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CN109217458B - 电动船混合主电源系统及控制方法 - Google Patents

电动船混合主电源系统及控制方法 Download PDF

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CN109217458B CN201811052165.8A CN201811052165A CN109217458B CN 109217458 B CN109217458 B CN 109217458B CN 201811052165 A CN201811052165 A CN 201811052165A CN 109217458 B CN109217458 B CN 109217458B
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Abstract

本发明公开了一种电动船混合主电源系统及控制方法，由超级电容器组和主锂离子电池组组成混合主电源，由DC/DC接口变换器和超级电容器组组合为集成储能装置，电动船混合主电源系统分为三种结构，分别为直流母线直流电力推进主电源系统、直流母线交流电力推进主电源系统、交流母线交流电力推进主电源系统。本发明采用具有功率密度高、充电时间短、瞬间输出功率大、可吸收再生能量等特点的超级电容器和锂离子电池组成混合主电源，利用各自的特性实行优势互补，从而减轻锂离子电池负担，延长其使用寿命和起到稳定船舶电网的作用。

Description

电动船混合主电源系统及控制方法
技术领域
本发明涉及一种电动船混合主电源系统及控制方法，属于舰船电源装置技术领域。
背景技术
主电源由蓄电池组成的船舶，通常称为电动船，当前被认为是船舶实现节能环保的措施之一。在CCS《钢质内河船舶建造规范》(2016版第3篇第3章第1节)中，规定主电源装置可采用蓄电池组，但对其系统的结构未进一步提出要求。目前，对电动船的主电源设计尚处在探索阶段。船舶在航行中受到多种因素的影响，电力主推进负载会出现瞬间峰值功率。电化学蓄电池具有能量密度高、放电时间长、输出电流平稳等特点，但功率密度较低，不能满足负载瞬间最大功率的需求，从而引起电网电压波动和闪变，造成电气设备不能正常工作，严重时可能使电网瓦解。为了克服这一弊端，采用具有功率密度高、充电时间短、瞬间输出功率大、可吸收再生能量等特点的超级电容器和性能优越的锂离子电池组成混合主电源(锂离子电池+超级电容器)，利用各自的特性实行优势互补，起到稳定船舶电网的作用。
本发明针对内河电动船不同的电力主推进系统，提供了电动船主电源系统结构以及主电源系统中的主备电池组热备用的控制电路和综合优化匹配方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电动船混合主电源系统及控制方法，采用具有功率密度高、充电时间短、瞬间输出功率大、可吸收再生能量等特点的超级电容器和锂离子电池组成混合主电源，利用各自的特性实行优势互补，从而减轻电池负担，延长其使用寿命和起到稳定船舶电网的作用。解决现有技术的电动船采用电化学蓄电池，功率密度较低，不能满足负载瞬间最大功率的需求，引起电网电压波动和闪变，造成电气设备不能正常工作，以及可能使电网瓦解的技术问题。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
一种电动船混合主电源系统，由超级电容器组4和主锂离子电池组2组成混合主电源，由DC/DC接口变换器6和超级电容器组4组合为集成储能装置，电动船混合主电源系统分为三种结构，其中：
直流母线直流电力推进主电源系统，包括直流母线1、主锂离子电池组2、后备锂离子电池组3、电池管理系统BMS 34、超级电容器组4、充电装置5、DC/DC接口变换器6、DC/DC功率变换器7、DC/AC逆变器8、驱动控制保护电路10、直流主推进电动机12、直流负载13、交流负载14；所述主锂离子电池组2、后备锂离子电池组3与直流母线1相连，所述充电装置5分别与主锂离子电池组2、后备锂离子电池组3相连，为主锂离子电池组2、后备锂离子电池组3充电，所述电池管理系统BMS 34分别与主锂离子电池组2、后备锂离子电池组3相连，所述DC/DC接口变换器6的一端与直流母线1相连，DC/DC接口变换器6的另一端与超级电容器组4相连，所述DC/DC功率变换器7的输入端与直流母线1相连，DC/DC功率变换器7的输出端与直流主推进电动机12相连，所述驱动控制保护电路10分别与DC/DC接口变换器6、DC/DC功率变换器7相连，所述直流负载13与直流母线1相连，所述DC/AC逆变器8的一端与直流母线1相连，DC/AC逆变器8的另一端与交流负载14相连；
直流母线交流电力推进主电源系统，包括直流母线1、主锂离子电池组2、后备锂离子电池组3、电池管理系统BMS 34、超级电容器组4、充电装置5、DC/DC接口变换器6、变频器71、第一DC/AC逆变器81、第二DC/AC逆变器82、驱动控制保护电路10、直流负载13、交流负载14、交流主推进电动机15；所述主锂离子电池组2、后备锂离子电池组3与直流母线1相连，所述充电装置5分别与主锂离子电池组2、后备锂离子电池组3相连，为主锂离子电池组2、后备锂离子电池组3充电，所述电池管理系统BMS 34分别与主锂离子电池组2、后备锂离子电池组3相连，所述DC/DC接口变换器6的一端与直流母线1相连，DC/DC接口变换器6的另一端与超级电容器组4相连，所述第二DC/AC逆变器82的一端与直流母线1相连，第二DC/AC逆变器82的另一端与变频器71输入端相连，所述变频器71输出端与交流主推进电动机15相连，所述驱动控制保护电路10分别与DC/DC接口变换器6、变频器71相连，所述第一DC/AC逆变器81的一端与直流母线1相连，第一DC/AC逆变器81的另一端与交流负载14相连，所述直流负载13与直流母线1相连；
交流母线交流电力推进主电源系统，包括直流母线1、交流母线101、主锂离子电池组2、后备锂离子电池组3、电池管理系统BMS 34、超级电容器组4、充电装置5、DC/DC接口变换器6、变频器71、DC/AC逆变器8、驱动控制保护电路10、直流负载13、交流负载14、交流主推进电动机15、AC/AC电压变换器16；所述主锂离子电池组2、后备锂离子电池组3与直流母线1相连，所述充电装置5分别与主锂离子电池组2、后备锂离子电池组3相连，为主锂离子电池组2、后备锂离子电池组3充电，所述电池管理系统BMS 34分别与主锂离子电池组2、后备锂离子电池组3相连，所述DC/DC接口变换器6的一端与直流母线1相连，DC/DC接口变换器6的另一端与超级电容器组4相连，所述交流母线101通过DC/AC逆变器8与直流母线1相连，所述交流负载14通过AC/AC电压变换器16与交流母线101相连，所述变频器71的输入端与交流母线101相连，变频器71的输出端与交流主推进电动机15相连，所述驱动控制保护电路10分别与DC/DC接口变换器6、变频器71相连，所述直流负载13与直流母线1相连。
