源动力系统的电机驱动装置的结构。所述的电机驱动装置由两套独立的电动机M1、M2、逆变器11、12，和第二直流汇流母排B2通过直流接触器C相连，构成并联结构。通过控制直流接触器C的通断，可以使电动机工作在独立直流汇流母排供电驱动模式和共用直流汇流母排供电驱动模式。
[0061]本发明的工作过程如下:
[0062]模式一、纯电动模式
[0063]本发明处于纯电动动力模式时，两台柴油机Dl、D2均不起动，直流接触器C吸合，储能电池A为直流汇流母排供电，带动两台电动机Ml、M2工作。
[0064]模式二、纯电动模式向油电混合动力模式切换
[0065]本发明由纯电动模式向油电混合动力模式切换时，直流接触器C吸合，储能电池A为两台电动机Ml、M2供电；需要切换到混合动力模式时，首先启动两台柴油机D1、D2，柴油机D1、D2从怠速逐渐升速到额定转速2200rpm，第 一发电机控制器设定输出电压为750V，第二发电机控制器设定输出电压为700V，此时第一发电机Gl输出电压较第二发电机G2或者储能电池电压高，第一二极管El导通，第二二极管E2截止，和储能电池正极连接的第三二极管E3截止。第一发电机组Gl为两台电动机Ml、M2供电，稳定一定时间后，预估约I分钟，直流接触器C断开，第二二极管E2导通，此时第一二极管El和第二二极管E2同时导通，第三二极管E3截止，第一发电机Gl和第二发电机G2分别为电机驱动装置的第一电动机Ml和第二电动机M2供电，将第二发电机G2输出电压调到750V，至此完成由纯电动到混合动力的切换。如果只需要第一发电机Ml工作，则第二发电机M2可以不起动，直流接触器C处于吸合状态。
[0066]模式三油电混合动力模式向纯电动模式切换
[0067]本发明由油电混合动力模式向纯电动模式切换时，将第二发电机M2的输出电压调低到700V，吸合直流接触器C，此时第二二极管E2自动截止，可以关闭第二柴油机D2。降低第一发电机Ml的转速，直至停车。降速过程中第一发电机Ml输出的直流电压不断降低，某时刻第一二极管El自动截止，而第三二极管E3自动导通，切换为储能电池A向电机驱动装置供电，完成柴油机组向储能电池的切换。
[0068]如图8所示，当检测到发电装置中的某一套发电机出现故障时，如X号表示的绕组断路，下同。只要另一套发电子系统和储能电池正常，本发明舰船用电力能源动力系统可以依靠由柴油机、发电机、整流器组成的另一套发电装置或储能电池组成的供电系统继续工作。
[0069]如图9所示，当检测到发电装置中的单个整流器出现故障时，只要另一套发电装置和储能电池正常，本发明舰船用电力能源动力系统可以依靠另一套发电装置或储能电池组成的供电系统继续工作。
[0070]如图10所示，当检测到储能电池发生故障时，只要两套发电装置正常，本发明舰船用电力能源动力系统可以依靠两套发电装置组成的供电系统继续工作。在轻载情况下，可以依靠其中一套发电装置运行在低功率模式；重载情况下，可以依靠两套发电装置同时供电；提高了发电装置在整个运行范围的效率。
[0071]如图11所示，当检测到直流接触器发生故障时，只要两套发电装置正常，可以使两套发电装置工作在独立供电模式，增加了本发明舰船用电力能源动力系统的冗余，有效提高了本发明舰船用电力能源动力系统的稳定性。
[0072]如图12所示，当检测到电机驱动装置的单个逆变器故障时，只要另一套电机驱动系统正常，本发明舰船用电力能源动力系统可以依靠另一套电机驱动系统提供动力，保证本发明舰船用电力能源动力系统的稳定运行，有效提高了系统连续运行的稳定性。
[0073]如图13所示，当检测到电机驱动装置中的单个电动机故障时，只要另一套电机驱动系统正常，本发明舰船用电力能源动力系统可以依靠另一套电机驱动系统提供动力，保证本发明舰船用电力能源动力系统的稳定运行，有效提高了系统连续运行的稳定性。
[0074]如图14所示，当检测到发电装置中的两个发电机出现故障时，只要储能电池正常，本发明舰船用电力能源动力系统可以依靠储能电池供电，保证本发明舰船用电力能源动力系统正常工作，有效提高了系统运行的可靠性。
