本發(fā)明涉及一種高壓大功率雙向船舶岸電電源系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

港口與船廠關(guān)系著國(guó)家經(jīng)濟(jì)命脈，目前我國(guó)已超日韓成為全球第一造船大國(guó)。港口與船廠作業(yè)都面臨嚴(yán)峻的高能耗、高排放問(wèn)題，其根源是供電方式技術(shù)落后，如停港船舶采用燃油輔機(jī)發(fā)電機(jī)組，大量船舶停港船舶使用燃油發(fā)電形成港口煙囪群，帶來(lái)刺耳的噪音，對(duì)港口造成巨大的污染；修造船作業(yè)采用電動(dòng)發(fā)電機(jī)組與耗能水電阻，在新造船或修船下水試驗(yàn)中，采用燃油輔機(jī)組發(fā)電，新船（或船舶大修）要求其發(fā)電系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行48小時(shí)，數(shù)兆瓦級(jí)機(jī)組發(fā)出電能通過(guò)海水消耗，導(dǎo)致靠近船舶的水域水溫上升，破壞生態(tài)環(huán)境。另外，國(guó)外大多數(shù)船舶電網(wǎng)頻率是60Hz，少部分為50Hz。我國(guó)港口\船廠電網(wǎng)頻率為50Hz，不同的船舶在港口或者修造船廠需要及時(shí)供電。

為此，國(guó)內(nèi)外工程界力求用岸電技術(shù)解決上述問(wèn)題。船舶電網(wǎng)一般分為6.6kV/50Hz、6kV/60Hz、480V/60Hz，需要通過(guò)岸電技術(shù)將港口10kV/50Hz進(jìn)行變壓、變頻處理。所以，岸電上船方案分為低壓與高壓方案，大型船舶多采用大容量高壓岸電方案進(jìn)行可靠供電。當(dāng)前，高壓岸電技術(shù)多采用移相變壓器，功率模塊級(jí)聯(lián)與輸出濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，功率模塊采用不可控整流單元，帶來(lái)較大電網(wǎng)諧波污染，且電能無(wú)法回饋至電網(wǎng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種高壓大功率雙向船舶岸電電源系統(tǒng)。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種高壓大功率雙向船舶岸電電源系統(tǒng)，包括依次連接的高壓進(jìn)線開(kāi)關(guān)柜、高壓大功率雙向變流器、輸出濾波器、高壓出線開(kāi)關(guān)柜、岸基接電箱、電纜管理系統(tǒng)、船基接電箱、高壓固態(tài)開(kāi)關(guān)、船舶發(fā)電機(jī)；所述高壓固態(tài)開(kāi)關(guān)與船上高壓配電模塊、船載變壓器、船上低壓配電模塊連接。采用高壓變壓器實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)和變電所電網(wǎng)的電氣隔離，并通過(guò)多繞組移相方式提高變電所輸入電流的波形質(zhì)量；電源系統(tǒng)由三相輸入和兩相輸出的雙向功率變換單元聯(lián)構(gòu)成；雙向功率變換單元采用三電平PWM變流器實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)輸入或回饋；雙向功率變換單元采用五電平H橋變換器實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)多電平的高壓輸出，且輸出電壓和頻率可平滑調(diào)節(jié)。本發(fā)明中雙向功率變換單元的PWM變流器采用三電平結(jié)構(gòu)，能有效減小輸入濾波器的需求；雙向功率變換單元的變流器采用五電平結(jié)構(gòu)，有助于較小三相交流輸出電壓的電壓脈動(dòng)；雙向功率變換單元的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)增加了電源系統(tǒng)的冗余度，并提高電源系統(tǒng)的可靠性；雙向功率變換單元的全可控結(jié)構(gòu)能在需要時(shí)將能量回饋至電網(wǎng)，環(huán)保節(jié)能，提高系統(tǒng)效率。