本发明的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现：
前述电动船混合主电源系统，还包括主备蓄电池组热备用电路，主备蓄电池组热备用电路包括直流母线1、主锂离子电池组2、后备锂离子电池组3、超级电容器组4、DC/DC接口变换器6、断路器1Q、断路器2Q，所述主锂离子电池组2经断路器1Q与直流母线1相连，所述后备锂离子电池组3经断路器2Q与直流母线1相连，所述直流母线1与DC/DC接口变换器6相连，所述DC/DC接口变换器6与超级电容器组4相连，主备蓄电池组热备用电路控制电路，包括熔断器1FU、熔断器2FU、熔断器3FU、熔断器4FU、主令开关1S、主令开关2S、中间继电器K、断路器1Q失压脱扣线圈1T、断路器2Q失压脱扣线圈2T，所述熔断器1FU的进线端接主锂离子电池组2的正极，熔断器1FU的出线端经主令开关1S、断路器2Q的常闭辅助触点、断路器1Q的线圈、熔断器2FU接主锂离子电池组2的负极，所述断路器1Q的常开辅助触点与断路器1Q失压脱扣线圈1T串联，串联电路的两端分别连接熔断器1FU、熔断器2FU的出线端，所述中间继电器K的线圈两端分别连接熔断器1FU、熔断器2FU的出线端，所述熔断器3FU的进线端接后备锂离子电池组3正极，熔断器3FU的出线端经中间继电器K的常闭触点、主令开关2S、断路器1Q的常闭辅助触点、断路器2Q的线圈、熔断器4FU接后备锂离子电池组3的负极，所述断路器2Q的常闭辅助触点的一端接于中间继电器K常闭触点和主令开关2S之间，断路器2Q的常闭辅助触点的另一端串联断路器2Q失压脱扣线圈2T后接熔断器4FU的出线端。
前述电动船混合主电源系统，其中DC/DC接口变换器6选用双向型，在直流母线与超级电容器组之间进行双向能量传输，其功率、电压与超级电容器组的功率、电压相匹配；
DC/DC接口变换器6根据超级电容器组与直流母线的动态电压变化，自动控制超级电容器组进行充/放电；
DC/DC接口变换器6对超级电容器组的荷电状况进行管理，根据混合主电源电力系统的实时功率状况，自动控制超级电容器组的充/放电的电流大小和速度，能对直流母线进行补偿和提供瞬间峰值功率；
DC/DC接口变换器6在直流母线和超级电容器组之间进行功率分配，即负载正常平稳功率由锂离子电池组供电，由超级电容器进行功率补偿提高电网稳定性，出现瞬间峰值功率由超级电容器组提供功率减小电网波动；
DC/DC接口变换器6设置超级电容器的响应灵敏度，按主推进的技术要求，当出现瞬间峰值功率时，超级电容器的动态响应时间应符合混合主电源保持稳定的要求；
DC/DC接口变换器6对超级电容器组进行监测，显示超级电容器组的运行参数，并提供远程监测接口；
DC/DC接口变换器6对超级电容器组的短踣、过流、过压、过温、绝缘故障进行保护、报警和提供远程报警接口。
前述电动船混合主电源系统，其中DC/DC功率变换器7，采用升/降压式或库克式电路，将直流母线1上的直流输入电压，变换成可控的直流输出电压，对直流主推进电机12进行正、反转控制与无级调速，其直流输出额定功率，按直流主推进电机额定功率的125％选配；
DC/DC功率变换器7的输入额定电压与直流母线1的额定电压相同，输出电压按直流主推进电机12额定电压U的0～±1.06之间无级可调，电压调整率≤1％；
DC/DC功率变换器7输出直流电压的调节按直流主推进系统的技术要求设定，从0～+1.06U、+1.06U～0、0～－1.06U、－1.06U～0的调节时间，确保直流推进电机在倒、顺车时，能进行无级变速和平稳、快速的控制；
DC/DC功率变换器7上设置就地和遥控两种控制模式，对直流主推进电机进行控制，两种控制模式可任意选择其中之一，并设置遥控的接口；
当直流主推进系统负载超过混合主电源承受功率时，DC/DC功率变换器7对推进功率进行限制；
DC/DC功率变换器7对主推进系统的运行参数就地显示，并提供远程监测接口；
DC/DC功率变换器7按船舶建造规范对直流推进系统的要求，对直流主推进系统进行安全保护；
DC/DC功率变换器7对主推进系统的故障进行报警，并提供远程报警接口；
当直流主推进电动机因制动、风浪等原因出现再生发电时，通过DC/DC接口变换器控制超级电容器组吸收再生能量。
前述电动船混合主电源系统，还包括DC/DC电压变换器17，所述DC/DC电压变换器17接在直流母线1和直流负载13之间，所述DC/DC电压变换器17将直流母线1上电源变换成直流负载13所需直流电源，采用模块化开关电源，其直流额定输出功率，按直流负载13负荷总功率的110％选配；
DC/DC电压变换器17的直流输入额定电压与直流母线的额定电压相同，输出直流额定电压按直流负载13的额定电压设定，并控制输出直流电压的偏差在额定电压的±1％以内，电压调整率≤0.5％；
DC/DC电压变换器17对直流供电线路的短路、过流、过压、欠压、绝缘故障进行保护；
DC/DC电压变换器17就地显示运行参数，并提供远程监测接口；
对DC/DC电压变换器17与直流供电线路的故障进行报警，并提供远程报警接口。
前述电动船混合主电源系统，其中DC/AC逆变器8、第一DC/AC逆变器81、第二DC/AC逆变器82输出电源均为标准正弦波形，电制为三相三线绝缘系统；
DC/AC逆变器8输出交流额定功率按全船交流总负载功率的115％选配，输入直流额定电压按直流母线额定电压设定，输出交流额定电压与频率按交流电力推进电机的额定电压与频率设定，自空载至满载之间的任一负载时功率因数保持额定值，输出的交流电源按下列要求设置：电压变化率不超过额定电压的±2％、电压调整率≤±5％、频率稳定度≤±1％、波形失真度≤5％；
向交流电力主推进供电的第二DC/AC逆变器82，交流输出额定功率按交流电力主推进负载功率的125％选配，输出额定电压与频率按交流电力推进电机的额定电压与频率设定，自空载至满载之间的任一负载时功率因数保持额定值，输出的交流电源按下列要求设置：电压变化率不超过额定电压的±1％、电压调整率≤±5％、频率稳定度≤±1％、波形失真度≤5％；
向其它交流电力负载供电的第一DC/AC逆变器81，输出交流额定功率按交流负载14合计功率的105％选配，输入直流额定电压按直流母线额定电压设定，输出交流额定电压与频率按交流负载14的额定电压与频率设定，自空载至满载之间的任一负载时功率因数保持额定值，输出的交流电源按下列要求设置：电压变化率不超过额定电压的±2.5％、电压调整率≤±5％、频率稳定度≤±1％、波形失真度≤5％；
DC/AC逆变器8、第一DC/AC逆变器81、第二DC/AC逆变器82对短路、过流、过压、欠压、接地、过温进行保护；
