CN109923746B - 分隔成不同保护区的dc电力系统 - Google Patents

Abstract

本公开涉及分隔成不同保护区的DC电力系统，包括：主母线、配置成连接到主母线的多个电力输送装置、第一区分割装置和控制系统，其中第一区分割装置被配置成将主母线分隔成第一保护区和第二保护区，第一保护区是具有在第一时间范围中的故障清除要求的电力输送装置被配置成连接到的主母线的一部分，并且第二保护区是具有在第二时间范围中的故障清除要求的主母线的一部分，第二时间范围包含高于在第一时间范围中包含的任何时间的时间，并且没有具有在第一时间范围中的故障清除要求的电力输送装置配置成连接到第二保护区，控制系统被配置成控制第一区分割装置以允许负载电流从第一保护区流到第二保护区，并限制故障电流从第一保护区流到第二保护区。

Description

分隔成不同保护区的DC电力系统

技术领域

本公开一般涉及电力系统，并且具体地说，涉及具有冗余能力的DC电力系统。

背景技术

用于给马达供电的电力系统可包括多个组件，诸如一个或多个发电单元、驱动器阵容、能量存储模块和上面提到的组件可连接到的主母线。出于安全原因，这种系统可以设计成具有冗余。这例如在海洋应用中是重要的，其中例如在一些应用中，始终能保证船通过使用其螺旋桨和推进器来保持其位置的动态定位是必不可少的。

在某一点，在电力系统中或者在母排系统中、在系统的组件之一中、或者在负载中不可避免地会发生故障，诸如短路。在故障的情况中，重要的是将故障与系统的健康部分隔离，使得能借助于健康部分继续正常电力供应，并且用于保护健康部分免受损坏。为此目的，通常在电力系统中包含保护系统。布置成处理电力系统中的故障的保护系统通常包括监视设备以及由监视设备控制的断路器，该监视设备布置成监视电气参数，诸如电力系统中的电流。断路器以这样的方式布置在电力系统中：在故障的情况中能获得选择性故障隔离。然而，在一些应用中，现有保护系统可能既非常昂贵又消耗空间。

WO2013127575公开了一种DC电力系统，其包括主DC母线、布置成向主DC母线馈电的发电单元、布置在主DC母线和发电单元之间用于在主DC母线故障的情况中将发电单元与主DC母线隔离的隔离器开关、布置成由主DC母线馈电的驱动器单元，其中驱动器单元包括驱动器单元母线系统、连接到驱动器单元母线系统的转换器单元以及布置在驱动器单元母线系统和转换器单元之间用于在驱动器单元故障的情况中保护转换器单元的熔丝。从而，在任何单元中或在主DC母线上发生故障的情况中，能选择性地保护DC电力系统中的各种单元，而不使用大的、消耗空间并且昂贵的断路器。

发明内容

本发明人已经认识到，可以简化WO2013127575中公开的保护原理，并且可以改进保护策略的灵活性。

熔丝/半导体和隔离器开关具有不同的操作速度能力。来自系统各种部件的故障电流可具有明显的瞬变特性，或者它们可以更慢地生成，这取决于故障电流的来源。由于连接到主DC母线的转换器单元中的电容器的放电，故障电流的瞬变类型的示例被获得。由此，例如，靠近发电单元的故障能引起转换器单元的任何电容器的放电。

鉴于以上所述，本公开的目的是提供一种DC电力系统，其解决或至少减轻了现有技术的问题。

因此提供了一种DC电力系统，其包括：主母线、配置成连接到主母线的多个电力输送装置、第一区分割装置和控制系统，其中第一区分割装置被配置成将主母线分隔成第一保护区和第二保护区，第一保护区是具有在第一时间范围中的故障清除要求的电力输送装置被配置成连接到的主母线的一部分，并且第二保护区是具有在第二时间范围中的故障清除要求的主母线的一部分，第二时间范围包含高于在第一时间范围中包含的任何时间的时间，并且没有具有在第一时间范围中的故障清除要求的电力输送装置配置成连接到第二保护区，其中控制系统被配置成控制第一区分割装置以允许负载电流从第一保护区流到第二保护区，并限制故障电流从第一保护区流到第二保护区。

