船舶电力推进多模式混合动力系统实验平台及方法

摘要

本发明公开的一种船舶电力推进多模式混合动力系统实验平台及方法，实验平台由电力推进供电实验装置、驱动实验装置和实验控制台三大部分组成。其中，电力推进供电实验装置包括了柴电机组、蓄电池、燃料电池和市电电源。根据不同实验要求，可以选择柴电机组，蓄电池，蓄电池和柴电机组，燃料电池和蓄电池，市电电源等5种不同供电模式。而电力推进驱动实验装置包括了由交流和直流推进电机、负载电机组成的二套独立运行的电力推进装置。根据不同实验要求，可以选择交流或直流双机双桨推进，交流或直流单机单桨推进，交直流混合推进等5种不同推进模式。本发明拓展了船舶电力推进实验的功能范围，并且推进负载电机的再生电能被回馈，节能效果明显。

说明书

技术领域

本发明涉及船舶电力推进系统实验技术领域，特别是涉及一种船舶电力推进多模式混合动力系统实验平台，本发明还涉及船舶电力推进多模式混合动力系统实验平台的使用方法。

背景技术

电力推进系统是一种先进的船舶推进方式。这种推进方式能够提高船舶的技术经济性能，具有操纵性能好、节能环保的特点，可以降低船舶的废气排放，减少船舶的燃料能源消耗，同时可以获得较好的动力特性。电力推进船舶的动力主电源，一般是输出电压为低压(500V及其以下)或中压(500V以上10kV以下)的柴油机-发电机组(简称柴电机组)。为了实现电力推进船舶的节能减排，对于中小型电力推进内河船舶，可采用新能源技术，如采用蓄电池、燃料电池等清洁能源为电力推进系统供电。

目前，船舶电力推进的各类试验或实验系统大致可分为三类：第一类是电力推进船舶的动力装置实验系统，包括了电源系统和推进系统；第二类是电力推进船舶的控制实验系统，主要用于船舶电力推进的控制、测试实验；第三类是电力推进船舶的仿真实验系统，提供虚拟可视化环境，用于仿真电力推进船舶的操纵、控制、故障诊断等。对于第一类实验系统，中国专利200710036256.2公开了一种船舶电力推进系统的实验系统，其中为电力推进实验系统提供电力能源的装置为柴电机组和超级电容器，其超级电容器主要作用是吸收实验系统的制动能量，使实验装置节能。中国专利200710036257.2公开了一种包括由控制系统、推进系统、负载系统和交流供电系统组成的船舶电力推进试验系统。驱动系统为交流变频电机，负载系统为直流电机模拟螺旋桨负载。对于第二类实验系统，中国专利200710036258.7公开了一种船舶电力推进试验控制系统，其控制系统主要完成试验系统的控制与监测管理，未涉及试验系统的供电电源。中国专利200910056341.X，公开了一种船舶电力推进系统控制与研发平台，由市电提供实验系统的电力，用于船舶电力推进系统实验研究、系统测试和功能开发。对于第三类实验系统，中国专利200610148324.5公开了一种船舶电力推进虚拟仿真方法，通过仿真系统控制台，对虚拟船舶及其虚拟吊舱式电力推进系统进行仿真实验。中国专利200610148325.X公开了一种船舶电力推进虚拟仿真方法，通过仿真系统控制台，实现船舶虚拟驾驶三维可视化仿真。

上述现有技术中的船舶电力推进系统实验平台的试验范围单一，不够经济。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术船舶电力推进系统实验平台的试验范围单一的问题而提出的一种船舶电力推进多模式混合动力系统实验平台，实验平台由电力推进供电实验装置、驱动实验装置和实验控制台三大部分组成。其中，电力推进供电实验装置包括了柴电机组、蓄电池、燃料电池和市电电源。根据不同实验要求，可以选择柴电机组，蓄电池，蓄电池和柴电机组，燃料电池和蓄电池，市电电源等5种不同供电模式。而电力推进驱动实验装置包括了由交流和直流推进电机、负载电机组成的二套独立运行的电力推进装置。根据不同实验要求，可以选择交流或直流双机双桨推进，交流或直流单机单桨推进，交直流混合推进等5种不同推进模式。

