CN101714762A - 对至少一个负载提供冗余的供电的装置 - Google Patents

对至少一个负载提供冗余的供电的装置 Download PDF

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CN101714762A CN200910205382A CN200910205382A CN101714762A CN 101714762 A CN101714762 A CN 101714762A CN 200910205382 A CN200910205382 A CN 200910205382A CN 200910205382 A CN200910205382 A CN 200910205382A CN 101714762 A CN101714762 A CN 101714762A
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Abstract

本发明涉及一种用于对至少一个负载(14)提供冗余的供电的装置，该装置包括：通过第一接头(7)与第一交流电网(8)相连的第一变流器(2)，通过第二接头(11)与第二交流电网(12)相连的第二变流器(3)，以及在直流电压侧连接第一变流器(2)和第二变流器(3)的直流电压中间电路(4)，该装置使冗余的供电成为可能。本发明建议，所述直流电压中间电路(4)具有至少一个为负载(14)供电的负载接头。

Description

对至少一个负载提供冗余的供电的装置
本申请是申请日为2006年2月24日、申请号为200680035124.7、发明名称为“对至少一个负载提供冗余的供电的装置”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种对至少一个负载提供冗余的供电的装置，包括：通过第一接头与第一交流电网相连的第一变流器，通过第二接头与第二交流电网相连的第二变流器，以及在直流电压侧连接第一变流器和第二变流器的直流电压中间电路。
背景技术
这样的装置例如已经由DE103 40 625 A1公开。在那里所显示的装置具有第一脉冲变流器以及第二脉冲变流器，其中，该两个脉冲变流器通过一个直流电压中间电路互相连接。每个脉冲变流器由一个带可关断的功率半导体器件的所谓的6脉冲桥式电路组成。这种也称为短连接(Kurzkupplung)的装置在电能分配领域用于电能分配传送网的耦合，其中这些电能分配传送网可以具有不同的频率、电压等级、星型结点处理或相位。
用于冗余的供电的装置例如用在钻井船或钻井平台。例如，已知钻井船或钻井平台在较深水域钻井过程不停泊，而是借助于所谓的推进器动态地定位。该推进器被设计成转速和方位角可调驱动，使得可以在不停泊的条件下精确定位钻井船或钻井平台。超过45秒的供电故障会导致高的费用，因为在这种情况下钻井所必须的钻杆需要机械地去耦，并且在重新定位钻井船或钻井平台后需要重新耦合到一起。因此，为驱动这样的马达或驱动装置需要可靠的供电。由于这种原因，钻井船和/或钻井平台通常装备有冗余的供电网。除该两个供电网外通常还有一个备用网，在故障情况下可以调整到该备用网。每个供电网通过各自的发电机馈入电能。例如一个机械的开关用于耦合供电网。然而该耦合的缺点是，有故障的供电网不利地影响无故障的供电网。该影响是不期望的。此外公知的是，取代一个开关而采用转速可变的驱动通过转换开关接到两个供电网。不过，驱动的这种接入是费时的，在转换的过渡阶段会导致错误定位。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种本文开始部分提到的装置，利用该装置可以提供冗余的供电。
上述技术问题是如下地来解决的：所述直流电压中间电路至少具有用于对负载的供电的负载接头。
