CN114243732A - 一种基于超级电容器的船舶主电网电能质量控制*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于超级电容器的船舶主电网电能质量控制***，其特征在于：包括超级电容组、电容充电/逆变输出单元和专用监测控制装置，所述超级电容组通过电容充电/逆变输出单元并入船舶电网，专用监测控制装置监测电网的运行参数，对电网情况作出预判，并控制超级电容组的输入输出。本发明通过超级电容与船舶柴油发电机组组合，有效改善电网电能质量和供电连续性。利用超级电容的快速充放电，逆变器输出自由可控等特点，实现辅助大功率负载启动；平抑主电网负载变化引起的电网电压波动；有效解决三相不平衡问题；为发电机组故障切换时提供不间断电源；补偿电网功率因数，减少无功损耗。

Description

一种基于超级电容器的船舶主电网电能质量控制***
技术领域
本发明涉及一种基于超级电容器的船舶主电网电能质量控制***，属于船舶主电源领域。
背景技术
船舶主电站是船舶的重要设备之一。当前主流的船舶主电站配置大多为柴油发电机组。但是由于船舶电网特点：容量相对岸电较小，用电负载种类、形式复杂，柴油发电机组动态响应较慢等，导致电能质量较差。在实际应用过程中，主要存在以下问题：
1)电网容量较小，柴油发电机组动态响应较慢，负载波动容易影响电网稳定。
2)单相负载不均引起的三相不平衡难以解决。
3)电源故障切换或紧急情况下备用发电机来不及启动，导致短时全船失电。
4)船舶电站负载数量种类较多，电网功率因数难以控制。特别船舶电站的异步电机负载多，电机和油水泵、风机匹配不佳会明显降低电网功率因数，导致无功功率供应不足。
不同于船舶应急电站，在同一艘船上，应急电站容量远小于主电站，且只在主电网故障期间短时使用，应急电站的最大难点在于启动大功率负载难度大，对电能质量要求不高。而主电站在船舶航行绝大部分时间使用，用电负载数量多，负载功率较大。由于主电站工作时间长，电能质量较大程度上影响船舶安全，燃油消耗率及用电设备健康状况，主电网优化更偏向电能质量提升。目前规范对船舶电网只在电压、频率、谐波等方面有要求，电网电能质量有较大提升空间。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：现有船舶电网配置大多为柴油发电机组，电能质量较差的问题。
为了解决上述问题，本发明的技术方案是提供了一种基于超级电容器的船舶主电网电能质量控制***，其特征在于：包括超级电容组、电容充电/逆变输出单元和专用监测控制装置，所述超级电容组通过电容充电/逆变输出单元并入船舶电网，专用监测控制装置监测电网的运行参数，对电网情况作出预判，并控制超级电容组的输入输出。
优选地，所述超级电容组包括超级电容组一和超级电容组二，所述充电/逆变输出单元包括充电/逆变输出单元一和充电/逆变输出单元二，所述超级电容组一通过充电/逆变输出单元一与配电板主汇流排连接，输出三相电能至配电板主汇流排；所述超级电容组二通过充电/逆变输出单元二与船舶AC220V配电板连接，输出三路独立单相至船舶AC220V配电板，用于调节AC220V电网三相平衡。
优选地，所述超级电容组一实时在网，专用监测控制装置监测到电网电压异常时控制超级电容组一的输入输出，对电网负载的上下线逆向操作，放电或充电。
优选地，所述超级电容组一受专用监测控制装置控制经充电/逆变输出单元一向电网输出能量。
优选地，所述专用监测控制装置检测到三相不平衡超过设定值时，控制充电/逆变输出单元二各相单独输出，根据需要调节各相电流以满足AC220V电网三相平衡要求。
优选地，所述专用监测控制装置监测到发电机严重故障报警信号或人工指令后控制充电/逆变输出单元一按需求功率输出至主电网，做为全船不间断电源短时供电。
