一种多电能变换的船舶直流配电系统技术方案

本发明专利技术公开了一种多电能变换的船舶直流配电系统，包括至少两组冗余的直流配电子系统以及重要负载配电柜，供电取自发电机或后备蓄电池；每组直流配电子系统包含直流主配电柜和多电能变换配电单元，直流主配电柜通过多电能变换配电单元对不同电制负载供电；重要负载配电柜在各直流配电子系统之间自动切换，对重要负载进行不间断供电。本发明专利技术满足了不同电制的区域负载供电及操控需要，直流配电系统统一采用一种直流电制传输和分配电能，减少了配电柜之间供电联系，各配电柜供电独立，简化了配电网络；实现了整个系统配电回路在线绝缘监测，有利于配电系统安全可靠运行；配电柜在结构上采用分层布局和抽屉设计，功能集成度高，占用空间少，便于操控。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及船舶电力系统领域，具体涉及一种用于船舶直流电能传输、分配、变换和控制的配电系统。
技术介绍
目前船舶配电系统主要是交流配电系统，发电机发出的电能通过变压器转换为不同电制电能，分别由各交流配电板和馈电电缆给一般负载或电机供电。交流配电系统馈电电缆穿插较多，布置困难，还要考虑频率、相位和功率因数等，控制复杂。近年来，直流配电系统研究日益受到关注，发电机发出电能由直流配电母线传输和分配，各用电区域或负载设备直接取电，直流配电系统相对于交流配电系统，具有节约空间和控制方便的优势。船舶负载设备种类较多，具有各种交、直流电压等级，为了满足各种电制负载供电需要，直流配电系统还要配备电能变换设备，配电系统配电柜与电能变换设备独立分离，也存在占用空间大、电缆穿插多等问题。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术要解决的技术问题在于提供一种多电能变换的船舶直流配电系统，该系统采用直流主母线传输和分配电能，由多电能变换配电单元集成不同电制的电能变换和配电功能，直接向区域内负载供电。该系统采用了紧凑性功能和结构设计，具备在线绝缘监测和多重配电保护功能，能够为船舶电力提供高密度、安全和可靠配电。为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种多电能变换的船舶直流配电系统，包括至少两组冗余的直流配电子系统以及重要负载配电柜，供电取自直流发电机或后备蓄电池；所述每组直流配电子系统包含直流主配电柜和多电能变换配电单元，直流主配电柜通过多电能变换配电单元对不同电制负载供电；所述重要负载配电柜在各直流配电子系统之间自动切换，对重要负载进行不间断供电。多电能变换配电单元包括逆变电源柜、整流电源柜和变频器控制柜；逆变电源柜、整流电源柜和变频器控制柜分别连接到直流主配电柜，布置在所需电制的负载配电区域，且均集成电能变换、配电和故障保护功能。直流主配电柜进线端、直流主配电柜馈线推进电机负载端、直流主配电柜变频器控制柜负载端均设置有大电流熔断器；发生故障时，直流主配电柜馈线推进电机负载端、直流主配电柜变频器控制柜负载端设置的大电流熔断器先于在直流主配电柜进线端设置的大电流熔断器熔断；在直流主配电柜整流电源柜负载端、直流主配电柜逆变电源柜负载端还分别设置有一断路器。逆变电源柜包括连接到直流主配电柜的逆变电源以及与逆变电源输出端连接的交流配电回路；在逆变电源输入端以及交流配电回路分别设置断路器；交流配电回路采用上下两级断路器，上一级断路器采用三段式保护特性断路器，为下一级断路器提供选择式配电保护。整流电源柜包括连接到直流主配电柜的整流电源以及与整流电源输出端连接的低电压直流配电回路，连接在低电压直流配电回路上的蓄电池组；在整流电源输入端以及低电压直流配电回路分别设置断路器；低电压直流配电回路采用上下两级断路器，上一级断路器采用三段式保护特性断路器，为下一级断路器提供选择式配电保护。