DC/AC逆变器8、第一DC/AC逆变器81、第二DC/AC逆变器82均就地显示运行参数，并提供远程监测接口，对故障过行报警，并提供远程报警接口。
前述电动船混合主电源系统，变频器71采用IGBT/WPS电路方式，控制交流主推进电机的正、反转和无级调速，在100％主推进负载突加或突卸时，输出电压有效值瞬间变化率≤5％，并在≤0.5秒时间内恢复到原输出电压值；
变频器71的额定功率按交流电力主推进负载功率的120％选配，交流输入额定电压与频率，按交流电力推进电机的额定电压UM与频率fm设定，交流输出按下列要求设定：电压从0～UM连续可调、频率从0～fm连续可调，频率稳定度≤0.01％，负载稳压率≤1％，波形失真率≤5％；
变频器71设置按交流主推进负载电流大小和相位的转差补偿，确保交流主推进电机在各种运行条件下都能输出足够的转矩，以便船舶能在以最大营运航速航行时，在合理的时间内停止或后退；
按交流主推进系统的技术要求，设置变频器71输出的三相交流电源变换相序的时间，确保交流主推进在倒、顺车时，能进行无级变速和平稳、快速的控制；
变频器71上设置就地和遥控两种控制模式，对交流主推进电机进行控制，两种控制模式可任意选择其中之一，并提供遥控接口；
变频器71外部设有输入短路保护，在变频器71内部设有变频器及交流推进电机的短路、过流、过温、绝缘保护；
变频器71就地显示变频器的输出相序与运行参数，并提供远程监测接口；
变频器71按船舶建规范对交流推进系统设置报警功能，并提供远程报警接口。
前述电动船混合主电源系统，其中AC/AC电压变换器16，可采用隔离型电压变换器，也可采用隔离型船用变压器；AC/AC电压变换器16的额定功率，按交流负载计算负荷总功率的110％选配；
AC/AC电压变换器16输出三相交流电源的电压及频率应与交流负载的额定电压与频率相匹配，输出电压偏离额定值在+6％、－10％范围内，频率偏离额定值在±0.5％范围内；
AC/AC电压变换器16对短路、过流、过压、欠压、接地、过温进行保护与提供报警；AC/AC电压变换器16显示AC/AC电压变换器或变压器的运行参数。
前述电动船混合主电源系统的控制方法，包括：
在直流母线直流电力推进主电源系统中，驱动控制保护电路10对直流电力推进系统的运行参数进行采集，按主推进的技术要求对DC/DC功率变换器7进行驱动控制；对直流主推进电动机12进行监测与保护；当检测到锂离子电池组的可用功率不足以提供推进所需要功率时，通过DC/DC接口变换器6控制超级电容器组4向直流母线1提供功率；控制DC/DC功率变换器7对推进功率进行限制；当直流主推进电动机12因制动或风浪出现再生发电时，通过DC/DC接口变换器6控制超级电容器组4对再生电能进行回收；
在直流母线交流电力推进主电源系统和交流母线交流电力推进主电源系统中，驱动控制保护电路10对交流电力推进系统的运行参数进行采集，按主推进的技术要求对变频器71进行驱动控制；对交流主推进电动机15进行监测与保护；当检测到锂离子电池组的可用功率不足以提供推进所需功率时，通过DC/DC接口变换器6控制超级电容器组4向直流母线1提供功率；控制变频器71对推进功率进行限制；当交流主推进电动机15因制动或风浪出现再生发电时，通过DC/DC接口变换器6控制超级电容器组4对再生电能进行回收。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用具有功率密度高、充电时间短、瞬间输出功率大、可吸收再生能量等特点的超级电容器和锂离子电池组成混合主电源，利用各自的特性实行优势互补，从而减轻锂离子电池负担，延长其使用寿命和起到稳定船舶电网的作用。本发明提供了电动船主电源系统结构，以及主电源系统中的主备锂离子电池组热备用的方法和综合优化匹配方法。
附图说明
图1是直流母线直流电力推进主电源系统电路结构图；
图2是直流母线交流电力推进主电源系统电路结构图；
图3是交流母线交流电力推进主电源系统电路结构图；
图4是主/备锂离子电池组热备用控制原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
在船电负载中，机舱机械、甲板机械、日用电器等负载，基本上是由交流电源供电；照明系统可采用交流或直流电源供电；通讯、导航、报警等负载应由交、直流两路电源供电；只有主推进系统因船而异。因此，需设计不同的混合主电源系统结构方案，满足电动船的不同电力推进供电需求，发明了以下几种混合主电源系统结构方案。本发明的电动船混合主电源系统，由超级电容器组4和主锂离子电池组2组成混合主电源，由DC/DC接口变换器6和超级电容器组4组合为集成储能装置。
电动船混合主电源系统分为三种结构，其中直流母线直流电力推进主电源系统，如图1所示，直流母线直流电力推进主电源系统，包括直流母线1、主锂离子电池组2、后备锂离子电池组3、电池管理系统BMS 34、超级电容器组4、充电装置5、DC/DC接口变换器6、DC/DC功率变换器7、DC/AC逆变器8、驱动控制保护电路10、直流主推进电动机12、直流负载13、交流负载14；所述主锂离子电池组2、后备锂离子电池组3与直流母线1相连，所述充电装置5分别与主锂离子电池组2、后备锂离子电池组3相连，为主锂离子电池组2、后备锂离子电池组3充电，所述电池管理系统BMS 34分别与主锂离子电池组2、后备锂离子电池组3相连，所述DC/DC接口变换器6的一端与直流母线1相连，DC/DC接口变换器6的另一端与超级电容器组4相连，所述DC/DC功率变换器7的输入端与直流母线1相连，DC/DC功率变换器7的输出端与直流主推进电动机12相连，所述驱动控制保护电路10分别与DC/DC接口变换器6、DC/DC功率变换器7相连，所述直流负载13与直流母线1相连，所述DC/AC逆变器8的一端与直流母线1相连，DC/AC逆变器8的另一端与交流负载14相连。
直流电力主推进的特点是直流电机调速范围广，制动和过载转矩大，易于控制、可靠性高。主、备锂离子电池组由同一充电装置对其充电；主、备锂离子电池组互为热备用向直流母线供电；主、备锂离子电池组由电池管理系统BMS按船舶建造规范的要求进行管理、保护与控制；超级电容器通过DC/DC接口变换器并联在直流母线上，由DC/DC接口变换器根据实时工况控制超级电容器的充电与放电；由DC/DC电压变换器将直流母线的电压变换成直流负载所需要的直流电压并向其供电，如果直流负载的电压与直流母线的电压为同一等级，DC/DC电压变换器也可省略。由DC/AC逆变器将直流电源变换成交流负载所需要的交流电源并向其供电；由DC/DC功率变换器将直流母线上不控的直流输入电压，变换成可控的直流输出电压，对直流主推进电机进行正、反转控制与无级调速；在DC/DC接口变换器与DC/DC功率变换器之间，设有驱动控制保护装置，主要功能为：①对直流电力推进系统的运行参数进行采集，按主推进的技术要求对DC/DC功率变换器进行驱动控制；②对推进电机进行监测与保护；③当检测到锂离子电池组的可用功率不足以提供推进所需要功率时，通过DC/DC接口变换器控制超级电容器向直流母线提供功率；④控制DC/DC功率变换器对推进功率进行限制；⑤当主推进电机因制动或风浪出现再生发电时，通过DC/DC接口变换器控制超级电容器对再生电能进行回收。
