电源装置及具有其的船舶的制作方法

1.本发明涉及船舶领域，具体而言涉及电源装置及具有其的船舶。


背景技术：

2.现在新型船舶的电网系统越来越多的使用直流电网。直流电网的供电系统由交流发电机组、整流单元、直流母线、逆变单元等组成，其中交流发电机组有同步发电机组和异步发电机组两种。
3.其中的异步发电机组中，由于异步发电机的定子绕组连接至整流单元的交流侧，其转子绕组不需要与其它电源连接，因此异步发电机具有结构简单，制造、使用与维护方便，运行可靠，质量较小，成本较低等优点。因此船舶的发电机组较多使用异步发电机组。但是异步发电机本身不具备励磁能力，因此电网需要设置启动励磁单元。在直流电网建立电压之前，一般通过启动励磁单元对直流母线预充电，进而为异步发电机提供启动励磁电压，使其能够进入发电机状态。
4.现有的一些发电机组在异步发电机上设置永磁发电机的结构，该永磁发电机的结构为直流母线提供预充电，进而为异步发电机提供启动励磁电压。不过永磁发电机需要改变异步发电机的结构，异步发电机的成本高。
5.为此，本发明提供一种电源装置及具有其的船舶，用以至少部分地解决上述问题。


技术实现要素：

6.在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施例部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
7.为至少部分地解决上述技术问题，一种电源装置，电源装置用于船舶，船舶包括电网、异步发电机、原动机、直流起动电机、整流单元，以及硅整流发电机，电网包括直流母线，异步发电机的励磁绕组通过整流单元连接至直流母线，直流起动电机的输出轴连接至原动机的输入轴，原动机的输出轴连接至异步发电机的转子轴，原动机的输出轴还连接至硅整流发电机的转子轴，电源装置包括：直流储能单元，直流储能单元包括第一储能端口和第二储能端口，第一储能端口连接至直流起动电机，以为直流起动电机供电，第二储能端口用于连接至直流母线，以通过直流母线为异步发电机的启动提供励磁电压。
8.根据本发明的电源装置，电源装置包括直流储能单元，电网启动时，直流储能单元可以向异步发电机的启动提供励磁电压，并且向直流启动电机提供电能，电源装置的结构简单，无需改变异步发电机的结构，采用该电源装置的船舶的成本低。
9.可选地，电源装置还包括：
10.限流控制单元，限流控制单元的控制输入端连接至第二储能端口，限流控制单元的控制输出端连接至直流母线。
11.可选地，电源装置还包括：
12.二极管，二极管的正极连接至第二储能端口，二极管的负极连接至直流母线。
13.可选地，直流储能单元还包括第三储能端口，电源装置包括充电单元，充电单元的充电输出端连接至第三储能端口，充电单元的充电输入端连接至硅整流发电机的输出端，以将硅整流发电机产生的电能存储至直流储能单元。
14.可选地，直流储能单元在原动机的转速稳定时为直流母线输送启动励磁电压。
15.可选地，启动励磁电压的电压值为24v/48v。
16.可选地，直流储能单元在电网启动时向直流母线输送启动预检电信号，以检测电网。
17.可选地，直流储能单元在电网故障时向直流母线输送可调电信号，以使电网的故障处的熔断器熔断。
18.本发明还提供了一种船舶，船舶包括电网、异步发电机、原动机、直流起动电机，以及硅整流发电机，电网包括直流母线，异步发电机的励磁绕组连接至直流母线，直流起动电机的输出轴连接至原动机的输入轴，原动机的输出轴连接至异步发电机的转子轴，原动机的输出轴还连接至硅整流发电机的转子轴，船舶还包括前述的电源装置。
19.根据本发明的船舶，船舶包括前述的电源装置，电源装置包括直流储能单元，电网启动时，直流储能单元可以向异步发电机的启动提供励磁电压，并且向直流启动电机提供电能，电源装置的结构简单，无需改变异步发电机的结构，采用该电源装置的船舶的成本低。
附图说明
20.为了使本发明的优点更容易理解，将通过参考在附图中示出的具体实施方式更详细地描述上文简要描述的本发明。可以理解这些附图只描绘了本发明的典型实施方式，因此不应认为是对其保护范围的限制，通过附图以附加的特性和细节描述和解释本发明。
21.图1为根据本发明的第一个优选实施方式的电源装置、发电机组、直流母线，以及限流控制单元连接在一起的示意图；以及
22.图2为根据本发明的第一个优选实施方式的船舶的电网的启动流程示意图。
23.附图标记说明
24.110：发电机组
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111：异步发电机
25.112：原动机
