CN108599272A - 基于多能源和混合储能技术的船舶综合电力***实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多能源和混合储能技术的船舶综合电力***实验平台，包括新能源分布式发电及混合储能***模块、超临界二氧化碳布雷顿循环余热发电模块、船舶传统发电机组模块、模拟船舶电网及电力推进装置模块，各模块通过船舶主配电板依次连接有中压隔离变压器、船舶中压电网和智能化综合管理***。本发明以多能源发电***、混合储能***及智能化综合管理***为中枢，集成多种能源形式在船舶能源***中的应用技术，实现了一种用于研究多能源船舶综合电力***电能储存、船舶主机超临界二氧化碳布雷顿循环余热发电***高频三相交流电流变频变流及与船舶电网并网运行等关键问题的实验平台。

Description

基于多能源和混合储能技术的船舶综合电力***实验平台

技术领域

本发明涉及船舶多能源发电***及主机余热回收利用技术领域，具体涉及一种基于多能源和混合储能技术的船舶综合电力***实验平台。

背景技术

绿色节能是全球船舶技术研究领域的研究热点和重要发展方向。探索将太阳能、风能、燃料电池和LNG等新能源引入到船舶能源***中，对提高船舶能源效率、降低化石燃料消耗以及减少温室气体排放具有十分重大的意义。船舶电力***是容量有限的独立电力***，不同的运行工况负荷需求量相差很大，通常以太阳能和风能为代表的新能源具有间歇性和不稳定性，如果直接将新能源发电***接入到船舶电力***，较高的新能源渗透率必然会对容量有限的船舶电网带来稳定性、电网可靠性和电能质量等方面的问题。构建符合船舶电力***运行特性和需求的多能源船舶综合电力***是解决上述问题的有效途径，其中储能装置(***)是多能源船舶综合电力***中不可或缺的部分。储能装置(***)可以为船舶电网提供短时供电、削峰填谷、提高并网时电网的可靠性和电能质量优化分布式能源运行。为了提高船舶新能源发电***并网性能，储能装置既要能对船舶电网功率波动快速响应，同时也要有一定的储能容量以满足负荷调节需求。这就需要储能装置必须同时具有高功率密度和高能量密度的特性，然而单一储能装置无法同时满足这两种特性。通过对目前新能源船舶中储能装置相关研究工作和新能源船舶储能技术的实际应用调研后发现，现有的绝大部分新能源船舶仍然采用单一蓄电池组作为储能装置，而且为了与新能源发电***容量匹配，所需蓄电池组的容量、体积和质量均很大，这对可利用空间有限的船舶来说是极为不利的。因此，为解决上述难题，提出将由蓄电池组和超级电容器组成的混合储能***应用到多能源船舶综合电力***中，由此提出一种基于多能源船舶综合电力***的混合储能***实验平台设计方案。

提高能源利用效率以减少燃油消耗量是实现船舶节能减排的重要途径。以传统大型二冲程船用柴油机为例，其热效率接近50％，而有超过50％的能量以热能的形式散失。其中，排烟损失是所有热量瞬时形式中散失最多的部分，约占全部输入热量的25.5％，其温度范围为250～500℃。在标准工况下，船舶主机排气在经过涡轮增压器做功后的温度范围为220～240℃，从热力学效能分析的角度而言，此时的排烟尾气温度及其值仍然较高，但是传统的余热利用方法如余热锅炉对余热的利用率偏低，从而给排烟尾气余热深度利用带来了困难。深度利用船舶主机余热已经引起船舶行业的普遍重视，以船舶主机余热发电应用技术的相关研究工作也已经开始起步。显然，如果能够利用主机排气余热进行发电，可显著提高船舶能效，降低EEDI及燃油消耗量，意义重大。

将超临界二氧化碳布雷顿循环余热发电技术应用于船舶主机***，同时将由超临界二氧化碳布雷顿循环余热发电***所产生的高频三相交流电进行变频变流并与船舶电网实现并网运行的相关变流装置和技术方案，目前还没有案例可寻。将超临界二氧化碳布雷顿循环余热发电技术应用于船舶主机***并与船舶主电网实现并网运行尚属于探索性研究，即仅从工程技术角度在原有船舶电力***的基础上进行按需改造，而不是从整体设计和全***运行管理的角度将超临界二氧化碳布雷顿循环余热发电***与船舶主电网并网。从技术应用的普遍性和通用性角度出发，需要对超临界二氧化碳布雷顿循环余热发电***所产生的高频电流进行变频变流以及与船舶主电网并网的装置，即一种适用于kHz级交流电的船用离并网混合型双向变频变流器的***设计、运行、监控和管理等方面进行有针对性的实验研究。

在一种基于多能源电源和混合储能技术的船舶综合电力***实验平台设计过程中需要注意一下几个方面：

(1)与陆地电网相比，船舶电力***是一种强耦合、强非线性、容量有限的紧凑型***，其从电网结构，运行模式、稳定性、***保护与重构等方面都和陆地电力***有很大的差异。同时，船舶电网是一个独立的电力体系，船用电气设备的可靠性等级要求也要高于陆用电气设备。

(2)随着船舶大型化和自动化趋势的日趋显著，依靠电力驱动和控制的大功率船用设备比例不断提高，船舶电力***在设备配置、电网结构、运行模式、控制策略和状态监测等方面均有较大的变化。从而针对船舶电力***的可靠性、安全性、经济性和可监测性等方面也提出了更高的要求。

(4)一种适用于kHz级交流电的船用离并网混合型双向变频变流器设计方案，必须要能够实现对高频率电流的变频、变流及与船舶电网并网的目标，符合并满足船舶电力***并网运行及船舶电气设备安全稳定运行的技术标准。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种基于多能源和混合储能技术的船舶综合电力***实验平台，本发明以多能源发电***、混合储能***及智能化综合管理***为中枢，集成多种能源形式在船舶能源***中的应用技术，实现了一种用于研究多能源船舶综合电力***电能储存、船舶主机超临界二氧化碳布雷顿循环余热发电***高频三相交流电流变频变流及与船舶电网并网运行等关键问题的实验平台。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种基于多能源和混合储能技术的船舶综合电力***实验平台，包括新能源分布式发电及混合储能***模块、超临界二氧化碳布雷顿循环余热发电模块、船舶传统发电机组模块、模拟船舶电网及电力推进装置模块、中压隔离变压器、船舶中压电网和智能化综合管理***，船舶中压电网通过中压隔离变压器连接有船舶主配电板，新能源分布式发电及混合储能***模块、超临界二氧化碳布雷顿循环余热发电模块、船舶传统发电机组模块和模拟船舶电网及电力推进装置模块均与船舶主配电板连接，超临界二氧化碳布雷顿循环余热发电模块与船舶主配电板之间连接有适用于kHz级交流电的船用离并网混合型双向变频变流器模块，适用于kHz级交流电的船用离并网混合型双向变频变流器模块和模拟船舶电网及电力推进装置模块分别与智能化综合管理***连接。