[0075]如图15所示，当检测到发电装置中的两个整流器出现故障时，只要储能电池正常，本发明舰船用电力能源动力系统可以依靠储能电池供电，保证本发明舰船用电力能源动力系统正常工作，有效提高了系统运行的可靠性。
[0076]如图16所示，当检测到发电装置中的同一发电装置中的发电机和整流器同时出现故障时，只要另一套发电装置和储能电池正常，本发明舰船用电力能源动力系统可以依靠另一套发电装置或储能电池组成的供电系统继续工作。
[0077]如图17所示，当检测到发电装置中的不同发电装置的发电机和整流器出现故障时，只要储能电池正常，本发明舰船用电力能源动力系统可以依靠储能电池供电，保证本发明舰船用电力能源动力系统正常工作，有效提高了系统运行的可靠性。
[0078]如图18所示，当检测到发电装置中的单个发电机和储能电池出现故障时，只要另一套发电装置正常，本发明舰船用电力能源动力系统可以依靠另一套发电装置供电继续工作。
[0079]如图19所示，当检测到发电装置中的单个整流器和储能电池出现故障时，只要另一套发电装置正常，本发明舰船用电力能源动力系统可以依靠另一套发电装置供电继续工作。
[0080]如图20所示，当检测到同一发电装置中的发电机、整流器和储能电池同时出现故障时，只要另一套发电装置正常，本发明舰船用电力能源动力系统可以依靠另一套发电装置供电继续工作。
[0081]如图21所示，当检测到同一电机驱动装置中的逆变器和电动机出现故障时，只要另一套电机驱动系统正常，本发明舰船用电力能源动力系统可以依靠另一套电机驱动系统提供动力，保证本发明舰船用电力能源动力系统的稳定运行，有效提高了系统连续运行的稳定性。
【主权项】
1.一种全电力推进舰船用电力能源动力系统，其特征在于，所述的电力能源动力系统包括两台单机能源动力系统和直流接触箱(C);两台单机电力能源动力系统共用一个储能电池(A)，所述的储能电池㈧与第一单机能源动力系统的第一直流汇流母排(BI)并联连接，所述的第一直流汇流母排(BI)的正极与直流接触器(C)的输入端连接，直流接触器(C)的输出端与第二单机能源动力系统的第二直流汇流母排(B2)的正极相连接；所述的第一直流汇流母排(BI)的负极与第二直流汇流母排(B2)的负极相连接，构成双机并联系统。2.按照权利要求1所述的全电力推进舰船用电力能源动力系统，其特征在于，所述的第一单机能源动力系统中，第一柴油机(Dl)的轴与第一发电机(Gl)的轴连接，第一发电机(Gl)与第一整流器(Rl)串联连接，第一整流器(Rl)与第一二极管(El)串联连接；第一逆变器(Il)的输出端第一电动机(Ml)连接，第一电动机(Ml)的轴与第一螺旋桨(Pl)连接；第一二极管(El)与直流汇流母排(BI)的输入端连接，第一逆变器(Il)的输入端与直流汇流母排(BI)的输出端连接；储能电池(A)的正极与第三二极管(E3)串联连接，第三二极管(E3)与第一直流汇流母排(BI)的正极连接，储能电池(A)的负极与直流汇流母排(BI)的负极连接。3.按照权利要求1所述的全电力推进舰船用电力能源动力系统，其特征在于，所述的第二台单机能源动力系统中，第二柴油机(D2)的轴与第二发电机(G2)的轴连接，第二发电机(G2)与第二整流器(R2)串联连接，第二整流器(R2)与第二二极管(E2)串联连接；第二逆变器(12)的输出端与第二电动机(M2)连接，第二电动机(M2)的轴与第二螺旋桨(P2)连接第二二极管(E2)与第二直流汇流母排(B2)的输入端连接，第二逆变器(12)输入端与直流汇流母排C的输出端连接。4.按照权利要求1所述的全电力推进舰船用电力能源动力系统，其特征在于，将m个所述的发电装置和η个所述的电机驱动装置通过直流接触器连接，构成mXn并联的电力能源动力系统仰和η的选取原则为:满足单个发电装置的功率Xm=单个电机驱动装置的功率Xn0