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113：直流起动电机
26.114：硅整流发电机
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120：直流母线
27.130：直流储能单元
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131：第一储能端口
28.132：第二储能端口
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133：第三储能端口
29.140：限流控制单元
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141：控制输入端
30.142：控制输出端
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150：二极管
31.160：充电单元
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161：充电输出端
32.162：充电输入端
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170：整流单元
33.180：逆变单元
具体实施方式
34.在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明实施方式可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明实施方式发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
35.以下参照附图对本发明的优选实施方式进行说明。需要说明的是，本文中所使用的术语“上”、“下”以及类似的表述只是为了说明的目的，并非限制。
36.在本文中，本技术中所引用的诸如“第一”和“第二”的序数词仅仅是标识，而不具有任何其它含义，例如特定的顺序等。而且，例如，术语“第一部件”其本身不暗示“第二部件”的存在，术语“第二部件”本身不暗示“第一部件”的存在。
37.为了彻底了解本发明实施方式，将在下列的描述中提出详细的结构。显然，本发明实施方式的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施方式详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
38.本发明的一个优选的实施方式提供了一种电源装置。该电源装置可以用于船舶。该船舶可以包括电网。电网可以向船舶提供电能。请参考图1，该电网包括直流母线120。该船舶还包括整流单元170、发电机组110，以及逆变单元180。逆变单元180可以通过熔断器连接至直流母线120。发电机组110包括异步发电机111、原动机112、直流起动电机113，以及硅整流发电机114。原动机112可以是柴油机。原动机112的输入轴连接至直流起动电机113的输出轴。这样，直流起动电机113可以带动原动机112的输入轴转动，进而为原动机112的启动提供动能。
39.原动机112的输出轴的第一端连接至异步发电机111的转子轴。这样，原动机112的输出轴可以驱动异步发电机111的转子转动。原动机112的输出轴的第二端连接至硅整流发电机114的转子轴。这样，原动机112的输出轴可以驱动硅整流发电机114的转子转动。
40.异步发电机111可以是鼠笼式电机。异步发电机111的定子绕组可以通过导线连接至整流单元170的励磁输出端。整流单元170的励磁输入端连接至直流母线120。整流单元170用于将直流母线120的直流电转换为交流电，然后将交流电输送至异步发电机111的定子绕组，以为异步发电机111提供励磁电压。在发电机组110启动时，电源装置可以向直流母线120输送直流电，以通过整流单元170向异步发电机111的定子绕组提供励磁电压。
41.异步发电机111的定子绕组可以通过导线连接至电网，以为电网提供电能。
42.请继续参考图1，电源装置包括直流储能单元130。直流储能单元130可以输出直流电。直流储能单元130可以包括超级电容和/或蓄电池，以通过超级电容和/或蓄电池存储电能。直流储能单元130还包括第一储能端口131、第二储能端口132，以及第三储能端口133。第一储能端口131可以通过导线连接至直流起动电机113的定子绕组，以为直流起动电机113提供电能，进而驱动直流起动电机113的输出轴转动。第二储能端口132可以通过导线、后文的限流控制单元140，以及二极管150连接至直流母线120，以通过直流母线120和整流单元170向异步发电机111的定子绕组提供启动励磁电压。
