CN102227870B

CN102227870B - 电力配电系统及其方法

Info

Publication number: CN102227870B
Application number: CN200980147211.5A
Authority: CN
Inventors: O·博
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-11-26
Filing date: 2009-11-09
Publication date: 2015-06-17
Anticipated expiration: 2029-11-09
Also published as: EP2192681A1; WO2010060777A2; BRPI0921228A2; US8946928B2; CN102227870A; WO2010060777A3; KR101702864B1; EP2351201A2; RU2519824C2; KR20110096139A; RU2011126167A; US20110254368A1

Abstract

本发明涉及一种用于电力配电的系统（10）和方法。所提出的系统（10）包括多个发电机系统（12、14、16、18），每一个发电机系统（12、14、16、18）均包括直接地连接到整流器（28、30、32、34）的交流发电机（20、22、24、26）。交流发电机（20、22、24、26）以旋转方式耦合到原动机（13、15、17、19），其中，在所述原动机（13、15、17、19）操作时，所述交流发电机（20、22、24、26）产生交流输出（38、40、42、44），被与所述多个发电机系统（12、14、16、18）中的其它发电机系统去同步并且具有可变发电机速度。直接地连接到交流发电机（20、22、24、26）的整流器（28、30、32、34）适于将所述交流发电机（20、22、24、26）的所述交流输出（38、40、42、44）转换成直流输出（46、48、50、52）。直流配电母线（36）耦合到来自每一个整流器（28、30、32、34）的直流输出（46、48、50、52）。系统（10）进一步包括适于从所述直流配电母线（36）接收电力的多个逆变器（56、58、60、62），每一个逆变器（56、58、60、62）的输出均适于驱动交流电动机（64、66、68、70）。

Description

电力配电系统及其方法

技术领域

本发明涉及电力配电系统，尤其是在推进中和为了钻探应用所使用的那些电力配电（power distribution）系统。

背景技术

电力系统，例如在推进中使用的那些电力系统，把燃料燃烧驱动的原动机（prime mover）例如柴油内燃机作为主电力源。在传统的柴油发动机（diesel engine）例如在船舶推进中使用的那些柴油发动机中，在发动机和驱动推进器的电动机（motor）之间存在直接连接。根据船舶的尺寸通常使用一个或者两个这样的发动机。这里问题在于，这些发动机与船舶的速度无关地在恒定的旋转速度下操作。因此，在低速度下，与实际输出相比，能量消耗是高的，从而导致高水平的CO₂排放、高能量消耗和高维护成本。另外，一个构件的故障可能非常经常地引起总体发动机损坏。

在柴油-电动（diesel-electric）推进系统的情形中排除了以上问题。在这里，一个或者两个大型主发动机可以被更多和更小的柴油发动机替代，每一个柴油发动机均连接到向主配电盘输送电力的发电机，主配电盘是被断路器（disconnector）或者汇流排（bus tie）分为二的AC配电母线（AC：交流）。主配电盘经由各个整流器和逆变器向多个推进器电动机供应电力。这种系统的优点是使用充足数目的、更小的柴油发动机，即，避免了一直使用所有的发动机。如果发动机怠速工作或者船舶以降低的速度移动，则连接仅仅一个发电机可以是足够的，该发电机作为回报可以以最佳容量和效率操作。在另一方面，更高的电力需求可能要求高的速度和所有发电机的运行。这个灵活性给出了相当大的能量节约，同时确保了最佳输出效果。

然而，这种柴油电力系统遭受几个缺陷。例如，是AC配电母线的主配电盘额定地用于高电流水平并且代表高成本元件。而且，为了最佳的操作，在每一条母线上至少一个发电机必须在操作中。这导致燃料消耗的显著降低。在非关键性操作中，利用闭合的（closed）汇流排的操作是可能的。在这些情形中，仅仅一个发电机可以在低负载下操作。然而，在需要更高容量的情形中，必须向主配电盘接通另一发电机。为此，必须跟随正常的同步化过程，这增加了发电机组的起动时间。进而，在很多应用中，在故障情形中在发电机之间的选择性是困难的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改进的电力配电系统。