【专利摘要】一种全电力推进舰船用电力能源动力系统，包括两台单机能源动力系统和直流接触箱(C)；两台单机电力能源动力系统共用一个储能电池(A)，所述的储能电池(A)与第一单机能源动力系统的第一直流汇流母排(B1)并联连接，所述的第一直流汇流母排(B1)的正极与直流接触器(C)的输入端连接，直流接触器(C)的输出端与第二单机能源动力系统的第二直流汇流母排(B2)的正极相连接；所述的第一直流汇流母排(B1)的负极与第二直流汇流母排(B2)的负极相连接，构成双机并联系统。
【IPC分类】B63H21/17
【公开号】CN104890848
【申请号】CN201510259436
【发明人】张剑, 李金龙, 温旭辉
【申请人】中国科学院电工研究所
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月20日
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种全电力推进舰船的电力推进系统。
【背景技术】
[0002]常规全电力推进舰船的综合电力推进系统包括单机系统和双机并联系统，其结构如图1及图2所示，图1及图2未画出冷却系统、传感器、电池监控系统等部件。
[0003]图1为单机系统的常规综合电力推进系统结构示意图，柴油发电机组输出直流电在直流汇流排中进行能量汇流，能量供后级电机驱动螺旋桨系统使用。该方案属于单机串联式混合动力系统方案，系统结构简单，但是系统的可靠性较差，当系统的某个环节出现故障时，系统就不能正常工作。
[0004]图2是双机并联的常规综合电力驱动系统结构示意图，两套柴油发电机组输出直流电在直流汇流排中进行能量汇流，能量供后级两套电机驱动螺旋桨系统使用。该方案属于直流侧并网方案，电力推进系统的容量占舰船电网容量的90%，推进电机的启动过程伴随着巨大的能量需求，且柴油发电单元或者电力推进单元带电并入或带电切出直流侧并网过程中系统拓扑结构发生变化，系统能否稳定工作对系统的控制方式提出了很高的要求，使得系统控制方案复杂，实现起来具有很大的难度。
[0005]将发电机与整流装置定义为发电装置；将逆变器与电动机定义为电机驱动装置。在图3中点状虚线框标出的柴油发电单元DGl和DG2即为发电装置。中小功率系统一般由三相发电机和三相不控或可控整流装置构成，其结构简图如图4所示。在图3中点状虚线框标出的电力推进单元Pl和P2即为电机驱动装置。中小功率系统一般由三相逆变器和三相电动机构成，其结构简图如图5所示。此时全电力推进舰船的综合电力推进系统由中央控制器、发动机控制器、发动机、发电装置、电机驱动装置、通讯总线、电池、输出轴以及冷却系统和传感器等部分共同组成。
[0006]单机系统的常规综合电力驱动系统结构，若柴油机、发电机或整流器任何一处出现故障，如发电机故障通常是绕组断路，整流装置故障通常是桥臂断路，则整个发电装置无法工作，整个系统只能依靠储能电池提供电能进行低功率运行。若逆变器或电机出现问题，如逆变器故障通常是桥臂断路，驱动电机故障通常是绕组断路，则驱动环节无法正常工作，整个系统将进入停机状态。由以上分析可知，单机系统的常规综合电力驱动系统结构的可靠性较差，发电装置和电机驱动装置任何一处故障，系统将难以运行，严重时将导致系统瘫痪，因此要着重提高系统各环节的可靠性。
[0007]双机系统的常规综合电力驱动系统中，两套单机系统共用一套直流汇流排。若其中一套单机系统出现故障时，系统不能有效将故障系统切除，两套单机系统不能工作在独立状态。若系统的直流汇流排发生故障，如线路短路，系统将陷入瘫痪。由以上分析可知，虽然双机系统的常规综合电力驱动系统结构较单机系统可靠性有所提高，但它的任意一个单机系统不能独立工作，系统可靠性依赖于直流汇流母排的可靠性，一旦发电装置、电机驱动装置或直流汇流母排出现故障，系统只能运行在低功率状态，严重时将导致系统瘫痪，因此要着重提高系统各环节的可靠性。
[0008]较大功率的舰船通常会采用多相电机技术来提高系统可靠性。在系统故障时，多相电机系统可以运用缺相控制技术继续运行。但多相电机系统的控制相对复杂，对空间要求高且成本较高，更适用于具有较高功率等级、具有较大安装空间的场合，难以在功率等级不高、安装空间较小的中小型舰船领域加以应用。