根据本发明，以短连接的概念公知的装置不再用于耦合第二电网。而是通过与直流电压中间电路相连的负载接头的设置，可以为可连接在负载接头的负载提供冗余供电。这种装置因此特别适合安装在如下的钻井船或钻井平台：其装备有转速和方位角可调的驱动、如所谓的推进器，用于在较深水域为钻井船或钻井平台定位。例如，在正常运行情况下可以从第二交流电网对在直流电压中间电路连接的负载的供电，其中在所述第二交流电网的交流电压崩溃情况下由第一交流电网接管负载的供应。根据本发明所述变流器具有合适的可关断的功率半导体器件、如GTO或IGBT。可关断的功率半导体器件例如在千赫兹范围通过一个脉宽调制同步，从而使从第二交流电网转换到第一交流电网时可以用相应短的过渡时间。这样短的转换时间可以确保避免错误定位。
变流器(在这种情况下也可称为换流器)的调节，在本发明范围内基本上是任意的。
不过，根据一种合适的扩展，第一变流器具有第一直流电压调节用于调节直流电压中间电路的直流电压。该第一换流器用于构建在直流电压中间电路中的合适的直流电压。
根据一种合适的扩展，所述第二变流器具有功率调节用于通过所述第二变流器调节功率通量，其中，该功率调节将功率调节到一个负的额定直流功率上，该额定直流功率的绝对值对应于由所有负载消耗的功率的绝对值。根据该优选的扩展，通过所述第二交流电网实施对在直流电压中间电路上连接的负载的供电，其中该功率调节将功率调节一个负的额定直流功率上。特别是在使用马达作为负载的情况下，其消耗的功率超过一段时间持续变化，因此用测量传感器测量负载侧消耗的功率是合适的。例如，将校准的电压和电流互感器连接在负载接头之前，利用其输出信号可测量通过负载消耗的功率。由所测量的消耗的功率通过所述调节确定与该负的额定直流功率相等的绝对值，并在功率调节中作为额定值使用。由此，通过所述第二供应网对负载供应。所述第一变流器则用于在直流电压中间电路中保持直流电压以及同时在所述第一交流电网中控制无功功率。在所述第二交流电网故障情况下，该第一变流器尽管缺乏功率供应仍几乎没有延迟地重新调节直流电压中间电路的直流电压，使得尽管该第二交流电网崩溃也不会导致对负载供电的明显中断。所述第一交流电网的崩溃在本发明的设计方案中将引起直流电压中间电路中的直流电压的崩溃，从而排除了对负载的继续驱动。
由于这个原因，在本发明的一种扩展中，使所述第二变流器具有第二电压调节，用于调节直流电压中间电路中的电压。因为根据该扩展两个变流器调节直流电压中间电路中的直流电压，所有的负载同样地可由两个电网供电。因此，一个电网(而且是不管哪个电网)的故障对驱动没有不利的影响，因为分别由完好的交流电网接管负载的供电。根据本发明，从一个交流电网到另一个交流电网的过渡时间在几个毫秒范围之内。通过适当选择调节参数可以防止由于在直流电压中间电路中的波动造成的变流器的互相的影响。由此，合适地这样设计变流器，使得防止过冲和变流器互相的影响。这种调节对专业人员是公知的。
根据与此相关的合适的扩展，直流电压中间电路具有直流电流断路器。这种直流电流断路器例如作为通常的熔断器、爆破熔断器(Sprengsicherung)或电子开关实现。直流电压中间电路优选地由多个直流电流支路组成，其中，每个也可称为功率块的直流支路，被单个地监测以及通过直流电流断路器保护。直流电流断路器可以实现各直流电流支路在故障情况下可选的断路，而不影响其它直流电流支路的运行。
优选地，每个变流器由串联的功率块组成。这种功率块根据现有技术也称为功率电子积木(Power Electronic Building Block)并且是专业人员所公知的，因此不必详细描述。这些功率块实现了变流器的模块结构并且用这种方式将变流器调整到任意的电压等级。合适地，该变流器和直流电压中间电路设计为中压和用于驱动相应的负载，其中，中压范围介于1kV到52kV之间。
根据与此相关的合适的扩展，每个功率块通过一个断路器单元与直流电压中间电路相连。按照这种方式可以在无需断开其它的功率块与直流电压中间电路的连接的条件下更换功率块，从而简化了对根据本发明的装置的维护和保养。
优选地，每个负载接头通过一个逆变器驱动与直流电压中间电路相连。通过逆变器驱动的使用可以驱动交流马达，其中，可以任意调节负载的驱动频率。
