凌雷鳴,姜 江,龐玲玉,秦臻偉,楊 威

(1.江蘇鎮(zhèn)安電力設(shè)備有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2.鎮(zhèn)江中船現(xiàn)代發(fā)電設(shè)備有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

雙向DC/AC在船舶供電系統(tǒng)中的應(yīng)用

凌雷鳴1,姜 江2,龐玲玉1,秦臻偉1,楊 威1

(1.江蘇鎮(zhèn)安電力設(shè)備有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2.鎮(zhèn)江中船現(xiàn)代發(fā)電設(shè)備有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

主要闡述了在船舶供電系統(tǒng)中加入雙向DC/AC儲(chǔ)能系統(tǒng)的作為應(yīng)急電源的意義和作用，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對雙向DC/AC的功能進(jìn)行驗(yàn)證，通過對相關(guān)波形的分析指出雙向DC/AC儲(chǔ)能系統(tǒng)具有快捷、智能以及使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

船舶供電系統(tǒng)；雙向DC/AC；波形分析

0 引言

船舶應(yīng)急電源作為緊急情況下維持船用負(fù)荷安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障，在整個(gè)船舶供電系統(tǒng)中有著極為重要的作用。當(dāng)主發(fā)電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)急電源應(yīng)能通過應(yīng)急配電板或充放電板對負(fù)載供電，保證重要負(fù)荷運(yùn)行[1]。隨著船用設(shè)備的日趨復(fù)雜化，傳統(tǒng)應(yīng)急電源已無法滿足緊急情況下負(fù)載的用電需求，尤其是在負(fù)載要求不間斷運(yùn)行時(shí)，無縫切換就顯得十分重要。雙向DC/AC儲(chǔ)能系統(tǒng)為解決這一問題提供了可行性方案，相比于傳統(tǒng)應(yīng)急電源，其具有負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)，響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，同時(shí)依托上位機(jī)管理，能有效地減少電池的充放電次數(shù)，從而延長了電池的使用壽命。

1 應(yīng)急電源系統(tǒng)現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的船舶應(yīng)急電源系統(tǒng)包括應(yīng)急發(fā)電機(jī)組、應(yīng)急配電板和應(yīng)急蓄電池組及其充放電板，還應(yīng)包括定期功能試驗(yàn)的一些設(shè)備[2]。

1.1發(fā)電機(jī)組應(yīng)急電源

應(yīng)急發(fā)電機(jī)組獨(dú)立于主發(fā)電機(jī)組，同時(shí)應(yīng)具備良好的機(jī)動(dòng)性和可靠性，一般由柴油機(jī)構(gòu)成。根據(jù)《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》(2016)要求，應(yīng)急發(fā)電機(jī)組應(yīng)有手動(dòng)和自動(dòng)啟停裝置[3]。在自動(dòng)狀態(tài)下當(dāng)檢測到主電源供電失效時(shí)，應(yīng)急機(jī)組需在45 s內(nèi)完成自啟動(dòng)、連接應(yīng)急配電板并有效轉(zhuǎn)移負(fù)載。其供電原理圖如圖1所示。

應(yīng)急發(fā)電機(jī)組能有效保證大功率重要負(fù)載的供電，但由于柴油機(jī)由冷啟動(dòng)至供給配電需要時(shí)間，并不能有效地做到無縫切換。

1.2蓄電池組應(yīng)急電源

在使用蓄電池作為應(yīng)急電源的船舶供電系統(tǒng)中，若使用在線式UPS電源，能夠解決應(yīng)急發(fā)電機(jī)組供電不連續(xù)的問題。通過整流電路將交流電轉(zhuǎn)換成直流電對電池進(jìn)行浮充，再由高品質(zhì)逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成交流電供給負(fù)載。當(dāng)主發(fā)電機(jī)失效時(shí)，由蓄電池組通過逆變電路為負(fù)載供電[4]。其供電原理圖如圖2所示。

在線式UPS電源雖然解決了供電連續(xù)的問題，但電池若一直處于浮充狀態(tài)，會(huì)影響蓄電池組的使用壽命。

2 雙向DC/AC儲(chǔ)能系統(tǒng)

雙向DC/AC儲(chǔ)能系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于分布式光伏發(fā)電中，具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。一套完整的儲(chǔ)能系統(tǒng)由雙向變流器(PCS)、蓄電池組、電池管理系統(tǒng)(BMS)、以及能量管理系統(tǒng)(EMS)構(gòu)成[5]。系統(tǒng)圖如圖3所示。

2.1雙向DC/AC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為保證DC/AC有較好的輸出波形，采用如圖4所示的硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖中，LCL濾波器用于減少DC/AC對外放電時(shí)的交流紋波；而前端EMC濾波器則用來減少充電時(shí)交流輸入的紋波；隔離變壓器除對電氣設(shè)備進(jìn)行有效隔離外，其變比值也直接影響電池側(cè)最小輸入電壓。

2.2雙向DC/AC工作方式

雙向變流器具有“同期并網(wǎng)”“恒功率充放電”“恒壓、恒流充電”“主/被動(dòng)離網(wǎng)”等工作方式。當(dāng)其作為船舶供電系統(tǒng)中的應(yīng)急電源時(shí)，工作方式敘述如下：