按照上述技术方案，超临界二氧化碳布雷顿循环余热发电模块包括换热器、动力涡轮、永磁同步发电机组、高温回热器、低温回热器、主压缩机、再压缩机和压气机，换热器的进口端和出口端分别与高温回热器的高压侧出口和动力涡轮的进口端连接，动力涡轮的出口端与高温回热器的低压侧进口连接，高温回热器的低压侧出口与低温回热器的低压侧进口连接，高温回热器的高压侧进口与低温回热器的高压侧出口和再压缩机的出口连接，主压缩机的出口与低温回热器的高压侧进口连接，主压缩机的进口和再压缩机的进口与低温回热器的低压侧出口连接，动力涡轮的动力轴与永磁同步发电机组连接，主压缩机和再压缩机的动力轴与压气机连接，压气机与船舶主配电板连接。

按照上述技术方案，适用于kHz级交流电的船用离并网混合型双向变频变流器模块包括依次连接的24脉冲整流器、DC-AC逆变器和LCL滤波器，24脉冲整流器、DC-AC逆变器和LCL滤波器分别与智能化综合管理***连接，24脉冲整流器与超临界二氧化碳布雷顿循环余热发电模块连接，LCL滤波器与船舶主配电板连接。

按照上述技术方案，新能源分布式发电及混合储能***包括光伏发电***、风力发电***、燃料电池发电***、混合储能***和微电网中心控制器，光伏发电***、风力发电***、燃料电池发电***和混合储能***均与船舶主配电板和微电网中心控制器连接。

按照上述技术方案，新能源分布式发电及混合储能***还包括直流汇流排、公共连接点和工频隔离变压器，光伏发电***、风力发电***、燃料电池发电***和混合储能***均通过直流汇流排与船舶主配电板连接，光伏发电***通过DC-DC变换器与直流汇排连接，风力发电***依次通过AC-DC整流器和DC-DC变换器与直流汇排连接，燃料电池发电***通过DC-DC变化器与直流汇排连接，直流汇排还连接有直流负载，直流汇排依次通过DC-AC逆变器、公共连接点和工频隔离变压器与船舶主配电板连接。

按照上述技术方案，混合储能***包括蓄电池组和超级电容器组，超级电容器组连接有多端口DC-DC变换器，蓄电池组通过DC-DC变换器分别与多端口DC-DC变换器和微电网中心控制器连接，多端口DC-DC变换器分别与直流汇流排和微电网中心控制器连接。

按照上述技术方案，船舶传统发电机组模块包括柴油发电机组和LNG燃气轮机发电机组，柴油发电机组和LNG燃气轮机发电机组分别与船舶主配电板连接。

按照上述技术方案，模拟船舶电网及电力推进装置模块包括馈能发电机组、左舷电力推进装置和右舷电力推进装置，馈能发电机组、左舷电力推进装置和右舷电力推进装置分别与船舶主配电板连接，馈能发电机组、左舷电力推进装置和右舷电力推进装置分别与智能化综合管理***连接。

按照上述技术方案，馈能发电机组包括左舷变速齿轮箱、馈能发电机、左舷工频隔离变压器，馈能发电机通过左舷工频隔离变压器与船舶主配电板连接；

左舷电力推进装置包括左舷配电板、左舷推进电机电力变换控制器和左舷推进电机，左舷推进电机通过左舷推进电机电力变换控制器与左舷配电板连接，左舷配电板与船舶主配电板连接，左舷推进电机通过左舷变速齿轮箱与馈能发电机连接；

右舷电力推进装置包括右舷配电板、右舷推进电机电力变换控制器和右舷推进电机，右舷推进电机通过右舷推进电机电力变换控制器与右舷配电板连接，右舷推进电机连接有右舷螺旋桨，右舷配电板与船舶主配电板连接；

馈能发电机、左舷推进电机和右舷推进电机分别与智能化综合管理***连接。

本发明具有以下有益效果：

本发明以船舶多能源发电***、混合储能***及智能化综合管理***为核心，采用整体设计和全***运行管理的思路，将多能源应用技术在船舶能源***中进行集成与融合；首先，将以太阳能、风能和燃料电池为代表的清洁能源引入到船舶能源***中，降低船舶能源***对化石燃料的依赖；同时，对船舶主机排烟尾气低温余热进行回收利用，进一步提高船舶主机对燃料的利用率，实现船舶节能减排目标；其次，将混合储能技术应用到船舶电力***中，以克服单一储能技术的劣势，并降低因高渗透率的新能源对船舶电力***电能质量和电网稳定性所带来的不利影响；最后，本发明为在实验室条件下研究船舶多能源发电、船舶混合储能技术应用及船舶综合电力***提供一个实验平台设计方案；本发明以多能源发电***、混合储能***及智能化综合管理***为中枢，集成多种能源形式在船舶能源***中的应用技术，实现了一种用于研究多能源船舶综合电力***电能储存、船舶主机超临界二氧化碳布雷顿循环余热发电***高频三相交流电流变频变流及与船舶电网并网运行等关键问题的实验平台，智能化综合管理***对整个实验平台从发电、变电、配电及用电等诸多方面，对基于船舶综合电力***多能源发电及混合储能技术的实验平台进行优化配置及安全运行控制。

