一种轴发与锂电池混合的船舶辅助系统及其自动控制方法与流程

本发明属于交通领域，具体涉及一种轴发与锂电池混合的船舶辅助系统及其自动控制方法。

背景技术：

1、为适应国际、国内船舶能效、排放类强制性法律法规，除开发新型低硫、低碳、零碳燃料外，对传统的柴油机机械推进方式进行电气化升级改造，亦可显著提升船舶能效、减少排放。我国内河运输船舶中有超过90％的船舶仍使用柴油机作为动力源，其具有动力系统结构简单可靠、技术成熟度高的优点，但同时具有排放及污染较大，且部分船型老旧、船龄较长，新造或改造船舶具有向绿色船舶转型的趋势。船舶主推进柴油机(以下简称主机)通常预留有10％～15％的冗余功率，为使航行具有经济性，大部分时间工作在部分负荷下，而主推进柴油机在低于75％～85％额定功率的低负荷下运行时，其经济性将下降，排放加剧。

2、目前，解决上述问题的现有技术主要有三种，一是可以使轴带发电机(以下简称轴发)与主机通过“一进二出”式多接口齿轮箱进行耦合，但是需对原船动力系统关键部件齿轮箱进行改动，并需定制新的齿轮箱，现有安装空间可能无法满足新齿轮箱及轴发的安装需求；二是采用抱轴式轴发，但是抱轴式轴发对安装空间、螺旋桨轴长度有一定要求；三是采用动力锂电池储能效应，吸收主机冗余功率，达到优化主机排放目的，但是动力锂电池需配备双向dc/dc斩波器及其附属的储能电抗器，以控制电池充电、放电过程，增加了安装空间及系统成本。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种轴发与锂电池混合的船舶辅助系统，对主机冗余功率进行吸收，并用于船舶辅助及日用系统供电，在不改动原船动力系统结构的前提下达到节能、减排目的。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种轴发与锂电池混合的船舶辅助系统，包括分别于直流母线并网的轴发系统、锂电池系统、日用系统和交流预充电系统；所述控制系统用于控制锂电池系统的充电/放电/停止，及轴发系统的启动/停止，及船舶辅助系统的手动一键启动/急停/自动控制；

3、所述轴发系统包括拓扑结构相同的双轴发系统，每个所述轴发系统连接有用以向其提供动力的推进系统，所述轴发系统输出端均并入直流母线，所述直流母线用以向整个船舶辅助系统及日用系统供电；

4、当所述锂电池系统处于放电工作状态时，经所述直流母线输出的直流电通过日用系统中的双向dc/ac变频器转换为交流电，并分别于ac230v交流母线、ac400v交流母线集中输出；

5、当所述锂电池系统处于充电工作状态时，停泊机组或岸电系统的电源先通过所述交流预充电系统为直流母线系统预充电；然后停泊机组或岸电系统的电源再经ac400v交流母线通过日用系统中的双向dc/ac变频器转换为直流电为锂电池系统充电。

6、进一步地，所述ac230v交流母线输出的交流电用以给ac220v负载供电，所述ac400v交流母线输出的交流电用以给ac380v负载供电。

7、进一步地，每个所述轴发系统的轴带发电机的输入端通过皮带与电力推进系统的船舶主推进柴油机的自由端耦合连接；所述轴带发电机的输出端均与第一滤波器、第二滤波器中的电抗器连接，所述第一滤波器和第二滤波器中的电抗器分别与第一整流器、第二整流器的输入端连接；所述第一整流器、第二整流器的输出端分别通过第一电操机构、第二电操机构与直流母线连接。