當(dāng)啟動(dòng)主發(fā)電機(jī)供電時(shí)，由主發(fā)電機(jī)提供維持電網(wǎng)的電壓及頻率(V/F)，此時(shí)啟動(dòng)雙向變流器并進(jìn)行“同期并網(wǎng)”；由能量管理系統(tǒng)(EMS)及電池管理系統(tǒng)(BMS)通過變流器對電池進(jìn)行“充放電”操作(當(dāng)電池充滿時(shí)停止浮充)；當(dāng)主電源出現(xiàn)故障而突然停機(jī)時(shí)，雙向變流器檢測到電壓跌落，此時(shí)主動(dòng)切斷并網(wǎng)接觸器，同時(shí)建立電網(wǎng)電壓及頻率，通過應(yīng)急配電板對重要負(fù)載供電(由于負(fù)載接在接觸器前端，保證了負(fù)載供電的連續(xù)性)；當(dāng)主電源恢復(fù)時(shí)，由EMS管控，使其“同期并網(wǎng)”并進(jìn)行負(fù)載轉(zhuǎn)移。

2.3雙向DC/AC的優(yōu)勢

(1)無縫切換：在主電源跌落的兩個(gè)周波內(nèi)啟動(dòng)雙向DC/AC，從而保證了負(fù)載的連續(xù)運(yùn)行。

(2)延長蓄電池壽命：由于雙向DC/AC處于并網(wǎng)狀態(tài)，通過對電池的充放電管理能有效延長電池使用壽命。

(3)平滑負(fù)載波動(dòng)：主電源因故過載時(shí)，通過恒功率放電減少主發(fā)電機(jī)過載時(shí)間。

3 調(diào)試波形及分析

調(diào)試以30 kW電阻箱作為負(fù)載，驗(yàn)證在發(fā)電機(jī)作為主電源時(shí)，雙向DC/AC的并離網(wǎng)切換情況。

雙向DC/AC帶載同期并網(wǎng)波形圖如圖5所示，被動(dòng)離網(wǎng)波形圖如圖6所示。圖5、圖6波形圖中，1號(hào)、2號(hào)通道為電流信號(hào)(位于屏幕下方)，其中1號(hào)線為柴油機(jī)輸出電流，2號(hào)線為雙向DC/AC輸出電流；3號(hào)、4號(hào)通道為電壓信號(hào)(位于屏幕上方)，其中4號(hào)線為柴油機(jī)輸出電壓，3號(hào)線為雙向DC/AC輸出電壓。

(1)30 kW負(fù)載條件下，雙向DC/AC帶載同期并網(wǎng)波形分析。

由圖5可以看出，當(dāng)圖示上半部分3號(hào)、4號(hào)通道所表示的曲線已完全重合(發(fā)電機(jī)電壓與雙向DC/AC)即同步結(jié)束并已達(dá)到并網(wǎng)條件，此時(shí)進(jìn)行同期并網(wǎng)操作。并網(wǎng)初期，雙向DC/AC交流側(cè)電流略有跌落，發(fā)電機(jī)接入電網(wǎng)發(fā)電，負(fù)載進(jìn)行了有效轉(zhuǎn)移。由圖示可見，發(fā)電機(jī)交流側(cè)電流逐漸增大，變流器交流側(cè)電流逐漸減小，在負(fù)載轉(zhuǎn)移中，波形平滑未見明顯波動(dòng)。

(2)30 kW負(fù)載條件下，雙向DC/AC被動(dòng)離網(wǎng)波形分析。

由圖6可見，在切除發(fā)電機(jī)后，4號(hào)通道所表示的曲線(發(fā)電機(jī)電壓輸出曲線)逐漸跌落，3號(hào)通道曲線(雙向DC/AC電壓輸出曲線)，在伴隨跌落2個(gè)周波后迅速脫離電網(wǎng)，完成自啟動(dòng)(建立電壓及頻率)，并帶載孤網(wǎng)運(yùn)行。從波形圖中可以看出電壓波形穩(wěn)定，2號(hào)曲線所表示的發(fā)電機(jī)輸出電流丟失，1號(hào)曲線所表示的雙向DC/AC電流迅速攀升，帶載運(yùn)行。由圖所示，波形平滑，未見明顯波動(dòng)，雙向DC/AC被動(dòng)離網(wǎng)運(yùn)行正常。

4 結(jié)語

通過對實(shí)驗(yàn)波形的分析可以看出，在雙向DC/AC與發(fā)電機(jī)并離網(wǎng)試驗(yàn)中，交流輸出波形穩(wěn)定平滑、紋波較小，且被動(dòng)離網(wǎng)時(shí)雙向變流器能做到迅速反應(yīng)，負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)。隨著雙向變流器技術(shù)的日漸成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大。雖然將其作為船舶應(yīng)急電源仍處于實(shí)驗(yàn)階段，同時(shí)考慮到船舶應(yīng)急電源供電時(shí)長的要求，必然導(dǎo)致蓄電池組的體積增加，但若能在今后的船舶應(yīng)急電源系統(tǒng)中引入雙向DC/AC作為發(fā)電機(jī)組應(yīng)急電源的補(bǔ)充方式，不論是在平滑交流波形還是在供電“無縫切換”中都將發(fā)揮巨大作用。因此，將雙向DC/AC儲(chǔ)能系統(tǒng)植入到船舶供電系統(tǒng)中具有十分重要的意義。

[1] 毛建強(qiáng),劉志新,龍海,等.基于CCS規(guī)范的大型散貨船電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2014 (4):11-12.

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U665.1

A

2017-03-09

凌雷鳴(1991—)，男，碩士，助理工程師，從事電氣自動(dòng)化研究；姜江(1983—)，男，工程師，從事電氣設(shè)計(jì)工作；龐玲玉(1987—)，女，工程師，從事電力電子設(shè)計(jì)工作。