43.电源装置还包括限流控制单元140。限流控制单元140的控制输入端141可以通过导线连接至第二储能端口132。限流控制单元140的控制输出端142可以通过导线和后文的二极管150连接至直流母线120。由此，可以通过限流控制单元140控制输送至直流母线120
的电流的电压值。
44.电源装置还包括二极管150。二极管150的正极可以通过导线连接至限流控制单元140的控制输出端142。二极管150的负极可以通过导线连接至直流母线120。由此，二极管150可以避免电流由直流母线120输送至直流储能单元130。这样，在直流母线120上的电压值稳定时，可以保护直流储能单元130。
45.电源装置包括充电单元160。充电单元160可以调整电压值的大小。充电单元160的充电输出端161连接至直流储能单元130的第三储能端口133。充电单元160的充电输入端162连接至硅整流发电机114的输出端。这样，充电单元160可以将硅整流发电机114产生的电能的电压值转换成存储电压值(直流储能单元130存储的电能的电压值的大小为存储电压值)，进而将电能存储至直流储能单元130。
46.在未示出的实施方式中，船舶也可以设置有太阳能发电单元。充电单元的充电输入端连接至太阳能发电单元，以将太阳能发电单元产生的电能存储至直流储能单元。或者船舶也可以设置有风能发电单元。充电单元的充电输入端连接至风能发电单元，以将风能发电单元产生的电能存储至直流储能单元。或者充电单元可以连接至直流母线，以将直流母线上的部分电能存储至直流储能单元，此时直流储能单元可以吸收直流母线上突变的电压。这样，当直流母线电压突变而升高时，充电单元将多余电能存入直流储能单元，进而使直流母线的电压快速恢复至预设工作电压值。
47.如图1所示，本实施方式中，船舶设置有两套发电机组110和两套电源装置。一套发电机组110和一套电源装置通过一条直流母线120连接。另一套发电机组110和另一套电源装置通过另一条直流母线120连接。
48.直流储能单元130在原动机112的转速稳定时为直流母线120输送启动励磁电压。这样，异步发电机111可以输出稳定的电压值，同时减小直流储能单元130的电能损耗。
49.优选地，启动励磁电压的电压值为24v/48v。由此，方便直流储能单元130的选型。
50.电网启动时，可以通过限流控制单元140控制直流储能单元130向直流母线120输送启动预检电信号。启动预检电信号的电压值可以为24v或48v。这样可以通过检测电网的各个直流母线120的启动预检电信号的电压值的变化，进而检测电网的各部分是否正常。例如，当至少一个直流母线120的启动预检电信号的电压值有明显的降低现象(例如降低至0)，则判定电网的至少部分出现故障(例如短路)，此时可以使发电机组110停止工作，电网不能正常启动，并通知相关的工作人员。当所有的直流母线120的启动预检电信号的电压值大致等于预设预检电压值，则表示电网可以正常工作，此时可以正常启动发电机组110和电网。
51.当正在正常工作的电网出现故障(例如某段直流母线短路并且/或者任意的支路短路，本实施方式的判定电网出现故障的方法和现有的判断电网出现故障的方法大致相同，这里不再赘述)的时候，电网中开始产生短路电流，如果短路电流不能快速到达熔断器的额定值以使熔断器熔断，将会烧毁下一级电器元件(通过熔断器连接至电网的故障处的直流母线120的电器元件)。此时，可以通过限流控制单元140控制直流储能单元130向每段直流母线120输送可调电信号(低压大电流信号)，以辅助继电保护系统实现短路分断动作。此时直流储能单元充当电流源，以持续为与之连接的直流母线120提供可调电信号，以帮助电网的故障位置的直流母线120的电流快速提升，进而使电网的故障处的直流母线120具有
足够的电流值使与之连接的熔断器熔断，进而保护通过熔断器连接至电网的故障处的直流母线120的电器元件。
52.优选地，可调电信号的电压值可以是24v至48v。
53.本实施方式中，电源装置包括直流储能单元130，电网启动时，直流储能单元130可以向异步发电机111的启动提供励磁电压，并且向直流启动电机提供电能，电源装置的结构简单，无需改变异步发电机的结构，采用该电源装置的船舶的成本低。
54.如图2所示，该船舶的电网的启动流程如下：
55.步骤s1、发电机组110启动。
56.步骤s2、直流储能单元130放电。
57.步骤s3、驱动直流起动电机113的输出轴转动。
58.步骤s4、原动机112点火，原动机112的输出轴转动。
