專利名稱：大功率船舶岸電電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種給?？坑诟劭诖a頭的船舶供電的岸電電源，具體地說(shuō)，是 涉及一種高壓大功率變頻的電源設(shè)備，屬于供電電源技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
大型船舶特別是油船和集裝箱船靠港時(shí)通常使用燃油制品(多為重油和柴 油)發(fā)電，來(lái)滿足船舶用電需求。重油和柴油等燃油制品在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生大量 硫化物和氮氧化物，對(duì)周邊環(huán)境造成嚴(yán)重污染，污染后通過(guò)氣候作用可以傳播 至數(shù)百公里以外的地區(qū)。而且國(guó)內(nèi)外很多港區(qū)都集中在市區(qū)，到港船舶停靠港 口產(chǎn)生污染與中心城區(qū)環(huán)境保護(hù)的矛盾已經(jīng)越來(lái)越突出。如果采用陸地電網(wǎng)對(duì) 靠港船舶供電，對(duì)于保護(hù)港區(qū)環(huán)境、建i更清潔宜人的綠色港口，無(wú)疑具有十分 重要的意義。
目前國(guó)內(nèi)電網(wǎng)供電為50Hz，而國(guó)外船舶供電電源均為60Hz，如果采用陸地 電網(wǎng)供電，港口和船舶供電電制的不同勢(shì)必對(duì)船舶電氣設(shè)備造成嚴(yán)重影響。對(duì) 于大型船只而言，船上各種電氣設(shè)備對(duì)負(fù)荷需求較大，以3000KVA為例，為滿 足陸地電網(wǎng)對(duì)靠港船舶的供電需求，有人提出了一種低壓大功率岸電電源方案， 其原理是把電網(wǎng)三相50Hz的高壓電先采用變壓器降壓至380V/50Hz,然后輸入 低壓岸電電源，經(jīng)低壓逆變系統(tǒng)整流逆變?yōu)?0Hz輸出，然后再經(jīng)電力變壓器升 壓至高壓60Hz后，給靠港船舶供電。這種低壓岸電供電技術(shù)存在著下述缺點(diǎn) 1、在低壓岸電技術(shù)中，大功率逆變電源都采用小功率逆變電源沖莫塊并Jf關(guān)的方式 實(shí)現(xiàn)，對(duì)于容量高達(dá)數(shù)兆瓦的岸電電源而言，要求并聯(lián)的逆變模塊眾多，任何 一個(gè)模塊的故障，都使得岸電電源必須降額使用，甚至停機(jī)。而且因?yàn)榇柏?fù)載的復(fù)雜性，經(jīng)常需要帶大功率電機(jī)直接啟動(dòng)，對(duì)電源沖擊性強(qiáng)，因此，低壓
逆變方案可靠性大大降低；2、低壓岸電電源技術(shù)中，電源輸入側(cè)需要降壓變壓 器降壓，逆變后需要正弦波濾波，最后還要經(jīng)過(guò)升壓變壓器升壓后才能得到高 電壓，而升、降壓變壓器一般采用電力變壓器，其效率最高為95%,正弦波濾 波器效率90%,使得電源整機(jī)效率最高為85%，大大降低了系統(tǒng)效率；3、低壓 逆變技術(shù)一般采用6脈沖整流，輸入功率因數(shù)低，對(duì)電網(wǎng)將形成較大污染；4、 低壓岸電技術(shù)中，對(duì)于容量高達(dá)數(shù)兆瓦的岸電電源來(lái)說(shuō)，其額定輸入電流為數(shù) 千安培,給輸入輸出側(cè)配電設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大困難。

發(fā)明內(nèi)容
一種大功率船舶岸電電源，所述岸電電源采用高壓逆變系統(tǒng)，直接將電網(wǎng)三相 交流輸入的高壓電進(jìn)4f整流和逆變，然后輸出高壓三相交流電，減少了中間變 換環(huán)節(jié)，提高了功率因數(shù)和產(chǎn)品可靠性。
為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)
一種大功率船舶岸電電源，包括電網(wǎng)高壓三相交流輸入、電源高壓三相交 流輸出及逆變系統(tǒng)；所述逆變系統(tǒng)為高壓逆變系統(tǒng)，所述高壓逆變系統(tǒng)將電網(wǎng) 三相交流l命入的高壓電直4姿進(jìn)4亍整流和逆變，并輸出高壓三相交流電。