通过一种电力配电系统实现了以上目的，该电力配电系统包括：

-多个发电机系统，每一个发电机系统均包括：

--以旋转方式耦合到原动机的交流发电机，其中，在所述原动机操作时，所述交流发电机产生交流输出，以及

--整流器，直接地连接到所述交流发电机并且适于将所述交流发电机的所述交流输出转换成直流输出，

-耦合到来自每一个整流器的直流输出的直流配电母线，以及

-多个逆变器，适于从所述直流配电母线接收电力，每一个逆变器的输出均适于驱动交流电动机。

还通过一种用于电力配电的方法实现了以上目的，该方法包括：

-将交流发电机耦合到原动机，其中，在所述原动机操作时，所述交流发电机产生交流输出，

-将整流器直接地连接到所述交流发电机，所述整流器适于将所述交流发电机的所述交流输出转换成直流输出，

-将来自每一个整流器的直流输出耦合到直流配电母线，以及

-将多个逆变器连接到直流配电母线，每一个逆变器的输出均适于驱动交流电动机。

本发明的基本思想是将一个或者多个整流器直接地连接到每一个发电机。因此整流器被视为发电机系统的一部分。这个布置排除了对AC主配电盘的需要，如早先述及地，AC主配电盘是一种高成本元件。相反，本发明使用将无论如何是转换器系统的一部分的DC配电母线（DC：直流）。此外，因为整流器直接地连接到发电机，所以在起动时不需要同步，并且在更高电力要求的情形中，另外的发电机的快速连接是可能的。因为来自每一个发电机系统的输出是DC电流，所以对在发电机的内部AC输出上的固定频率输出的需要是多余的。因此在低负载条件下，可以降低原动机的速度（每分钟的转数）以便节约燃料成本。

在一个实施例中，在所述发电机系统中的所述整流器是二极管整流器。在可替代的实施例中，在所述发电机系统中的所述整流器是可控硅（thyristor）整流器。可控硅整流器保证了软起动器功能，因为它以受控方式对DC配电母线充电，从而在起动期间避免高电流峰值。在对在发生故障的情形中断开发电机和在发生故障或者短路的情形中断开负载进行过电流监视时，可控硅整流器是另外有利的。

在本发明的一个实施例中，在所述发电机系统中的所述整流器是适于感测直流输出的受控整流器，进一步地，其中所述整流器适于在所述配电母线过载或者短路的情形中被阻断（block）以从所述发电机系统断开所述直流配电母线。在进一步的实施例中，在所述发电机系统中的所述整流器适于在所述发电机发生故障的情形中从所述直流配电母线隔离（isolate）所述发电机。以上实施例提供具有增加的可靠性的、安全的电力配电系统。

在再进一步的实施例中，每一个交流发电机均直接地连接到多个整流器，所述多个整流器中的每一个的直流输出均耦合到多条直流配电母线，所述多条直流配电母线中的每一条均被电耦合到一个或者多个逆变器，所述一个或者多个逆变器中的每一个的输出均适于驱动交流电动机。这个实施例允许每一个发电机到每一条DC配电母线上的灵活连接。原则上，用于每一条必要的母线系统的一个整流器可以连接到每一个发电机，从而允许在发电机和DC配电母线之间的充分灵活性。

在一种实现方式中，所提出的系统进一步包括被电耦合到所述直流配电母线的一个或者多个辅助电力逆变器，所述一个或者多个辅助电力逆变器适于向辅助电力消耗单元提供电力。在可替代的实施例中，所提出的系统进一步包括用于直接地从一个或者多个交流发电机的输出向辅助电力消耗单元馈送电力的装置。

根据一种操作模式，连接到所述整流器的所述发电机的输出负载通过控制该发电机的输出电压而受到控制。在这种模式中，对于该系统而言关键性的唯一发电机故障是过电压。然而，这可以通过切断激励电压而容易地受到控制。