优选地，所述专用监测控制装置监测到电网功率因数低于设定值时，控制充电/逆变输出单元一的无功输出对电网进行无功补偿。
优选地，所述电网的运行参数包括电网的负载、电压、功率因数和三相平衡参数。
优选地，所述超级电容组的电容选用功率型。
优选地，与船舶主配电板并列或单独布置，并通过电缆连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)能有效辅助大功率负载启动，减少负载启动冲击，降低全船启动器成本；
2)减少主电网负载变化引起的电网电压波动；
3)有效解决负载不均引起的三相不平衡问题；
4)为主发电机切换时提供不间断电源，减少切换可能引起的全船失电；
5)能够补偿电网无功功率，减少无功损耗，维持电网稳定；
6)***独立，设备布置环境要求低，加装方便；
7)设备寿命和整船寿命相当，一次加装后无需后期更换。
附图说明
图1为一种基于超级电容器的船舶主电网电能质量控制***单线图；
图2为一种基于超级电容器的船舶主电网电能质量控制***主要功能流程图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
本发明一种基于超级电容器的船舶主电网电能质量控制***单独成柜，和船舶主配电板并列或单独布置，之间用电缆连接。
包括超级电容组、电容充电/逆变输出单元和专用监测控制装置，均布置在电能质量控制***柜。***配备专用监测控制装置，提高***安全性及相应速度。专用监测控制装置具备监测电网负载、电压、功率因数、三相平衡等参数，能对电网情况作出预判，并控制超级电容组输入输出。
超级电容组包括超级电容组一和超级电容组二，考虑到***体积及充放电功率，超级电容选用功率型。充电/逆变输出单元包括充电/逆变输出单元一和充电/逆变输出单元二。超级电容组一通过充电/逆变输出单元一与配电板主汇流排连接，输出三相电能至配电板主汇流排。超级电容组二通过充电/逆变输出单元二与船舶AC220V配电板连接，输出三路独立单相至船舶AC220V配电板，用于调节AC220V电网三相平衡。
超级电容组一实时在网，作为全船大功率设备“共用辅助启动器”，辅助大功率设备启动。并在专用监测控制装置监测到电网电压异常，将控制电容组输入输出，平抑电压波动。
电能质量控制***能够实现以下功能：
1、辅助大功率负载启动：
大功率负载启动时，通常是通过增加在网机组或者采用降压启动方式。本发明采用发电机配合超级电容组一辅助启动，不需要启动备用机组或采用较昂贵的变频等启动方式，即可实现直接或者星三角启动。大功率负载启动时，超级电容组一受专用监测控制装置控制经充电/逆变输出单元一向电网输出能量，分担大部分甚至全部突加负载。主发电机组承担突加负载较小，整个电网电压降可以控制在许可范围。特别在配备多个大功率负载的船舶，起到“共用辅助启动器”的效果，有效降低全船启动器成本。
2、减少主电网负载变化引起的电网电压波动
船舶电网容量相对较小，用电负载多，启停频繁，电网波动大。专用监测控制装置实时监测电网电压及***负载情况，超级电容组一受专用监测控制装置控制，逆向操作，充电或放电。平抑负载变化引起的电压波动。
3、有效解决负载不均引起的三相不平衡问题
除故障外，船舶电站三相不平衡主要出现在AC220V电网，是由在网单相AC220V负载不均衡引起。对于船上的单相负载，虽然在***设计时已充分考虑三相平衡连接。但是在实际使用时，由于负载使用随机性较大，无法达到预期的三相平衡结果。三相不平衡产生的逆序电流将使线路功率损耗增加。由于单相负载使用具有一定随机性，常规电站无法解决此类三相不平衡问题。当专用监测控制装置检测到三相不平衡超过设定值，专用监测控制装置控制充电/逆变输出单元二各相单独输出，根据需要调节各相电流以满足AC220V电网三相平衡要求。
4、为电源切换时提供不间断电源