根據(jù)本發(fā)明，所述高壓逆變系統(tǒng)包括移相變壓器、功率單元模塊及控制系 統(tǒng)；所述移相變壓器的初級(jí)繞組連接電網(wǎng)高壓三相交流輸入，其次級(jí)繞組與所 述功率單元模塊的輸入端相連接；所述功率單元^^莫塊將高壓三相交流輸入電整 流、逆變后，輸出高壓三相交流電；所述控制系統(tǒng)連接所述功率單元模塊的控 制端，并輸出PWM控制信號(hào)至所述控制端控制所述功率單元模塊。
根據(jù)本發(fā)明，所述功率單元模塊由24個(gè)功率單元組成，每相交流電包括有 8個(gè)相互串聯(lián)的功率單元，每個(gè)功率單元的輸入端分別與移相變壓器的次級(jí)繞 組相連接；每相串聯(lián)的功率單元的輸出采用Y型連接后輸出高壓三相交流電。
5根據(jù)本發(fā)明，所述移相變壓器為兩個(gè)，每個(gè)移相變壓器具有12個(gè)次級(jí)繞組；
每個(gè)功率單元的輸入端分別與移相變壓器的其中一個(gè)次級(jí)繞組相連接。優(yōu)選的，
所述移相變壓器的次級(jí)繞組采用延邊三角形接法，以實(shí)現(xiàn)多重化，降低輸入電 流的諧波成分。
根據(jù)本發(fā)明，所述功率單元的輸入端連接有二極管組成的三相全波整流器， 所述整流器將所述功率單元輸入端輸入的高壓三相交流電整流成直流電，所述 直流電經(jīng)與所述整流器并聯(lián)的直流濾波電容濾波后，傳輸至單相全橋逆變器， 所述逆變器在所述控制系統(tǒng)輸出的p麗控制信號(hào)控制下將直流電進(jìn)行逆變，并
由功率單元輸出端輸出單相交流電；在所述功率單元輸出端并聯(lián)有可控硅組成 的旁路。
根據(jù)本發(fā)明，所述控制系統(tǒng)輸出的P麗控制信號(hào)經(jīng)光電隔離電路隔離后， 通過(guò)光纖傳輸至所述功率單元^f莫塊的控制端。
根據(jù)本發(fā)明，所述高壓逆變系統(tǒng)的輸出端連接有才全測(cè)電路，所述檢測(cè)電路 的信號(hào)輸出端連接所述控制系統(tǒng)；所述沖全測(cè)電路檢測(cè)高壓逆變系統(tǒng)輸出的電流
信號(hào)，并將所述電流信號(hào)傳輸至所述控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)根據(jù)傳輸?shù)碾娏?信號(hào)調(diào)節(jié)所述高壓逆變系統(tǒng)的輸出。
根據(jù)本發(fā)明，為減少電源對(duì)用電設(shè)備的絕緣損壞，所述高壓逆變系統(tǒng)的輸 出端還連接有高壓電抗器；為便于岸電電源與供電船舶插拔連接，所述岸電電 源輸出端設(shè)置有高壓電源連接器。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是
1 、本發(fā)明所述大功率船舶岸電電源采用高壓逆變系統(tǒng)將電網(wǎng)三相交流輸入 的高壓電直4秦進(jìn)行整流和逆變，并輸出高壓三相交流電，不需要4氐壓逆變系統(tǒng) 中的升、降壓變壓器及正弦波濾波器，減少了中間變換環(huán)節(jié)，使得電源的損耗、 體積、重量均減小，成本降低，而且提高了產(chǎn)品可靠性。
2、電源高壓逆變系統(tǒng)采用冗余設(shè)計(jì)，每相均包括8個(gè)相串聯(lián)的功率單元， 而且每個(gè)功率單元帶有可控硅組成的旁路側(cè)。在某個(gè)功率單元出現(xiàn)故障時(shí)，電
6源主控系統(tǒng)能夠在短時(shí)間內(nèi)將出現(xiàn)故障的功率單元進(jìn)^f亍旁^^切除，并重新計(jì)算 輸出波形，保持輸出電壓波形的完整。由于每個(gè)功率單元結(jié)構(gòu)相同，可以互換， 不僅便于調(diào)試維修，而且備份方便經(jīng)濟(jì)。