如图2所示，直流母线交流电力推进主电源系统，包括直流母线1、主锂离子电池组2、后备锂离子电池组3、电池管理系统BMS 34、超级电容器组4、充电装置5、DC/DC接口变换器6、变频器71、第一DC/AC逆变器81、第二DC/AC逆变器82、驱动控制保护电路10、直流负载13、交流负载14、交流主推进电动机15；所述主锂离子电池组2、后备锂离子电池组3与直流母线1相连，所述充电装置5分别与主锂离子电池组2、后备锂离子电池组3相连，为主锂离子电池组2、后备锂离子电池组3充电，所述电池管理系统BMS 34分别与主锂离子电池组2、后备锂离子电池组3相连，所述DC/DC接口变换器6的一端与直流母线1相连，DC/DC接口变换器6的另一端与超级电容器组4相连，所述第二DC/AC逆变器82的一端与直流母线1相连，第二DC/AC逆变器82的另一端与变频器71输入端相连，所述变频器71输出端与交流主推进电动机15相连，所述驱动控制保护电路10分别与DC/DC接口变换器6、变频器71相连，所述第一DC/AC逆变器81的一端与直流母线1相连，第一DC/AC逆变器81的另一端与交流负载14相连，所述直流负载13与直流母线1相连。
交流电力推进电机与直流电机相比，具有效率高、体积较小、维护保养方便、功率不受设备选型限制等优点，而且采用变频器对交流主推进电机进行无级调速控制，技术成熟，控制线路简化，使用比较方便。
在本方案中采用由两台逆变器，将从直流母线输入的直流电源变成交流电源，分别向交流电力推进系统和其它交流负载供电，从而可满足不同电压等级的交流负载需求。主、备锂离子电池组由同一充电装置对其充电；主、备锂离子电池组互为热备用向直流母线供电；主、备锂离子电池组由电池管理系统BMS按船舶建造规范的要求进行管理、保护与控制；超级电容器通过DC/DC接口变换器与直流母线并联，由DC/DC接口变换器根据实时工况控制超级电容器的充电与放电。由DC/DC电压变换器将直流母线的电压变换成直流负载所需要的电压并向其供电，如果直流负载的电压与直流母线的电压为同一等级，该DC/DC电压变换器也可省略；由DC/AC逆变器将直流母线的电压变换成其它交流负载相匹配的交流电源并向其供电；由DC/AC逆变器将直流母线的直流电源，变换成与交流电力推进系统相相匹配的交流电源并向其供电；f1/f2变频器对交流主推进电机进行正、反转及无级调速控制；在DC/DC接口变换器与DC/AC逆变器之间设有驱动控制保护装置，主要功能为：①对交流电力推进系统的运行参数进行采集，按主推进的技术要求对f1/f2变频器进行驱动控制；②对推进电机进行监测与保护；③当检测到锂离子电池组的可用功率不足以提供推进所需功率时，通过DC/DC接口变换器控制超级电容器向直流母线提供功率；④控制f1/f2变频器对推进功率进行限制；⑤当主推进电机因制动或风浪出现再生发电时，通过DC/DC接口变换器控制超级电容器对再生电能进行回收。
如图3所示，交流母线交流电力推进主电源系统，包括直流母线1、交流母线101、主锂离子电池组2、后备锂离子电池组3、电池管理系统BMS 34、超级电容器组4、充电装置5、DC/DC接口变换器6、变频器71、DC/AC逆变器8、驱动控制保护电路10、直流负载13、交流负载14、交流主推进电动机15、AC/AC电压变换器16；所述主锂离子电池组2、后备锂离子电池组3与直流母线1相连，所述充电装置5分别与主锂离子电池组2、后备锂离子电池组3相连，为主锂离子电池组2、后备锂离子电池组3充电，所述电池管理系统BMS 34分别与主锂离子电池组2、后备锂离子电池组3相连，所述DC/DC接口变换器6的一端与直流母线1相连，DC/DC接口变换器6的另一端与超级电容器组4相连，所述交流母线101通过DC/AC逆变器8与直流母线1相连，所述交流负载14通过AC/AC电压变换器16与交流母线101相连，所述变频器71的输入端与交流母线101相连，变频器71的输出端与交流主推进电动机15相连，所述驱动控制保护电路10分别与DC/DC接口变换器6、变频器71相连，所述直流负载13与直流母线1相连。
因交流电力推进有较多的优点，若再采用混合主电源交流母线电力系统供电，将更具备更良好的工作性能和易于推广应用。本方案采用一台公用DC/AC逆变器将直流电源变成三相交流电源向交流母线供电，交流电力推进系统和其它交流负载全部从交流母线上接取电源，具有更大的可用性。主、备锂离子电池组由同一充电装置对其充电；主、备锂离子电池组互为热备用向直流母线供电；主、备锂离子电池组由电池管理系统BMS按船舶建造规范的要求进行管理、保护与控制；超级电容器通过DC/DC接口变换器与直流母线并联，由DC/DC接口变换器根据实时工况控制超级电容器的充电与放电。由DC/DC电压变换器将直流母线的电压变换成直流负载所需要的电压并向其供电，如果直流负载的电压与直流母线的电压为同一等级，该DC/DC电压变换器也可省略；公用DC/AC逆变器输出正弦波形三相交流电压接到交流母线上，其电压与频率与交流主推进系统的额定电压及频率相匹配，以便可以直接向交流主推进系统供电；如果其它交流负载的电压与交流母线的电压等级不相同，可通过AC/AC电压变换器(或三相船用变压器)向其供电；通过f1/f2变频器对交流主推进电动机进行正、反转与无级调速控制；在DC/DC接口变换器与f1/f2变频器之间设有驱动控制保护装置，主要功能为：①对交流电力推进系统的运行参数进行采集，按主推进的技术要求对f1/f2变频器进行驱动控制；②对推进电机进行监测与保护；③当检测到锂离子电池组的可用功率不足以提供推进所需要功率时，通过DC/DC接口变换器控制超级电容器向直流母线提供功率；④控制f1/f2变频器对推进功率进行限制；⑤当主推进电机因制动或风浪出现再生发电时，通过DC/DC接口变换器控制超级电容器对再生电能进行回收。
前述电动船混合主电源系统，其中DC/DC接口变换器6选用双向型，在直流母线与超级电容器组之间进行双向能量传输，其功率、电压与超级电容器组的功率、电压相匹配；DC/DC接口变换器6根据超级电容器组与直流母线的动态电压变化，自动控制超级电容器组进行充/放电；DC/DC接口变换器6对超级电容器组的荷电状况进行管理，根据混合主电源电力系统的实时功率状况，自动控制超级电容器组的充/放电的电流大小和速度，能对直流母线进行补偿和提供瞬间峰值功率；DC/DC接口变换器6在直流母线和超级电容器组之间进行功率分配，即负载正常平稳功率由锂离子电池组供电，由超级电容器进行功率补偿提高电网稳定性，出现瞬间峰值功率由超级电容器组提供功率减小电网波动；DC/DC接口变换器6设置超级电容器的响应灵敏度，按主推进的技术要求，当出现瞬间峰值功率时，超级电容器的动态响应时间应符合混合主电源保持稳定的要求；DC/DC接口变换器6对超级电容器组进行监测，显示超级电容器组的运行参数，并提供远程监测接口；DC/DC接口变换器6对超级电容器组的短踣、过流、过压、过温、绝缘故障进行保护、报警和提供远程报警接口。