[0009]另一种提高全电力推进舰船的综合电力推进系统可靠性的方法是采用系统备份。其原理是在舰船上采用k(k> = 2)组相互独立的综合电力推进系统，当某套系统中整流器、逆变器或电动机故障时，切换到另外一套系统，使舰船继续航行。这种方法一方面造成驱动系统体积与重量的增加，带来了一系列的安装方面的困难；另一方面，由于大多数情况下只有单套系统工作，备份系统处于闲置状态，造成了资源的浪费，降低了整个系统的经济性。如一种提高串联结构混合动力电动汽车可靠性的方法是采用系统备份。日本专利JP2004120906 的“POWER SUPPLY CIRCUIT SYSTEM OF HYBRID ELECTRIC AUTOMOBILE”提出了类似办法，其原理是每个车轴采用k(k> = 2)的相互独立的逆变器及电动机，当某逆变器不能工作时，正常逆变器驱动与其相连接的电机，使车辆运行，从而提高运行可靠性。该专利对逆变器及驱动电机系统采用备份的方式实现冗余，未考虑如何提高发电装置的可靠性；且采用系统备份方式易造成体积与重量的增加，在车辆狭窄空间情况下安装比较困难。
【发明内容】
[0010]本发明的目的是克服现有全电力推进舰船大功率发电、电动机组对空间要求高，成本较高以及系统备份单元安装困难的缺点，提出一种舰船用电力能源动力系统。本发明结构简单、体积较小，而且控制方便，在提高综合电力推进系统可靠性的同时具有很好的经济性和宽范围的高效性，可以满足电力舰船对综合电力推进系统功率需求及可靠性要求。
[0011]本发明采用以下技术方案:
[0012]本发明舰船用电力能源动力系统包括两台单机电力能源动力系统和直流接触箱。两台单机电力能源动力系统共用一个储能电池。所述的储能电池与第一单机能源动力系统的第一直流汇流母排并联连接，所述的第一直流汇流母排的正极与直流接触器的输入端连接，直流接触器的输出端与第二单机能源动力系统的第二直流汇流母排的正极相连接；所述的第一直流汇流母排的负极与第二直流汇流母排的负极相连接，构成双机并联系统。
[0013]储能电池的正极与第三二极管的正极连接，第三二极管的负极与第一直流汇流母排的正极连接，储能电池的负极与第一直流汇流母排的负极连接。
[0014]所述的单机电力能源动力系统主要由发电装置、电机驱动装置、直流汇流母排、以及储能电池组成。发电装置由柴油机、发电机、整流器构成，柴油机的轴与发电机的轴连接，发电机与整流器的一端连接连接，整流器的另一端与二极管的正极串联连接。电机驱动装置由逆变器、电动机和螺旋桨构成，逆变器与电动机连接，电动机的轴与螺旋桨连接。发电装置的输出端与直流汇流母排的输入端连接，二极管的负极与直流汇流母排的输入端连接，电机驱动装置与直流汇流母排的输出端连接，构成单机能源动力系统。
[0015]本发明的两台单机能源动力系统相互协调工作，增加了系统的运行效率和可靠性。
[0016]本发明舰船用电力能源动力系统的两套发电装置经整流后，其直流汇流排通过直流接触器连接，组成并联结构，增加了系统的冗余。通过控制直流接触器的通断，可以选择单发电机供电或双发电机供电。当任意一台发电机故障时，通过控制直流接触器，便可保证整个系统稳定运行于半功率模式。
[0017]本发明舰船用电力能源动力系统通过一个直流接触器连接两套电机驱动装置的直流供电部分。当任一逆变器发生故障时，关闭该逆变器，接通直流接触器的可控开关，可将全部电力提供到另一台电机上，便可保证有一台逆变器正常运转，也就是说舰船最少可以降功率长时航行。
[0018]本发明舰船用电力能源动力系统的发电装置采用可控整流方式，其整流器和电机驱动装置逆变器的拓扑结构相同、容量相同，且二者可以互换，增加了系统的冗余，提高了系统的稳定性，降低了系统的硬件成本。
[0019]本发明舰船用电力能源动力系统直流汇流母排通过直流接触器相连接，通过控制直流接触器的通断，可以实现各个工作模式的切换，本发明的工作过程如下:
[0020]模式一、纯电动模式