3、高壓逆變系統(tǒng)輸入端采用兩個(gè)具有12個(gè)次級(jí)繞組的移相變壓器供電， 采用24脈沖整流方式，改善了電網(wǎng)側(cè)的電流波形，降低了輸入電流諧波成分， 提高了功率因數(shù)，使得負(fù)載下的電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1。
4 、高壓逆變系統(tǒng)中的控制系統(tǒng)與功率單元模塊之間采用多通道光纖通信， 實(shí)現(xiàn)了高壓部分與低壓部分的真正電氣隔離，提高了電源系統(tǒng)的安全性和可靠 性，并使得系統(tǒng)具有很好的抗電磁干擾能力。
5、通過(guò)設(shè)置檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)岸電電源的閉環(huán)反饋穩(wěn)壓，提高了輸出電壓的穩(wěn) 定性。


圖l是本發(fā)明大功率船舶岸電電源的原理框圖； 圖2是圖1中高壓逆變系統(tǒng)的原理框圖； 圖3是圖2中功率單元的電路圖4是本發(fā)明岸電電源中PWM控制信號(hào)隔離輸入電路圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的i兌明。
參閱圖1所示的岸電電源原理框圖，本發(fā)明所述岸電電源是采用陸地電網(wǎng) 給靠港船舶、尤其是負(fù)荷較大的靠港船舶供電的電源。所述岸電電源包括輸入 開(kāi)關(guān)K1、高壓逆變系統(tǒng)1及輸出開(kāi)關(guān)K2,在高壓逆變系統(tǒng)l的輸出端串聯(lián)有高 壓電抗器L。港區(qū)變電站對(duì)陸地50Hz的電能進(jìn)行二次分配，通過(guò)降壓變壓器將 高壓20-100KV電壓降低；然后，降壓后的50Hz電網(wǎng)高壓交流輸入通過(guò)電纜輸 送到岸電電源的輸入端。閉合開(kāi)關(guān)K1及開(kāi)關(guān)K2，電網(wǎng)高壓交流輸入通過(guò)開(kāi)關(guān)
7Kl輸入至所述高壓逆變系統(tǒng)1中，經(jīng)高壓逆變系統(tǒng)l整流、逆變后，輸出三相
準(zhǔn)正弦波。所述三相準(zhǔn)正弦波再經(jīng)高壓電抗器L濾波后，得到三相60Hz的正弦 高電壓，并經(jīng)輸出開(kāi)關(guān)K2輸出。為便于岸電電源與供電船舶插拔連接，在所述 岸電電源的輸出端還連接有高壓電源連接器，在所述高壓電源連接器上連接有 通往靠港船舶的電纜，岸電電源輸出的60Hz的正弦高電壓通過(guò)高壓電源連接器 及電纜輸送到靠港船舶上，給船舶負(fù)載供電。
本發(fā)明為提高電源輸出電壓的穩(wěn)定性，在高壓逆變領(lǐng)域引入了閉環(huán)反饋單 元。具體為在電源交流輸出側(cè)連接有檢測(cè)電路，所述檢測(cè)電路實(shí)時(shí)檢測(cè)輸出 的負(fù)載電流，然后將電流信號(hào)反饋至所述高壓逆變系統(tǒng)1中，高壓逆變系統(tǒng)1 根據(jù)檢測(cè)電路反饋的電流的大小調(diào)節(jié)電源的輸出，達(dá)到控制輸出電壓穩(wěn)定性的 目的。通過(guò)設(shè)置上述檢測(cè)電路構(gòu)成的閉環(huán)反饋單元，可使輸出電壓的穩(wěn)態(tài)調(diào)整 率達(dá)到± 2%。
在大功率船舶岸電電源中，高壓逆變系統(tǒng)1是電源的核心，圖2示出了高 壓逆變系統(tǒng)l的原理框圖。所述高壓逆變系統(tǒng)1包括移相變壓器、功率單元沖莫 塊及控制系統(tǒng)。所述移相變壓器為兩個(gè)，每個(gè)均具有12個(gè)次級(jí)繞組，兩個(gè)變壓 器共有24個(gè)次級(jí)繞組，且二次繞組采用延邊三角形^接法。功率單元才莫塊包括 24個(gè)結(jié)構(gòu)相同的功率單元，每相對(duì)應(yīng)有8個(gè)，且每相的8個(gè)功率單元相互串聯(lián)； 相鄰相的功率單元的輸出端串接，形成"Y"型結(jié)構(gòu)輸出。每個(gè)功率單元的輸入 端分別與所述移相變壓器的一個(gè)次級(jí)繞組相連"l妻，而移相變壓器的初級(jí)繞組連 接電網(wǎng)高壓三相交流輸入?？刂葡到y(tǒng)包括控制器、人機(jī)界面及可編程控制器 (PLC)。