附图说明

图1是本发明实施例中基于多能源和混合储能技术的船舶综合电力***实验平台的原理示意图；

图2是本发明实施例中基于多能源和混合储能技术的船舶综合电力***实验平台的连接结构示意图；

图3是本发明实施例中用于kHz级交流电的船用离并网混合型双向变频变流器模块的原理图；

图4是本发明实施例中用于kHz级交流电的船用离并网混合型双向变频变流器模块的电路结构示意图；

图中，1-超临界二氧化碳布雷顿循环余热发电模块，1-1-换热器，1-2-动力涡轮，1-3-永磁同步发电机组，1-4-高温回热器，1-5-低温回热器，1-6-主压缩机，1-7-再压缩机，1-8-压气机；

2-适用于kHz级交流电的船用离并网混合型双向变频变流器模块，2-1-24脉冲整流器，2-2-24脉冲移相变压器，2-3-第一AC-DC整流器，2-4-第一DC-AC逆变器；2-5-第一LCL滤波器，2-6-第一并网发电装置主开关；

3-新能源分布式发电及混合储能***模块，

3-1-光伏发电***，3-1-1-太阳能光伏电池整列，3-1-2-防雷直流汇流排，3-1-3-第二DC-DC变换器；

3-2-风力发电***，3-2-1-垂直轴/水平轴风力发电机，3-2-2-差动齿轮箱，3-2-3-异步发电机，3-2-4-第一变频调速器，3-2-5-第二AC-DC整流器；

3-3-燃料电池发电***，3-3-1-燃料电池组件，3-3-2-第一直流汇流排，3-3-3-第三DC-DC变换器；

3-4-混合储能***，3-4-1-能量管理***，3-5-蓄电池组，3-5-1-第一DC-DC变换器，3-6-超级电容器组，3-6-1-多端口DC-DC变换器，3-7-微电网中心控制器，3-8-第二直流汇流排，3-9-直流负载，3-10-公共连接点(PCC)，3-11-第一工频隔离变压器，3-11-1-第二DC-AC逆变器，3-11-2-第二LCL滤波器，3-11-3-第二并网发电装置主开关，3-12-光伏发电***及燃料电池发电***逆变并网控制器，3-13-风力发电机组逆变并网控制器，3-14-柴油发电机组控制***，3-15-LNG燃气轮机发电机组控制***；

4-船舶传统发电机组模块，4-1-柴油发电机组，4-1-1-柴油发电机变速齿轮箱，4-1-2-柴油发电机组并网主开关，4-2-LNG燃气轮机发电机组，4-2-1-LNG燃气轮机变速齿轮箱，4-2-2-LNG燃机同步发电机，4-2-3-LNG燃气轮机发电机组并网主开关；

5-模拟船舶电网及电力推进装置模块，5-1-左舷配电板，5-2-左舷工频隔离变压器，5-3-馈能发电机，5-4-左舷变速齿轮箱，5-5-左舷其他电力负载，5-6-左舷推进电机电力变换控制器，5-7-左舷推进电机，5-8-智能化综合管理***，5-9-右舷配电板，5-10-右舷其他电力负载，5-11-右舷推进电机电力变换控制器，5-12-右舷推进电机，5-13-螺旋桨；

5-3-1-馈能发电机组并网主开关，5-3-2-第二变频调速器，5-3-3-馈能发电机组控制器；

5-8-1-综合通讯管理单元，5-8-2-综合能量管理单元，5-8-3-***级控制程序，5-8-4-区域级控制程序，5-8-5-数据储存单元；

6-船用三相电缆，7-船舶主配电板，8-通讯和控制信号线，9-中压隔离变压器，10-船舶中压电网，11-大功率推进电机转速转矩控制器，12-船舶主机，13-逆变并网控制模块，13-1-基于PQ控制策略的逆变并网控制器，13-2-基于电压外环V/f控制策略的逆变并网控制器，14-压气机运行及控制模块，14-1-第一控制支路，14-2-第二控制支路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

参照图1～图4所示，本发明提供的一个实施例中的基于多能源和混合储能技术的船舶综合电力***实验平台，包括新能源分布式发电及混合储能***模块3、超临界二氧化碳布雷顿循环余热发电模块1、船舶传统发电机组模块4、模拟船舶电网及电力推进装置模块5、中压隔离变压器9、船舶中压电网10和智能化综合管理***5-8，船舶中压电网10通过中压隔离变压器9连接有船舶主配电板7，新能源分布式发电及混合储能***模块3、超临界二氧化碳布雷顿循环余热发电模块1、船舶传统发电机组模块4和模拟船舶电网及电力推进装置模块5均与船舶主配电板7连接，超临界二氧化碳布雷顿循环余热发电模块1与船舶主配电板7之间连接有适用于kHz级交流电的船用离并网混合型双向变频变流器模块2，适用于kHz级交流电的船用离并网混合型双向变频变流器模块2和模拟船舶电网及电力推进装置模块5分别与智能化综合管理***5-8连接。

进一步地，智能化综合管理***5-8作为一种基于船舶综合电力***多能源发电及混合储能技术的实验平台控制核心；超临界二氧化碳布雷顿循环余热发电模块1是利用船舶主机排烟尾气低温余热，通过新型动力循环余热发电技术即超临界二氧化碳布雷顿循环余热发电***进行发电，实现对船舶主机排烟尾气低温余热的深度利用；适用于kHz级交流电的船用离并网混合型双向变频变流器模块2是用于解决高频三相高频交流电的变频变流问题，将由超临界二氧化碳布雷顿循环余热发电***所产生的高频(1000～1200Hz)三相交流电变频变流，使三相交流电的频率、相位和电压幅值均满足与船舶电网并网的相关技术标准，并最终实现与船舶电网的并网运行。

超临界二氧化碳布雷顿循环余热发电模块1包括换热器1-1、动力涡轮1-2、永磁同步发电机组1-3、高温回热器1-4、低温回热器1-5、主压缩机1-6、再压缩机1-7和压气机1-8，换热器1-1的进口端和出口端分别与高温回热器1-4的高压侧出口和动力涡轮1-2的进口端连接，动力涡轮1-2的出口端与高温回热器1-4的低压侧进口连接，高温回热器1-4的低压侧出口与低温回热器1-5的低压侧进口连接，高温回热器1-4的高压侧进口与低温回热器1-5的高压侧出口和再压缩机1-7的出口连接，主压缩机1-6的出口与低温回热器1-5的高压侧进口连接，主压缩机1-6的进口和再压缩机1-7的进口与低温回热器1-5的低压侧出口连接，动力涡轮1-2的动力轴与永磁同步发电机组1-3连接，主压缩机1-6和再压缩机1-7的动力轴与压气机1-8连接，压气机1-8通过船用三相电缆6与船舶主配电板7连接；实现船舶主机排烟尾气低温余热用于发电的功能。