本发明所要解决的技术问题可通过如下技术手段来实现：

一种船舶电力推进多模式混合动力系统实验平台，包括电力推进供电实验装置、电力推进驱动实验装置、电力推进实验控制台；

所述电力推进供电实验装置和电力推进驱动实验装置通过供电电网和回馈电网连接，所述电力推进实验控制台分别与电力推进供电实验装置、电力推进驱动实验装置连接；

所述电力推进供电实验装置包括实验室市电电源，柴电机组，蓄电池组和燃料电池组，所述实验室市电电源、柴电机组和蓄电池组分别通过一开关连接到供电电网上，所述燃料电池组通过一开关连接到蓄电池组上，所述实验室市电电源还连接回馈电网；

所述电力推进驱动实验装置包括相互独立的第一电力推进装置和第二电力推进装置，所述第一、第二电力推进装置均包括直流推进电机、交流推进电机和推进负载，所述两组直流推进电机、交流推进电机以及推进负载都为同轴连接，所述直流推进电机、交流推进电机均分别通过一开关连接到供电电网上，所述两推进负载连接回馈电网；

所述电力推进实验控制台分别连接电力推进供电实验装置中的市电电源、柴电机组、蓄电池组和燃料电池组以及1号电力推进装置和2号电力推进装置。

所述实验室市电电源包括连接的电源分/合闸装置和电源监控器，所述柴电机组包括连接的柴油发动机、同步发电机组成的机组本体和发电机组控制器，所述蓄电池组包括连接的蓄电池本体和用于充放电控制的蓄电池AC/DC双向变流器，所述燃料电池组包括燃料电池装置以及分别与其连接的燃料电池控制器、DC/DC单向变流器，所述电源分/合闸装置，柴油发动机、同步发电机组成的机组本体，蓄电池AC/DC双向变流器分别通过断路器连接到供电电网上，所述DC/DC单向变流器通过断路器连接到蓄电池本体上。

所述两直流推进电机均连接直流驱动器并由其进行调速控制，所述两交流推进电机均连接推进变频器并由其进行调速控制，所述两推进负载均为交流电机并都连接负载变频器，由负载变频器进行控制，所述两直流驱动器，两推进变频器均通过断路器连接到供电电网上，所述两负载变频器均通过断路器连接到回馈电网上。

所述电力推进实验控制台包括控制计算机，与控制计算机连接的两个电力推进操纵控制器、显示屏幕、打印机、外置存储器和扩展接口板卡，所述控制计算机通过一根控制总线连接电源监控器、发电机组控制器、蓄电池AC/DC双向变流器、燃料电池控制器、DC/DC单向变流器，通过另一根控制总线分别连接两直流驱动器、两推进变频器、两负载变频器。

所述电力推进供电实验装置的供电模式有如下几种：

a.柴电机组供电模式，将柴电机组的断路器合闸，其余供电组的断路器处于分闸状态，此时，实验平台提供了一个常规柴电机组船舶电站的电力系统运行环境；

b.蓄电池供电模式，将蓄电池组的断路器合闸，其余供电组的断路器处于分闸状态，此时，实验平台提供了一个纯电动船舶电力系统运行环境；

c.蓄电池与柴电机组混合供电模式，将蓄电池组和柴电机组的断路器都合闸，其余供电组断路器处于分闸状态，此时，实验平台提供了一个蓄电池和柴电机组混合供电的船舶电力系统运行环境；

d.燃料电池与蓄电池混合供电模式，将蓄电池组和燃料电池组的断路器合闸，其余供电组断路器处于分闸状态，此时，实验平台提供了一个燃料电池与蓄电池混合供电的船舶电力系统运行环境；