变频器控制柜包括连接到直流主配电柜的直流主配电回路以及连接在直流主配电回路上的多组变频器单元，每组变频器单元对相应区域电机组进行变频控制；在直流主配电回路上各变频器单元输入端分别设置有断路器。各变频器单元采用液冷散热，由冷却装置提供液冷源；直流主配电回路提供的直流电通过一变频器单元逆变及一正弦滤波器滤波后为所述冷却装置提供所需交流电源。上述多电能变换的船舶直流配电系统，还包括在线绝缘监测子系统，所述在线绝缘监测子系统采用多主机低频小幅信号注入和绝缘监测组网技术，对直流主配电柜、变频器控制柜、逆变电源柜、整流电源柜以及重要负载配电柜中配电回路进行绝缘检测。在线绝缘监测子系统包括对直流主配电柜、重要负载配电柜和变频器控制柜配电回路分别进行绝缘监测的绝缘监测系统Ⅰ，对逆变电源柜中配电回路进行绝缘监测的绝缘监测系统Ⅱ以及对整流电源柜中配电回路进行绝缘监测的绝缘监测系统Ⅲ；绝缘监测系统Ⅰ包括：（1）主机模块Ⅰ，定位模块Ⅰ，通讯模块Ⅰ，以及与定位模块Ⅰ连接、设置在直流主配电柜中直流配电回路上的电流互感器Ⅰ；（2）定位模块Ⅱ，以及与定位模块Ⅱ连接、设置在重要负载配电柜中直流配电回路上的电流互感器Ⅱ；（3）定位模块Ⅲ，以及与定位模块Ⅲ连接、设置在变频器控制柜中与直流主配电柜连接的直流主配电回路上的电流互感器Ⅲ；所述定位模块Ⅰ、定位模块Ⅱ、定位模块Ⅲ分别通过通讯模块Ⅰ连接到主机模块ⅠM1；绝缘监测系统Ⅱ包括主机模块Ⅳ，定位模块Ⅳ，通讯模块Ⅳ，以及设置在逆变电源柜中交流配电回路上、且与定位模块Ⅳ连接的电流互感器Ⅳ；所述定位模块Ⅳ通过通讯模块Ⅳ连接到主机模块Ⅳ；绝缘监测系统Ⅲ包括主机模块Ⅴ，定位模块Ⅴ，通讯模块Ⅴ，以及设置在整流电源柜中直流配电回路上、且与定位模块Ⅴ连接的电流互感器Ⅴ；所述定位模块Ⅴ通过通讯模块Ⅴ连接到主机模块Ⅴ；主机模块Ⅰ注入低频小幅交流信号到直流主配电柜进线端，如果某个配电回路出现绝缘电阻降低或接地故障，定位模块Ⅰ通过电流互感器Ⅰ监测到主机模块Ⅰ注入的低频小幅交流信号，并识别出故障回路及绝缘电阻值；定位模块Ⅱ、定位模块Ⅲ通过电流互感器Ⅱ、电流互感器Ⅲ也能监测到主机模块Ⅰ注入的低频小幅交流信号；定位模块Ⅰ、定位模块Ⅱ、定位模块Ⅲ监测到的绝缘检测信息通过通讯模块Ⅰ内部总线分别传输到主机模块Ⅰ，还能通过通讯模块Ⅰ与上位机交换绝缘监测数据；主机模块Ⅳ在逆变电源柜中交流配电母线进线端注入低频小幅信号，主机模块Ⅴ在整流电源柜中直流配电母线进线端注入低频小幅信号，定位模块Ⅳ通过电流互感器Ⅳ监测交流配电回路绝缘故障，定位模块Ⅴ通过电流互感器Ⅴ监测低电压直流配电回路绝缘故障，定位模块Ⅳ、定位模块Ⅴ对应通过通讯模块Ⅳ、通讯模块Ⅴ内部总线将绝缘检测信息传输到主机模块Ⅳ、主机模块Ⅴ；通讯模块Ⅰ、通讯模块Ⅳ、通讯模块Ⅴ除通过内部总线接口传输绝缘检测信息外，还具备Modbus协议外部通讯接口，实现各通讯模块组网和数据交换，实现直流配电系统组网监测。根据具体配电柜内部所需器件的种类和数量，直流配电系统中所需配电柜采用分层布局或抽屉式布局的结构设计。本专利技术的有益效果：（1）多电能变换配电单元集成逆变、整流、配电和控制功能，满足了不同电制的区域负载供电及操控需要，直流配电系统统一采用一种直流电制传输和分配电能，减少了配电柜之间供电联系，各配电柜供电独立，简化了配电网络；（2）直流配电系统采用低频小幅信号注入和绝缘监测组网技术，不仅满足了系统直流配电回路绝缘监测，而且保证了多电能变换单元配电回路的绝缘检测，实现了整个系统配电回路在线绝缘监测，有利于配电系统安全可靠运行；（3）配电柜在结构上采用分层布局和抽屉设计，方便在较少的空间布局较多的器件，功能集成度高，占用空间少，便于操控。附图说明图1为本专利技术的直流配电系统组成图。图2为图1中多电能变换配电单元组成图。图3为本专利技术的在线绝缘监测子系统原理图。