进一步地，永磁同步发电机组1-3与适用于kHz级交流电的船用离并网混合型双向变频变流器模块2连接。

进一步地，适用于kHz级交流电的船用离并网混合型双向变频变流器模块2包括依次连接的24脉冲整流器2-1、第一DC-AC逆变器2-4和第一LCL滤波器2-5，24脉冲整流器2-1、第一DC-AC逆变器2-4和第一LCL滤波器2-5分别与智能化综合管理***5-8连接，24脉冲整流器2-1与超临界二氧化碳布雷顿循环余热发电模块1连接，第一LCL滤波器2-5与船舶主配电板7连接。

进一步地，24脉冲整流器2-1包括24脉冲移相变压器2-2和第一AC-DC整流器2-3，24脉冲移相变压器2-2的一端与第一AC-DC整流器2-3的一端连接，24脉冲移相变压器2-2的另一端与超临界二氧化碳布雷顿循环余热发电模块1连接，第一AC-DC整流器2-3的另一端与第一DC-AC逆变器2-4连接，第一LCL滤波器2-5与船舶主配电板7连接。

进一步地，新能源分布式发电及混合储能***包括光伏发电***3-1、风力发电***3-2、燃料电池发电***3-3、混合储能***3-4和微电网中心控制器3-7，光伏发电***3-1、风力发电***3-2、燃料电池发电***3-3和混合储能***3-4分别与船舶主配电板7和微电网中心控制器3-7连接。

进一步地，新能源分布式发电及混合储能***还包括直流汇流排、公共连接点3-10和工频隔离变压器，光伏发电***3-1、风力发电***3-2、燃料电池发电***3-3和混合储能***3-4均通过直流汇流排与船舶主配电板7连接，光伏发电***3-1通过第二DC-DC变换器3-1-3与直流汇排连接，风力发电***3-2依次通过第二AC-DC整流器3-2-5和DC-DC变换器与直流汇排连接，燃料电池发电***3-3通过DC-DC变化器与直流汇排连接，直流汇排还连接有直流负载3-9，直流汇排依次通过DC-AC逆变器、公共连接点3-10和工频隔离变压器与船舶主配电板7连接。

进一步地，所述的新能源分布式发电及混合储能***还包括基于PQ或V/f控制策略的逆变并网控制器，其由DC-DC变换器、DC-AC逆变器、LCL滤波器、工频隔离变压器及并网控制器主开关组成。光伏发电***3-1和燃料电池发电***3-3，通过控制器使其输出功率总是处于各自的最大功率点处，输出直流电流；风力发电***3-2通过AC-DC整流器进行整流，将所产生的三相交流电整流并输出直流电流。光伏发电***3-1、燃料电池发电***3-3及风力发电***3-2输出的直流电流全部汇入直流汇流排；由DC-DC变换器稳压、DC-AC逆变器逆变并通过LCL滤波器滤波后，输出稳定的三相交流电流，三相交流电经过工频隔离变压器升压汇入船舶主配电板7。

进一步地，混合储能***3-4包括蓄电池组3-5和超级电容器组3-6，超级电容器组3-6连接有多端口DC-DC变换器3-6-1，蓄电池组3-5通过第一DC-DC变换器3-5-1分别与多端口DC-DC变换器3-6-1和微电网中心控制器3-7连接，多端口DC-DC变换器3-6-1分别与直流汇流排和微电网中心控制器3-7连接。

进一步地，混合储能***3-4由蓄电池组3-5、超级电容器组3-6及相应的控制***所组成。混合储能***3-4能够克服单一储能(如蓄电池组3-5)占用空间大、投资、运行和维护成本高的劣势，同时还能延长储能装置的使用寿命，另外通过平滑间歇性新能源如太阳能和风能发电***输出功率，从而提高多能源船舶综合电力***的电能质量、电网可靠性及***安全性。混合储能***3-4能够有效降低因高渗透率的新能源对船舶电力***电能质量及电网可靠性所带来的不利影响。

进一步地，船舶传动发电机组模块包括柴油发电机组4-1和LNG燃气轮机发电机组4-2，柴油发电机组4-1和LNG燃气轮机发电机组4-2分别与船舶主配电板7连接。

进一步地，模拟船舶电网及电力推进装置模块5包括馈能发电机组、左舷电力推进装置和右舷电力推进装置，馈能发电机组、左舷电力推进装置和右舷电力推进装置分别与船舶主配电板7连接，馈能发电机组、左舷电力推进装置和右舷电力推进装置分别与智能化综合管理***5-8连接。

进一步地，馈能发电机组包括左舷变速齿轮箱5-4、馈能发电机5-3、左舷工频隔离变压器5-2，馈能发电机5-3通过左舷工频隔离变压器5-2与船舶主配电板7连接；

左舷电力推进装置包括左舷配电板5-1、左舷推进电机电力变换控制器5-6和左舷推进电机5-7，左舷推进电机5-7通过左舷推进电机电力变换控制器5-6与左舷配电板5-1连接，左舷配电板5-1与船舶主配电板7连接，左舷推进电机5-7通过左舷变速齿轮箱5-4与馈能发电机5-3连接；

右舷电力推进装置包括右舷配电板5-9、右舷推进电机电力变换控制器5-11和右舷推进电机5-12，右舷推进电机5-12通过右舷推进电机电力变换控制器5-11与右舷配电板5-9连接，右舷推进电机5-12连接有右舷螺旋桨5-13，右舷配电板5-9与船舶主配电板7连接；

馈能发电机5-3、左舷推进电机5-7和右舷推进电机5-12分别与智能化综合管理***5-8连接。

进一步地，左舷配电板5-1还连接有左舷其他电力负载5-5，右舷配电板5-9还连接有右舷其他电力负载5-10，左舷其他电力负载5-5和右舷其他电力负载5-10分别与智能化综合管理***5-8连接。