[0021]此时两台单机电力能源动力系统的两台柴油机均不起动，直流接触器吸合，储能电池为直流汇流母排供电，带动电机驱动装置工作。
[0022]模式二、纯电动模式向油电混合动力模式切换
[0023]直流接触器吸合，储能电池为电动机供电；需要切换到混合动力模式时，首先启动两台柴油机，柴油机组从怠速逐渐升速到额定转速2200rpm，第一发电机控制器设定输出电压为750V，第二发电机控制器设定输出电压为700V，此时第一发电机输出电压较第二发电机或者储能电池 电压高，第一二极管导通，第二二极管截止，和储能电池正极连接的第三二极管截止。第一发电机组为电机驱动装置及船载设备供电，稳定一定时间后，预估约I分钟，直流接触器断开，第二二极管导通，此时第一二极管和第二二极管同时导通，第三二极管截止，两台发电机分别为第一第二电动机供电，将第二发电机输出电压调到750V，至此完成由纯电动到混合动力的切换。如果只需要第一发电机工作，则第二发电机可以不起动，直流接触器处于吸合状态。
[0024]模式三、油电混合动力模式向纯电动模式切换
[0025]将第二发电机输出电压调低到700V，吸合开关，此时第二二极管自动截止，可以关闭第二柴油机。降低第一发电机转速，直至停车。降速过程中第一发电机输出直流电压不断降低，某时刻第一二极管自动截止，而第三二极管自动导通，切换为储能电池向直流汇流母排供电，完成柴油机组向储能电池的切换。
[0026]本发明还可以将m个所述的发电装置和η个所述的电机驱动装置通过直流接触器连接，构成mXn并联的电力能源动力系统。
[0027]当m>n时，发电装置数量多于电机驱动装置，适用于采用m个小功率发电装置和η个大功率电机驱动装置构成的电力能源动力系统；im〈n时，适合于采用m个大功率发电装置和η个小功率电机驱动装置构成的电力能源动力系统；当m = η时，适合于采用等功率的m个发电装置和η个电机驱动装置构成的电力能源动力系统。
[0028]m和η的选取原则:满足单个发电装置的功率*m =单个电机驱动装置的功率*n。由于受系统体积所限，一般选取m和η都小于等于4。
[0029]本发明在纯电动模式和混动模式相互切换过程中电动机不必停机，混动模式下可以实现柴油机组单机、双机以及单机与双机工作间的无缝切换。直流接触器选用现有的发电机控制器的配电箱。接触器可以满足600A下带载可靠分断10000次，可靠性较高。
【附图说明】
[0030]下面结合附图和【具体实施方式】进一步说明本发明。
[0031]图1为单机系统的常规综合电力驱动系统结构示意图；
[0032]图2为双机并联的常规综合电力驱动系统结构示意图；
[0033]图3为本发明的综合电力驱动系统结构示意图；
[0034]图4为常规综合电力驱动系统发电装置示意图；
[0035]图5为常规综合电力驱动系统电机驱动装置示意图；
[0036]图6为本发明由两个三相发电机及2个并联的三相整流装置组成全电力推进舰船用电力能源动力系统发电装置原理图；
[0037]图7为本发明由2个并联的三相整流装置及2个电动机装置组成全电力推进舰船用电力能源动力系统电机驱动装置原理图；
[0038]图8为图6所示的发电装置中单个发电机出现故障情况示意图；
[0039]图9为图6所示的发电装置中单个整流装置桥臂出现故障情况示意图；
[0040]图10为图6所示的发电装置中储能电池出现故障情况示意图；
[0041]图11为图6所示的发电装置中直流接触器出现故障情况示意图；
[0042]图12为图7所示的电机驱动装置中单个逆变器桥臂出现故障情况示意图；
[0043]图13为图7所示的电机驱动装置中单个电动机出现故障情况示意图；
[0044]图14为图6所示的发电装置中两个发电机出现故障情况示意图；
[0045]图15为图6所示的发电装置中两个整流装置桥臂出现故障情况示意图；
[0046]图16为图6所示的发电装置中同一机组发电机和整流装置桥臂出现故障情况示意图；
[0047]图17为图6所示的发电装置中不同机组发电机和整流装置桥臂出现故障情况示意图；