8、进一步地，所述锂电池系统内设有电池高压箱，所述电池高压箱输入端与锂电池系统内的锂电池组的输出端连接，电池电池高压箱的输出端通过第四电操机构与直流母线连接；

9、所述电池管理系统设置于电池高压箱内。

10、进一步地，所述日用系统中与直流母线依次连接有电力快速熔断器、双向dc/ac变频器、第三滤波器、第三电操机构、三绕组变压器；

11、所述三绕组变压器的400v第一副边绕组连接有第一断路器，所述第一断路器的一端连接有ac400v母线；

12、所述三绕组变压器t的230v第二副边绕组通过第二断路器与日用系统的ac230v母线连接。

13、进一步地，所述交流预充电系统包括：第三断路器、预充电接触器、预充电电阻、全桥整流二极管模块；

14、所述来自停泊机组或岸电系统的ac400v电源依次通过ac400v母线、第三断路器、预充电接触器及预充电电阻限流后对直流母线进行预充电；所述全桥整流二极管模块的输入端连接预充电电阻，所述全桥整流二极管模块的输出端连接直流母线。

15、进一步地，所述控制系统包括综合控制面板、控制器；

16、所述综合控制面板上设置有电池充电、电池放电、电池停止自复式按钮，实现电池系统手动控制；所述综合控制面板上设置有系统自动自复式按钮，用于船舶辅助系统的一键启动及自动控制；所述综合控制面板上设置有轴发启动、轴发停止自复式按钮，实现轴发系统启停控制；所述综合控制面板上设置有调光旋钮、急停按钮，所述急停按钮用于船舶辅助系统的急停，可实现系统一键停机；

17、所述控制器通过硬线采集控制面板上控制按钮状态，并通过硬线控制警铃动作；控制器通过网线连接第一整流器、第二整流器、电池管理系统、机舱监测报警系统。

18、进一步地，所述轴发与锂电池混合的船舶辅助系统的自动控制方法，包括以下步骤：

19、步骤1、在船舶主推进柴油机处于运行状态下，按下综合控制面板上的系统自动按钮；

20、步骤2、所述轴发系统启动并进行斜坡输出，锂电池系统与轴发系统共同为整个船舶辅助系统、日用系统负载供电：所述锂电池系统中的第四电操机构吸合，锂电池系统自动进入放电状态，给日用系统负载供电；所述日用系统中第三电操机构由控制器控制吸合，控制双向dc/ac变频器启动逆变流程，对日用系统中的三绕组变压器t进行预充磁；其中，所述锂电池系统的充放电过程如下：

21、当控制器监测到锂电池组内最低单体电压达到放电截止电压后，第一整流器、第二整流器电压升高，并实时控制第一整流器、第二整流器中的igbt整流输出电压与锂电池系统充电电压进行并网；

22、当锂电池组内最高单体电压达到充电截止电压时，第一整流器、第二整流器电压降低，并实时控制第一整流器、第二整流器中的igbt整流输出电压，并与电池系统放电电压进行并网。

23、与现有技术相比，本发明提供的技术方案包括以下有益效果：

24、1)、轴发通过基于igbt的全可控整流器与锂电池系统系统进行直流并网，可实现单轴发、双轴发、多轴发的并网运行，有利于实现多主机冗余功率的充分利用，最大限度提高主机燃油经济性、节省燃油开支、减少主机排放。

25、2)、锂电池组采用储能方案直接与轴发整流器进行并网，取消了斩波dc/dc及其附属的大体积升压电抗器，简化了直流并网系统结构。通过减少部件提高了系统可靠性、降低了系统成本、减小了系统体积，有利于系统的推广应用，特别适合旧船升级改造。

26、3)、系统直流并网开关选用可通断大电流，并具有过流、短路保护功能的电操替代熔断器、接触器，提高系统可靠性、可维护性，适用于并网、离网时的大电流通断。

27、4)、系统按功能划分为若干子系统，且子系统间均为柔性连接，其中轴发与主机为皮带连接，轴发系统、电池系统、日用系统、控制系统等子系统均为电连接，有利于系统的布置安装，无需对原船动力系统进行任何改动，特别适合旧船升级改造。

28、5)、系统设置自动控制、手动控制两种模式，在水况恶劣或高速航行时可停止轴发输出，充分发挥螺旋桨轴功率；在游艇垂钓、码头待港、水库待闸期间可使用锂电池系统满足日常用电需求，以满足港口、水库的低排放、零排放要求，并提升整船舒适性。由锂电池组提供船舶辅助系统供电，可减少甚至停止日用机组的使用，节省日用机组燃油、减少日用机组排放、降低岸电接入成本。