进一步的操作模式包括响应于该发电机的负载的降低而降低所述发电机的输出频率。这导致降低的燃料成本和降低的排放，因为发电机可以在最经济的速度下操作。

在示例性操作模式中，所述发电机被异步地起动。这降低了发电机的起动时间，因为不需要同步。这还使得在增加的负载要求的情形中将另外的发电机快速地连接到该系统成为可能。

附图说明

在下文中参考附图中示出的所图示的实施例进一步描述了本发明，其中：

图1是根据本发明的一个实施例的电力配电系统的示意图，

图2是具有连接到每一个发电机的双整流器（dual rectifier）的多母线电力配电系统的示意图，

图3是具有连接到DC母线的辅助电力逆变器的电力配电系统的示意图，并且

图4是其中直接地从发电机的输出向辅助电力消耗单元馈送电力的电力配电系统的示意图。

具体实施方式

本发明提供用于将一个或者多个整流器直接地连接到每一个发电机的一种新颖的方案。因此整流器被视为发电机系统的一部分。如上所述，这种布置通过消除对额定用于高电流水平的AC主配电盘的需要而降低了成本。作为替代，本发明使用可以无论如何作为转换器系统的一部分而需要的DC配电母线。将结合在下文中图示的各种实施例来讨论本发明的进一步的优点。可以在各种应用中（例如在推进系统或者钻探系统中等等）实现在下文中描述的电力配电系统的实施例。

参考图1，电力配电系统10包括多个原动机单元13、15、17和19。在所图示的实施例中，原动机13、15、17和19包括柴油发动机。然而，原动机可以可替代地包括任何其它种类的内燃机、气轮机或者微型燃气轮机等。柴油发动机13、15、17和19分别地以旋转方式耦合到AC发电机20、22、24和26。在柴油发动机13、15、17和19中的一个或者多个的操作下，各个发电机20、22、24和26分别地产生AC输出38、40、42和44。根据本发明，发电机20、22、24和26中的每一个均直接地连接到各个整流器28、30、32和34，发电机和整流器一起地分别地形成发电机系统12、14、16和18的一部分。整流器28、30、32和34将发电机20、22、24和26的AC输出分别地转换成DC输出46、48、50和52。整流器28、30、32和34的DC输出46、48、50和52被输送到DC配电母线36，DC配电母线36替代当前地在现有技术实施中使用的AC配电盘。DC配电母线可以被断路器或者汇流排54分为二。从DC配电母线36，电力分别地经由逆变器56、58、60、62而被供应到一个或者多个AC电动机64、66、68、70（与发电机的数目无关）。在推进系统的情形中，这些电动机可以直接地耦合到推进器、方位推进器（azimuth thruster）等。在任何时间点操作的发电机系统的数目依赖于电力要求。例如，在低负载下，仅仅一个发电机系统可以是操作的。可以在更高电力要求的情形中激发（energize）另外的发电机系统。

因此，如能够看到地，通过将一个或者多个整流器直接地连接到每一个发电机，排除了对AC主配电盘的需要。在优选的实施例中，整流器28、30、32、34是可控硅整流器，但是还可以使用二极管整流器。以多种方式在发电机系统中使用可控硅整流器是有利的。首先，使用可控硅整流器提供软起动器功能，其中，在发电机单元的起动期间，DC配电母线36被以受控方式充电，从而在起动期间避免高电流峰值。连接到发电机的可控硅整流器还便于通过监视可控硅整流器的输出电流（DC）而进行过电流监视。在短路电流超过阀值设定点水平的情形中，触发脉冲将被暂时地阻断，从而使得过载电流在大致10毫秒之后俘获（seize）。此后可控硅整流器将执行新的软起动，以允许预设最大过载电流在永久关断之前流动预设的时间。在这个时间期间，可能接着进一步的系统故障清除（clearance）。

此外，所提出的、直接地连接到发电机的可控硅整流器的使用还提供更快的发电机起动。这是因为由于来自发电机系统的输出是直流，所以在另外的发电机的起动期间不需要相位角的同步。因此，在发电机发生故障或者电力需求突然增加的情形中，可以通过起动柴油发动机、激发相应发电机并且释放可控硅整流器而容易地起动另外的发电机。一旦发电机开始产生足够高的输出电压，它将在无任何进一步的同步的情况下开始向负载馈电。因此与传统的操作相比，起动时间被显著降低。

在发电机系统中使用可控硅整流器还保证了电力系统的增加的可靠性。例如，可控硅整流器防止将电力返回到发电机中。进而，可控硅整流器提供在发生故障的情形中发电机的断开和在发生故障或者短路的情形中负载的断开。所提出的布置排除了对断路器的需要。而且，可控硅桥的使用提供容易的对缺陷性构件的探测和断开。