e.实验室市电电源供电模式，将实验室市电电源的断路器合闸，其余供电组组断路器处于分闸状态，在此供电模式下，可以进行船舶电力推进系统的普通实验研究。

所述电力推进驱动实验装置的驱动模式有如下几种：

a.交流双机双桨模式，将1号电力推进装置的推进负载和交流推进电机以及2号电力推进装置的推进负载和交流推进电机接通，为交流推进双机双桨模式；通过实验控制台分别给出推进操纵命令，实现交流推进电机调速控制，以及推进负荷的模拟控制；

b.直流推进双机双桨模式，将1号电力推进装置的推进负载和直流流推进电机以及2号电力推进装置的推进负载和直流推进电机接通，为直流推进双机双桨模式；通过实验控制台分别给出推进操纵命令，实现直流推进电机调速控制，以及推进负荷的模拟控制；

c.交流推进单机单桨模式，将任意一电力推进装置的推进负载和交流推进电机接通，为交流推进单机单桨模式；通过实验控制台给出相对应的交流单机单桨推进操纵命令，实现交流推进电机调速控制，以及推进负荷的模拟控制；

d.直流推进单机单桨模式，将任意一电力推进装置的推进负载和直流推进电机接通，为直流推进单机单桨模式；通过实验控制台给出相对应的直流单机单桨推进操纵命令，实现直流推进电机调速控制，以及推进负荷的模拟控制；

e.交直流混合推进驱动模式，将任意一电力推进装置的推进负载和交流推进电机接通，同时另一套电力推进装置的推进负载和直流推进电机接通，为交流电机直流电机推进混合推进模式；通过实验控制台给出相对应的交直流推进操纵命令，实现交直流推进电机调速控制，以及推进负荷的模拟控制。

本发明提出的船舶电力推进多模式混合动力系统的实验平台及方法大大提高了电力推进实验系统的灵活性，拓展了电力推进实验或试验的功能范围，尤其是能够对新能源(如蓄电池供电、燃料电池供电等)电力推进技术开展实验研究，使电力推进实验平台达到多用途实验的目的。而实验平台的推进模拟负载电机处于发电运行状态，再生电能被回馈到市电，大幅度降低了大功率电力推进实验系统的能耗，节能效果明显。

附图说明

图1为船舶电力推进多模式混合动力系统实验平台组成框图。

图2为电力推进供电实验装置组成框图。

图3为电力推进驱动实验装置组成框图。

图4为电力推进实验控制台组成框图及控制框图。

图5为交流推进双机双桨驱动模式示意框图。

图6为直流推进双机双桨驱动模式示意框图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

船舶电力推进多模式混合动力系统实验平台的组成结构框图如图1所示。由电力推进供电实验装置100、电力推进驱动实验装置200和电力推进实验控制台300三大部分组成。电力推进供电实验装置100，主要包括实验室市电电源110，柴电机组120、蓄电池组130和燃料电池组140。电力推进驱动实验装置200，包括了电力推进1号电力推进装置210和2号电力推进装置220，其中211和221为推进负载，212和222为直流推进电机，213和223为交流推进电机，推进电机与负载同轴连接。电力推进供电实验装置100与电力推进驱动实验装置200之间通过供电电网410和回馈电网420连接；电力推进供电实验装置100、电力推进驱动实验装置200与电力推进实验控制台300之间分别通过现场总线510和520连接。

(1)电力推进供电实验装置组成结构

图1中的电力推进供电实验装置100的组成结构进一步细化如图2所示。实验室市电电源110包括了电源分/合闸装置111和电源监控器112；柴电机组120包括了柴油发动机和同步发电机组成机组本体121以及发电机组控制器122；蓄电池组130包括了蓄电池本体131以及蓄电池AC/DC双向变流器(充放电控制器)132；燃料电池组140包括了燃料电池装置141、燃料电池控制器142以及DC/DC单向变流器143。