进一步地，馈能发电机组由左舷变速齿轮箱5-4、馈能发电机5-3、变频调速器、左舷工频隔离变压器5-2和馈能发电机组并网控制器构成，并输出三相交流电，三相交流电经左舷工频隔离变压器5-2汇入船舶主配电板7。

进一步地，左舷推进电机5-7和右舷推进电机5-12均为大功率推进电机，右舷推进电机5-12连接有右舷螺旋桨5-13，右舷螺旋桨5-13为定距桨，大功率推进电机通过主配电板供电，其与定距桨连接；大功率推进电机连接有大功率推进电机转速转矩控制器11，大功率推进电机转速转矩控制器11与智能化综合管理***5-8连接，左舷推进电机5-7通过左舷变速齿轮箱5-4接入异步发电机3-2-3，以实现实验平台中部分电能的回收利用。

进一步地，智能化综合管理***5-8包括通讯管理单元、数据储存单元5-8-5及综合能量管理单元5-8-2。智能化综合管理***5-8实时的与光伏发电***3-1、风力发电***3-2、燃料电池发电***及混合储能***的逆变并网控制器、LNG燃气轮机发电机组并网主开关4-2-3、船舶电力推进电机转速转矩控制器、馈能发电机组控制器5-3-3进行控制信号及监测数据的双向通讯。同时，对混合储能***3-4内部的功率分配、能量分配及运行过程实时的进行能量管理。

本发明的工作原理：

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中仅从工程技术角度在原有船舶电力***基础上按需改造，而不是从整体设计和全***运行管理的角度将多能源融入船舶电力***之中。本发明提供一种可从整体设计和全***运行管理的角度将多能源融入船舶电力***中的一种基于多能源电源和混合储能技术的船舶综合电力***实验平台。首先，将多种能源形式引入到船舶能源***，主要包括新能源分布式发电单元(光伏发电***3-1、风力发电***3-2和燃料电池发电***3-3)和基于船舶主机排烟尾气余热的新型动力循环余热发电***(超临界二氧化碳布雷顿循环余热发电)。其次，为了克服单一储能装置存在的不足，采用混合储能技术以解决单一储能装置使用寿命短、成本高、体积大等缺点；同时减小因高渗透率新能源给船舶电网带来的电能质量和电网可靠性等方面的不利影响。再次，为了解决超临界二氧化碳布雷顿循环余热发电***所产生高频(1000～1200Hz)三相交流电与船舶电网并网运行的难题，设计了一种适用于kHz级交流电的船用离并网混合型双向变频变流器，实现对高频三相电流的电能变换，使其频率、相位和电压幅值均满足与船舶电网并网运行的相关技术标准。最后，通过模拟船舶电网与电力推进装置，对整个***的发电、变电、配电及用电、相关运行及控制策略进行实验与仿真研究。

提供一种基于船舶综合电力***多能源发电及混合储能技术的实验平台，包括超临界二氧化碳布雷顿循环余热发电模块1、适用于kHz级交流电的船用离并网混合型双向变频变流器模块2、新能源分布式发电及混合储能***模块3、传统发电机组模块和模拟船舶电网及电力推进装置模块5。该实验平台还包括智能化综合管理***5-8，对整个***实验平台多能源发电***的发电、变电、配电、用电及储能过程进行优化配置和安全控制。

本发明所述的实验平台中，船舶主机余热新型动力循环余热发电技术是采用基于超临界二氧化碳布雷顿循环的余热发电***，其核心部件主要包括换热器1-1、动力涡轮1-2、高速永磁同步发电机组1-3、高温回热器、低温回热器1-5及压气机1-8等，实现船舶主机排烟尾气低温余热用于发电的功能。

本发明所述的实验平台中，适用于kHz级交流电的船用离并网混合型双向变频变流器模块2主要包括24脉冲整流器2-1(由24脉冲移相变压器2-2、AC-DC整流器组成)、双向DC-AC逆变器(440Vac/60Hz或400Vac/50Hz)、LCL滤波器、逆变并网控制器及中压隔离变压器9(6600Vac/60Hz)，同时还包括装置主电路和控制电路。

本发明所述的实验平台中，多能源船舶综合电力***并网控制器均包括所述与智能化综合管理***5-8连接的光伏发电***3-1、风力发电***3-2、燃料电池发电***3-3、LNG燃气轮机发电***、馈能发电机组及船舶电力推进装置。所有的发电单元包括光伏发电***3-1、燃料电池发电***3-3、风力发电***3-2、LNG燃气轮机发电机组4-2、馈能发电机组及并网控制器均通过三相电缆与船舶主配电板7相连接，输出的三相电压为400Vac/50Hz或440Vac/60Hz。

本发明所述的实验平台中，混合储能***3-4由蓄电池组3-5、超级电容器和相应控制***所组成。蓄电池组3-5通过多端口DC-DC变换器3-6-1并入直流母线，超级电容器组3-6通过DC-DC变换器接入直流母线。

本发明所述的实验平台中，将光伏发电***3-1、风力发电***3-2、燃料电池发电***及混合储能***的输出电流全部汇入到直流汇流排并经DC-DC变换器稳压，然后由DC-AC逆变器将由DC-DC变换器稳压后输出的直流电流逆变为三相交流电，三相交流电经LCL滤波器和工频隔离变压器滤波与升压后，通过并网控制器实现与船舶主配电板7并网。

本发明所述的实验平台中，馈能发电机组包括左舷变速齿轮箱5-4、馈能发电机5-3、变频调速器、左舷工频隔离变压器及馈能发电机组并网控制器，左舷变速齿轮箱5-4与馈能发电机5-3之间采用刚性轴连接。馈能发电机5-3并网控制器控制变频调速器调节馈能发电机组输出的三相交流电，三相交流电再经左舷工频隔离变压器5-2汇入船舶主配电板7。

本发明所述的实验平台中，模拟船舶电力推进装置包括大功率推进电机、定距桨和大功率推进电机转速转矩控制器11；所述的大功率推进电机通过主配电板供电，其与定距桨轴连接，所述大功率推进电机转速转矩控制器11与所述的智能化综合管理***5-8相连接。