前述电动船混合主电源系统，其中DC/DC功率变换器7，采用升/降压式或库克式电路，将直流母线1上的直流输入电压，变换成可控的直流输出电压，对直流主推进电机12进行正、反转控制与无级调速，其直流输出额定功率，按直流主推进电机额定功率的125％选配；DC/DC功率变换器7的输入额定电压与直流母线1的额定电压相同，输出电压按直流主推进电机12额定电压U的0～±1.06之间无级可调，电压调整率≤1％；DC/DC功率变换器7输出直流电压的调节按直流主推进系统的技术要求设定，从0～+1.06U、+1.06U～0、0～－1.06U、－1.06U～0的调节时间，确保直流推进电机在倒、顺车时，能进行无级变速和平稳、快速的控制；DC/DC功率变换器7上设置就地和遥控两种控制模式，对直流主推进电机进行控制，两种控制模式可任意选择其中之一，并设置遥控的接口；当直流主推进系统负载超过混合主电源承受功率时，DC/DC功率变换器7对推进功率进行限制；DC/DC功率变换器7对主推进系统的运行参数就地显示，并提供远程监测接口；DC/DC功率变换器7按船舶建造规范对直流推进系统的要求，对直流主推进系统进行安全保护；DC/DC功率变换器7对主推进系统的故障进行报警，并提供远程报警接口；当直流主推进电动机因制动、风浪等原因出现再生发电时，通过DC/DC接口变换器控制超级电容器组吸收再生能量。
前述电动船混合主电源系统，还包括DC/DC电压变换器17，所述DC/DC电压变换器17接在直流母线1和直流负载13之间，所述DC/DC电压变换器17将直流母线1上电源变换成直流负载13所需直流电源，采用模块化开关电源，其直流额定输出功率，按直流负载13负荷总功率的110％选配；DC/DC电压变换器17的直流输入额定电压与直流母线的额定电压相同，输出直流额定电压按直流负载13的额定电压设定，并控制输出直流电压的偏差在额定电压的±1％以内，电压调整率≤0.5％；DC/DC电压变换器17对直流供电线路的短路、过流、过压、欠压、绝缘故障进行保护；DC/DC电压变换器17就地显示运行参数，并提供远程监测接口；对DC/DC电压变换器17与直流供电线路的故障进行报警，并提供远程报警接口。
前述电动船混合主电源系统，其中DC/AC逆变器8、第一DC/AC逆变器81、第二DC/AC逆变器82输出电源均为标准正弦波形，电制为三相三线绝缘系统；DC/AC逆变器8输出交流额定功率按全船交流总负载功率的115％选配，输入直流额定电压按直流母线额定电压设定，输出交流额定电压与频率按交流电力推进电机的额定电压与频率设定，自空载至满载之间的任一负载时功率因数保持额定值，输出的交流电源按下列要求设置：电压变化率不超过额定电压的±2％、电压调整率≤±5％、频率稳定度≤±1％、波形失真度≤5％；向交流电力主推进供电的第二DC/AC逆变器82，交流输出额定功率按交流电力主推进负载功率的125％选配，输出额定电压与频率按交流电力推进电机的额定电压与频率设定，自空载至满载之间的任一负载时功率因数保持额定值，输出的交流电源按下列要求设置：电压变化率不超过额定电压的±1％、电压调整率≤±5％、频率稳定度≤±1％、波形失真度≤5％；向其它交流电力负载供电的第一DC/AC逆变器81，输出交流额定功率按交流负载14合计功率的105％选配，输入直流额定电压按直流母线额定电压设定，输出交流额定电压与频率按交流负载14的额定电压与频率设定，自空载至满载之间的任一负载时功率因数保持额定值，输出的交流电源按下列要求设置：电压变化率不超过额定电压的±2.5％、电压调整率≤±5％、频率稳定度≤±1％、波形失真度≤5％；DC/AC逆变器8、第一DC/AC逆变器81、第二DC/AC逆变器82对短路、过流、过压、欠压、接地、过温进行保护；DC/AC逆变器8、第一DC/AC逆变器81、第二DC/AC逆变器82均就地显示运行参数，并提供远程监测接口，对故障过行报警，并提供远程报警接口。
前述电动船混合主电源系统，变频器71采用IGBT/WPS电路方式，控制交流主推进电机的正、反转和无级调速，在100％主推进负载突加或突卸时，输出电压有效值瞬间变化率≤5％，并在≤0.5秒时间内恢复到原输出电压值；变频器71的额定功率按交流电力主推进负载功率的120％选配，交流输入额定电压与频率，按交流电力推进电机的额定电压UM与频率fm设定，交流输出按下列要求设定：电压从0～UM连续可调、频率从0～fm连续可调，频率稳定度≤0.01％，负载稳压率≤1％，波形失真率≤5％；变频器71设置按交流主推进负载电流大小和相位的转差补偿，确保交流主推进电机在各种运行条件下都能输出足够的转矩，以便船舶能在以最大营运航速航行时，在合理的时间内停止或后退；按交流主推进系统的技术要求，设置变频器71输出的三相交流电源变换相序的时间，确保交流主推进在倒、顺车时，能进行无级变速和平稳、快速的控制；变频器71上设置就地和遥控两种控制模式，对交流主推进电机进行控制，两种控制模式可任意选择其中之一，并提供遥控接口；变频器71外部设有输入短路保护，在变频器71内部设有变频器及交流推进电机的短路、过流、过温、绝缘保护；变频器71就地显示变频器的输出相序与运行参数，并提供远程监测接口；变频器71按船舶建规范对交流推进系统设置报警功能，并提供远程报警接口。
前述电动船混合主电源系统，其中AC/AC电压变换器16，可采用隔离型电压变换器，也可采用隔离型船用变压器；AC/AC电压变换器16的额定功率，按交流负载计算负荷总功率的110％选配；AC/AC电压变换器16输出三相交流电源的电压及频率应与交流负载的额定电压与频率相匹配，输出电压偏离额定值在+6％、－10％范围内，频率偏离额定值在±0.5％范围内；AC/AC电压变换器16对短路、过流、过压、欠压、接地、过温进行保护与提供报警；AC/AC电压变换器16显示AC/AC电压变换器或变压器的运行参数。
按船舶建造规范要求“自航船舶应至少设置两组主电源装置”。因此，在混合主电源中设置了两组锂离子电池向主配电板的直流母线供电，一组主锂离子电池和一组后备锂离子电池互为热备用。主锂离子电池组为主供电源，当主锂离子电池组无论何因退出向直流母线供电时，自动切换到由后备锂离子电池组向直流母线供电；当主锂离子电池组恢复正常后，后备锂离子电池组自动退出，自动切换到由主锂离子电池组向直流母线供电；主、备锂离子电池组热备用电路中采用断路器自动控制切换，同时对主、备锂离子电池组进行短路、过流、欠压保护；在主、备锂离子电池组切换的瞬间，由超级电容器向直流母线供电，确保混合主电源连续供电。
