CN102308465A

CN102308465A - 电源系统

Info

Publication number: CN102308465A
Application number: CN2010800065896A
Authority: CN
Inventors: 艾吉尔·希斯塔德; 斯维恩·马格纳·德祖维
Original assignee: Wartsila Norway AS
Current assignee: Wartsila Norway AS
Priority date: 2009-02-13
Filing date: 2010-02-11
Publication date: 2012-01-04
Anticipated expiration: 2030-02-11
Also published as: WO2010092113A1; NO20090713L; RU2527921C2; SG173016A1; RU2011128780A; BRPI1008496B1; BRPI1008496A2; US8816524B2; EP2396879A1; US20120001486A1; CN102308465B; NO330667B1; KR101666091B1; KR20110118809A

Abstract

本发明涉及包括具有两个功率输入的至少两个驱动单元(3)和在选定的系统频率和电压处提供电功率的至少一台发电机(G)。该系统包括具有第一连接点和第二连接点(1，2)的变压器单元(LLC)，至少其中一个连接点被连接到发电机(G)，其中每个驱动单元的两个输入被连接到变压器单元(LLC)的第一连接点和第二连接点(1，2)，以及该变压器单元适合于在选定的系统频率和电压处提供在所述输入之间的选定的相移。

Description

电源系统

本发明涉及包括向包括至少两个电力用户的系统提供电流的整流桥和逆变器的低损耗高冗余电源系统，尤其是在具有多个电动机和多个发电机或电源的装置上的电源系统。

在向例如在海上装置中的电推进系统或泵应用中的电动机提供电力时，通常的做法是利用通过变压器耦合到三相电源的整流桥耦合，所述变压器将两个AC电源提供到整流桥的输入。已知有许多这样的系统，例如在第WO2005/119892号国际专利申请中所描述的，该申请描述了用于在网络中抑制谐波电压和用于减少在系统中的整流器上的应变的系统。

在大型装置(如海上装置或船舶)上使用的电源系统被定位在每个电动机或电力用户处，使他们易受电源中的失误和例如在一个电动机中失去推力的风险的影响，因此安全系统和额外的可用功率必须是可用的。此外众所周知，当功率要求达到某个水平时，需要功率系统的电压的增加，以便避免高短路水平，再次增加了系统的成本。

因此，本发明的目的是提供在电源系统中的冗余，从而减少在装置的一部分中完全失去功率的风险，同时也减少必要的系统电压。这是利用根据独立权利要求的系统得到的。

本发明基于所谓的LLC变压器单元的使用，如在上面提到的WO2005/119892中所讨论的，其中变压器用于通过提供在变压器上的相移来移除电源系统中的谐波。根据本发明的优选实施方式，变压器单元被布置成提供移除5次和7次谐波的30°相移，并包括移除或抑制11次和13次谐波的附加绕组。

当变压器单元将附加阻抗添加到系统时，它也减少了系统中的短路电流，这作为结果允许在低电压时给系统提供的较高的功率。这样，标准690V设备可以用于比采用已知的解决方案更高的功率。

下面参考作为例子示出本发明的附图来说明本发明。

图1a、b显示采用LLC变压器的局部电源系统。

图2显示根据本发明的局部电源系统。

图3a、b显示具有对称和不对称发电的系统。

图4显示采用四个功率系统实现的系统。

图5显示图4中的系统的可选方案。

图1a和1b显示两个不同的LLC变压器，其具有在图中被连接到驱动单元的第一和第二连接点1、2并具有在变压器单元的每侧上的发电机G。LLC变压器适合于在工作频率处提供在连接点之间的30°的相移，因此抑制5次和7次谐波。这些解决方案在通过引用被包含于此的WO2005/119892和第20085145号挪威专利申请中被详细讨论，并且也提供对11次和13次谐波的抑制。

传统地，用于推进系统的电源被组织成如图2a中所示，其中每台发电机G耦合到具有通过变压器和整流桥连接的电动机的驱动单元3’。该系统也可以通过开关相互耦合，以防发电机中的一台出故障。这个解决方案的缺陷是在系统中有短路电流限制，如果所提供的功率被增加到某个限制之上，系统将要求供电电压上升。

根据如图2b中所示的本发明，两台发电机G和两个推进系统3利用它们之间的LLC变压器耦合在一起(该LLC变压器具有例如在WO2005/119892中或在第2008 5145号挪威专利申请中所描述的类型)，而没有在驱动单元处的变压器。当LLC变压器将附加的阻抗提供到该系统时，所提供的电流可以上升而不超过短路限制。因此，可以在低电压时向系统提供更大的功率。这具有允许系统即使在具有较大的所提供的功率时也利用较不昂贵的部件的有利效果。另一个有利效果是短路电流被减少到传统系统的短路电流的80％-85％，从而如果短路出现则放电的能量是传统系统中的放电能量的64％-72％，显著地减少了来自放电的压力波。

