[发明专利]具有谐波抑制和回馈制动功能的船舶电力推进系统及控制方法

说明书

本发明涉及船舶电力推进领域，尤其涉及一种具有谐波抑制和回馈制动功能的船舶电力推进系统及控制方法。该系统主要由IGCT控制与驱动系统、信号采集与控制系统、复合储能系统以及安装在电动机和船舶电网之间的双向逆变整流系统组成。所述系统中的双向逆变整流系统采用双三电平二极管箝位式拓扑结构，控制方法选用SVPWM控制技术，从而实现谐波抑制和回馈制动的功能。所述系统中的复合储能系统除可用于吸收船舶制动时的能量外，还可用于平复船舶电网的波动，具有稳定船舶电网的作用。本发明对提高船舶电网的电能质量和能源的利用率具有重要的应用价值。

技术领域

本发明涉及船舶电力推进领域，尤其涉及一种具有谐波抑制和回馈制动功能的船舶电力推进系统及控制方法。

背景技术

船舶电力推进系统具有操作灵活、机动性能好，振动小，有利于船舶控制环境污染等优点，这些都是传统推进系统所不具有的。船舶电力推进系统已成为当今船舶行业的重点研究和发展对象，发达国家也正在大力研制将电力推进技术应用于下一代新型战舰并取得了重大的进展。

船舶电网是一个典型的独立供电系统，由于发电容量有限，对非线性负荷的抗干扰能力比较差，尤其是随着电力电子技术在船舶上的广泛应用，电能变换过程中的非线性现象加重，由此带来的谐波等电能质量问题不容忽视。相对于采用组网方式形成的大电网而言，独立小电网的系统短路容量较小，而谐波源相对容量较大，因此，谐波造成的影响就会更大。目前，船舶电网的谐波问题日益突出和严重，国内外都发生过因谐波而引发的重大船舶事故。大量谐波会使发电机效率降低，电气设备过热，产生振动和噪声，导致绝缘老化、使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁；谐波会引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁；谐波还会引起船舶继电保护和自动控制装置的可靠性降低，产生误动作；此外，谐波会对通信设备和电子设备产生严重干扰，对船舶电力系统的安全、优质、经济运行构成潜在的危害。对此，船舶用电设备的谐波标准也日益提高。

电力推进船舶上产生谐波的元件很多，其中严重的是采用变频调速和串级调速的交流电动机调速系统和采用晶闸管变流的直流电动机调速系统等，都有大型的变流装置。这些采用功率半导体器件的变频装置在变流过程中，由于电力半导体器件的开关特性，在其输入和输出侧电压和电流都会出现波形畸变，产生大量的谐波。因此，电力推进系统中的大容量变流装置是产生船舶电力系统谐波的最主要因素。

目前，电力推进船舶的谐波抑制方法可分为主动型和被动型。主动型是对从谐波源本身提出的，要求谐波源本身不产生或少产生谐波，其主要方法有：①增加变流装置的相数或脉波数；②合理配置谐波源；③采用脉宽调制技术；④采用多重化技术。被动型是指在谐波产生后，从用电设备的角度考虑，解决已经存在的谐波方法，其主要方法是采用电力滤波器，包括无源电力滤波器、有源电力滤波器和混合型电力滤波器，由于有源电力滤波器对电网阻抗和谐波变化具有较好的适应能力，已成为目前滤波装置研究的重点。

在船舶制动过程中，由于船舶是一个具有很大惯量的物体，故其电动机转子、螺旋桨和船体本身具有巨大的能量，若不加以处理和利用，这部分能量将以热能的形式损失。有鉴于此，“绿色船舶”的发展迫切需要一种能将这部分能量存储及利用的系统，即回馈制动系统。

本发明的船舶电力推进系统，采用了双三电平二极管箝位式的拓扑结构，控制方法选用了SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制)控制技术，其突出的优点是可以实现谐波抑制和回馈制动的功能，此外，由于系统中设计了大容量的复合储能系统，复合储能系统除可用于吸收船舶制动时的能量外，更重要的作用是可以平复船舶电网的波动，具有稳定船舶电网和提高船舶能效指标的作用。目前尚未见到有关此类船舶电力推进系统的相关报道和公开使用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有电力推进船舶中存在严重的谐波污染和无法实现制动能量回馈利用的问题，提供一种具有谐波抑制和回馈制动功能的船舶电力推进系统及控制方法，尤其适用于电力推进船舶提高船舶电网的电能质量和能源的利用率。