双向DC/AC在船舶供电系统中的应用

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。