[0048]图18为图6所示的发电装置中单个发电机和电池出现故障情况示意图；
[0049]图19为图6所示的发电装置中单个整流装置桥臂和电池出现故障情况示意图；
[0050]图20为图6所示的发电装置中同一机组发电机、整流装置桥臂及电池出现故障情况示意图；
[0051]图21为图7所示的电机驱动装置中同一机组逆变器桥臂及电动机出现故障情况示意图。
【具体实施方式】
[0052]本发明舰船用电力能源动力系统包括两台单机电力能源动力系统和直流接触箱Co两台单机电力能源动力系统共用一个储能电池A，所述的储能电池A与第一单机能源动力系统的第一直流汇流母排BI并联连接，所述的第一直流汇流母排BI的正极与直流接触器C的输入端连接，直流接触器C的输出端与第二单机能源动力系统的第二直流汇流母排B2的正极相连接；所述的第一直流汇流母排BI的负极与第二直流汇流母排B2的负极相连接，构成双机并联系统。
[0053]所述的单机电力能源动力系统主要由发电装置、直流汇流母排B1、B2、直流接触箱C、储能电池A以及电机驱动装置组成。
[0054]所述发电装置由柴油机D1、D2，发电机Gl、G2，整流器Rl、R2，二极管E1、E2组成。所述的电机驱动装置由电机逆变器11、12、电动机Ml、M2及螺旋桨Pl、P2组成。
[0055]第一台单机能源动力系统中，发电装置的第一柴油机Dl的轴与第一发电机Gl的轴连接，第一发电机Gl与第一整流器Rl的一端连接，第一整流器Rl的另一端与第一二极管El的正极串联连接。电机驱动装置的第一逆变器Il的输出端与第一电动机Ml连接，第一电动机Ml的轴与第一螺旋桨Pl连接。第一二极管El的负极与第一直流汇流母排BI的输入端连接，第一逆变器Il的输入端与第一直流汇流母排BI的输出端连接。
[0056]第二台单机能源动力系统中，发电装置的第二柴油机D2的轴与第二发电机G2的轴连接，第二发电机G2与第二整流器R2的一端串联连接，第二整流器R2的另一端与第二二极管E2的正极串联连接；第二逆变器12的输出端与第二电动机M2连接，第二电动机M2的轴与第二螺旋桨P2连接；第二二极管E2的负极与第二直流汇流母排B2的输入端连接，第二逆变器12的输入端与直流汇流母排C的输出端连接二台单机系统。
[0057]储能电池A的正极与第三二极管E3的正极连接，第三二极管E3的负极与第一直流汇流母排BI的正极连接，储能电池A的负极与第一直流汇流母排BI的负极连接。第一直流汇流母排BI的正极与直流接触器C的输入端连接，直流接触器C的输出端与第二直流汇流母排B2的正极相连接，第一直流汇流母排BI的负极与第二直流汇流母排B2的负极相连接，构成并联的双机系统。
[0058]本发明的发电装置、直流汇流母排和电机驱动装置分别采用并联结构，两个独立的直流汇流母排通过一个直流接触器连接，形成并联的双机系统。
[0059]图6所示为本发明舰船用电力能源动力系统发电装置的结构。所述的发电装置由两套独立的发电机Gl、G2、整流器Rl、R2和第一直流汇流母排BI通过直流接触器C相连，构成并联结构。在轻载情况下，可以依靠其中一套发电装置电；重载情况下，两套发电装置同时供电；可以提高发电装置在整个运行范围的效率。
[0060]图7为本发明舰船用电力能源动力系统的电机驱动装置的结构。所述的电机驱动装置由两套独立的电动机M1、M2、逆变器11、12，和第二直流汇流母排B2通过直流接触器C相连，构成并联结构。通过控制直流接触器C的通断，可以使电动机工作在独立直流汇流母排供电驱动模式和共用直流汇流母排供电驱动模式。
[0061]本发明的工作过程如下:
[0062]模式一、纯电动模式
[0063]本发明处于纯电动动力模式时，两台柴油机Dl、D2均不起动，直流接触器C吸合，储能电池A为直流汇流母排供电，带动两台电动机Ml、M2工作。
[0064]模式二、纯电动模式向油电混合动力模式切换
