CN106208140A - 一种高压大功率双向船舶岸电电源*** - Google Patents

一种高压大功率双向船舶岸电电源*** Download PDF

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陈燕东
徐千鸣
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Abstract

本发明公开一种高压大功率双向船舶岸电电源***，由三相输入和两相输出的双向功率变换单元联构成；双向功率变换单元采用三电平PWM变流器实现单位功率因数输入或回馈；双向功率变换单元采用五电平H桥变换器实现级联多电平的高压输出，且输出电压和频率可平滑调节。本发明中双向功率变换单元的PWM变流器采用三电平结构，能有效减小输入滤波器的需求；双向功率变换单元的变流器采用五电平结构，有助于较小三相交流输出电压的电压脉动；双向功率变换单元的级联结构增加了电源***的冗余度，并提高电源***的可靠性；双向功率变换单元的全可控结构能在需要时将能量回馈至电网，环保节能，提高***效率。

Description

一种高压大功率双向船舶岸电电源***
技术领域
本发明涉及一种高压大功率双向船舶岸电电源***。
背景技术
港口与船厂关系着国家经济命脉，目前我国已超日韩成为全球第一造船大国。港口与船厂作业都面临严峻的高能耗、高排放问题，其根源是供电方式技术落后，如停港船舶采用燃油辅机发电机组，大量船舶停港船舶使用燃油发电形成港口烟囱群，带来刺耳的噪音，对港口造成巨大的污染；修造船作业采用电动发电机组与耗能水电阻，在新造船或修船下水试验中，采用燃油辅机组发电，新船（或船舶大修）要求其发电***连续运行48小时，数兆瓦级机组发出电能通过海水消耗，导致靠近船舶的水域水温上升，破坏生态环境。另外，国外大多数船舶电网频率是60Hz，少部分为50Hz。我国港口\船厂电网频率为50Hz，不同的船舶在港口或者修造船厂需要及时供电。
为此，国内外工程界力求用岸电技术解决上述问题。船舶电网一般分为6.6kV/50Hz、6kV/60Hz、480V/60Hz，需要通过岸电技术将港口10kV/50Hz进行变压、变频处理。所以，岸电上船方案分为低压与高压方案，大型船舶多采用大容量高压岸电方案进行可靠供电。当前，高压岸电技术多采用移相变压器，功率模块级联与输出滤波器的拓扑结构，功率模块采用不可控整流单元，带来较大电网谐波污染，且电能无法回馈至电网。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种高压大功率双向船舶岸电电源***。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种高压大功率双向船舶岸电电源***，包括依次连接的高压进线开关柜、高压大功率双向变流器、输出滤波器、高压出线开关柜、岸基接电箱、电缆管理***、船基接电箱、高压固态开关、船舶发电机；所述高压固态开关与船上高压配电模块、船载变压器、船上低压配电模块连接。采用高压变压器实现电源***和变电所电网的电气隔离，并通过多绕组移相方式提高变电所输入电流的波形质量；电源***由三相输入和两相输出的双向功率变换单元联构成；双向功率变换单元采用三电平PWM变流器实现单位功率因数输入或回馈；双向功率变换单元采用五电平H桥变换器实现级联多电平的高压输出，且输出电压和频率可平滑调节。本发明中双向功率变换单元的PWM变流器采用三电平结构，能有效减小输入滤波器的需求；双向功率变换单元的变流器采用五电平结构，有助于较小三相交流输出电压的电压脉动；双向功率变换单元的级联结构增加了电源***的冗余度，并提高电源***的可靠性；双向功率变换单元的全可控结构能在需要时将能量回馈至电网，环保节能，提高***效率。
本发明作为连接港口/船厂变电所和船电***之间的能量转换单元，具有高压大功率双向电能传输的功能。
本发明包括高压进线开关柜、高压大功率双向变流器、输出滤波器、高压出线开关柜；高压大功率双向变流器与高压进线开关柜和输出滤波器为串联连接；高压出线开关柜作为输出单元与输出滤波器串联连接。
高压大功率双向变流器包括高压多绕组变压器、双向功率变换单元和控制***；每相的双向功率变换单元相对于高压交流输入是并联连接，相对于高压交流输出为串联连接；三相高压输出为星型连接。
双向功率变换单元包括三相输入滤波电感、三电平桥式单元、中性点引出的直流侧串联电容组；双向功率变换单元的输入单元为三相三电平PWM变流器，输出单元为单相五电平PWM变流器；输入单元和输出单元共用电容器组。
双向功率变换单元在船电***消耗电能时，双向功率变换单元的工作模式为三相PWM整流和两相PWM逆变；在船电***回馈电能时，双向功率变换单元的工作模式为三相PWM逆变和两相PWM整流。
高压大功率双向船舶岸电电源***通过岸基接电箱和与所述岸基接电箱以及电缆管理***与船电***相连。船电***包括依次连接的船基接电箱、高压固态切换开关、船舶发电机、高压固态切换开关与船上高压配电箱。船上高压配电箱通过船载变压器与船上低压配电箱连接。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明提供了一种能够实现能量回馈的高压大功率双向船舶岸电电源***，为靠港船舶以及修\造船舶提供安全可靠的高压6.6kV/50Hz、6.6 kV/60Hz供电，且可以将多余电能或在试验测试中作为负载将电能回馈至电网，环保节能。
附图说明
图1为本发明高压大功率双向船舶岸电电源***连接图；
图2为本发明高压大功率双向变流器结构图；
图3为本发明双向功率变换模块结构图；
图4为本发明双向功率变换模块级联输出示意图；
图5为本发明高压大功率双向船舶岸电电源***控制框图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的***包括港口\船厂变电所、岸基供电***、船电岸电连接***和船电***。所述岸基供电***包括依次连接的高压进线开关柜、高压大功率双向变流器、输出滤波器与高压出线开关柜；所述船电岸电连接***由岸基接电箱、电缆管理***连接构成；所述船电***包括船基接电箱、高压固态切换开关、船舶发电机、船上高压配电和可以选择的船上低压配电结构。港口\船厂变电所的市电为10kV\50Hz，通过高压进线柜与高压双向变流岸电相连接，利用高压大功率双向变流器实现将市电10kV/50Hz变频变压转换为6.6kV/50Hz或6.6kV/60Hz供给船电，也可反向将船舶侧电能回馈至电网，通过输出滤波器提高输出波形质量，采用岸基接电箱实现安全可靠的连接线路，利用电缆管理***可以提高港口\船厂灵活的与船舶电力进行线缆连接，具有电动控制收放线缆，船基接电箱保持与岸基接电箱接口一致，可安全灵活的进行岸电与船电的连接与分离，输出高压6.6kV/50Hz、6.6kV/60Hz可直接供给采用高压配电的船舶，也可通过选择船载变压器将其降压为0.4kV/50Hz、0.4kV/60Hz、0.45kV/50Hz、0.45kV/60Hz供给船上低压配电使用。
所述高压大功率双向变流器包括三相移相变压器、变流功率模块与双向变流控制***，其中移相变压器可实现多重化PWM整流，在高压大容量的船舶供电中，实现将原边侧10kV电压降压输入到对应15个双向功率变换模块，通过原、副边的电压相位偏移可以很大程度削减对电网侧的高次谐波影响，同时实现变流功率模块与电网电源之间的电气隔离。所述变流功率模块由A，B，C三相，每相级联5个双向功率变换模块组成，如图3所示为双向功率变换模块，双向功率变换模块采用三相三电平PWM可控整流与五电平H桥式拓扑结构，使用三电平PWM整流拓扑结构，其有益效果为：可以使用等级较低的电力电子开关器件构成电压等级较高的变流器，对电网侧输入谐波大大减小，可降低调制载波频率、减少开关损耗。由于当前还没有实用耐压达6.6kV电力电子开关器件，采用级联五电平H桥可有效的形成级联叠加高压输出。如图4所示为高压大功率双向变流器拓扑结构功率单元级联输出示意图，每一个双向功率变换模块输出电压值760V，通过5个双向功率变换模块级联相电压可达3800V，线电压达到船舶高压岸电所需6.6kV。
如图5所示为双向变流高压岸电控制框图，通过人机界面或者远程上位机设置选择控制模式，所述DSP主控板负责主要算法的实现，数据采集ADC转换单元，将采集高压大功率双向变流器输入、输出电压信息输入至DSP主控板，作为的变压、变频闭环控制的反馈控制量，15个双向功率变换模块中的三电平PWM整流模块需要通过DSP进行可控整流或逆变控制，采用先进的SVPWM空间矢量调制方式，计算出一个单元的调制PWM脉冲控制信号，在利用FPGA分出控制15个双向功率变换模块整流单元的脉冲控制信号。三电平H桥调制采用载波移相SPWM控制，利用FPGA实现多个级联双向功率变换模块单元的信号同步、载波相移，以及扩展输出PWM脉冲。所述光纤通信模块分为控制板发送与功率板接收两部分，充分保障了传输驱动信号的快速有效，具有较强的抗干扰能力。所述驱动模块输入信号来至光纤通信模块传入的PWM脉冲控制信号，最终达到控制三相每相5个双向功率变换模块中IGBT的目的。