在第二保护区中发生故障的情况中，第一区分割装置将第二保护区与第一保护区快速分隔，由此能限制或防止在第一保护区中产生的瞬变故障电流流入第二保护区，从而防止对第一保护区中的电力输送装置（诸如功率转换器）的负面影响。它更进一步允许更灵活的保护方法，其中可以在第一保护区中使用较高性能保护装置以在第一保护区中提供快速故障处理，并且可以在第二保护区中使用较低性能保护装置，其中可以利用用于故障处理的多种策略。

根据一个实施例，所述控制系统被配置成控制第一区分割装置以允许负载电流从第一保护区流到第二保护区，并防止故障电流从第一保护区流到第二保护区。

第一保护区其特征在于如下事实：配置成连接到它的以功率转换器形式的大多数电力输送装置具有支持DC链路电压的集成电容器组。功率转换器对于它们的操作取决于这些集成电容器组，并且如果这些电容器上的电压下降低于某一电平，则功率转换器对欠电压跳闸。DC链路的电容性质也意味着此区中的故障电流具有非常短的时间常数，并且因此在故障之后在非常短的时间内达到高电平。这也意味着必须非常快速地处理第一保护区中的任何故障，以避免对其转换器的负面影响。这种环境理想上适合于固态断路器和高速熔丝，它们在几微秒到几毫秒的范围内清除故障。第一区分割装置确保在具体第一保护区外侧的故障不立即引起转换器对欠电压跳闸。

第二保护区其特征在于具有较长时间常数的故障电流，并且连接到它的任何功率转换器都不依赖于它们的DC端子上的电容器组来操作。这意味着有可能在此区中使用较慢起作用的保护方法。从主母线的（一个或多个）其他区到第二保护区的所有入口点都由能控制故障电流的区分割装置进行防护。根据一个示例，这能用于实现折返保护方案，由此持续的故障电流触发电网电压和故障电流的减小。故障部分或组件与系统断连，并且电压再次斜升。此区中的故障通常在2-500ms中清除。

第一保护区可以是电容区，并且第二保护区可以是DC电网区。

根据一个实施例，控制系统被配置成控制所述第一区分割装置以允许负载电流和故障电流从第二保护区流到第一保护区。

根据一个实施例，第一区分割装置是固态断路器。

一个实施例包括整流器，其中配置成连接到第二保护区的电力输送装置中的至少一个是柴油发电机或燃气引擎，其中柴油发电机或燃气引擎被配置成经由整流器连接到主母线。

根据一个实施例，电力输送装置中的至少一个是包括电容器组的功率转换器，其中功率转换器被配置成连接到第一保护区。

根据一个实施例，配置成连接到第一保护区的电力输送装置中的至少一个是能量存储单元。

根据一个实施例，配置成连接到第一保护区的电力输送装置中的至少一个是发电机，例如柴油发电机。

根据一个实施例，第一时间范围和第二时间范围部分重叠。

根据一个实施例，第一时间范围和第二时间范围不相交。

根据一个实施例，第一时间范围包含从大约一微秒到大约一毫秒的范围内变动的时间。

根据一个实施例，第二时间范围包括从大约一毫秒到大约数百毫秒的范围内变动的时间。

一个实施例包括母联，其中主母线借助于母联可分成第一母线部分和第二母线部分，其中所述第一区分割装置被配置成将第一母线部分分隔成第一保护区和第二保护区，并且其中DC电力系统包括第二区分割装置，其中第二区分割装置被配置成将第二母线部分分隔成第一保护区和第二保护区，所述第一保护区是具有在第一时间范围中的故障清除要求的电力输送装置被配置成连接到的第二母线部分的一部分，并且所述第二保护区是具有在第二时间范围中的故障清除要求的主母线的一部分，并且没有具有在第一时间范围中的故障清除要求的电力输送装置配置成连接到第二保护区，其中所述控制系统被配置成控制第二区分割装置以允许负载电流从第一保护区流到第二保护区，并限制故障电流从第一保护区流到第二保护区。