59.步骤s5、异步发电机111的转子转动。
60.步骤s6、硅整流发电机114运行发电。
61.步骤s7、通过充电单元160为直流储能单元130充电。
62.电网需要启动时，直流储能单元130放电，以向直流起动电机113供电，进而驱动直流起动电机113的输出轴转动；直流起动电机113带动原动机112的输入轴转动，进而带动原动机112的输出轴转动，以为原动机112的启动提供动能。待原动机112的输出轴的转速稳定在预设启动转速时，可以点火启动原动机112，以使原动机112工作。需要说明的是原动机112工作时，原动机112的输出轴带动硅整流发电机114的转子转动，这样硅整流发电机114产生电能，电能经过充电单元160为直流储能单元130供电。工作的原动机112也带动异步发电机111的转子转动。
63.步骤s8、直流储能单元130通过限流控制单元140向直流母线120输送启动预检电信号。
64.步骤s9、判断电网是否正常。
65.步骤s10、若电网不正常(电网出现故障而不能正常工作)，则使发电机组110停止工作。
66.步骤s11、若电网正常(电网可以正常工作)，则使整流单元170工作在逆变状态，以向异步发电机111提供励磁电压。
67.步骤s12、异步发电机111发电。
68.电网需要启动时，直流储能单元130向直流起动电机113供电的同时，直流储能单元130可以通过限流控制单元140向直流母线120输送启动预检电信号。这样和电网连接的控制单元可以检测电网的各个直流母线120的启动预检电信号的电压值变化，进而确定电网是否能够正常工作。如果电网的至少部分直流母线120的启动预检电信号的电压值有明显的降低现象(例如降低至0)，则表示电网不能正常工作，此时可以使原动机112停止工作，以检修电网。如果电网的各个直流母线120的启动预检电信号的电压值大致等于预设预检电压值，则可以使整流单元170工作在逆变状态，以将直流母线120提供的直流电压转换为交流电压，进而向异步发电机111的定子绕组提供励磁电压，进而使异步发电机111发电。
69.步骤s13、发电机组稳定运行。
70.步骤s14、判断电网是够故障。
71.步骤s15、若电网出现故障现象，则使电源装置向直流母线120提供可调电信号。
72.步骤s16、若电网不出现故障现象，则使电网继续正常工作。
73.待发电机组110稳定运行时，此时直流母线120的电压值稳定在预设工作电压值。此时二极管150可以避免电流由直流母线120输送至限流控制单元140，进而损坏电源装置内的电器元件，例如直流储能单元130和限流控制单元140。
74.待发电机组110稳定运行时，异步发电机111和硅整流发电机114可以产生电压稳定的电能。此时判定电网是否故障，若是电网出现故障现象，可以通过限流控制单元140控制直流储能单元130向直流母线120输送可调电信号。这样，可以持续为所有直流母线120提供可调电信号，以使电网的故障处的直流母线120具有足够的电流值使与之连接的熔断器熔断，进而保护通过熔断器连接至电网的故障处的直流母线120的电器元件。
75.本发明还提供了一种船舶。船舶包括前述的电网、发电机组，以及电源装置。
76.本实施方式中，船舶包括前述的电源装置，电源装置包括直流储能单元130，电网启动时，直流储能单元130可以向异步发电机111的启动提供励磁电压，并且向直流启动电机提供电能，电源装置的结构简单，无需改变异步发电机的结构，采用该电源装置的船舶的成本低。
77.本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。
78.除非另有定义，本文中所使用的技术和科学术语与本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中使用的术语只是为了描述具体的实施目的，不是旨在限制本发明。本文中出现的诸如“部件”等术语既可以表示单个的零件，也可以表示多个零件的组合。本文中出现的诸如“安装”、“设置”等术语既可以表示一个部件直接附接至另一个部件，也可以表示一个部件通过中间件附接至另一个部件。本文中在一个实施方式中描述的特征可以单独地或与其它特征结合地应用于另一个实施方式，除非该特征在该另一个实施方式中不适用或是另有说明。
79.本发明已经通过上述实施方式进行了说明，但应当理解的是，上述实施方式只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施方式范围内。本领域技术人员可以理解的是，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。