本發(fā)明作為連接港口/船廠變電所和船電系統(tǒng)之間的能量轉(zhuǎn)換單元，具有高壓大功率雙向電能傳輸?shù)墓δ堋?/p>

本發(fā)明包括高壓進(jìn)線開(kāi)關(guān)柜、高壓大功率雙向變流器、輸出濾波器、高壓出線開(kāi)關(guān)柜；高壓大功率雙向變流器與高壓進(jìn)線開(kāi)關(guān)柜和輸出濾波器為串聯(lián)連接；高壓出線開(kāi)關(guān)柜作為輸出單元與輸出濾波器串聯(lián)連接。

高壓大功率雙向變流器包括高壓多繞組變壓器、雙向功率變換單元和控制系統(tǒng)；每相的雙向功率變換單元相對(duì)于高壓交流輸入是并聯(lián)連接，相對(duì)于高壓交流輸出為串聯(lián)連接；三相高壓輸出為星型連接。

雙向功率變換單元包括三相輸入濾波電感、三電平橋式單元、中性點(diǎn)引出的直流側(cè)串聯(lián)電容組；雙向功率變換單元的輸入單元為三相三電平PWM變流器，輸出單元為單相五電平PWM變流器；輸入單元和輸出單元共用電容器組。

雙向功率變換單元在船電系統(tǒng)消耗電能時(shí)，雙向功率變換單元的工作模式為三相PWM整流和兩相PWM逆變；在船電系統(tǒng)回饋電能時(shí)，雙向功率變換單元的工作模式為三相PWM逆變和兩相PWM整流。

高壓大功率雙向船舶岸電電源系統(tǒng)通過(guò)岸基接電箱和與所述岸基接電箱以及電纜管理系統(tǒng)與船電系統(tǒng)相連。船電系統(tǒng)包括依次連接的船基接電箱、高壓固態(tài)切換開(kāi)關(guān)、船舶發(fā)電機(jī)、高壓固態(tài)切換開(kāi)關(guān)與船上高壓配電箱。船上高壓配電箱通過(guò)船載變壓器與船上低壓配電箱連接。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所具有的有益效果為：本發(fā)明提供了一種能夠?qū)崿F(xiàn)能量回饋的高壓大功率雙向船舶岸電電源系統(tǒng)，為靠港船舶以及修\造船舶提供安全可靠的高壓6.6kV/50Hz、6.6 kV/60Hz供電，且可以將多余電能或在試驗(yàn)測(cè)試中作為負(fù)載將電能回饋至電網(wǎng)，環(huán)保節(jié)能。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明高壓大功率雙向船舶岸電電源系統(tǒng)連接圖；

圖2為本發(fā)明高壓大功率雙向變流器結(jié)構(gòu)圖；

圖3為本發(fā)明雙向功率變換模塊結(jié)構(gòu)圖；

圖4為本發(fā)明雙向功率變換模塊級(jí)聯(lián)輸出示意圖；

圖5為本發(fā)明高壓大功率雙向船舶岸電電源系統(tǒng)控制框圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本發(fā)明的系統(tǒng)包括港口\船廠變電所、岸基供電系統(tǒng)、船電岸電連接系統(tǒng)和船電系統(tǒng)。所述岸基供電系統(tǒng)包括依次連接的高壓進(jìn)線開(kāi)關(guān)柜、高壓大功率雙向變流器、輸出濾波器與高壓出線開(kāi)關(guān)柜；所述船電岸電連接系統(tǒng)由岸基接電箱、電纜管理系統(tǒng)連接構(gòu)成；所述船電系統(tǒng)包括船基接電箱、高壓固態(tài)切換開(kāi)關(guān)、船舶發(fā)電機(jī)、船上高壓配電和可以選擇的船上低壓配電結(jié)構(gòu)。港口\船廠變電所的市電為10kV\50Hz，通過(guò)高壓進(jìn)線柜與高壓雙向變流岸電相連接，利用高壓大功率雙向變流器實(shí)現(xiàn)將市電10kV/50Hz變頻變壓轉(zhuǎn)換為6.6kV/50Hz或6.6kV/60Hz供給船電，也可反向?qū)⒋皞?cè)電能回饋至電網(wǎng)，通過(guò)輸出濾波器提高輸出波形質(zhì)量，采用岸基接電箱實(shí)現(xiàn)安全可靠的連接線路，利用電纜管理系統(tǒng)可以提高港口\船廠靈活的與船舶電力進(jìn)行線纜連接，具有電動(dòng)控制收放線纜，船基接電箱保持與岸基接電箱接口一致，可安全靈活的進(jìn)行岸電與船電的連接與分離，輸出高壓6.6kV/50Hz、6.6kV/60Hz可直接供給采用高壓配電的船舶，也可通過(guò)選擇船載變壓器將其降壓為0.4kV/50Hz、0.4kV/60Hz、0.45kV/50Hz、0.45kV/60Hz供給船上低壓配電使用。