[0065]本发明由纯电动模式向油电混合动力模式切换时，直流接触器C吸合，储能电池A为两台电动机Ml、M2供电；需要切换到混合动力模式时，首先启动两台柴油机D1、D2，柴油机D1、D2从怠速逐渐升速到额定转速2200rpm，第 一发电机控制器设定输出电压为750V，第二发电机控制器设定输出电压为700V，此时第一发电机Gl输出电压较第二发电机G2或者储能电池电压高，第一二极管El导通，第二二极管E2截止，和储能电池正极连接的第三二极管E3截止。第一发电机组Gl为两台电动机Ml、M2供电，稳定一定时间后，预估约I分钟，直流接触器C断开，第二二极管E2导通，此时第一二极管El和第二二极管E2同时导通，第三二极管E3截止，第一发电机Gl和第二发电机G2分别为电机驱动装置的第一电动机Ml和第二电动机M2供电，将第二发电机G2输出电压调到750V，至此完成由纯电动到混合动力的切换。如果只需要第一发电机Ml工作，则第二发电机M2可以不起动，直流接触器C处于吸合状态。
[0066]模式三油电混合动力模式向纯电动模式切换
[0067]本发明由油电混合动力模式向纯电动模式切换时，将第二发电机M2的输出电压调低到700V，吸合直流接触器C，此时第二二极管E2自动截止，可以关闭第二柴油机D2。降低第一发电机Ml的转速，直至停车。降速过程中第一发电机Ml输出的直流电压不断降低，某时刻第一二极管El自动截止，而第三二极管E3自动导通，切换为储能电池A向电机驱动装置供电，完成柴油机组向储能电池的切换。
[0068]如图8所示，当检测到发电装置中的某一套发电机出现故障时，如X号表示的绕组断路，下同。只要另一套发电子系统和储能电池正常，本发明舰船用电力能源动力系统可以依靠由柴油机、发电机、整流器组成的另一套发电装置或储能电池组成的供电系统继续工作。
[0069]如图9所示，当检测到发电装置中的单个整流器出现故障时，只要另一套发电装置和储能电池正常，本发明舰船用电力能源动力系统可以依靠另一套发电装置或储能电池组成的供电系统继续工作。
[0070]如图10所示，当检测到储能电池发生故障时，只要两套发电装置正常，本发明舰船用电力能源动力系统可以依靠两套发电装置组成的供电系统继续工作。在轻载情况下，可以依靠其中一套发电装置运行在低功率模式；重载情况下，可以依靠两套发电装置同时供电；提高了发电装置在整个运行范围的效率。
[0071]如图11所示，当检测到直流接触器发生故障时，只要两套发电装置正常，可以使两套发电装置工作在独立供电模式，增加了本发明舰船用电力能源动力系统的冗余，有效提高了本发明舰船用电力能源动力系统的稳定性。
[0072]如图12所示，当检测到电机驱动装置的单个逆变器故障时，只要另一套电机驱动系统正常，本发明舰船用电力能源动力系统可以依靠另一套电机驱动系统提供动力，保证本发明舰船用电力能源动力系统的稳定运行，有效提高了系统连续运行的稳定性。
[0073]如图13所示，当检测到电机驱动装置中的单个电动机故障时，只要另一套电机驱动系统正常，本发明舰船用电力能源动力系统可以依靠另一套电机驱动系统提供动力，保证本发明舰船用电力能源动力系统的稳定运行，有效提高了系统连续运行的稳定性。
[0074]如图14所示，当检测到发电装置中的两个发电机出现故障时，只要储能电池正常，本发明舰船用电力能源动力系统可以依靠储能电池供电，保证本发明舰船用电力能源动力系统正常工作，有效提高了系统运行的可靠性。
[0075]如图15所示，当检测到发电装置中的两个整流器出现故障时，只要储能电池正常，本发明舰船用电力能源动力系统可以依靠储能电池供电，保证本发明舰船用电力能源动力系统正常工作，有效提高了系统运行的可靠性。
[0076]如图16所示，当检测到发电装置中的同一发电装置中的发电机和整流器同时出现故障时，只要另一套发电装置和储能电池正常，本发明舰船用电力能源动力系统可以依靠另一套发电装置或储能电池组成的供电系统继续工作。
[0077]如图17所示，当检测到发电装置中的不同发电装置的发电机和整流器出现故障时，只要储能电池正常，本发明舰船用电力能源动力系统可以依靠储能电池供电，保证本发明舰船用电力能源动力系统正常工作，有效提高了系统运行的可靠性。