所提出的系统通过调节输出电压设定点而在发电机之间提供并行操作和负载共享。还能够安装电压的下降（droop）控制，从而在总电压控制故障的情形中确保每一个发电机的独立性。这些特征将依赖于总体系统布局和要求。在并行操作中，发动机每一个均可以在最经济的速度下操作。发电机的输出频率是不重要的。在并行操作中在每一个发电机上的负载由输出电压控制。对于该系统而言关键性的唯一发电机故障是过电压。然而，这可以容易地通过切断激励电压而受到控制。所提出的系统的另一个优点在于，发电机的恒定的速度和因此恒定的频率不是必要的。在低负载操作中，发动机的速度可以被降低至低于正常速度。这将进一步降低燃料消耗并且因此降低排放。

本发明还可以被扩展至多母线系统，其中每一个发电机系统均具有多个整流器，每一个整流器均向多条DC配电母线之一输送DC输出。参考图2，电力配电系统80被图示为具有多个发电机82、84、86、88，每一个发电机均连接到双整流器，优选地可控硅整流器。要理解，每一个发电机均被合理地耦合到原动机（未示出）。系统80还包括两条DC配电母线120和122。如所示那样，发电机82连接到整流器90和92，其中整流器90的输出106被输送到DC配电母线122，而整流器92的输出108被输送DC配电母线120。类似地，整流器94的输出109、整流器98的输出112和整流器102的输出116被输送到DC配电母线122，而整流器96的输出110、整流器100的输出114和整流器104的输出118被输送到DC配电母线120。DC配电母线122经由逆变器124和126向电动机132和134供应电力。DC配电母线120经由逆变器128和130向电动机136和138供应电力。所提出的多母线系统提供增强的安全性并且允许每一个发电机到每一条DC配电母线上的灵活连接。原则上用于每一个必要的母线系统的一个整流器可以连接到每一个发电机，从而允许在发电机和DC配电母线之间的充分灵活性。在以上图示的实施例中，DC配电母线未被汇流排相互连接，从而允许母线系统的更好隔离。在双或者多母线系统的情形中，如果存在发电机故障或者电力需求突然增加，则可以从向另一母线馈电的一个或者多个发电机释放整流器，从而使得（一个或者多个）发电机向需要更多电力的母线馈电。

图3和图4图示用于根据所提出的技术向辅助电力消耗单元提供电力供应的实施例。在图3中，电力系统150包括被分别地连接到向DC配电母线160输送DC电力的整流器156和158的发电机152和154（未示出原动机）。辅助电力消耗单元164从连接到DC配电母线160的一个或者多个辅助逆变器162接收电力。可替代地，可以直接地从一个或者多个发电机接收辅助电力。如在图4中所示，电力系统170包括分别地连接到整流器176和178的发电机172和174。在这里，如所示那样，电力直接地从发电机174馈送到辅助电力消耗单元180。然而，在此情形中，有必要以固定的速度操作发电机174。

第三种替代是具有用于向辅助电力消耗单元馈送电力的专用发电机。至少对于起初的两个实施例而言，滤波器的使用可以是有利的。

总之，本发明涉及一种用于电力配电的系统和方法。所提出的系统包括多个发电机系统，每一个发电机系统均包括直接地连接到整流器的交流发电机。交流发电机以旋转方式耦合到原动机，其中，在所述原动机操作时，所述交流发电机产生交流输出。直接地连接到交流发电机的整流器适于将所述交流发电机的所述交流输出转换成直流输出。直流配电母线耦合到来自每一个整流器的直流输出。该系统进一步包括适于从所述直流配电母线接收电力的多个逆变器，每一个逆变器的输出均适于驱动交流电动机。

虽然已经参考具体实施例描述了本发明，但是该描述并非意在以限制性的意义理解。在参考本发明的说明时，所公开的实施例的各种修改以及本发明的可替代的实施例将对于本领域技术人员而言变得明显。因此预期能够在不偏离如所限定的本发明的精神或者范围的情况下作出这种修改。

Claims

1.一种电力配电系统（10、80、150、170），包括：

-多个发电机系统（12、14、16、18），每一个发电机系统均包括：

--以旋转方式耦合到原动机（13、15、17、19）的交流发电机（20、22、24、26），其中，在所述原动机（13、15、17、19）操作时，所述交流发电机（20、22、24、26）产生交流输出（38、40、42、44），被与所述多个发电机系统（12、14、16、18）中的其它发电机系统去同步并且具有可变发电机速度，以及

