[发明专利]船舶直流组网电力系统及其运行和功率优化控制方法

说明书

本发明公开了一种船舶直流组网电力系统，包括左舷以及右舷两个推进单元，推进单元包含直流母线，直流母线上连接有至少两个发电机供电机构、船舶推进机构，左舷或者右舷的直流母线上设有负载机构，左舷与右舷的直流母线间设有电力电子开关。本船舶电力系统中设有用于在某部分负载短路时将其进行隔离的设施，在某处发生短路时，电力系统通过短路支撑可以立刻隔绝短路源，避免因为某处短路导致整个船舶电力系统的瘫痪，提高了系统的安全性以及冗余性。本发明还公开了船舶直流组网电力系统的运行和功率优化控制方法，该方法提高了分配发电机组功率的精确性，保证发电机组运行在最经济燃油状态。

技术领域

本发明涉及一种船舶直流组网电力系统，具体来说涉及一种船舶直流组网电力系统及其运行和功率优化控制方法。

背景技术

船舶推进系统一般是由柴油机、减速器和推进电机组成的，柴油机通过减速器驱动推进电机推动船舶运行。这种方案的设备成本比较低廉，但存在轴系占用空间大，振动噪音强的问题。并且当船舶负载发生较大变化时，柴油机输出功率不能迅速跟随变化，造成柴油机运行工况差，耗油量高的缺陷。

为了节省船舶轴系布置空间，提高船舶电气驱动响应速度和可操控性，开发出了船舶交流组网电力推进系统，即柴油机带动同步发电机发电，产生的恒频恒压交流电通过交流配电盘进行交流组网，交流组网后的交流电压在经过交—直—交变频器后，驱动船舶推进电动机工作。但同步发电机具有输出同频同压恒定交流电压的特点，当船舶负载发生变化时，只能通过切断或增加同步发电机的方式，来适应负载功率的变化，这种非线性的切换方式，会造成运行的柴油机不能运行在最佳的功率效率点上，存在燃油使用率极其低下的问题。并且交流配电盘两侧的控制系统是单独设计控制的，整个系统的集成性较差，设备占地空间大，设备价格高。

此外，随着对船舶海上施工作业水平要求的提高，各种甲板机械也从普通的恒速运行要求，过渡到具有调速的要求。船舶甲板机械的起动、制动和调速都需要单独的电源进行供电和调制，存在控制设备复杂，占用空间大和电源调制困难的问题。

随着技术的发展，出现了直流组网电力推进系统，船舶上的每台柴油机均带动一台异步发电机，每台异步发电机连接各自的整流器，整流后的直流连接到公共直流母线上，公共直流母线上并联有多路的逆变器，每个逆变器连接有各自的推进电机或负载，可以有效解决上述问题。但直流组网电力推进系统仍存在以下问题。

当系统某设备发生短路故障时，会在直流母线、变频器或者交流输出端出现明显的过电流，如果没有选择性地对故障设备进行切除，最终可能导致船舶全船失电、船舶丧失操控性，即丧失推进的能力，严重可导致船舶碰撞或船舶失火等。根据《船舶电力系统过电流选择性保护指南》，CCS规范对于故障选择性的实现规定电气系统具有自动转换功能，且由不同分配电板供电的双套重要设备情况以外，所有包括重要设备电路的短路保护应是选择性保护。同时，在满足选择性保护的前提下，应尽可能快地切断故障电路，从而减少对电力系统的影响和发生火灾的危险。对现有的文献进行检索后研究发现，中国专利申请号为CN201310215544.5的专利公开了“一种提高电网暂态电压支撑能力的网源稳态调压优化方法”，该方法是通过发电机与电容调节达到系统稳压的效果；对于高度冗余的船舶电力系统，当负载发生短路需要的支撑电流过大而超过了发电机和电容所能调节的范围，导致一系列电力系统的安全问题，因此对于船舶电力系统的短路支撑需要一种更加稳定更加安全的方法。

另外，现有的船舶电力系统运行和功率优化控制方法还存在下述问题：1、现有功率管理系统(PMS)未考虑船舶行驶过程中海洋环境变化对船舶负载功率的影响，以及整个电力系统消耗的功率，导致PMS无法准确获得系统当前总的负载功率，进而无法准确分配发电机组功率，此外，功率管理系统无法准确判定柴油发电机输出功率占比和燃油耗的关系，无法保证发电机组运行在最佳经济时刻，造成能源浪费；

2、船舶直流组网电力系统发生故障时，例如短路故障，发电机组故障等，控制系统无法有效、准确判断故障源，并且快速切除故障源或恢复故障设备运行，无法保证船舶运行的安全性和可靠性；