CN105322514B - 用于海上应用的dc电力系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于海上船舶的电力系统(100)包含多个保护区(102,104)，其中至少两个保护区经由至少一个母联转换器(106,188)彼此耦合。每一个保护区都包含多个直流(DC)母线(120,126,150,156)和多个电力转换器(130,136,138,160,166,168)。母联转换器包含通过至少一个电感器(206,208)耦合的至少两个转换器臂(202,204)。每个转换器臂包含通过中间开关装置(216,256)与缓冲电路(218,242)连接的第一分支(210,234)。第一分支包含两个外部开关装置(212,214,236,238)和连接在两个外部开关装置之间的至少一个内部开关装置(216,240)。缓冲电路包含二极管(224,248)、电阻器(220,244)和电容器(222,246)的组合。控制器(180)控制多个电力转换器和至少一个母联转换器的操作。
Description
本申请要求2014年9月22日提交的美国临时专利申请序列号62/053,400的优先权。
背景技术
本发明的实施例一般涉及直流(DC)电力系统，并且更确切地说，涉及用于海上应用的DC电力系统。
在近几十年中，由于货物运输船只、军舰、海上石油船舶、客船等的巨大增长，海上交通已经在全世界大幅增加。这些船只或船舶具有许多船上电气负载。用于泵、风扇、电子推进安装、照明和空调的可变速电驱动器是船舶的船上电气负载的一些示例。电气负载操作在各种不同电压和频率，并且从而需要单独的电力供应。
大多数船舶使用交流(AC)电力系统架构。然而，最近一些船舶正在使用DC电力系统架构，其包含能量存储装置或发电机以满足多个电气负载的需求。如果负载需要交流(AC)电源，则在电力电子转换器的帮助下可将DC电力转换成AC电力。类似地，如果发电机是AC，则可经由电力电子转换器将AC电力转换成DC电力。一般而言，多个发电机向多个DC母线供应电力，DC母线又向特定电气负载供应电力。存在单个DC母线也可向整个船舶电气负载提供电力的示例。
关于常规DC电力系统的挑战包含：集成具有不同电压电平的多个DC母线，在非常短的时间内隔离DC电力系统中的故障，以及集成各种能量存储装置和发电机。由于这些以及其它原因，存在对于用于海上应用的本DC电力系统的需要。
发明内容
按照本技术的实施例，提供了用于海上船舶的电力系统。电力系统包含多个保护区，其中每个保护区包括多个直流(DC)母线和多个电力转换器。此外，两个保护区的至少两个DC母线经由母联转换器彼此耦合。提供了控制器来控制所述多个电力转换器和所述至少一个母联转换器的操作。母联转换器包含通过至少一个电感器耦合的至少两个转换器臂。每个转换器臂包括第一分支，第一分支具有两个外部开关装置和连接在所述两个外部开关装置之间的至少一个内部开关装置。此外，每个转换器臂包括具有二极管、电阻器和电容器的组合的缓冲电路，其中第一分支和缓冲电路通过中间开关装置连接。
按照本技术的另一实施例，公开了向海上船舶提供电力的方法。所述方法包含：提供包含多个电力转换器的多个保护区，并在两个保护区的至少两个DC母线之间连接母联转换器。在所提供的方法中，连接母联转换器包括提供通过至少一个电感器耦合的至少两个转换器臂。此外，提供每个转换器臂包括：通过在两个外部开关装置之间连接至少一个内部开关装置来形成第一分支；以及形成具有二极管、电阻器和电容器的组合的缓冲电路。而且，提供每个转换器臂包括在第一分支与缓冲电路之间连接中间开关装置。
附图说明
图1是根据本公开的方面用于海上船舶的电力系统的图解表示；
图2是根据本公开的方面图1的母联转换器的详细视图的图解表示；
图3是根据本公开的方面图2的母联转换器的正常操作的示意图表示；以及
图4a和4b是根据本公开的方面图2的母联转换器的故障条件操作的示意图表示。
具体实施方式
除非另有定义，否则本文使用的技术和科学术语具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的相同意思。本文所使用的术语“第一”、“第二”等不表示任何次序、量或重要性，而是用于区分一个元件与另一个元件。术语“一”也不表示量的限制，而是表示存在至少一个所提到的项目。术语“或”意思是包含的，并且意味着一个、一些或所有的列出项目。使用“包含”、“包括”或“具有”以及它们的变型在本文中意思是包含下文所列出的项目及其等同物以及附加项目。此外，术语“电路”和“线路”以及“控制器”可包含单个组件或多个组件，它们是有源和/或无源的，并且连接或以其他方式耦合在一起以提供所描述的功能。