本发明所述的实验平台中，模拟船舶电力推进装置包括左舷电力推进装置和右舷推进装置。其中，左舷电力推进装置包括左舷推进电机5-7和推进电机电力变换控制器；右舷电力推进装置包括右舷推进电机5-12、推进电机电力变换控制器和螺旋桨5-13。左、右舷分配电板分别对应左、右舷推进电机电力变换控制器5-11进行配电；大功率推进电机转速转矩控制器11根据需要调节左、右舷推进电机电力变换控制器5-11输出电压和频率，以控制左右舷推进电机的运行状态。另外，左舷推进电机5-7通过左舷变速齿轮箱5-4接入异步发电机3-2-3，实现实验平台中部分电能的回收再利用。

本发明所述的实验平台中，智能化综合管理***5-8包括综合通讯管理单元5-8-1、数据储存单元5-8-5及综合能量管理单元5-8-2。整个实验平台的并网控制器及各控制器均与智能化综合管理***5-8相连接，实现对整个实验平台进行实时的控制信号和监测数据的双向通讯。智能化综合管理***5-8对所接收的信号进行处理后分别发送给综合能量管理单元5-8-2和数据储存单元5-8-5，对整个实验平台实施运行动态管理。图1中：本发明实施例中基于多能源和混合储能技术的船舶综合电力***实验平台的原理示意图。主要包括五大模块：1、超临界二氧化碳布雷顿循环余热发电模块1；2、适用于kHz级交流电的船用离并网混合型双向变频变流器模块2；3、新能源分布式发电及混合储能***模块3；4、船舶传统发电机组模块4；5、模拟船舶电网及电力推进装置模块5。该实验平台还包括智能化综合管理***5-8，对整个实验平台的发电、配电、变电和用电以及运行过程进行优化配置与安全控制。

本发明实施例中，超临界二氧化碳布雷顿循环余热发电模块1的核心部件包括换热器1-1、动力涡轮1-2、高速永磁同步发电机组1-3、高温回热器1-4、低温回热器1-5、主压缩机1-6、再压缩机1-7及压气机1-8等，实现将船舶主机排烟尾气低温余热用于发电的功能。

本发明实施例中，适用于kHz级交流电的船用离并网混合型双向变频变流器模块2主要是由24脉冲整流器2-1、DC-AC逆变器2-4及LCL滤波器2-5组成。其中24脉冲整流器2-1由一个24脉冲移相变压器2-2和AC-DC整流器2-3构成。实现超临界二氧化碳布雷顿循环余热发电***所产生的高频(1000～1200Hz)三相交流电变频变流，使其频率、相位和电压幅值均满足与船舶电网并网运行相关技术标准。

本发明实施例中，新能源分布式发电及混合储能***模块3主要是由光伏发电***3-1、风力发电***3-2、燃料电池发电***3-3及由蓄电池组3-5和超级电容器组3-6所构成的混合储能***3-4组成，还包括微电网中心控制器3-7，将新能源分布式发电***引入到船舶电力***。

本发明实施例中，船舶传统发电机组模块4主要是柴油发电机组4-1和LNG燃气轮机发电机组4-2，作为船舶电力***主电源并为全船电网供电。

本发明实施例中，模拟船舶电网及电力推进装置模块5主要有馈能发电机组5-3、左舷推进电机5-7、右舷推进电机5-12、左舷推进电机电力变换控制器5-6及右舷推进电机电力变换控制器5-11等核心部件组成，对整个***的发电、配电、变电和用电等进行相关的实验研究。

图2中：本发明实施例中基于多能源和混合储能技术的船舶综合电力***实验平台的连接结构示意图。本发明实施例中，光伏发电***3-1、燃料电池发电***3-3、混合储能***3-4及风力发电***3-2通过DC-DC变换器由三相电缆连接到直流汇流排以输出稳定直流电流，直流汇流排的稳定直流电流经DC-AC逆变器3-11-1逆变，输出三相交流电，由LCL滤波器3-11-2滤波以减少对船舶电网的谐波污染，由工频隔离变压器3-11升压(400Vac/50Hz或440Vac/60Hz)经并网主开关3-11-3与船舶主配电板7并网。柴油发电机组4-1、LNG燃气轮机发电机组4-2及馈能发电机5-3组均通过三相电缆与船舶主配电板7连接，输出三相电压为400Vac/50Hz或440Vac/60Hz。

本发明实施例中，光伏发电单元包括太阳能光伏整列3-1-1、防雷汇流排3-1-2及DC-DC变换器3-1-3。燃料电池发电单元3-3包括燃料电池组件3-3-1、汇流排3-3-2及DC-DC变换器3-3-3。混合储能***3-4主要包括蓄电池组3-5、DC-DC变换器3-5-1、能量管理***3-4-1、超级电容器组3-6及多端口DC-DC变换器3-6-1。风力发电单元3-2主要包括垂直轴/水平轴风力机3-2-1、差动齿轮箱3-2-2、异步发电机3-2-3、变频调速器3-2-4、AC-DC整流器3-2-5及风力发电机组控制***3-13组成。其中，光伏发电单元、燃料电池发电单元和混合储能***均将所输出的直流电流通过DC-DC变换器稳压然后输入到直流汇流排。光伏发电单元采用基于PQ或V/f控制策略进行MPPT(最大功率点跟踪)控制，实现光伏发电单元输出功率保持在最大点处。风力发电单元输出的交流电流通过AC-DC整流器3-2-5整流，以输出稳定直流电流并与其他发电单元一起汇入到直流汇流排。直流汇流排上的稳定直流电流经过DC-AC逆变器3-11-1逆变，将稳定直流电流逆变为三相交流电流，并由LCL滤波器3-11-2滤波，以减少对船舶电网的谐波污染，由工频隔离变压器3-11升压(400Vac/50Hz或440Vac/60Hz)并经并网装置主开关3-11-3与船舶主配电板7并网。新能源发电单元及混合储能***所输出的电能由采用基于PQ或V/f控制策略的逆变并网控制器3-12与船舶主配电板7并网。

本发明实施例中，LNG燃气轮机发电机组4-2主要包括LNG燃气轮机4-2、燃气轮机变速齿轮箱4-2-1、LNG燃气轮机同步发电机4-2-2、LNG燃气轮机发电机组并网装置主开关4-2-3及LNG燃气轮机发电机组控制***3-15。LNG燃气轮机发电机组4-2通过三相电缆经并网主开关4-2-3与船舶主配电板7连接。

