[发明专利]一种适用于kHz级交流电的船用离并网混合型双向变频变流器

说明书

本发明公开了一种适用于kHz级交流电的船用离并网混合型双向变频变流器，包括依次相连的24脉冲移相变压整流模块、DC‑AC逆变模块、LCL滤波模块及中压隔离变压器模块；其中：DC‑AC逆变模块上还连接有离/并网逆变控制模块，离/并网逆变控制模块还通过通讯和控制信号线与LCL滤波模块的两端相连；24脉冲移相变整流模块的输入端与kHz级三相交流电相连；中压隔离变压器模块的输出端与船舶中压电网相连；LCL滤波模块和中压隔离变压器模块之间设置有船舶主配电板和控制开关；控制开关与船舶低压电网相连。本发明能有效减少输入的高频三相交流电中的谐波含量，同时也能减少直流输出电压中的纹波，从而减少对船舶电网的谐波污染，提高船舶电网可靠性及电能质量。

技术领域

本发明涉及船舶主机排烟尾气余热发电、电能变换及船舶电力系统并网技术领域，尤其涉及一种适用于kHz级交流电的船用离并网混合型双向变频变流器。

背景技术

当前，船舶节能减排问题已经引起国际社会的高度重视，各航运大国在给予政策扶持的同时，更投入了大量的人力、物力和财力以有效的实现节能减排这一根本性目标。2009年国际海事组织海上环境保护委员会(MEPC)在其第59会议上，提出并制定“新船能效设计指数(Energy Efficiency Design Index,EEDI)”，要求从设计阶段对影响船舶能效的所有因素进行技术创新。2011年7月，MEPC第62次会议进一步通过了包括EEDI在内的《国际防止船舶造成污染公约》附则六，即关于船舶能效规则的修正案。上述法规或政策对造船工艺、船型设计以及创新型节能技术应用等提出了更高的标准要求，正显著地影响到全球船舶制造也和航运业的技术发展。提高能源利用效率以减少燃油消耗量是实现船舶节能减排的重要途径。以传统大型二冲程船用柴油机为例，其热效率接近50％，而有超过50％的能量以热能的形式散失。其中，排烟损失是所有热量瞬时形式中散失最多的部分，约占全部输入热量的25.5％，其温度范围为250～500℃。在标准工况下，船舶主机排气在经过涡轮增压器做功后的温度范围为220～240℃，从热力学效能分析的角度而言，此时的排烟尾气温度及其值仍然较高，但是传统的余热利用方法如余热锅炉对余热的利用率偏低，从而给排烟尾气余热深度利用带来了困难。深度利用船舶主机余热已经引起船舶行业的普遍重视，以船舶主机余热发电应用技术的相关研究工作也已经开始起步。显然，如果能够利用主机排气余热进行发电，可显著提高船舶能效，降低EEDI及燃油消耗量，意义重大。

以超临界二氧化碳布雷顿循环为代表的新型动力循环热能发电技术成为利用船舶主机余热回收利用的可行性技术方案。目前国内外在超临界二氧化碳布雷顿循环余热发电技术的研究中，取得了较多的研究成果。美国Sandia国家实验室于2008年5月完成S-CO₂系统的制造和组装，2009年完成系统测试和试车。美国Echogen LLC动力技术中心研发了世界上第一个兆瓦级的商用超临界二氧化碳发电机组EPS100，发电输出功率达到8MWe，热电转换效率可达24％。日本东芝与美国Exelon和CB&I从2012年6月开始合作，现已研制20MWe(50MWt)超临界二氧化碳发电系统样机，并完成S-CO₂循环压力燃烧试验。进一步，计划在2017年完成250MW及商业电站的S-CO₂发电系统的研发。韩国KIER主要关注采用S-CO₂循环的废热利用技术研究工作，并建立起10kW无回热简单布雷顿循环发电系统样机。美国EchogenPower System公司于2013年完成7MW超临界二氧化碳发电系统测试工作，实现了达到30％的余热发电效率，并成功应用于船舶主机余热发电系统。上述超临界二氧化碳余热发电技术的相关研究工作还处于起步阶段，一方面，目前的研究工作主要集中在对超临界二氧化碳余热发电系统性能及运行特性的研究，并没有涉及到如何对超临界二氧化碳余热发电系统所产生的高频电流进行变频变流以及如何与大电网实现并网的相关研究。另一方面，大多数的研究工作集中于将超临界二氧化碳循环余热发电系统用于陆地高效热能发电系统，很少有将其应用到船舶主机系统中的相关案例。