现在转到附图，通过图1中的示例，描绘了用于海上船舶的电力系统100。在一个实施例中，电力系统100可包含经由母联转换器106和188耦合的两个保护区102和104。然而，在其它实施例中，可能存在许多此类保护区，它们经由多个母联转换器彼此连接。如本领域技术人员将认识到的，创建保护区以限制在故障期间可断开电力系统的程度。海上船舶中的保护区可包含能量源、DC母线以及多个转换器以向各种负载馈送电力。能量源可以是AC或DC发电机、能量存储装置，并且负载例如可包含照明负载或可变频率驱动器。在所示出的实施例中，保护区域102包含诸如AC发电机108、110和能量存储装置112的能量源，并且保护区104包含诸如AC发电机114、116和能量存储装置118的能量源。
此外，在保护区102中，AC发电机108、110分别经由电力电子转换器122和124向DC母线120馈送电力，并且能量存储装置112经由电力电子转换器128向DC母线126馈送电力。电力电子转换器122、124是AC到DC转换器，因为它们必须将电力从AC发电机转换到DC母线，而电力电子转换器128是DC到DC转换器，因为它将DC能量存储装置耦合到DC母线。两个DC母线120和126没有相同DC电压，并且因此经由DC到DC转换器130彼此耦合。DC到DC转换器130可以是双向DC到DC转换器或单向DC到DC转换器。此外，负载132和134分别经由电力电子转换器136和138连接到DC母线120，并且负载140和142分别经由电力电子转换器144和146连接到DC母线122。取决于负载是AC负载还是DC负载，电力电子转换器136、138、144和146可以是AC到DC转换器或DC到DC转换器。
以类似方式，在保护区104中，AC发电机114、116分别经由电力电子转换器152和154向DC母线150馈送电力，并且能量存储装置118经由电力电子转换器158向DC母线156馈送电力。两个DC母线150和156经由DC到DC转换器160彼此耦合。DC此外，负载162和164分别经由电力电子转换器166和168连接到DC母线150，并且负载170和172分别经由电力电子转换器174和176连接到DC母线152。基于负载的类型，即AC负载或DC负载，电力电子转换器166、168、174和176可以是AC到DC转换器或DC到DC转换器。应该注意到，在所示的实施例中，为了便于说明，所有转换器都已经被示出为仅具有一个输入端和一个输出端。然而，在每一个转换器的输入端和输出端，负端子或参考端子总是在那儿。
电力系统100进一步包含控制器180以控制保护区102和104中的母联转换器106、188以及其它转换器的操作。应该注意到，即使在图1的实施例中示出了单个控制器180，但在其它实施例中，控制器180可被分成多个控制器，并且每个单独控制器可控制电力系统180的一部分。电力系统100还可包含无源装置，诸如保险丝和/或断路器(未示出)，在故障(例如短路故障)期间保护电力系统100的第二个。在一个实施例中，控制器180基于母联转换器、无源装置和其它电力电子和/或DC到DC转换器之间的协调，阻止故障从一个DC母线到另一DC母线的传播。
例如，如果在DC母线126或连接到它的后续分支(例如图1中的分支182、184、186)上存在故障，则控制器180将阻止那个故障从DC母线126到DC母线120的传播(即，一个故障产生另一故障)。应该注意到，如果转换器130的输出电流超过故障电流幅度阈值，或者如果转换器130的输出电压突破了故障电压幅度阈值，则控制器180可检测到故障。在DC母线126上的故障期间，控制器180将操作DC到DC转换器130，其正在电流控制模式下将电力馈送到DC母线126，并且从而限制由DC母线120供应到DC母线126的故障电流。一旦无源装置(例如保险丝或断路器)在控制器180的帮助下或者以其他方式清除了故障，控制器180将把DC母线126充电到额定电平。一旦DC母线126被充电到额定电平，控制器180将把DC到DC转换器130的操作切换回正常模式。在一个实施例中，DC到DC转换器130的正常模式指电压控制模式。然而，如果故障持续了某个时间量，其指示母线上的永久故障而不是暂时故障，则控制器180将停止DC/DC转换器130的操作，并通知上游系统。控制器180将类似地控制其它转换器以便阻止故障从一个母线到另一母线的传播。
在本技术的一个实施例中，第二母联转换器188可用于连接低压母线126和156。换句话说，保护区102和104可经由两个母联转换器106和188彼此耦合。母联转换器106耦合中压母线120和150，并且母联转换器188耦合低压母线126和156。应该注意到，低压母线126和156分别相对于中压母线120和150在低压操作。这个实施例允许低压母线126和156及其对应分支正常操作，即使中压母线120或150之一有故障并且不能供应任何电力。
图2示出了按照本技术的实施例图1的母联转换器200（诸如母联转换器106和188）的详细视图。在一个实施例中，母联转换器200分别耦合在两个保护区102和104的两个母线A与B之间。换句话说，母联转换器200直接连接在母线A与B之间。母联转换器200在正常条件期间促进了两个区102、104之间的电力传输，并且在故障情况下还隔离了两个保护区102、104。母联转换器200包含通过至少一个电感器206、208耦合的第一转换器臂202和第二转换器臂204。