本发明实施例中，馈能发电机组包括左舷变速齿轮箱5-4、馈能发电机5-3、变频调速器5-3-2、左舷工频隔离变压器5-2和馈能发电机组并网控制器5-3-3。馈能发电机并网控制器5-3-3控制变频调速器5-3-2以调节馈能发电机5-3所输出的三相交流电、三相交流电再经左舷工频隔离变压器5-2升压汇入船舶主配电板7。

本发明实施例中，电力推进装置包括左舷推进电机5-7、左舷推进电机电力变换控制器5-6、右舷推进电机5-12、右舷推进电机电力变换控制器5-11、右舷螺旋桨5-13和大功率推进电机转速转矩控制器11，大功率推进电机转速转矩控制器11与智能化综合管理***5-8连接。左舷配电板、右舷配电板5-9对相应的左、右推进电机电力变换控制器进行配电，大功率推进电机转速转矩控制器11根据需要调控左、右电机电力变换控制器输出电压和频率，以控制左、右舷推进电机的运行状态。左舷推进电机5-7不安装推进螺旋桨5-13，其通过左舷变速齿轮箱5-4接入馈能发电机5-3，以实现实验平台中部分电能的循环使用。

图3本发明实施例中用于kHz级交流电的船用离并网混合型双向变频变流器模块的原理图。主要包24脉冲移相变压整流模块2-1；DC-AC逆变模块2-4；LCL滤波模块2-5；船舶主配电板7；中压隔离变压器模块9；逆变并网控制模块13；压气机运行及控制模块14。本发明实施例中，24脉冲移相变压整流模块2-1实现将由超临界二氧化碳布雷顿循环余热发电***所输出的高频三相交流电输入和输出电压相位移相而消除电流特定次的谐波，减少对船舶电网的谐波污染，并将高频三相交流电进行整流以输出稳定直流电流。DC-AC逆变模块2-4结合逆变并网控制模块13将输入的稳定直流电流逆变成三相交流电(400Vac/50Hz或450Vac/60Hz)，逆变后的三相交流电流由LCL滤波模块2-5滤波，使得由超临界二氧化碳布雷顿循环余热发电***产生高频电流的频率、相位和电压幅值符合并满足与船舶电网并网的相关技术标准，由并网控制器13通过三相电缆接入船舶主配电板7，实现与船舶电网的并网，中压隔离变压器模块9将电压升至6600Vac/60Hz以供给船舶中压电网10。压气机1-8仅在超临界二氧化碳布雷顿循环余热发电***刚启动时工作，当超临界二氧化碳布雷顿循环余热发电***中余热量的输入值达到最佳运行工况点后，压气机1-8停止工作，且压气机1-8有船舶低压电网供电。从电网运行安全角度出发，采用电气互锁对压气机1-8运行进行安全控制。

图4本发明实施例中用于kHz级交流电的船用离并网混合型双向变频变流器模块的电路结构示意图。本发明实施例中，24脉冲整流器2-1主要包括一个24脉冲移相变压器2-2和AC-DC整流器2-3。其中，24脉冲移相变压器2-2由四组原、副边绕组具有不同连接方式的三相变压器组成。其中第一组变压器绕组的连接方式为D,y0型，原边为三角形连接，副边为星形连接，且副边输出电压与原边输入电压具有同相位；第二组变压器绕组的连接方式为D,d1型，原边为三角形连接，副边也是三角形连接，且副边输出电压的相位比原边的输出电压相位超前30°；第三组变压器绕组的连接方式为D,y11型，原边为三角形连接，副边为星形连接，且副边输出电压的相位比原边输入电压的相位滞后30°；第四组变压器绕组的连接方式为D,d10型，原边为三角形连接，副边也是三角形连接，且副边输出电压的相位比原边输入电压的相位滞后60°。24脉冲移相变压器2-2能够消除电流谐波，以减少对船舶电网的谐波污染。AC-DC整流器2-3，由四组三相全桥不控整流电路构成，将由超临界二氧化碳布雷顿循环余热发电***所产生的高频三相交流电(1000～1200Hz)整流并输出稳定直流电流。

本发明实施例中，由逆变并网控制器13控制双向DC-AC逆变器2-4，将24脉冲整流器2-1输出的稳定直流电流逆变成三相交流电(400Vac/60Hz或440Vac/50Hz)，并由LCL滤波器2-5滤波，通过三相电缆与船舶主配电板7相连接，最后由中压隔离变压器9进行升压(6600Vac/60Hz)，供给船舶中压电网10。

本发明实施例中，船舶电网需要向超临界二氧化碳布雷顿循环余热发电***的压气机供电，而且还要实现对由超临界二氧化碳布雷顿循环余热发电***所产生的高频三相交流电通过变频、变流和逆变过程后，经由并网逆变器13与船舶主配电板7并网，并最终通过中压隔离变压器9升压(6600Vac/60Hz)供给船舶中压电网10。

本发明实施例中，压气机运行控制模块14中采用电气互锁控制电路进行控制。首先按下电源开关QS，并按下第一控制支路14-1中的开关SB₂，接触器线圈KM₁得电，接触器KM₁常开触点闭合，形成自锁，第一控制支路接通，接触器KM₁主触点闭合，主电路接通，压气机1-8开始工作，此时第二控制支路14-2中接触器KM₁常闭触点断开，即第二控制支路2断开。当超临界二氧化碳布雷顿循环余热发电***中的余热输入量达到***最佳运行工况点后，此时按下开关SB₃，第二控制支路中的接触器KM₂线圈得电，接触器KM₂常开触点闭合，形成自锁，第二控制支路接通，接触器KM₂常闭触点断开，第一控制支路断开，接触器KM₁主触点断开，并与接触器KM₁第一控制支路互锁，压气机1-8停止工作。船舶电网主电路中接触器KM₂主触头闭合，主电路接通，即超临界二氧化碳布雷顿循环余热发电***与船舶主电网接通，所产生的电能经过kHz船用交流电中压并网型双向变频变流器处理实现与船舶电网并网。当超临界二氧化碳布雷顿循环余热发电***的余热输入量不足时，按下第一控制支路中开关SB₂，启动压气机1-8，此时kHz船用交流电中压并网型双向变频变流器与船舶主电网断开，当超临界二氧化碳布雷顿循环余热发电***的余热输入量达到最佳运行工况点后，重复上述操作步骤。