所述高壓大功率雙向變流器包括三相移相變壓器、變流功率模塊與雙向變流控制系統(tǒng)，其中移相變壓器可實(shí)現(xiàn)多重化PWM整流，在高壓大容量的船舶供電中，實(shí)現(xiàn)將原邊側(cè)10kV電壓降壓輸入到對(duì)應(yīng)15個(gè)雙向功率變換模塊，通過(guò)原、副邊的電壓相位偏移可以很大程度削減對(duì)電網(wǎng)側(cè)的高次諧波影響，同時(shí)實(shí)現(xiàn)變流功率模塊與電網(wǎng)電源之間的電氣隔離。所述變流功率模塊由A，B，C三相，每相級(jí)聯(lián)5個(gè)雙向功率變換模塊組成，如圖3所示為雙向功率變換模塊，雙向功率變換模塊采用三相三電平PWM可控整流與五電平H橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用三電平PWM整流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其有益效果為：可以使用等級(jí)較低的電力電子開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成電壓等級(jí)較高的變流器，對(duì)電網(wǎng)側(cè)輸入諧波大大減小，可降低調(diào)制載波頻率、減少開(kāi)關(guān)損耗。由于當(dāng)前還沒(méi)有實(shí)用耐壓達(dá)6.6kV電力電子開(kāi)關(guān)器件，采用級(jí)聯(lián)五電平H橋可有效的形成級(jí)聯(lián)疊加高壓輸出。如圖4所示為高壓大功率雙向變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)功率單元級(jí)聯(lián)輸出示意圖，每一個(gè)雙向功率變換模塊輸出電壓值760V，通過(guò)5個(gè)雙向功率變換模塊級(jí)聯(lián)相電壓可達(dá)3800V，線電壓達(dá)到船舶高壓岸電所需6.6kV。

如圖5所示為雙向變流高壓岸電控制框圖，通過(guò)人機(jī)界面或者遠(yuǎn)程上位機(jī)設(shè)置選擇控制模式，所述DSP主控板負(fù)責(zé)主要算法的實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)采集ADC轉(zhuǎn)換單元，將采集高壓大功率雙向變流器輸入、輸出電壓信息輸入至DSP主控板，作為的變壓、變頻閉環(huán)控制的反饋控制量，15個(gè)雙向功率變換模塊中的三電平PWM整流模塊需要通過(guò)DSP進(jìn)行可控整流或逆變控制，采用先進(jìn)的SVPWM空間矢量調(diào)制方式，計(jì)算出一個(gè)單元的調(diào)制PWM脈沖控制信號(hào)，在利用FPGA分出控制15個(gè)雙向功率變換模塊整流單元的脈沖控制信號(hào)。三電平H橋調(diào)制采用載波移相SPWM控制，利用FPGA實(shí)現(xiàn)多個(gè)級(jí)聯(lián)雙向功率變換模塊單元的信號(hào)同步、載波相移，以及擴(kuò)展輸出PWM脈沖。所述光纖通信模塊分為控制板發(fā)送與功率板接收兩部分，充分保障了傳輸驅(qū)動(dòng)信號(hào)的快速有效，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。所述驅(qū)動(dòng)模塊輸入信號(hào)來(lái)至光纖通信模塊傳入的PWM脈沖控制信號(hào)，最終達(dá)到控制三相每相5個(gè)雙向功率變換模塊中IGBT的目的。