根据一种优选的实施例，本发明的装置包括：第一并行变流器，其通过第一接头支路与第一接头和第一变流器相连，以及第二并行变流器通过第二接头支路与第二接头和第二变流器相连，其中，该第一并行变流器和该第二并行变流器通过一个并行直流电压中间电路互相连接。换句话说，根据该扩展，两个短连接可以并行地或更好地反并行地在第一交流电网和第二交流电网之间连接。在此，该并行短连接可以对小的电压和由此低费用地被设计为主短连接。并行短连接例如是一个带相应的变流器的低压短连接。并行短连接的并行变流器用于基本上对第一变流器在交流电网故障情况下提供交流电压，使得即使第一交流电网由于故障造成中断，也能提供供电。不过，在正常运行和在第二交流电网故障情况下并行短连接空载工作。重要的是，在第一交流电网中断或故障情况下，该有故障的第一交流电网相对第一并行变流器、即相对并行短连接闭锁。该闭锁例如通过一个在第一交流电网和第一并行变流器之间并与第一变流器连接的开关实施。通过该开关例如实现第一接头。对正常运行来说，并行短连接合适地具有一个下降特性(Statik)，其比为第一交流电网馈电的发电机的下降特性小。否则，该并行短连接相对在正常运行时对第一变流器不闭锁的第一交流电网工作。
优选地，该第二并行变流器具有一个并行直流电压调节，用于调节并行直流电压中间电路的直流电压。根据一个与此相关的合适的扩展，该第一并行变流器具有一个交流电压调节，用于调节在第一接头支路的交流电压。与第一和第二变流器并行的第一及第二并行变流器的调节正好与第一及第二变流器相反。这自然与并行短连接的目的有关，该并行短连接当在闭锁的第一交流电网有故障时在第一接头支路提供一个合适的交流电压供应。
优选地，第一接头和/或第二接头是断路单元。断路单元例如是本身公知的可与交流电网相连的开关装置或开关。这些开关可以是机械开关或电子开关。
合适地，第一变流器和/或第一并行变流器分别通过第一变压器与第一接头支路相连，以及第二变流器和/或第二并行变流器分别通过第二变压器与第二接头支路相连。按照这种方式在运行期间在装置和交流电网之间提供电的去耦合。当然，在本发明范围内也可以在并行直流中间电路上连接一个可与负载相连的并行负载接头。
如果将交流电压驱动连接在负载接头之前，则带来另外的优点。在并行负载接头上连接负载是合适的，因为并行短连接在正常运行时准空载地工作。如果对小的电压设计第一并行变流器和第二并行变流器，则也对相应的电压设计的负载冗余地供应电能。因此根据本发明的装置显著地扩大了其应用可能性。
此外，本方面还涉及一种带有第一交流电网和第二交流电网以及根据前述的装置的系统。
附图说明
通过以下结合附图对本发明实施方式的描述，本发明的其它合适的结构、优点和细节将更加清楚，其中相同的组成部分具有相同的附图标记，附图中：
图1示出根据现有技术的用于耦合两个交流电网的短连接，
图2示出根据本发明的装置的一个实施例的示意图，
图3示出根据本发明的装置的另一个实施例的示意图，
图4示出根据本发明的装置的另一个实施例的示意图，
图5示出根据本发明的装置的另一个实施例的示意图，以及
图6和图7示出根据本发明的装置的另一个实施例的示意图。
具体实施方式
图1示出根据现有技术的作为装置的短连接1。该已知的短连接1具有第一变流器2以及第二变流器3，它们通过直流电压中间电路4在直流电压侧互相连接。该直流电压中间电路4包括电能存储器，在这种情况下是用于保持直流电压的电容器5。变流器2和3的结构是专业人员所公知的，因此不需在此详细描述。变流器基本上由一个具有可关断功率半导体器件(在这种情况下是IGBT)的6脉冲桥式电路组成，其中，反向连接的空转二极管与每个可关断功率半导体器件并联。该变流器2在交流电压侧通过第一接头支路6与第一开关7相连，该开关作为接头用于连接第一交流电网8。变压器9用于在开关7接通的情况下将第一变流器2与第一交流电网8电感耦合。
第二变流器3同样通过变压器9和第二接头支路10与作为第二接头的第二开关11相连。通过接通开关11该第二变流器3因此可与第二交流电网12电感耦合。
通过对变流器2以及3的合适的调节，可实现从第一交流电网8到第二交流电网12或从第二交流电网12到第一交流电网8的任意的功率传输。在示意图中第一和第二变流器2、3具有仅示意性描述的电容器和电感器，其错接和作用方式是专业人员同样公知的。
