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双向DC/AC在船舶供电系统中的应用

2017-12-04凌雷鸣庞玲玉秦臻伟

江苏船舶 2017年5期
关键词:变流器双向波形

凌雷鸣,姜 江,庞玲玉,秦臻伟,杨 威

(1.江苏镇安电力设备有限公司,江苏 镇江 212000;2.镇江中船现代发电设备有限公司,江苏 镇江 212000)

双向DC/AC在船舶供电系统中的应用

凌雷鸣1,姜 江2,庞玲玉1,秦臻伟1,杨 威1

(1.江苏镇安电力设备有限公司,江苏 镇江 212000;2.镇江中船现代发电设备有限公司,江苏 镇江 212000)

主要阐述了在船舶供电系统中加入双向DC/AC储能系统的作为应急电源的意义和作用,搭建了实验平台对双向DC/AC的功能进行验证,通过对相关波形的分析指出双向DC/AC储能系统具有快捷、智能以及使用寿命长等优点。

船舶供电系统;双向DC/AC;波形分析

0 引言

船舶应急电源作为紧急情况下维持船用负荷安全、稳定运行的重要保障,在整个船舶供电系统中有着极为重要的作用。当主发电机出现故障时,应急电源应能通过应急配电板或充放电板对负载供电,保证重要负荷运行[1]。随着船用设备的日趋复杂化,传统应急电源已无法满足紧急情况下负载的用电需求,尤其是在负载要求不间断运行时,无缝切换就显得十分重要。双向DC/AC储能系统为解决这一问题提供了可行性方案,相比于传统应急电源,其具有负载适应性强,响应速度快等特点,同时依托上位机管理,能有效地减少电池的充放电次数,从而延长了电池的使用寿命。

1 应急电源系统现状

传统的船舶应急电源系统包括应急发电机组、应急配电板和应急蓄电池组及其充放电板,还应包括定期功能试验的一些设备[2]。

1.1发电机组应急电源

应急发电机组独立于主发电机组,同时应具备良好的机动性和可靠性,一般由柴油机构成。根据《钢质海船入级规范》(2016)要求,应急发电机组应有手动和自动启停装置[3]。在自动状态下当检测到主电源供电失效时,应急机组需在45 s内完成自启动、连接应急配电板并有效转移负载。其供电原理图如图1所示。

应急发电机组能有效保证大功率重要负载的供电,但由于柴油机由冷启动至供给配电需要时间,并不能有效地做到无缝切换。

1.2蓄电池组应急电源

在使用蓄电池作为应急电源的船舶供电系统中,若使用在线式UPS电源,能够解决应急发电机组供电不连续的问题。通过整流电路将交流电转换成直流电对电池进行浮充,再由高品质逆变器将直流电转换成交流电供给负载。当主发电机失效时,由蓄电池组通过逆变电路为负载供电[4]。其供电原理图如图2所示。

在线式UPS电源虽然解决了供电连续的问题,但电池若一直处于浮充状态,会影响蓄电池组的使用寿命。

2 双向DC/AC储能系统

双向DC/AC储能系统广泛应用于分布式光伏发电中,具有动态响应好、负载适应性强等优点。一套完整的储能系统由双向变流器(PCS)、蓄电池组、电池管理系统(BMS)、以及能量管理系统(EMS)构成[5]。系统图如图3所示。

2.1双向DC/AC的拓扑结构

为保证DC/AC有较好的输出波形,采用如图4所示的硬件拓扑结构。图中,LCL滤波器用于减少DC/AC对外放电时的交流纹波;而前端EMC滤波器则用来减少充电时交流输入的纹波;隔离变压器除对电气设备进行有效隔离外,其变比值也直接影响电池侧最小输入电压。

2.2双向DC/AC工作方式

双向变流器具有“同期并网”“恒功率充放电”“恒压、恒流充电”“主/被动离网”等工作方式。当其作为船舶供电系统中的应急电源时,工作方式叙述如下:

当启动主发电机供电时,由主发电机提供维持电网的电压及频率(V/F),此时启动双向变流器并进行“同期并网”;由能量管理系统(EMS)及电池管理系统(BMS)通过变流器对电池进行“充放电”操作(当电池充满时停止浮充);当主电源出现故障而突然停机时,双向变流器检测到电压跌落,此时主动切断并网接触器,同时建立电网电压及频率,通过应急配电板对重要负载供电(由于负载接在接触器前端,保证了负载供电的连续性);当主电源恢复时,由EMS管控,使其“同期并网”并进行负载转移。

2.3双向DC/AC的优势

(1)无缝切换:在主电源跌落的两个周波内启动双向DC/AC,从而保证了负载的连续运行。

(2)延长蓄电池寿命:由于双向DC/AC处于并网状态,通过对电池的充放电管理能有效延长电池使用寿命。

(3)平滑负载波动:主电源因故过载时,通过恒功率放电减少主发电机过载时间。

3 调试波形及分析

调试以30 kW电阻箱作为负载,验证在发电机作为主电源时,双向DC/AC的并离网切换情况。

双向DC/AC带载同期并网波形图如图5所示,被动离网波形图如图6所示。图5、图6波形图中,1号、2号通道为电流信号(位于屏幕下方),其中1号线为柴油机输出电流,2号线为双向DC/AC输出电流;3号、4号通道为电压信号(位于屏幕上方),其中4号线为柴油机输出电压,3号线为双向DC/AC输出电压。

(1)30 kW负载条件下,双向DC/AC带载同期并网波形分析。

由图5可以看出,当图示上半部分3号、4号通道所表示的曲线已完全重合(发电机电压与双向DC/AC)即同步结束并已达到并网条件,此时进行同期并网操作。并网初期,双向DC/AC交流侧电流略有跌落,发电机接入电网发电,负载进行了有效转移。由图示可见,发电机交流侧电流逐渐增大,变流器交流侧电流逐渐减小,在负载转移中,波形平滑未见明显波动。

(2)30 kW负载条件下,双向DC/AC被动离网波形分析。

由图6可见,在切除发电机后,4号通道所表示的曲线(发电机电压输出曲线)逐渐跌落,3号通道曲线(双向DC/AC电压输出曲线),在伴随跌落2个周波后迅速脱离电网,完成自启动(建立电压及频率),并带载孤网运行。从波形图中可以看出电压波形稳定,2号曲线所表示的发电机输出电流丢失,1号曲线所表示的双向DC/AC电流迅速攀升,带载运行。由图所示,波形平滑,未见明显波动,双向DC/AC被动离网运行正常。

4 结语

通过对实验波形的分析可以看出,在双向DC/AC与发电机并离网试验中,交流输出波形稳定平滑、纹波较小,且被动离网时双向变流器能做到迅速反应,负载适应性强。随着双向变流器技术的日渐成熟,其应用领域也在不断扩大。虽然将其作为船舶应急电源仍处于实验阶段,同时考虑到船舶应急电源供电时长的要求,必然导致蓄电池组的体积增加,但若能在今后的船舶应急电源系统中引入双向DC/AC作为发电机组应急电源的补充方式,不论是在平滑交流波形还是在供电“无缝切换”中都将发挥巨大作用。因此,将双向DC/AC储能系统植入到船舶供电系统中具有十分重要的意义。

[1] 毛建强,刘志新,龙海,等.基于CCS规范的大型散货船电力系统设计[J].企业技术开发,2014 (4):11-12.

[2] 陈志磊.船舶应急电力系统建模与仿真研究[D].大连:大连海事大学,2008.

[3] 高树柏.船舶应急发电机自动控制系统的研究[D].大连:大连海事大学,2012.

[4] 刘艳.UPS在广播发射设备中的应用[J].现代工业经济和信息化,2015(12):38-39.

[5] 孙瑾,张翔,闫志乾.浅析能源互联网中储能站功率控制策略[J].城市建设理论研究,2016 (13):1956-1956.

U665.1

A

2017-03-09

凌雷鸣(1991—),男,硕士,助理工程师,从事电气自动化研究;姜江(1983—),男,工程师,从事电气设计工作;庞玲玉(1987—),女,工程师,从事电力电子设计工作。

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