综上所述，本实验平台还包括智能化综合管理***5-8，对整个实验平台的发电、变电、配电和用电运行过程进行优化配置、***分析与监测、安全控制及模拟仿真。其中船舶多能源发电***包括光伏发电***3-1、风力发电***3-2、燃料电池发电***3-3、LNG燃气轮机发电机组4-2、柴油发电机组4-1、馈能发电机组及超临界二氧化碳布雷顿循环余热发电***。本发明以多能源发电***、混合储能***及智能化综合管理***5-8为中枢，集成多种能源形式在船舶能源***中的应用技术，实现了一种用于研究多能源船舶综合电力***电能储存、高频三相交流电流变频变流及与船舶电网并网运行等关键问题的实验平台。

以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于多能源和混合储能技术的船舶综合电力***实验平台，其特征在于，包括新能源分布式发电及混合储能***模块、超临界二氧化碳布雷顿循环余热发电模块、船舶传统发电机组模块、模拟船舶电网及电力推进装置模块、中压隔离变压器、船舶中压电网和智能化综合管理***，船舶中压电网通过中压隔离变压器连接有船舶主配电板，新能源分布式发电及混合储能***模块、超临界二氧化碳布雷顿循环余热发电模块、船舶传统发电机组模块和模拟船舶电网及电力推进装置模块均与船舶主配电板连接，超临界二氧化碳布雷顿循环余热发电模块与船舶主配电板之间连接有适用于kHz级交流电的船用离并网混合型双向变频变流器模块，适用于kHz级交流电的船用离并网混合型双向变频变流器模块和模拟船舶电网及电力推进装置模块分别与智能化综合管理***连接。

2.根据权利要求1所述的基于多能源和混合储能技术的船舶综合电力***实验平台，其特征在于，超临界二氧化碳布雷顿循环余热发电模块包括换热器、动力涡轮、永磁同步发电机组、高温回热器、低温回热器、主压缩机、再压缩机和压气机；换热器的进口端和出口端分别与高温回热器的高压侧出口和动力涡轮的进口端连接，动力涡轮的出口端与高温回热器的低压侧进口连接，高温回热器的低压侧出口与低温回热器的低压侧进口连接，高温回热器的高压侧进口与低温回热器的高压侧出口和再压缩机的出口连接，主压缩机的出口与低温回热器的高压侧进口连接，主压缩机的进口和再压缩机的进口与低温回热器的低压侧出口连接，动力涡轮的动力轴与永磁同步发电机组连接，主压缩机和再压缩机的动力轴与压气机连接，压气机与船舶主配电板连接。

3.根据权利要求1所述的基于多能源和混合储能技术的船舶综合电力***实验平台，其特征在于，适用于kHz级交流电的船用离并网混合型双向变频变流器模块包括依次连接的24脉冲整流器、DC-AC逆变器和LCL滤波器，24脉冲整流器、DC-AC逆变器和LCL滤波器分别与智能化综合管理***连接，24脉冲整流器与超临界二氧化碳布雷顿循环余热发电模块连接，LCL滤波器与船舶主配电板连接。

4.根据权利要求1所述的基于多能源和混合储能技术的船舶综合电力***实验平台，其特征在于，新能源分布式发电及混合储能***包括光伏发电***、风力发电***、燃料电池发电***、混合储能***和微电网中心控制器，光伏发电***、风力发电***、燃料电池发电***和混合储能***均与船舶主配电板和微电网中心控制器连接。

5.根据权利要求4所述的基于多能源和混合储能技术的船舶综合电力***实验平台，其特征在于，新能源分布式发电及混合储能***还包括直流汇流排、公共连接点和工频隔离变压器，光伏发电***、风力发电***、燃料电池发电***和混合储能***均通过直流汇流排与船舶主配电板连接，光伏发电***通过DC-DC变换器与直流汇排连接，风力发电***依次通过AC-DC整流器和DC-DC变换器与直流汇排连接，燃料电池发电***通过DC-DC变化器与直流汇排连接，直流汇排还连接有直流负载，直流汇排依次通过DC-AC逆变器、公共连接点和工频隔离变压器与船舶主配电板连接。

6.根据权利要求4所述的基于多能源和混合储能技术的船舶综合电力***实验平台，其特征在于，混合储能***包括蓄电池组和超级电容器组，超级电容器组连接有多端口DC-DC变换器，蓄电池组通过DC-DC变换器分别与多端口DC-DC变换器和微电网中心控制器连接，多端口DC-DC变换器分别与直流汇流排和微电网中心控制器连接。

7.根据权利要求1所述的基于多能源和混合储能技术的船舶综合电力***实验平台，其特征在于，船舶传统发电机组模块包括柴油发电机组和LNG燃气轮机发电机组，柴油发电机组和LNG燃气轮机发电机组分别与船舶主配电板连接。

8.根据权利要求1所述的基于多能源和混合储能技术的船舶综合电力***实验平台，其特征在于，模拟船舶电网及电力推进装置模块包括馈能发电机组、左舷电力推进装置和右舷电力推进装置，馈能发电机组、左舷电力推进装置和右舷电力推进装置分别与船舶主配电板连接，馈能发电机组、左舷电力推进装置和右舷电力推进装置分别与智能化综合管理***连接。

9.根据权利要求8所述的基于多能源和混合储能技术的船舶综合电力***实验平台，其特征在于，馈能发电机组包括左舷变速齿轮箱、馈能发电机、左舷工频隔离变压器，馈能发电机通过左舷工频隔离变压器与船舶主配电板连接；

左舷电力推进装置包括左舷配电板、左舷推进电机电力变换控制器和左舷推进电机，左舷推进电机通过左舷推进电机电力变换控制器与左舷配电板连接，左舷配电板与船舶主配电板连接，左舷推进电机通过左舷变速齿轮箱与馈能发电机连接；

右舷电力推进装置包括右舷配电板、右舷推进电机电力变换控制器和右舷推进电机，右舷推进电机通过右舷推进电机电力变换控制器与右舷配电板连接，右舷推进电机连接有右舷螺旋桨，右舷配电板与船舶主配电板连接；

馈能发电机、左舷推进电机和右舷推进电机分别与智能化综合管理***连接。