图2示意性示出根据本发明的装置13的一个实施例。所示的装置13同样具有第一变流器2以及第二变流器3，它们利用直流电压中间电路4在直流电压侧互相连接。通过第一接头支路6以及第一开关7该第一变流器2可与第一交流电网8相连，而该第二变流器3通过第二接头支路10和第二开关11可与第二交流电网12耦合。交流电网8和12分别具有一个自身的(在此按照发电机的形式的)供电，并且可能设置所谓的推进器14等用于供电，当钻井船在深水域实施钻井时，该推进器用于定位该钻井船。如已经解释的那样，推进器是转速和方位角可变的马达。因为推进器的供电的仅一个短时的故障将导致高的费用，因此除了在正常运行时提供推进器14需要的功率的第二交流电网12之外，设置了根据需要可转换到其上的第一交流电网8。
为此，直流电压中间电路4与两个负载接头相连。在直流电压中间电路和负载接头之间的连接借助于负载接头导线15a和15b来实现，这些导线与直流电压中间电路4的正连接导线4a或者与直流电压中间电路4的负连接导线4b电相连。在负载接头之前连接两个驱动逆变器16，用于将直流电压转换为交流电压。该驱动逆变器16也是专业人员所公知的，因此在此不需详细描述。该驱动逆变器16产生具有期望的电压振幅、相位角和频率的交流电压以及交流电流。
通过直流电压调节实施对第一变流器2的控制，该调节在直流电压中间电路4中设定作为调节的额定值预先给出的额定直流电压。该直流电压调节在图2中通过带Udc的箭头示意性标明。通过该直流电压调节此外可以调节第一交流电网8的无功功率Q。这在图2中用标有Q的箭头标明。
所述第二变流器3则具有功率调节装置17，后者与示意性标明的测量单元18相连，其中该测量单元18包括电压转换器，其产生与直流电流和/或交流电流以及直流电压和/或交流电压分别成比例的输出信号，该信号在获得采样值的条件下由采样单元采样，并且借助于模拟/数字转换器被转换为数字的直流电流值以及直流电压值。此外，直流电压调节还具有一个可参数化的额定直流功率，其起到用于直流电压调节的额定值的作用，根据该额达值将第二变流器3的功率半导体器件(在本例中是IGBT)这样触发，使得由该第二变流器3传输通过该额定直流功率预先给出的功率。在本发明范围内预先给出一个负的额定直流功率，其与由推进器14消耗的功率的绝对值相应。换句话说，由于该负的额定直流电压按由P标明的箭头方向从所述第二交流电网12向该推进器14提供一个功率通量。第一交流电网8则用于在直流电压中间电路4中保持直流电压Udc。
在第二交流电网12中断的情况下，第一交流电网8基本没有时间延迟地接管对推进器14的供电。在此，尽管该第二交流电网12出现中断，直流电压中间电路中的直流电压Udc通过第一变流器2被保持。不过，在这种情况下在第一交流电网8中不再可能对无功功率进行控制。
然而，如果在所述第一交流电网8中出现故障的情况下，则在直流电压中间电路4中的直流电压不再保持。对推进器14的供电则中断。
图3示出一个也是在第一交流电网8出现中断情况下确保对推进器14的供电的实施例。在本发明的该所示实施例中并行短连接19在一定程度上反并联短连接13。为此，第一并行变流器20借助变压器9与第一接头支路6电感耦合。在直流电压侧第一并行变流器20与第二并行变流器21通过同样双极的并行直流电压中间电路22相连。该第二变流器21借助第二变压器9与第二接头支路10相连，并且具有一个并行直流电压调节用于控制并行直流电流中间电路22的直流电压，其在图3中仅通过标有UDC的箭头标明。
所述第一并行变流器20具有一个交流电压调节，用其可以控制可在第一接头支路6产生的交流电压。按照这种方式并行短连接19在所述接头支路6中产生交流电压，从而尽管第一交流电网8出现中断仍可保持第一变流器2的运行。第一开关7用于对第一接头支路6闭锁第一交流电网8。按照这种方式，即使在第一交流电网8中出现故障时，如在图3中通过交叉线标明的，还可以实现对马达或推进器14的供电。不过重要的是，在故障情况下开关7断开，使第一交流电网8与第一交流连接6和由此与第一变流器2去耦。此外，对一个顺利的正常运行要注意，通过第一并行变流器20电压调节的下降特性比为第一交流电网8馈电的图中未示出的发电机的下降特性更小。否则，第一并行变流器20相对第一交流电网8工作。而这是不期望的。
