[发明专利]一种全电力推进舰船用电力能源动力系统

说明书

技术领域

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

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。

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。

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。

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DG1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P1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。

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。

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。

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。

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