所述控制器采用高速處理器，對(duì)功率單元發(fā)送P麗控制信號(hào)，并通過(guò) 其內(nèi)部算法，保證電源所帶感性負(fù)載達(dá)到最優(yōu)的運(yùn)行性能。所述可編程控制器 用于對(duì)電源各開(kāi)關(guān)信號(hào)進(jìn)行邏輯處理及協(xié)調(diào)現(xiàn)場(chǎng)各操作信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)，以增 強(qiáng)電源供電系統(tǒng)的靈活性。而人機(jī)界面提供友好的監(jiān)控和操作界面，同時(shí)還可 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制。電網(wǎng)電壓經(jīng)移相變壓器降壓后給功率單元供電， 功率單元在控制器發(fā)出的PWM控制信號(hào)的控射下對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行整流、逆變；最終輸出60Hz的高壓三相交流電。
此外，所述控制器具有一套獨(dú)立于高壓電源的獨(dú)立控制電源，在不加高壓 的情況下，僅加入獨(dú)立控制電源，系統(tǒng)各點(diǎn)的波形與加高壓時(shí)基本相似，給整 機(jī)調(diào)試、維護(hù)及培訓(xùn)帶來(lái)極大的方便性和安全性。
圖3示出了上述功率單元的電路圖，所述功率單元包括六個(gè)二極管組成的 三相全波整流器11及單相全橋逆變器12,在所述整流器11的兩端并聯(lián)有直流 濾波電容C1和C2。經(jīng)移相變壓器降壓后的三相輸入R、 S、 T經(jīng)整流器ll整流 成直流電，并經(jīng)電容C1和C2濾波后傳至逆變器12中。逆變器12,控制器輸 出的PWM控制信號(hào)控制下將直流電逆變，輸出單相交流電UV。在功率單元的單 相輸出端還并聯(lián)有可控硅K組成的旁路，如果某個(gè)功率單元發(fā)生故障，該單元 的輸出端能自動(dòng)通過(guò)可控硅旁路，不會(huì)影響電源整機(jī)的連續(xù)運(yùn)行，提高了電源 工作的可靠性。
請(qǐng)參閱圖4所示的P麗控制信號(hào)隔離輸入電路圖，本發(fā)明岸電電源為實(shí)現(xiàn) 真正意義上的高壓電與低壓電的電氣隔離，控制系統(tǒng)與功率單元之間采用多通 道光纖通信。P麗控制信號(hào)SINEDRV輸入光電隔離電路U4的3腳，隔離后的PWM 信號(hào)通過(guò)U4的5腳和6腳輸出，然后再通過(guò)光纖傳輸至功率單元控制端，從而 提高了電源系統(tǒng)的安全性和可靠性。
當(dāng)然，以上所述僅是本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式而已，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本 技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若 干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1、一種大功率船舶岸電電源，包括電網(wǎng)高壓三相交流輸入、電源高壓三相交流輸出及逆變系統(tǒng)，其特征在于，所述逆變系統(tǒng)為高壓逆變系統(tǒng)，所述高壓逆變系統(tǒng)將電網(wǎng)三相交流輸入的高壓電直接進(jìn)行整流和逆變，并輸出高壓三相交流電。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的大功率船舶岸電電源，其特征在于，所述高壓逆 變系統(tǒng)包括移相變壓器、功率單元才莫塊及控制系統(tǒng)；所述移相變壓器的初級(jí)繞 組連接電網(wǎng)高壓三相交流輸入，其次級(jí)繞組與所述功率單元模塊的輸入端相連 接；所述功率單元模塊將高壓三相交流輸入電整流、逆變后，輸出高壓三相交 流電；所述控制系統(tǒng)連接所述功率單元模塊的控制端，并輸出P麗控制信號(hào)至 所述控制端控制所述功率單元才莫塊。