可以对于任意的电压范围来构造所述并行短连接19和短连接13。在图中将所示的实施例中短连接13设计用于中压范围、即对在1kV和52kV之间的电压，而将并行短连接21设计用于低压范围。按照这种方式不仅可以对较大的负载或马达14而且可以对较小的负载或马达24、25实现冗余的驱动。仅为了完备性起见在此指出，对低压设置的并行短连接19的费用比对中压设置的短连接13的费用更少。
图4示出根据本发明装置的另一个实施例，其中，在并行电路22上连接一个图中未示出的并行负载接头，在其前面连接一个并行驱动逆变器23用于驱动附加负载24。此外，直流电压马达25直接与并行直流电压中间电路22相连。
图5示出根据本发明装置的大部分与在图4中所示的实施例相应的另一个实施例。但是，在这种情况下并行直流电压中间电路22通过直流电压导线26a和26b在直流电压侧与备用变流器27相连，其中，该备用变流器27在交流电压侧通过备用开关28与传输交流电压的备用供电网29相连。为了清楚起见，在图中没有示出另一个备用变流器，其在直流电流侧与直流电压中间电路4相连接以及在交流电压侧与另一个备用电流网或与同一个备用供电网29相连接。通过该备用供电网29或通过若干备用供电网，又进一步降低对负载的供电的故障可能性。所述第一和第二交流电压网以及一个或多个备用供电网可以在本发明范围内具有互相独立的任意多个相。
图6示出基本上与在图2中描述的实施例相应的另一个实施例，但是其中第二变流器3同样具有一个直流电压调节，该直流电压调节独立于第一变流器2的直流电压调节。在此，对第一变流器2和第二变流器3的调节通过如下的方式实现：防止了例如通过在直流电压中间电路4中的波动引起的变流器2和3的互相影响。变流器2和3例如是模块化构成并且具有也被称为功率电子积木的功率块。功率电子积木是专业人员所公知的，因此在此不必精确描述。
由于安全性的原因，在所示实施例中的直流电压中间电路4具有断路单元30，其在故障情况下导致直流电压中间电路4中流过的电流中断。断路单元30例如是熔断器、电开关或类似物。
图7示出了根据图6的实施例，但是其中相应于图4设置一个附加的反并联的并行短连接19用于对小负载24、25的供电。短连接13的变流器2、3的调节如在图6的实施例描述的那样实施。并行短连接19的调节如根据图4的实施例描述的那样实施，其中，还为两个短连接13、19设置了一个可与备用供电网29相连的备用变流器27。

Claims (5)

1.一种用于对至少一个负载(14)提供冗余的供电的装置，该装置包括：通过第一接头(7)与第一交流电网(8)相连的第一变流器(2)，通过第二接头(11)与第二交流电网(12)相连的第二变流器(3)，以及在直流电压侧连接所述第一变流器(2)和所述第二变流器(3)的直流电压中间电路(4)，其中，所述直流电压中间电路(4)具有至少一个为负载(14)供电的负载接头，其特征在于，第一并行变流器(20)，其通过第一接头支路(6)与所述第一接头(7)和所述第一变流器(2)相连；以及第二并行变流器(21)，其通过第二接头支路与所述第二接头(11)和所述第二变流器(3)相连，其中，所述第一并行变流器(20)和所述第二并行变流器(21)通过并行直流电压中间电路(22)互相连接。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二并行变流器(21)具有并行直流电压调节，用于调节所述并行直流电压中间电路(22)的直流电压。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述第一并行变流器(21)具有交流电压调节，用于调节所述第一接头支路中的交流电压。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述并行直流电压中间电路(22)具有至少一个并行负载接头，用于连接附加负载(24，25)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述直流电压中间电路(4)借助于备用变流器与传输交流电压的备用电网相连。
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