在船舶主发电机组故障时，备用机组不能及时投入电网，可能会出现短时全船失电情况，影响船舶安全。本发明可以在主发电机组故障时，电站发出备机启动信号时同时动送出指令至专用监测控制装置，专用监测控制装置控制充电/逆变输出单元一按需求功率输出至主电网，在备用发电机启动前作为电网UPS使用，最大限度减少电源切换引起的全船失电。及时停止故障机组，减少故障对机组的损伤。规范要求备用发电机组在45秒内接入电网，所以UPS工作时间不超过45秒。
5、对电网进行无功补偿，保证设备正常工作
船舶电网设备较为复杂，电力电子设备增多，有些特种设备自身功率因数较低，功率大，使用时会明显降低电网功率因数。另外船上的油水泵风机，基本采用的都是异步电动机，当电动机和泵、风机匹配不合适时，也会引起电网功率因数明显下降。低功率因数运行会影响发电机组的效率，降低发电机寿命。最严重时，当无功需求超过发电机组提供值，电动机和变压器也都无法正常工作。本发明在专用监测控制装置监测到电网功率因数低于设定值，将控制充电/逆变输出单元一的无功输出，从而达到对电网的无功补偿作用。
下面以本发明在具体船上的应用为例进行介绍，主电站配置为3台1400kW柴油发电机组，船舶电网及电能质量控制***单线图参见图1，船舶电网电能质量控制***主要功能流程图参见图2。电能质量控制***配置超级电容组容量不超过15kWh，配置水冷逆变器最大输出功率约300kW，连同监测控制***可以组装在1000mmx900mmx2000mmm(宽x深x高)机柜中。由于超级电容发热量小、安全性好，机柜可以布置在全船绝大多数舱室，无需特别制冷及防火要求。
以下是相关功能实现过程描述：
1、辅助大功率负载启动：
示例船型最大功率负载为压载泵，功率为450kW，原设计启动方式为自耦变压器启动，且需要备用发电机启动，两台发电机并网后方可启动压载泵。在加入电能质量控制***后，大功率负载启动前先向电站发出重载启动问询信号，根据将启动负载大小，专用监测控制装置控制充电/逆变输出单元一向电网输出能量，承担大部分甚至全部突加负载，持续时间5-10秒。由于主发电机组承担突加负载较小，整个电网电压基本不受大负载启动影响。压载泵启动器也可以调整为价格较低的星三角启动甚至直接启动。同理，电网其他大功率负载都可以“共用”电能质量控制***辅助启动，无需各自配置变频、自耦变压器等较昂贵启动器。
2、减少主电网负载变化引起的电网电压波动
类似辅助大负载启动，专用监测控制装置实时监测电网电压及***负载情况，超级电容组一和充电/逆变输出单元一受专用监测控制装置控制，对电网负载的上下线逆向操作，放电或充电，平抑负载变化引起的电压波动。
3、有效解决负载不均引起的三相不平衡问题
示例船AC380V/AC220照明变压器容量为150kVA，根据单相负载容量及分配情况，三相平衡专用电容组容量约为1-2kWh，可提供单相30kVA输出三路，完全满足极端情况三相平衡需求。
当专用监测控制装置检测到AC220V电网三相不平衡超过设定值，专用监测控制装置调整充电/逆变输出单元二的各相输出至AC220V配电板汇流排，以满足AC220V电网三相平衡要求。
4、为主电源切换时提供不间断电源
在船舶主发电机组严重故障时，通过自动检测或人工手动发出指令至专用监测控制装置，充电/逆变输出单元一按需求功率输出电能至主电网，同时脱扣所有非重要负载，在备用发电机启动前作为电网不间断电源使用。当负载转移至UPS，即停止故障机组，最大限度减少故障对机组损害。维持示例船短时安全所需最低电功率约为200kW(包括舵机，照明，通讯等)，45秒耗电约为2.5kWh。此工况下电容输出电量最大，电能质量控制***电容按最大2.5kWh输出容量配备，逆变器输出功率按不小于200kW配备。考虑到放电深度和***损耗，以及电容即时储电量，电容配备量在4-5kWh，放电倍率40-50C。