--整流器（28、30、32、34），直接地连接到所述交流发电机（20、22、24、26）并且适于将所述交流发电机（20、22、24、26）的所述交流输出（38、40、42、44）转换成直流输出（46、48、50、52），

-直流配电母线（36），耦合到来自每一个整流器（28、30、32、34）的直流输出（46、48、50、52），以及

-多个逆变器（56、58、60、62），适于从所述直流配电母线（36）接收电力，每一个逆变器（56、58、60、62）的输出均适于驱动交流电动机（64、66、68、70），

其中所述发电机系统（12、14、16、18）中的所述整流器（28、30、32、34）是适于感测直流输出（46、48、50、52）的受控整流器，并且其中所述整流器（28、30、32、34）适于在所述配电母线（36）过载或者短路的情形中被阻断以从所述发电机系统（12、14、16、18）断开所述直流配电母线（36）。

2.根据权利要求1的电力配电系统（10），其中所述发电机系统（12、14、16、18）中的所述整流器（28、30、32、34）是可控硅整流器。

3.根据权利要求1的电力配电系统（10），其中所述发电机系统（12、14、16、18）中的所述整流器（28、30、32、34）是二极管整流器。

4.根据前面权利要求中任何一项的电力配电系统（10），其中所述发电机系统（12、14、16、18）中的所述整流器（28、30、32、34）适于在所述发电机（20、22、24、26）的故障的情形中从所述直流配电母线（36）隔离所述发电机（20、22、24、26）。

5.根据权利要求1至3中任何一项的电力配电系统（80），其中每一个交流发电机（82、84、86、88）均直接地连接到多个整流器（90、92、94、96、98、100、102、104），所述多个整流器（90、92、94、96、98、100、102、104）中的每一个的直流输出（106、108、109、110、112、114、116、118）均耦合到多条直流配电母线（120、122），所述多条直流配电母线（120、122）中的每一条均适于向一个或者多个逆变器（124、126、128、130）供应电力，所述一个或者多个逆变器（124、126、128、130）中的每一个的输出均适于驱动交流电动机（132、134、136、138）。

6.根据权利要求1至3中任何一项的电力配电系统（150），进一步包括电耦合到所述直流配电母线（160）的一个或者多个辅助电力逆变器（162），所述一个或者多个辅助电力逆变器（162）适于向辅助电力消耗单元（164）提供电力。

7.根据权利要求1至3中任何一项的电力配电系统（170），进一步包括用于直接地从一个或者多个交流发电机（178）的输出向辅助电力消耗单元（180）馈送电力的装置。

8.一种用于电力配电的方法，包括：

-将交流发电机（20、22、24、26）耦合到原动机（13、15、17、19），其中，在所述原动机（13、15、17、19）操作时，所述交流发电机（20、22、24、26）产生交流输出（38，40、42、44），被与其它交流发电机（20、22、24、26）去同步并且具有可变发电机速度，

-将整流器（28、30、32、34）直接地连接到所述交流发电机（20、22、24、26），所述整流器（28、30、32、34）适于将所述交流发电机（20、22、24、26）的所述交流输出（38、40、42、44）转换成直流输出（46、48、50、52），

-将来自每一个整流器（28、30、32、34）的直流输出（46、48、50、52）耦合到直流配电母线（36），以及

-将多个逆变器（56、58、60、62）连接到直流配电母线（36），每一个逆变器（56、58、60、62）的输出均适于驱动交流电动机（64、66、68、70），

其中发电机系统（12、14、16、18）中的所述整流器（28、30、32、34）是适于感测直流输出（46、48、50、52）的受控整流器，并且其中所述整流器（28、30、32、34）适于在所述配电母线（36）过载或者短路的情形中被阻断以从所述发电机系统（12、14、16、18）断开所述直流配电母线（36）。

9.根据权利要求8的方法，包括通过控制连接到所述整流器（28、30、32、34）的所述发电机（20、22、24、26）的输出电压而控制该发电机（20、22、24、26）的输出负载。

10.根据权利要求8和9中任何一项的方法，包括响应于该发电机（20、22、24、26）的负载的降低而降低所述发电机（20、22、24、26）的输出频率。

11.根据权利要求8到9中任何一项的方法，包括异步地起动所述发电机（20、22、24、26）。