图4为本专利技术采用多层布局的直流主配电柜结构图；其中，图4（a）为直流主配电柜第一层布局图，图4（b）为直流主配电柜第二层内门外侧布局图，图4（c）为直流主配电柜第二层上内门内侧布局图，图4（d）直流主配电柜第二本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多电能变换的船舶直流配电系统，其特征在于：包括至少两组冗余的直流配电子系统以及重要负载配电柜，供电取自直流发电机或后备蓄电池；所述每组直流配电子系统包含直流主配电柜和多电能变换配电单元，直流主配电柜通过多电能变换配电单元对不同电制负载供电；所述重要负载配电柜在各直流配电子系统之间自动切换，对重要负载进行不间断供电。

【技术特征摘要】
1.一种多电能变换的船舶直流配电系统，其特征在于：包括至少两组冗余的直流配电子系统以及重要负载配电柜，供电取自直流发电机或后备蓄电池；所述每组直流配电子系统包含直流主配电柜和多电能变换配电单元，直流主配电柜通过多电能变换配电单元对不同电制负载供电；所述重要负载配电柜在各直流配电子系统之间自动切换，对重要负载进行不间断供电。
2.根据权利要求1所述的多电能变换的船舶直流配电系统，其特征在于：多电能变换配电单元包括逆变电源柜、整流电源柜和变频器控制柜；逆变电源柜、整流电源柜和变频器控制柜分别连接到直流主配电柜，布置在所需电制的负载配电区域，且均集成电能变换、配电和故障保护功能。
3.根据权利要求2所述的多电能变换的船舶直流配电系统，其特征在于：直流主配电柜进线端、直流主配电柜馈线推进电机负载端、直流主配电柜变频器控制柜负载端均设置有大电流熔断器；发生故障时，直流主配电柜馈线推进电机负载端、直流主配电柜变频器控制柜负载端设置的大电流熔断器先于在直流主配电柜进线端设置的大电流熔断器熔断；在直流主配电柜整流电源柜负载端、直流主配电柜逆变电源柜负载端还分别设置有一断路器。
4.根据权利要求2所述的多电能变换的船舶直流配电系统，其特征在于：逆变电源柜包括连接到直流主配电柜的逆变电源以及与逆变电源输出端连接的交流配电回路；在逆变电源输入端以及交流配电回路分别设置断路器；交流配电回路采用上下两级断路器，上一级断路器采用三段式保护特性断路器，为下一级断路器提供选择式配电保护。
5.根据权利要求2所述的多电能变换的船舶直流配电系统，其特征在于：整流电源柜包括连接到直流主配电柜的整流电源以及与整流电源输出端连接的低电压直流配电回路，连接在低电压直流配电回路上的蓄电池组；在整流电源输入端以及低电压直流配电回路分别设置断路器；低电压直流配电回路采用上下两级断路器，上一级断路器采用三段式保护特性断路器，为下一级断路器提供选择式配电保护。
6.根据权利要求2所述的多电能变换的船舶直流配电系统，其特征在于：变频器控制柜包括连接到直流主配电柜的直流主配电回路以及连接在直流主配电回路上的多组变频器单元，每组变频器单元对相应区域电机组进行变频控制；在直流主配电回路上各变频器单元输入端分别设置有断路器。
7.根据权利要求6所述的多电能变换的船舶直流配电系统，其特征在于：各变频器单元采用液冷散热，由冷却装置提供液冷源；直流主配电回路提供的直流电通过一变频器单元逆变及一正弦滤波器滤波后为所述冷却装置提供所需交流电源。
8.根据权利要求2所述的多电能变换的船舶直流配电系统，其特征在于：还包括在线绝缘监测子系统，所述在线绝缘监测子系统采用多主机低频小幅信...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋辉，陈刚强，王占强，于晓宁，魏鑫，张蕾，吴宇航，向阳，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七一三研究所，
类型：发明
国别省市：河南;41