根据一个实施例，所述控制系统被配置成控制第二区分割装置以允许负载电流从第一保护区流到第二保护区，并防止故障电流从第一保护区流到第二保护区。

根据一个实施例，所述控制系统被配置成控制第二区分割装置以允许负载电流和故障电流从第二保护区流到第一保护区。

一个实施例包括多个断连装置，每个断连装置被配置成连接在所述主母线和相应的电力输送装置之间以能够实现电力输送装置与主母线断连。

根据一个实施例，配置成断连配置成连接到第一保护区的电力输送装置的断连装置中的至少一些是固态断路器和熔丝（例如高速熔丝）之一。

配置成断连被配置成连接到第二保护区的电力输送装置的断连装置可以是隔离器开关、接触器或空气断路器。

根据一个实施例，DC电力系统是船的舰载电力系统。

一个实施例包括监视系统，所述监视系统在第二保护区中发生故障的情况中被配置成监视由第一区分割装置允许从第一保护区流到第二保护区的受限故障电流，以从而确定所述故障是否已经被清除。

根据本公开的第二方面，提供了一种包括根据第一方面的DC电力系统的船舶。

根据一个实施例，船舶是动态定位船。

一般而言，在权利要求书中使用的所有术语都要根据它们在本技术领域中的普通意义解释，除非在本文中另有明确定义。对“一（a/an）/该元件、设备、组件、部件等”的所有提及都要被开放地解释为提及该元件、设备、组件、部件等的至少一个实例，除非另有明确声明。

附图说明

现在将参考附图通过示例描述本发明概念的特定实施例，附图中：

图1是DC电力系统的示例的示意图；以及

图2示意性示出了图1中的DC电力系统的操作的一个示例。

具体实施方式

现在将在下文参考附图更全面地描述本发明概念，附图中示出了例示实施例。然而，本发明概念可以以许多不同的形式实施，并且不应该被视为局限于本文阐述的实施例；而是，这些实施例作为示例提供，使得此公开将是全面且完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本发明概念的范围。相似的数字贯穿本描述指相似的元件。

本公开涉及一种DC电力系统，其包含主母线、多个电力输送装置、多个断连装置或保护装置、控制系统和第一区分割装置。

每个电力输送装置被配置成借助于相应的断连装置连接到主母线。断连装置被配置成将相应的电力输送装置与主母线断连。

第一区分割装置被配置成将主母线分隔成第一保护区和第二保护区。第一保护区和第二保护区形成两种类型的保护区。

第一保护区是以快速故障清除要求为特征的保护区，而第二保护区是以比第一保护区更慢的故障清除要求为特征的保护区。故障清除要求由配置成连接到主母线的具体电力输送装置创建。具有快速故障清除要求的电力输送装置被配置成连接到的主母线的一部分是第一保护区。具有较慢故障清除要求的电力输送装置被配置成连接到的并且没有具有快速故障清除要求的电力输送装置配置成连接到的主母线的一部分是第二保护区。

第一保护区中的故障清除要求在第一时间范围中。第一时间范围包含从大约一微秒到大约一毫秒的范围内变动的时间。第二保护区中的故障清除要求在第二时间范围中，其包含高于在第一时间范围中包含的任何时间的时间。第一时间范围和第二时间范围可以具有部分重叠，或者可以是不相交的。第二时间范围包括从大约一毫秒到大约数百毫秒的范围内变化的时间。

控制系统被配置成控制第一区分割装置以允许负载电流从第一保护区流到第二保护区，并限制或防止故障电流从所述第一保护区流到所述第二保护区。控制系统可进一步配置成控制第一区分割装置以允许负载电流和故障电流从第二保护区流到第一保护区。

从第二保护区外侧的主母线的部分进入第二保护区的所有入口点都由相应的区分割装置防护，从而限制或防止故障电流从第一保护区流到第二保护区。

现在将参考图1描述DC电力系统的示例。

图1示意性地示出了DC电力系统1。DC电力系统1包括主母线3，即主DC母线，也称为DC电网。主DC母线3具有第一母线部分3a（即第一DC母线部分）和第二母线部分3b（即第二DC母线部分）。DC电力系统1进一步包括开关3c，例如母联，其布置成连接和断连第一DC母线部分3a和第二DC母线部分3b。

DC电力系统1包括以发电单元形式的电力输送装置G1至G4。根据本示例，电力输送装置G1和G2被配置成连接到第一DC母线部分3a，并且电力输送装置G3和G4被配置成连接到第二DC母线部分3b。

每个电力输送G1至G4例如可以是AC电源，例如柴油发电机或燃气引擎。因此，DC电力系统1可以包括多个整流器R1至R4，对于每个电力输送装置G1至G4一个整流器R1至R4。每个整流器R1至R4被配置成连接到相应的电力输送装置G1至G4和主母线3。因此，每个整流器R1至R4具有配置成连接到相应的电力输送装置G1至G4的端子和配置成连接到主母线3的端子。