主/备锂离子电池组热备用控制原理，如图4所示。断路器1Q、2Q为电动合闸断路器，具有短路、过流保护与欠压脱扣功能，断路器的额定电压和额定电流按所在电路的锂离子电池组标称电压和标称容量配置，断路器操作电源由所在电路的锂离子电池组提供，断路器的用途为对锂离子电池主电路进行控制与保护；熔断器1FU、2FU、3FU、4FU均为小型熔断器(额定电流6A)，用途为对控制电路进行保护；1S、2S为主令开关(额定电流5A)，用途为接通或断开控制电路；K为中间继电器(额定电压与断路器控制电压相同，额定电流5A)，用途为控制主蓄电池组优先供电。
主备蓄电池组热备用电路包括直流母线1、主锂离子电池组2、后备锂离子电池组3、超级电容器组4、DC/DC接口变换器6、断路器1Q、断路器2Q，所述主锂离子电池组2经断路器1Q与直流母线1相连，所述后备锂离子电池组3经断路器2Q与直流母线1相连，所述直流母线1与DC/DC接口变换器6相连，所述DC/DC接口变换器6与超级电容器组4相连，主备蓄电池组热备用电路控制电路，包括熔断器1FU、熔断器2FU、熔断器3FU、熔断器4FU、主令开关1S、主令开关2S、中间继电器K、断路器1Q失压脱扣线圈1T、断路器2Q失压脱扣线圈2T，所述熔断器1FU的进线端接主锂离子电池组2的正极，熔断器1FU的出线端经主令开关1S、断路器2Q的常闭辅助触点、断路器1Q的线圈、熔断器2FU接主锂离子电池组2的负极，所述断路器1Q的常开辅助触点与断路器1Q失压脱扣线圈1T串联，串联电路的两端分别连接熔断器1FU、熔断器2FU的出线端，所述中间继电器K的线圈两端分别连接熔断器1FU、熔断器2FU的出线端，所述熔断器3FU的进线端接后备锂离子电池组3正极，熔断器3FU的出线端经中间继电器K的常闭触点、主令开关2S、断路器1Q的常闭辅助触点、断路器2Q的线圈、熔断器4FU接后备锂离子电池组3的负极，所述断路器2Q的常闭辅助触点的一端接于中间继电器K常闭触点和主令开关2S之间，断路器2Q的常闭辅助触点的另一端串联断路器2Q失压脱扣线圈2T后接熔断器4FU的出线端。主/备锂离子电池组热备用控制原理:
⑴当主/备锂离子电池组充电完成后，依次合上主令开关1S、2S；
⑵因1S先合，断路器1Q合闸线圈首先得电，断路器1Q合闸，主锂离子电池组向直流母排供电，同时中间继电器K吸合，其动断触头断开断路器2Q合闸回路，断路器1Q动合辅助触头闭合，使1Q的失压脱扣线圈1T得电，1Q动断辅助触头断开2Q合闸回路；
⑶2Q合闸回路被K的动断触头与1Q动断辅助触头切断，2Q无法合闸，后备锂离子电池组处于热备用状态；
⑷因任何原因造成1Q分闸时，K的动断触头与1Q的动断辅助触头复位，使2Q合闸线圈得电，2Q合闸，后备锂离子电池组向直流母排供电，同时2Q动合辅助触头闭合使2Q的失压脱扣线圈2T得电，2Q的动断辅助触头切断1Q合闸回路；
⑸当主锂离子电池组恢复正常后，K得电吸合其动断触头断开2Q的失压线圈2T的电源，2Q分闸，后备锂离子电池组停止向直流母排供电，2Q动断辅助触头复位，使1Q合闸线圈得电，1Q合闸，主锂离子电池组恢复向直流母排供电，同时1Q动合辅助触头接通1Q的失压脱扣线圈1T。
⑹1Q与2Q的动作时间约≤0.5秒，因有超级电容器通过DC/DC接口变换器并联在主配电板的直流母线上，在主锂离子电池组与后备锂离子电池组自动切换过程中，超级电容器对直流母线放电，确保主配电板不失电。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种电动船混合主电源系统，其特征在于，由超级电容器组和主锂离子电池组组成混合主电源，由DC/DC接口变换器和超级电容器组组合为集成储能装置，电动船混合主电源系统分为三种结构，其中：
直流母线直流电力推进主电源系统，包括直流母线、主锂离子电池组、后备锂离子电池组、电池管理系统BMS、超级电容器组、充电装置、DC/DC接口变换器、DC/DC功率变换器、DC/AC逆变器、驱动控制保护电路、直流主推进电动机、直流负载、交流负载；所述主锂离子电池组、后备锂离子电池组与直流母线相连，所述充电装置分别与主锂离子电池组、后备锂离子电池组相连，为主锂离子电池组、后备锂离子电池组充电，所述电池管理系统BMS分别与主锂离子电池组、后备锂离子电池组相连，所述DC/DC接口变换器的一端与直流母线相连，DC/DC接口变换器的另一端与超级电容器组相连，所述DC/DC功率变换器的输入端与直流母线相连，DC/DC功率变换器的输出端与直流主推进电动机相连，所述驱动控制保护电路分别与DC/DC接口变换器、DC/DC功率变换器相连，所述直流负载与直流母线相连，所述DC/AC逆变器的一端与直流母线相连，DC/AC逆变器的另一端与交流负载相连；
直流母线交流电力推进主电源系统，包括直流母线、主锂离子电池组、后备锂离子电池组、电池管理系统BMS、超级电容器组、充电装置、DC/DC接口变换器、变频器、第一DC/AC逆变器、第二DC/AC逆变器、驱动控制保护电路、直流负载、交流负载、交流主推进电动机；所述主锂离子电池组、后备锂离子电池组与直流母线相连，所述充电装置分别与主锂离子电池组、后备锂离子电池组相连，为主锂离子电池组、后备锂离子电池组充电，所述电池管理系统BMS分别与主锂离子电池组、后备锂离子电池组相连，所述DC/DC接口变换器的一端与直流母线相连，DC/DC接口变换器的另一端与超级电容器组相连，所述第二DC/AC逆变器的一端与直流母线相连，第二DC/AC逆变器的另一端与变频器输入端相连，所述变频器输出端与交流主推进电动机相连，所述驱动控制保护电路分别与DC/DC接口变换器、变频器相连，所述第一DC/AC逆变器的一端与直流母线相连，第一DC/AC逆变器的另一端与交流负载相连，所述直流负载与直流母线相连；
交流母线交流电力推进主电源系统，包括直流母线、交流母线、主锂离子电池组、后备锂离子电池组、电池管理系统BMS、超级电容器组、充电装置、DC/DC接口变换器、变频器、DC/AC逆变器、驱动控制保护电路、直流负载、交流负载、交流主推进电动机、AC/AC电压变换器；所述主锂离子电池组、后备锂离子电池组与直流母线相连，所述充电装置分别与主锂离子电池组、后备锂离子电池组相连，为主锂离子电池组、后备锂离子电池组充电，所述电池管理系统BMS分别与主锂离子电池组、后备锂离子电池组相连，所述DC/DC接口变换器的一端与直流母线相连，DC/DC接口变换器的另一端与超级电容器组相连，所述交流母线通过DC/AC逆变器与直流母线相连，所述交流负载通过AC/AC电压变换器与交流母线相连，所述变频器的输入端与交流母线相连，变频器的输出端与交流主推进电动机相连，所述驱动控制保护电路分别与DC/DC接口变换器、变频器相连，所述直流负载与直流母线相连；