在正常运行期间，图2b中的系统将功率提供到推进系统，而变压器将提供滤波，避免如在上面提到的专利申请中所描述的谐波频率。

如果发电机G之一出故障，状态改变，但推进系统将通过两个输入得到功率，因为LLC变压器将使用不对称负载起作用。

这个原理显示在图3a，3b中，其中图3a显示对称状态，其中显示在图2b中的系统的两个被耦合在一起，使得LLC变压器具有相同的相移，即，相对30°相移，因为第一连接点1和第二连接点2相连接。LLC变压器单元于是被并联地连接到驱动单元3。

在图3b中，在系统的右侧上的发电机中只有一台在使用中，且功率通过LLC变压器被提供。左侧状态可以是对称的，但这在图中被省略了。因此，LLC变压器转移一半的推进器功率，而驱动单元3仍然可以在一定程度上运行。如果发电机中的一台停止运行，这个推进系统仍然具有一半的功率，这对于例如在适当位置上的船舶或钻探设备(rig)可能是足够的。同样，假如左侧系统被连接到右侧系统，供应到每个驱动单元的功率的总量增加，相应地对系统增加冗余。

当系统的左右两侧连接时，一台发电机G停止运转的影响甚至更低，并且也应注意，驱动单元可以设置有与所示系统的左侧和右侧的连接，如使用以在中间的驱动单元示出的。

在图4a、b中这个原理被应用在例如具有四个推进系统的钻机中，其中大体上图3a、b所示的系统被扩展到包括带有相应发电机的四个LLC变压器和驱动系统。如同图3中所示的系统一样，变压器单元(LLC变压器)的连接点1、2与相应的相移连接，使得第一连接点和第一连接点以及第二连接点和第二连接点相互连接。因此，如果沿着在变压器单元之间的连接例如按照连接点[1，2]_[2，1]_[1，2]_[2，1]等的顺序(其中[]表示包括LLC变压器和1，2连接点的子系统)移动，则提供了+30°s和-30°s的相对相移，以便避免在系统周围传播的振荡。

图4a和4b中所示的解决方案分别是基本上对称的12脉冲和6脉冲系统，其中两侧可以是分开的。这是由于用于船舶和海上装置的电源中的限制，而对于其他应用可以考虑其他解决方案。

在图4a中右侧代表在两个可断开的子系统PS、SB中分离的高冗余系统，每个子系统包括由LLC变压器单元分离开的两台发电机G，且其中在每个子系统中的驱动单元3被连接到LLC变压器的两侧1、2。如果发电机G中的一台出故障，电流可以流过LLC变压器，而驱动单元3将仍然以减少的容量运行。

图4a的左侧PS示出当驱动单元3被连接到两个子系统时提供甚至更高的冗余的系统，这两个子系统被连接到一个LLC变压器单元的第一1连接点和第二个LLC变压器单元的第二连接点。因此，即使发电机和LLC变压器单元例如由于火灾或其他损坏而出故障，驱动单元仍能以减少的容量运行，因为它们可以从邻近的子系统提取部分功率。

图4b显示与图4a类似的系统，但是其中驱动单元基于6脉冲驱动系统。

在环中的子系统的数目可以被选择，但是必须采用偶数个子系统，尤其是在基于具有30°相移的LLC变压器单元的系统中。

即使采用上面提到的变压器单元的交替连接，一些谐波仍可在系统中循环。为了减少相到地3次谐波电流的循环，可能需要关于选定中性接地概念的特别预防措施。通过引进包括低通滤波器的特别设计的阻抗接地系统，3次谐波将被充分抑制以允许标准接地故障保护解决方案的使用。

根据本发明的系统可以被应用在许多不同的应用中，其中电源中的冗余是有利的，例如在计算机房或医院中。在这些应用中，子系统之间的集成可能甚至更好，因为冗余可以在图4a、4b所示的系统的左右两侧之间被提供。

对于海上装置，系统被分类成LV(低电压)、MV(中电压)和HV(高电压)，其中根据IEC标准的限制是LV＜1000V、1000V＜MV＜17500V以及HV＞17500V，而典型LV系统可以在690V处被使用。在图4a中的最高冗余解决方案中，在子系统之一中的归因于火灾的故障将不会完全停止在该子系统中的运行，因为功率从将50％的功率施加到驱动单元的邻近系统中被提供。

当短路电流减少时，系统可以在较高的所产生的功率处被使用而不增加电压。这减少了对高压电源的需要，并且安装的变压器容量与传统系统相比减少介于3∶1和4∶1之间的倍数。这也通过限制对电缆架和电缆终端设备以及其他辅助系统的需要而减少了系统的复杂性，这又减少了系统所需要的空间。因为在海上装置上区域使用昂贵，这是本系统的一个重要优点。