[0078]如图18所示，当检测到发电装置中的单个发电机和储能电池出现故障时，只要另一套发电装置正常，本发明舰船用电力能源动力系统可以依靠另一套发电装置供电继续工作。
[0079]如图19所示，当检测到发电装置中的单个整流器和储能电池出现故障时，只要另一套发电装置正常，本发明舰船用电力能源动力系统可以依靠另一套发电装置供电继续工作。
[0080]如图20所示，当检测到同一发电装置中的发电机、整流器和储能电池同时出现故障时，只要另一套发电装置正常，本发明舰船用电力能源动力系统可以依靠另一套发电装置供电继续工作。
[0081]如图21所示，当检测到同一电机驱动装置中的逆变器和电动机出现故障时，只要另一套电机驱动系统正常，本发明舰船用电力能源动力系统可以依靠另一套电机驱动系统提供动力，保证本发明舰船用电力能源动力系统的稳定运行，有效提高了系统连续运行的稳定性。
【主权项】
1.一种全电力推进舰船用电力能源动力系统，其特征在于，所述的电力能源动力系统包括两台单机能源动力系统和直流接触箱(C);两台单机电力能源动力系统共用一个储能电池(A)，所述的储能电池㈧与第一单机能源动力系统的第一直流汇流母排(BI)并联连接，所述的第一直流汇流母排(BI)的正极与直流接触器(C)的输入端连接，直流接触器(C)的输出端与第二单机能源动力系统的第二直流汇流母排(B2)的正极相连接；所述的第一直流汇流母排(BI)的负极与第二直流汇流母排(B2)的负极相连接，构成双机并联系统。2.按照权利要求1所述的全电力推进舰船用电力能源动力系统，其特征在于，所述的第一单机能源动力系统中，第一柴油机(Dl)的轴与第一发电机(Gl)的轴连接，第一发电机(Gl)与第一整流器(Rl)串联连接，第一整流器(Rl)与第一二极管(El)串联连接；第一逆变器(Il)的输出端第一电动机(Ml)连接，第一电动机(Ml)的轴与第一螺旋桨(Pl)连接；第一二极管(El)与直流汇流母排(BI)的输入端连接，第一逆变器(Il)的输入端与直流汇流母排(BI)的输出端连接；储能电池(A)的正极与第三二极管(E3)串联连接，第三二极管(E3)与第一直流汇流母排(BI)的正极连接，储能电池(A)的负极与直流汇流母排(BI)的负极连接。3.按照权利要求1所述的全电力推进舰船用电力能源动力系统，其特征在于，所述的第二台单机能源动力系统中，第二柴油机(D2)的轴与第二发电机(G2)的轴连接，第二发电机(G2)与第二整流器(R2)串联连接，第二整流器(R2)与第二二极管(E2)串联连接；第二逆变器(12)的输出端与第二电动机(M2)连接，第二电动机(M2)的轴与第二螺旋桨(P2)连接第二二极管(E2)与第二直流汇流母排(B2)的输入端连接，第二逆变器(12)输入端与直流汇流母排C的输出端连接。4.按照权利要求1所述的全电力推进舰船用电力能源动力系统，其特征在于，将m个所述的发电装置和η个所述的电机驱动装置通过直流接触器连接，构成mXn并联的电力能源动力系统仰和η的选取原则为:满足单个发电装置的功率Xm=单个电机驱动装置的功率Xn0
【专利摘要】一种全电力推进舰船用电力能源动力系统，包括两台单机能源动力系统和直流接触箱(C)；两台单机电力能源动力系统共用一个储能电池(A)，所述的储能电池(A)与第一单机能源动力系统的第一直流汇流母排(B1)并联连接，所述的第一直流汇流母排(B1)的正极与直流接触器(C)的输入端连接，直流接触器(C)的输出端与第二单机能源动力系统的第二直流汇流母排(B2)的正极相连接；所述的第一直流汇流母排(B1)的负极与第二直流汇流母排(B2)的负极相连接，构成双机并联系统。
【IPC分类】B63H21/17
【公开号】CN104890848
【申请号】CN201510259436
【发明人】张剑, 李金龙, 温旭辉
【申请人】中国科学院电工研究所
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月20日
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