电动船混合主电源系统还包括主备蓄电池组热备用电路，主备蓄电池组热备用电路包括直流母线、主锂离子电池组、后备锂离子电池组、超级电容器组、DC/DC接口变换器、断路器1Q、断路器2Q，所述主锂离子电池组经断路器1Q与直流母线相连，所述后备锂离子电池组经断路器2Q与直流母线相连，所述直流母线与DC/DC接口变换器相连，所述DC/DC接口变换器与超级电容器组相连，主备蓄电池组热备用电路控制电路，包括熔断器1FU、熔断器2FU、熔断器3FU、熔断器4FU、主令开关1S、主令开关2S、中间继电器K、断路器1Q失压脱扣线圈1T、断路器2Q失压脱扣线圈2T，所述熔断器1FU的进线端接主锂离子电池组的正极，熔断器1FU的出线端经主令开关1S、断路器2Q的常闭辅助触点、断路器1Q的线圈、熔断器2FU接主锂离子电池组的负极，所述断路器1Q的常开辅助触点与断路器1Q失压脱扣线圈1T串联，串联电路的两端分别连接熔断器1FU、熔断器2FU的出线端，所述中间继电器K的线圈两端分别连接熔断器1FU、熔断器2FU的出线端，所述熔断器3FU的进线端接后备锂离子电池组正极，熔断器3FU的出线端经中间继电器K的常闭触点、主令开关2S、断路器1Q的常闭辅助触点、断路器2Q的线圈、熔断器4FU接后备锂离子电池组的负极，所述断路器2Q的常闭辅助触点的一端接于中间继电器K常闭触点和主令开关2S之间，断路器2Q的常闭辅助触点的另一端串联断路器2Q失压脱扣线圈2T后接熔断器4FU的出线端；
所述DC/DC接口变换器选用双向型，在直流母线与超级电容器组之间进行双向能量传输，其功率、电压与超级电容器组的功率、电压相匹配；
DC/DC接口变换器根据超级电容器组与直流母线的动态电压变化，自动控制超级电容器组进行充/放电；
DC/DC接口变换器对超级电容器组的荷电状况进行管理，根据混合主电源电力系统的实时功率状况，自动控制超级电容器组的充/放电的电流大小和速度，能对直流母线进行补偿和提供瞬间峰值功率；
DC/DC接口变换器在直流母线和超级电容器组之间进行功率分配，即负载正常平稳功率由锂离子电池组供电，由超级电容器进行功率补偿提高电网稳定性，出现瞬间峰值功率由超级电容器组提供功率减小电网波动；
DC/DC接口变换器设置超级电容器的响应灵敏度，按主推进的技术要求，当出现瞬间峰值功率时，超级电容器的动态响应时间应符合混合主电源保持稳定的要求；
DC/DC接口变换器对超级电容器组进行监测，显示超级电容器组的运行参数，并提供远程监测接口；
DC/DC接口变换器对超级电容器组的短踣、过流、过压、过温、绝缘故障进行保护、报警和提供远程报警接口。
2.如权利要求1所述的电动船混合主电源系统，其特征在于，所述DC/DC功率变换器，采用升/降压式电路，将直流母线上的直流输入电压，变换成可控的直流输出电压，对直流主推进电机进行正、反转控制与无级调速，其直流输出额定功率，按直流主推进电机额定功率的125％选配；
DC/DC功率变换器的输入额定电压与直流母线的额定电压相同，输出电压按直流主推进电机额定电压U的0～±1.06之间无级可调，电压调整率≤1％；
DC/DC功率变换器输出直流电压的调节按直流主推进系统的技术要求设定，从0～+1.06U、+1.06U～0、0～－1.06U、－1.06U～0的调节时间，确保直流推进电机在倒、顺车时，能进行无级变速和平稳、快速的控制；
DC/DC功率变换器上设置就地和遥控两种控制模式，对直流主推进电机进行控制，两种控制模式可任意选择其中之一，并设置遥控的接口；
当直流主推进系统负载超过混合主电源承受功率时，DC/DC功率变换器对推进功率进行限制；
DC/DC功率变换器对主推进系统的运行参数就地显示，并提供远程监测接口；
DC/DC功率变换器按船舶建造规范对直流推进系统的要求，对直流主推进系统进行安全保护；
DC/DC功率变换器对主推进系统的故障进行报警，并提供远程报警接口；
当直流主推进电动机因制动、风浪出现再生发电时，通过DC/DC接口变换器控制超级电容器组吸收再生能量。
3.如权利要求1所述的电动船混合主电源系统，其特征在于，还包括DC/DC电压变换器，所述DC/DC电压变换器接在直流母线和直流负载之间，所述DC/DC电压变换器将直流母线上电源变换成直流负载所需直流电源，采用模块化开关电源，其直流额定输出功率，按直流负载负荷总功率的110％选配；
DC/DC电压变换器的直流输入额定电压与直流母线的额定电压相同，输出直流额定电压按直流负载的额定电压设定，并控制输出直流电压的偏差在额定电压的±1％以内，电压调整率≤0.5％；
DC/DC电压变换器对直流供电线路的短路、过流、过压、欠压、绝缘故障进行保护；
DC/DC电压变换器就地显示运行参数，并提供远程监测接口；
对DC/DC电压变换器与直流供电线路的故障进行报警，并提供远程报警接口。
4.如权利要求1所述的电动船混合主电源系统，其特征在于，所述DC/AC逆变器、第一DC/AC逆变器、第二DC/AC逆变器输出电源均为标准正弦波形，电制为三相三线绝缘系统；
DC/AC逆变器输出交流额定功率按全船交流总负载功率的115％选配，输入直流额定电压按直流母线额定电压设定，输出交流额定电压与频率按交流电力推进电机的额定电压与频率设定，自空载至满载之间的任一负载时功率因数保持额定值，输出的交流电源按下列要求设置：电压变化率不超过额定电压的±2％、电压调整率≤±5％、频率稳定度≤±1％、波形失真度≤5％；
向交流电力主推进供电的第二DC/AC逆变器，交流输出额定功率按交流电力主推进负载功率的125％选配，输出额定电压与频率按交流电力推进电机的额定电压与频率设定，自空载至满载之间的任一负载时功率因数保持额定值，输出的交流电源按下列要求设置：电压变化率不超过额定电压的±1％、电压调整率≤±5％、频率稳定度≤±1％、波形失真度≤5％；
向其它交流电力负载供电的第一DC/AC逆变器，输出交流额定功率按交流负载合计功率的105％选配，输入直流额定电压按直流母线额定电压设定，输出交流额定电压与频率按交流负载的额定电压与频率设定，自空载至满载之间的任一负载时功率因数保持额定值，输出的交流电源按下列要求设置：电压变化率不超过额定电压的±2.5％、电压调整率≤±5％、频率稳定度≤±1％、波形失真度≤5％；
DC/AC逆变器、第一DC/AC逆变器、第二DC/AC逆变器对短路、过流、过压、欠压、接地、过温进行保护；
DC/AC逆变器、第一DC/AC逆变器、第二DC/AC逆变器均就地显示运行参数，并提供远程监测接口，对故障过行报警，并提供远程报警接口。
5.如权利要求1所述的电动船混合主电源系统，其特征在于，所述变频器采用IGBT/WPS电路方式，控制交流主推进电机的正、反转和无级调速，在100％主推进负载突加或突卸时，输出电压有效值瞬间变化率≤5％，并在≤0.5秒时间内恢复到原输出电压值；
变频器的额定功率按交流电力主推进负载功率的120％选配，交流输入额定电压与频率，按交流电力推进电机的额定电压UM与频率fm设定，交流输出按下列要求设定：电压从0～UM连续可调、频率从0～fm连续可调，频率稳定度≤0.01％，负载稳压率≤1％，波形失真率≤5％；