第一转换器臂202包含具有两个外部开关装置212、214和一个内部开关装置216的第一分支210。内部开关装置216连接在两个外部开关装置212、214之间。第一转换器臂202进一步包含具有并联连接的电阻器220和电容器222的缓冲电路218。缓冲电路218进一步包含与电阻器220和电容器222的并联电路串联连接的二极管224。缓冲电路218和第一分支202通过中间开关装置232彼此连接。在一个实施例中，中间开关装置232相对于外部开关装置212、214和内部开关装置216具有相反极性。换句话说，中间开关装置232以相反方式连接到外部开关装置212。第一转换器臂202还包含具有串联连接的第二二极管228和阻尼电阻器230的第二分支226。第二分支226与缓冲电路218并联连接。
类似地，第二转换器臂204包含具有连接在两个外部开关装置236、238之间的一个内部开关装置240的第一分支234。第二转换器臂204进一步包含缓冲电路242，缓冲电路242具有并联连接的电阻器244和电容器246并且进一步具有与二极管248串联连接的组合。缓冲电路242和第一分支234通过相反极性的中间开关装置256彼此连接。第二转换器臂204还包含与缓冲电路242并联连接的第二分支250。第二分支250包含串联连接的第二二极管252和阻尼电阻器254。
如早先所讨论的，第一转换器臂202和第二转换器臂204通过电感器206和208彼此耦合。在一个实施例中，电感器206连接在节点260、262之间，其中节点260由外部开关装置212和内部开关装置216的互连形成，而节点262由外部开关装置236和内部开关装置240的互连形成。类似地，电感器208连接在节点264、266之间，其中节点264由外部开关装置214和内部开关装置216的互连形成，而节点262由外部开关装置238和内部开关装置240的互连形成。
开关装置232、212、214、236、238、216和240可包含可控半导体开关。可控半导体开关包含绝缘栅双极晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、场效应晶体管(FET)、栅极关断晶闸管、绝缘栅整流晶闸管(IGCT)、注入增强栅极晶体管(IEGT)、基于碳化硅的开关、基于氮化镓的开关、基于砷化镓的开关或它们的等同物。此外，当可控半导体开关212、214、236、238断开由母线A和B中的母线寄生电感构成的电感电路时，这些寄生电感中的能量将分别由缓冲电路218、242吸收。从而，由于电感电流的突然改变(即L di/dt)跨这些开关装置生成的电压尖峰脉冲减小。当在其它保护区中存在故障时，缓冲电路218、242还将相应母线电压维持到正常操作值。缓冲电路218、242中的二极管224、248确保在它们的相应母线上故障的情况下，缓冲电容器222、246未放电到故障中，而是电容器222、246分别经由电阻器220、244放电。
图3示出了在正常条件(即没有故障条件)期间图2的母联转换器200的操作。在正常操作期间，控制器180(图1)发送控制信号以分别接通臂202和204的外部开关装置212、214和236、238。此外，控制器180发送控制信号以接通中间开关232和256。从而，在正常条件期间，两个不同保护区的两个母线A与B之间的电力传输分别通过开关装置232、212、236、256、214、238和电感器206、208来促进。在图3中示出的实施例中，从母线A向母线B促进电力传输，如电流302所示。由于中间开关装置232相对于电流302在相反极性连接以促进从母线A到母线B的电力传输，中间开关装置232的反并联二极管传导并运送电流302。类似地，由于外部开关装置236、238相对于电流302在相反极性连接，因此外部开关装置236和238的反并联二极管传导以运送电流302。
图4a和4b示出了在故障条件期间图2的母联转换器200的操作。在所示出的实施例中，在母线B上存在短路故障。在此类故障条件期间，控制器发送控制信号以切断外部开关装置212、214、236和238，如图4a所示。在这个时刻，当外部开关装置212被切断时，故障电流402不能流动到中间开关232。然而，故障电流402可在此条件期间从外部开关装置236、238的反并联二极管和内部开关装置216的反并联二极管以及中间开关装置256流动。此后，控制器240接通内部开关装置216和240，如图4b中所示，并且因此循环电流404然后在内部开关装置240与内部开关装置216的反并联二极管之间流动。在内部开关装置216和240已经被接通之后的任何时间，控制器都可切断中间开关装置232和256。在此时间期间，内部开关装置216、240仅运送电感器电流，并且甚至电感器电流一会儿之后可向下衰变。这导致两个不同保护区的两个母线A和B的完全隔离。然后阻尼电阻器254和第二二极管252可将母线B上的故障电流衰变到减小的值。
本技术的优点包含在故障情形期间非常快速断开两个保护区的能力。此外，由于两个区在正常操作期间耦合，因此能量存储元件、不同区可共享相同能量存储器。