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的大功率船舶岸電電源，其特征在于，所述功率單 元模塊由24個(gè)功率單元組成，每相交流電包括有8個(gè)相互串聯(lián)的功率單元，每 個(gè)功率單元的輸入端分別與移相變壓器的次級(jí)繞組相連4^;每相串聯(lián)的功率單 元的輸出采用Y型連接后輸出高壓三相交流電。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的大功率船舶岸電電源，其特征在于，所述移相變 壓器為兩個(gè)，每個(gè)移相變壓器具有12個(gè)次級(jí)繞組，每個(gè)功率單元的輸入端分別 與移相變壓器的其中 一個(gè)次級(jí)繞組相連4妻。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的大功率船舶岸電電源，其特征在于，所述移相變 壓器的次級(jí)繞組采用延邊三角形接法。
6、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的大功率船舶岸電電源，其特征在于，所述功率單 元的輸入端連接有二極管組成的三相全波整流器，所述整流器將所述功率單元 輸入端輸入的高壓三相交流電整流成直流電，所述直流電經(jīng)與所述整流器并4關(guān) 的直流濾波電容濾波后，傳輸至單相全橋逆變器，所述逆變器在所述控制系統(tǒng) 輸出的P麗控制信號(hào)控制下將直流電進(jìn)行逆變，并由功率單元輸出端輸出單相 交流電；在所述功率單元輸出端并聯(lián)有可控硅組成的旁^各。
7、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的大功率船舶岸電電源，其特征在于，所述控制系統(tǒng)輸出的PWM控制信號(hào)經(jīng)光電隔離電路隔離后，通過(guò)光纖傳輸至所述功率單元模塊的控制端。
8、 根據(jù)權(quán)利要求2至7中任一項(xiàng)所述的大功率船舶岸電電源，其特征在于， 所述高壓逆變系統(tǒng)的輸出端連接有檢測(cè)電路，所述;f企測(cè)電路的信號(hào)輸出端連接 所述控制系統(tǒng)；所述檢測(cè)電路^全測(cè)高壓逆變系統(tǒng)輸出的電流信號(hào)，并將所述電 流信號(hào)傳輸至所述控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)根據(jù)傳輸?shù)碾娏餍盘?hào)調(diào)節(jié)所述高壓 逆變系統(tǒng)的輸出。
9、 才艮據(jù)權(quán)利要求8所述的大功率船舶岸電電源，其特征在于，所述高壓逆 變系統(tǒng)的輸出端連接有高壓電抗器。
10、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的大功率船舶岸電電源，其特征在于，所述岸電 電源輸出端設(shè)置有高壓電源連接器。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種大功率船舶岸電電源，包括電網(wǎng)高壓三相交流輸入、電源高壓三相交流輸出及逆變系統(tǒng)，所述逆變系統(tǒng)為高壓逆變系統(tǒng)，所述高壓逆變系統(tǒng)將電網(wǎng)三相交流輸入的高壓電直接進(jìn)行整流和逆變，并輸出高壓三相交流電，從而減少了中間變換環(huán)節(jié)，提高了電源的功率因數(shù)和產(chǎn)品的可靠性。
文檔編號(hào)H02M5/451GK101488720SQ20081015813
公開(kāi)日2009年7月22日 申請(qǐng)日期2008年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月24日
發(fā)明者郜克存, 隋學(xué)禮 申請(qǐng)人:青島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)創(chuàng)統(tǒng)科技發(fā)展有限公司