Claims (4)

1.一种高压大功率双向船舶岸电电源***，其特征在于，
包括依次连接的高压进线开关柜、高压大功率双向变流器、输出滤波器、高压出线开关柜、岸基接电箱、电缆管理***、船基接电箱、高压固态开关、船舶发电机；所述高压固态开关与船上高压配电模块、船载变压器、船上低压配电模块连接。
2.根据权利要求1所述的高压大功率双向船舶岸电电源***，其特征在于，所述高压大功率双向变流器包括移相变压器、双向功率变换模块和控制***；每相的双向功率变换模块相对于高压交流输入是并联连接，相对于高压交流输出为串联连接；三相高压输出为星型连接；所述移相变压器、控制***均与所述双向功率变换模块连接。
3.根据权利要求2所述的高压大功率双向船舶岸电电源***，其特征在于，所述双向功率变换模块包括三相输入滤波电感、与所述三相输入滤波电感连接的三电平桥式单元、中性点引出的直流侧串联电容组；所述直流侧串联电容组与所述三电平桥式单元并联；双向功率变换单元的输入单元为三相三电平PWM变流器，输出单元为单相五电平PWM变流器；输入单元和输出单元共用直流侧串联电容组。
4.根据权利要求3所述的双向功率变换单元，其特征在于，在船电***消耗电能时，双向功率变换单元的工作模式为三相PWM整流和两相PWM逆变；在船电***回馈电能时，双向功率变换单元的工作模式为三相PWM逆变和两相PWM整流。
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