总之，本发明涉及电源系统，其包括具有两个功率输入的至少两个驱动单元3和在选定的系统频率和电压处提供电功率的至少一台发电机G。系统也包括具有第一和第二连接点1、2的变压器单元LLC，其中它们的至少一个被连接到发电机G。每个驱动单元3的两个输入被连接到变压器单元LLC的第一1和第二2连接点。变压器单元LLC适合于在选定的系统频率和电压处提供介于所述连接点1、2之间的选定的相移，因此谐波频率的减少和冗余被获得，因为这两个驱动单元只使用一台运行的发电机G来被利用。此外，如上所述，由变压器引入的阻抗减少短路电流。

为了获得完全的系统冗余，至少一台发电机G被设置在LLC变压器单元的每侧上，且为了有效滤除5次和7次谐波，在LLC变压器上的相移应该是大约30°。

根据本发明的一种实施方式，至少两个变压器单元LLC相对于驱动单元3被并联地连接，变压器单元在各自的第一和第二连接点1、2之间提供相同的相移，第一连接点和第一连接点以及第二连接点和第二连接点分别地连接，且每个驱动单元3被连接到第一和第二连接点1、2。这样就获得了具有高冗余的系统，其中一个或多个发电机和LLC变压器可能出故障，只要一个是可运行的。

根据本发明的特殊实施方式，至少一个所述驱动单元3被连接到上述变压器单元LLC1的第一个变压器单元的第一连接点1以及上述变压器单元LLC2的第二个变压器单元的第二连接点2，变压器单元在其之间设置有开关，因此即使开关断开，驱动单元也彼此连接。

在较大的系统中，可以使用包括变压器单元LLC1、LLC2、LLC3、LLC4的环的本发明的实施方式。为了有相应的相对相移，即，相同的相对相移被连接到邻近的变压器单元，且驱动单元3具有在变压器单元LLC1、LLC2、LLC3、LLC4的每侧上的一个输入，偶数个变压器单元是必要的。

变压器单元可以被连接到至少一台发电机G和至少一个驱动单元3，因此构成子系统，且其中在每个子系统中的至少一个驱动单元被连接到系统中的相应的LLC变压器单元中的第一和第二连接点1、2。

可选地，在每个子系统中的至少一个驱动单元被连接到系统中的相应变压器单元中的第一或第二连接点1(2)和在邻近子系统中的第二(或第一)连接点2(1)，以便增加冗余和使即使一个子系统中的发电机和/或LLC变压器单元出故障也运行所有驱动单元变得可能。

Claims

1.一种电源系统，包括至少两个具有两个功率输入的驱动单元和以选定的系统频率和电压提供电功率的至少一台发电机，所述系统包括具有第一连接点和第二连接点的变压器单元，所述连接点的至少一个被连接到发电机，其中每个驱动单元的所述两个输入被连接到所述变压器单元的所述第一连接点和第二连接点，且所述变压器单元适合于在所述选定的系统频率和电压处提供在所述输入之间的选定的相移。

2.如权利要求1所述的系统，包括在所述变压器单元的每侧上的一台发电机。

3.如权利要求1所述的系统，其中在所述变压器单元的所述第一连接点和第二连接点之间的所述相移是在30°的范围内。

4.如权利要求1所述的系统，包括相对于所述驱动单元并联连接的至少两个变压器单元，所述变压器单元提供在各自的第一连接点和第二连接点之间的相同的相移，所述第一连接点和第一连接点以及第二连接点和第二连接点分别被连接，以及每个驱动单元被连接到第一连接点和第二连接点。

5.如权利要求4所述的系统，其中所述驱动单元的至少一个被连接到所述变压器单元的第一个变压器单元的第一连接点和所述变压器单元的第二个变压器单元的第二连接点，所述变压器单元设置有在其之间的开关，因此即使所述开关断开，所述驱动单元也彼此连接。

6.如权利要求1所述的系统，包括被连接在环中的至少四个变压器单元，以便有相应的相对相移，即，相同的相对相移被连接到邻近的变压器单元，以及所述驱动单元具有在所述变压器单元的每侧上的一个输入。

7.如权利要求6所述的系统，其中每个变压器单元被连接到至少一台发电机和至少一个驱动单元，因此构成子系统，以及其中在每个子系统中的至少一个驱动单元被连接到在所述系统中的相应变压器单元中的所述第一连接点和所述第二连接点。

8.如权利要求6所述的系统，其中每个变压器单元被连接到至少一台发电机和至少一个驱动单元，因此构成子系统，以及其中在每个子系统中的至少一个驱动单元被连接到在所述系统中的相应变压器单元中的所述第一连接点或第二连接点和在邻近子系统中的所述第二(或第一)连接点。

9.如权利要求1所述的系统，其中通过适合于抑制所应用的系统频率的3次谐波的低通滤波器耦合到地。