实验室市电电源110、柴电机组120、蓄电池组130分别通过断路器600、610、620连接到供电电网410上，而燃料电池组140通过断路器630连接到蓄电池本体131上。回馈电网420用于推进负载211和221的再生电能回馈，直接连接到电源分/合闸装置111上。根据不同实验要求，可以选择柴电机作为主电源供电，蓄电池作为主电源供电，蓄电池和柴电机混合供电，燃料电池和蓄电池混合供电，实验室市电源作为主电源供电等不同供电方式。

(2)电力推进驱动实验装置组成结构

图1中的电力推进供电实验装置200的组成结构进一步细化如图3所示。1号电力推进装置210和2号电力推进装置220为对称的两套独立装置。两套装置的供电由供电电网410分别通过断路器650和660、670和680供给。

两套电力推进装置中，交流推进电机213和223分别由推进变频器216和226进行调速控制；直流推进电机212和222分别由直流驱动器215和225进行调速控制；推进负载211和221由交流电机模拟，分别由推进负载变频器214和224进行推进负载控制，推进负载211和221始终工作在发电机状态，再生电能通过断路器640和690进入回馈电网420。1号和2号电力推进装置，根据不同实验要求，可以选择交流推进驱动，直流推进驱动，单机单桨、双机双桨等不同运行方式。

(3)电力推进实验控制台组成结构

图1中的电力推进实验控制台300的组成结构进一步细化如图4所示。控制计算机310通过现场总线510连接电力推进供电试验装置100中的市电电源监控器112，发电机组控制器122、蓄电池AC/DC双向变流器132、燃料电池控制器142及DC/DC单向变流器143。控制计算机310通过现场总线520连接电力推进驱动实验装置200中的推进负载变频器214和224，直流驱动器215和225，推进变频器216和226。

实验控制台控制计算机310的外部设备，包括电力推进操纵控制器(车钟)320和330，分别对应于1号和2号电力推进装置；显示屏幕340、打印机350、外置存储器360和扩展接口板卡370。

(4)实验平台多模式供电方法

实验平台可用于船舶电力推进系统及其应用技术的研发。根据不同供电对象试验或实验要求，实验平台的电力推进供电实验装置100可以选择柴电机作为主电源供电，蓄电池作为主电源供电，蓄电池和柴电机混合供电，燃料电池和蓄电池混合供电，实验室市电电源作为主电源供电等不同供电模式。通过电力推进实验控制台300控制不同的供电模式。

a.柴电机组供电模式

当实验研究对象为柴电机组电力推进系统时，实验平台启用柴电机组供电模式，图2中柴电机组120的断路器610合闸，而断路器600和620处于分闸状态。此时，实验平台提供了一个常规柴电机组船舶电站的电力系统运行环境。

b.蓄电池供电模式

蓄电池用作动力装置主电源时，称之为动力电池。以磷酸铁锂离子电池作为动力电池，无环境污染，能量密度高，通过岸电进行充电储能。当实验研究对象为动力电池船舶电力推进系统时，实验平台启用蓄电池供电模式，图2中蓄电池组130的断路器620合闸，而断路器600、610和630处于分闸状态。此时，实验平台提供了一个纯电动环保船舶电力系统运行环境。

c.蓄电池与柴电机组混合供电模式

蓄电池供电的纯电动船舶，需要岸电充电，因此续航能力受到限制。而以蓄电池作为主电源，柴电机组作为辅助电源的混合动力船舶则可弥补这一缺陷。当实验研究对象为动力电池和柴电机组混合供电的船舶电力推进系统时，实验平台启用蓄电池与柴电机组混合供电模式，图2中柴电机组120和蓄电池组130的断路器610及620合闸，而断路器600和630处于分闸状态。此时，实验平台提供了一个蓄电池和柴电机组混合供电的船舶电力系统运行环境。