变频器设置按交流主推进负载电流大小和相位的转差补偿，确保交流主推进电机在各种运行条件下都能输出转矩，以便船舶能在以最大营运航速航行时，在合理的时间内停止或后退；
按交流主推进系统的技术要求，设置变频器输出的三相交流电源变换相序的时间，确保交流主推进在倒、顺车时，能进行无级变速和平稳、快速的控制；
变频器上设置就地和遥控两种控制模式，对交流主推进电机进行控制，两种控制模式可任意选择其中之一，并提供遥控接口；
变频器外部设有输入短路保护，在变频器内部设有变频器及交流推进电机的短路、过流、过温、绝缘保护；
变频器就地显示变频器的输出相序与运行参数，并提供远程监测接口；
变频器按船舶建规范对交流推进系统设置报警功能，并提供远程报警接口。
6.如权利要求1所述的电动船混合主电源系统，其特征在于，所述AC/AC电压变换器，采用隔离型电压变换器，或采用隔离型船用变压器；AC/AC电压变换器的额定功率，按交流负载计算负荷总功率的110％选配；
AC/AC电压变换器输出三相交流电源的电压及频率应与交流负载的额定电压与频率相匹配，输出电压偏离额定值在+6％、－10％范围内，频率偏离额定值在±0.5％范围内；
AC/AC电压变换器对短路、过流、过压、欠压、接地、过温进行保护与提供报警；AC/AC电压变换器显示AC/AC电压变换器或变压器的运行参数。
7.如权利要求1所述的电动船混合主电源系统的控制方法，其特征在于，在直流母线直流电力推进主电源系统中，驱动控制保护电路对直流电力推进系统的运行参数进行采集，按主推进的技术要求对DC/DC功率变换器进行驱动控制；对直流主推进电动机进行监测与保护；当检测到锂离子电池组的可用功率不足以提供推进所需要功率时，通过DC/DC接口变换器控制超级电容器组向直流母线提供功率；控制DC/DC功率变换器对推进功率进行限制；当直流主推进电动机因制动或风浪出现再生发电时，通过DC/DC接口变换器控制超级电容器组对再生电能进行回收；
在直流母线交流电力推进主电源系统和交流母线交流电力推进主电源系统中，驱动控制保护电路对交流电力推进系统的运行参数进行采集，按主推进的技术要求对变频器进行驱动控制；对交流主推进电动机进行监测与保护；当检测到锂离子电池组的可用功率不足以提供推进所需功率时，通过DC/DC接口变换器控制超级电容器组向直流母线提供功率；控制变频器对推进功率进行限制；当交流主推进电动机因制动或风浪出现再生发电时，通过DC/DC接口变换器控制超级电容器组对再生电能进行回收。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109878674B (zh) * 2019-02-18 2020-12-15 德州新动能铁塔发电有限公司 通过水氢发电供能的游艇
CN109733583A (zh) * 2019-03-06 2019-05-10 广西师范大学 一种用于新能源船舶的混合动力电池系统
CN111725829B (zh) * 2019-03-19 2021-10-19 上海交通大学 用于船舶的分级复合储能系统
CN110091977A (zh) * 2019-04-30 2019-08-06 北京优世达科技有限公司 一种无人船混动切换系统
CN110001907A (zh) * 2019-05-20 2019-07-12 广西师范大学 一种新能源船用锂离子电池-锌空气电池混合动力系统
CN110224482B (zh) * 2019-06-25 2024-06-04 江苏中智海洋工程装备有限公司 电动船主电源蓄电池分组独立供电与充电系统
CN111277038B (zh) * 2020-01-21 2020-12-15 澄瑞电力科技（上海）有限公司 一种混合动力控制系统及方法
CN112039044B (zh) * 2020-09-16 2024-06-04 中国船舶重工集团公司第七0四研究所 一种纯电池动力船舶电力系统及控制方法
CN112260109B (zh) * 2020-10-28 2022-07-01 西安中车永电电气有限公司 一种高防护双电制岸电箱
CN112864855A (zh) * 2021-03-16 2021-05-28 长沙矿山研究院有限责任公司 一种适用于船载深海装备的高压供电柜

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN202340123U (zh) * 2011-07-11 2012-07-18 陈巍 水风光和生物质多能集成互补发电系统装置
CN103078325A (zh) * 2012-12-31 2013-05-01 河北省电力公司电力科学研究院 一种交直流混合微电网系统及其控制方法
CN103427430A (zh) * 2013-04-08 2013-12-04 深圳市天智系统技术有限公司 一种混合储能系统及其在微网中的能量管理方法
JP2016043715A (ja) * 2014-08-19 2016-04-04 ジャパンマリンユナイテッド株式会社 蓄電池推進システム及び蓄電池推進船
CN209217793U (zh) * 2018-09-10 2019-08-06 江苏中智海洋工程装备有限公司 电动船混合主电源系统

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN202340123U (zh) * 2011-07-11 2012-07-18 陈巍 水风光和生物质多能集成互补发电系统装置
CN103078325A (zh) * 2012-12-31 2013-05-01 河北省电力公司电力科学研究院 一种交直流混合微电网系统及其控制方法
CN103427430A (zh) * 2013-04-08 2013-12-04 深圳市天智系统技术有限公司 一种混合储能系统及其在微网中的能量管理方法
JP2016043715A (ja) * 2014-08-19 2016-04-04 ジャパンマリンユナイテッド株式会社 蓄電池推進システム及び蓄電池推進船
CN209217793U (zh) * 2018-09-10 2019-08-06 江苏中智海洋工程装备有限公司 电动船混合主电源系统

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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锂电池/超级电容器在电力推进船舶中的应用;陈晨 等;船舶工程;第38卷(第S2期);第186页-第190页 *

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