5、对电网进行无功补偿，减少无功损耗
示例船发电机组功率因数为0.8，电网的功率因数过高会降低发电机组运行稳定，过低则影响发电机组的效率，降低发电机寿命。正常船舶电网由于负载中电动机比例高，且绝大多数电机低于额定功率运行，导致电网功率因数偏低。当专用监测控制装置监测到电网功率因数低于发电机组功率因数，即低于0.8时，专用监测控制装置控制超级电容组一快速充电，同时调整充电/逆变输出单元一输出电网需要的无功功率，从而调整电网功率因数，保证发电机组工作在最佳功率因数点。
本发明根据船舶电网配置设置一定容量的超级电容器，电容器通过逆变器与电网并联运行，将超级电容组并入船舶电网，利用超级电容的大倍率充放电特性，结合逆变输出可自由控制，力求减少船舶电网负载变化引起的电网电压波动；解决负载不均引起的三相不平衡；为主电源切换时提供不间断电源，减少电源切换引起的全船失电；补偿电网无功功率，减少无功损耗，能有效提升船舶电网电能质量。通过超级电容与船舶柴油发电机组组合，有效改善电网电能质量和供电连续性。同时超级电容相比电池有较长寿命，特别是功率型超级电容，充放电寿命达百万次，使用寿命可与整船寿命相当。

Claims (10)

1.一种基于超级电容器的船舶主电网电能质量控制***，其特征在于：包括超级电容组、电容充电/逆变输出单元和专用监测控制装置，所述超级电容组通过电容充电/逆变输出单元并入船舶主电网，专用监测控制装置监测电网的运行参数，对电网情况作出预判，并控制超级电容组的输入输出。
2.如权利要求1所述的一种基于超级电容器的船舶主电网电能质量控制***，其特征在于：所述超级电容组包括超级电容组一和超级电容组二，所述充电/逆变输出单元包括充电/逆变输出单元一和充电/逆变输出单元二，所述超级电容组一通过充电/逆变输出单元一与主配电板汇流排连接，输出三相电能至配电板主汇流排；所述超级电容组二通过充电/逆变输出单元二与船舶AC220V配电板连接，输出三路独立单相至船舶AC220V配电板，用于调节AC220V电网三相平衡。
3.如权利要求2所述的一种基于超级电容器的船舶主电网电能质量控制***，其特征在于：所述超级电容组一实时在网，专用监测控制装置监测到电网电压异常时控制超级电容组一的输入输出，对电网负载的上下线逆向操作，放电或充电。
4.如权利要求2所述的一种基于超级电容器的船舶主电网电能质量控制***，其特征在于：所述超级电容组一受专用监测控制装置控制经充电/逆变输出单元一向电网输出能量。
5.如权利要求2所述的一种基于超级电容器的船舶主电网电能质量控制***，其特征在于：所述专用监测控制装置检测到AC220V电网三相不平衡超过设定值时，控制充电/逆变输出单元二各相单独输出，根据需要调节各相电流以满足电网三相平衡要求。
6.如权利要求2所述的一种基于超级电容器的船舶主电网电能质量控制***，其特征在于：所述专用监测控制装置监测到发电机严重故障报警信号或人工指令后控制充电/逆变输出单元一按需求功率输出至主电网，做为全船不间断电源短时供电。
7.如权利要求2所述的一种基于超级电容器的船舶主电网电能质量控制***，其特征在于：所述专用监测控制装置监测到主电网功率因数低于设定值时，控制充电/逆变输出单元一的无功输出对电网进行无功补偿。
8.如权利要求1所述的一种基于超级电容器的船舶主电网电能质量控制***，其特征在于：所述主电网的运行参数包括电网的负载、电压、功率因数和三相平衡参数。
9.如权利要求1所述的一种基于超级电容器的船舶主电网电能质量控制***，其特征在于：所述超级电容组的电容选用功率型。
10.如权利要求1所述的一种基于超级电容器的船舶主电网电能质量控制***，其特征在于：与船舶主配电板并列或单独布置，并通过电缆连接。
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