d.燃料电池与蓄电池混合供电模式

燃料电池以氢能为原料，因此是一种清洁能源。燃料电池船舶将是一种完整意义上的零排放绿色船舶。但由于燃料电池自身的特点，通常须与蓄电池并联运行。因此当实验研究对象为燃料电池船舶电力推进系统时，实验平台须启用燃料电池与蓄电池混合供电模式，图2中蓄电池组130和燃料电池组140的断路器620及630合闸，而断路器600和610处于分闸状态。此时，实验平台提供了一个燃料电池与蓄电池混合供电的船舶电力系统运行环境。

e.实验室市电电源供电模式

图2中实验室市电电源110的断路器600合闸，而断路器610和620处于分闸状态。在此供电模式下，可以进行船舶电力推进系统的普通实验研究。

(5)实验平台多模式驱动方法

实验平台的电力推进驱动实验装置200可提供船舶电力推进多种驱动模式。根据实验研究对象不同，通过图3中的断路器640、650、660、670、680、690的不同通断状态的组合，可得到六种不同的电力推进驱动实验模式，如下表所示。

a.交流推进双机双桨模式

断路器640和660、690和670合闸，650、680分断时，为交流推进双机双桨模式，如图5所示。由交流推进电机213和推进负载211以及相应的推进变频器216和214组成的1号电力推进装置210，以及由交流推进电机223和负载电机221以及相应的变频器226和224组成的2号电力推进装置220，为独立双机双桨推进。通过实验控制台300上的电力推进操纵控制器(车钟)320和330，分别给出推进操纵命令，实现交流推进电机调速控制，以及推进负荷的模拟控制。

此时，同轴的直流推进电机212和222处于断电空转状态，不对交流推进产生影响。推进负载211和221模拟螺旋桨推进负载，处于发电机工作状态，再生电能通过回馈电网420回馈给实验室市电电源。

b.直流推进双机双桨模式

断路器640和650、690和680合闸，断路器660、670分断时，为直流推进双机双桨模式，如图6所示。由直流推进电机212和推进负载211以及相应的直流驱动器215和变频器214组成的1号电力推进装置210，以及由直流推进电机222和推进负载221以及相应的直流驱动器225和变频器224组成的2号电力推进装置210，为独立双机双桨推进。通过实验控制台300上的电力推进操纵控制器(车钟)320和330，分别给出推进操纵命令，实现直流推进电机调速控制，以及推进负载的模拟控制。

此时，同轴的交流推进电机213和223处于断电空转状态，不对直流推进产生影响。推进负载211和221模拟螺旋桨推进负载，处于发电机工作状态，再生电能通过回馈电网420回馈给实验室市电电源。

c.交流推进单机单桨模式

当图5中任意一套电力推进装置运行而另一套停机时，为交流推进单机单桨模式。通过实验控制台300上相对应的电力推进操纵控制器320或330，给出交流推进单机单桨推进操纵命令，实现交流推进电机调速控制，以及推进负载的模拟控制。

d.直流推进单机单桨模式

当图6中任意一套电力推进装置运行而另一套停机时，为直流推进单机单桨模式。通过实验控制台300上相对应的电力推进操纵控制器320或330，给出直流单机单桨推进操纵命令，实现直流推进电机调速控制，以及推进负荷的模拟控制。

e.交直流混合推进驱动模式

交直流混合推进驱动模式在实际船舶电力推进应用系统中并不存在，但对于实验研究平台，这种实验功能必不可少。在相同运行环境下，交直流混合推进驱动模式可以同时获得二种推进类型的实验数据。当图5中任意一套电力推进装置运行，同时图6中对应另一套电力推进装置运行时，为交流电机直流电机推进混合推进模式。通过实验控制台300上相对应的电力推进操纵控制器320和330，给出交直流推进操纵命令，实现交直流推进电机调速控制，以及推进负荷的模拟控制。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。