虽然仅本发明的某些特征已经在本文中说明和描述，但是本领域技术人员将想到许多修改和改变。因此，要理解到，所附的权利要求意图涵盖落入本发明的真实精神内的所有此类修改和改变。
附图标记说明
100 海上船舶的电力系统
102、104 保护区
106、188 母联转换器
108、110 AC发电机
112、118 能量存储装置
114、116 AC发电机
120、126 DC母线
122、124 AC到DC转换器
128、130 DC到DC转换器
132、134、140、142 负载
136、138、144、146 电力电子转换器
150、156 DC母线
152、154、158 电力电子转换器
160 DC到DC转换器
162、164、170、172 负载
166、168、174、176 电力电子转换器
180 控制器
182、184、186 分支
200 母联转换器
202 第一转换器臂
204 第二转换器臂
206、208 电感器
210 第一分支
212、214 外部开关装置
216 内部开关装置
218 缓冲电路
220 电阻器
222 电容器
224 二极管
226 第二分支
228 第二二极管
230 阻尼电阻器
232 中间开关装置
234 第一分支
236、238 外部开关装置
239 阻尼电阻器
240 内部开关装置
242 缓冲电路
244 电阻器
246 电容器
248 二极管
250 第二分支
252 第二二极管
254 阻尼电阻器
256 中间开关装置
260、262 节点
264、266 节点
302 电流
402 故障电流
404 循环电流
Claims (10)
1.一种用于海上船舶的电力系统(100)，包括：
多个保护区(102，104)，每个保护区包含多个直流(DC)母线(120，126，150，156)和多个电力转换器(130，136，138，160，166，168)；
母联转换器(106，188)，用于耦合来自两个保护区的至少两个DC母线，所述母联转换器包括：
通过至少一个电感器(206，208)耦合的至少两个转换器臂(202，204)，每个转换器臂包含：
第一分支(210，234)，其具有两个外部开关装置(212，214，236，238)和连接在所述两个外部开关装置之间的至少一个内部开关装置(216，240)；
缓冲电路(218，242)，其具有二极管(224，248)、电阻器(220，244)和电容器(222，246)的组合，其中所述第一分支和所述缓冲电路通过中间开关装置(232，256)连接；以及
控制器(180)，用于控制所述多个电力转换器和所述至少一个母联转换器的操作。
2.如权利要求1所述的电力系统，其中所述中间开关装置相对于所述外部开关装置和所述内部开关装置具有相反极性。
3.如权利要求1所述的电力系统，其中所述控制器在正常操作期间接通所述母联转换器的每个转换器臂的两个外部开关装置和所述中间开关装置。
4.如权利要求3所述的电力系统，其中当在所述至少一个保护区上存在故障时，所述控制器切断所述母联转换器的每个转换器臂的两个外部开关装置，并促进每个转换器臂的外部开关装置的反并联二极管与所述中间开关装置之间的电流。
5.如权利要求4所述的电力系统，其中所述控制器在外部开关装置已经被切断之后接通内部开关装置并促进所述内部开关装置之间的循环电流。
6.如权利要求5所述的电力系统，其中在内部开关装置已经被接通之后，所述控制器切断所述中间开关装置。
7.如权利要求1所述的电力系统，其中每个转换器臂进一步包含跨所述缓冲电路连接的第二分支，所述第二分支具有第二二极管和串联连接的阻尼电阻器以在中间开关装置已经被切断之后耗散故障电流。
8.一种向海上船舶提供电力的方法，包括：
提供多个保护区(102，104)，每个保护区包含多个直流(DC)母线(120，126，150，156)和多个电力转换器(130，136，138，160，166，168)；
在来自两个保护区的至少两个DC母线之间连接母联转换器(106，188)，其中连接所述母联转换器包含：
提供通过至少一个电感器(206，208)耦合的至少两个转换器臂(202，204)，其中提供每个转换器臂包括：
通过在两个外部开关装置(212，214，236，238)之间连接至少一个内部开关装置(216，240)来形成第一分支(210，234)；
形成具有二极管(224，248)、电阻器(220，244)和电容器(222，246)的组合的缓冲电路(218，242)；以及
在所述第一分支与所述缓冲电路之间连接中间开关装置(232，256)。
9.如权利要求8所述的方法，其中连接所述中间开关装置包括相对于所述外部开关装置和所述内部开关装置在相反极性连接所述中间开关装置。
10.如权利要求8所述的方法，其中提供每个转换器臂进一步包括与所述缓冲电路并联连接第二分支，所述第二分支包含第二二极管和串联连接的阻尼电阻器以在中间开关装置已经被切断之后耗散故障电流。
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