DC电力系统1包括断连装置5，例如空气断路器、断连器或接触器，用于选择性地断连整流器R1-R4中的相应一个，并且因此将电力输送装置G1-G4与主母线3断连。

主母线3配置成被分隔成称为第二保护区和第一保护区的不同保护区。分隔借助于区分割装置提供，这将在下面更详细地描述。

电力输送装置G1-G4被配置成连接到的主母线3的部分是第二保护区Z1。这里，仅具有较长故障清除要求的电力输送装置被配置成连接到主母线3。因此，没有包括集成电容器组的功率转换器连接到或配置成连接到第二保护区Z1。

例示的DC电力系统1还包括多个电力输送装置G5至G8和11-15（它们中的至少一些具有快速故障清除要求），其被配置成连接到相应的第一保护区Z2和Z3。DC电力系统1还包括：多个断连装置6，被配置成连接在相应的电力输送装置11-15和主母线3之间；以及多个断连装置10，被配置成连接在主母线3和相应的电力输送装置G5至G8之间。断连装置6、10被配置成选择性地分别将电力输送装置G5-G8和11-15中的相应一个与主母线3断连。

例示的电力输送装置G5至G8是AC发电单元，例如，柴油发电机或燃气引擎。因此，例示的DC电力系统1包括整流器R5-R8，并且电力输送装置G5至G8被配置成经由相应的整流器R5-R8连接到主母线3。整流器R5-R8可以被提供有可切换的整流器桥（例如基于晶闸管的整流器桥），其能够例如在整流器故障或电力输送装置故障的情况下阻止来自电容器的放电的快速瞬变故障电流。因此，电力输送装置G5-G8被配置成安装在快速瞬变故障电流环境中。

DC电力系统1进一步包括：第一区分割装置7a，其将主母线3分隔成第二保护区Z1和第一保护区Z2；以及第二区分割装置7b，其将主母线3分隔成电网区Z1和第一保护区Z3。

第一区分割装置7a和第二区分割装置7b例如可以是固态断路器。

DC电力系统1还包含控制系统9，其配置成控制第一区分割装置7a和第二区分割装置7b。具体地说，控制系统9被配置成控制第一区分割装置7a以允许负载电流从第一保护区Z2流到第二保护区Z1，并限制或防止故障电流从第一保护区Z2流到第二保护区Z1。控制系统9此外可配置成控制第一区分割装置7a以允许负载电流和故障电流从第二保护区Z1流到第一保护区Z2。

控制系统9进一步配置成控制第二区分割装置7b以允许负载电流从第一保护区Z3流到第二保护区Z1，并限制或防止故障电流从第一保护区Z3流到第二保护区Z1。控制系统9此外可配置成控制第二区分割装置7b以允许负载电流和故障电流从第二保护区Z1流到第一保护区Z3。

因此，控制系统9可以被配置成获得或接收在系统中流动的电流的测量或估计或诸如电压的其他电气参数，并且在检测到故障的情况下，控制系统9相应地控制区分割装置7a和7b。

被配置成连接到主母线3的第一母线部分3a和第二母线部分3b的电力输送装置11由包括能量存储单元（诸如电池）和DC/DC转换器的系统来例示，并且因此分别连接到第一保护区Z2和第一保护区Z3。

电力输送装置13和15是反相器，被配置成例如向马达M馈电。电力输送装置11-15的任何转换器可以包括配置成支持DC链路电压的集成电容器组。正是这些电容器组在电容器在故障的情况中放电时引起快速瞬变。

图2示出了其中在电力输送装置G1附近发生故障F的情形的示例。存在如何处理这种类型的故障的若干策略，如例如在WO2013127575中所公开的，并且因此故障处理策略将不在本文中进行任何详细描述。现在返回到图2中的示例，假若第一母线部分3a和第二母线部分3b先前已经连接以将第二母线部分3b与故障断连，则可以打开母联3c。更进一步，控制系统9将在这种情况中将控制信号发送到第一区分割装置7a，作为结果这将阻止或限制故障电流从第一保护区Z2流入第二保护区Z1。然后可以按照第二保护区Z1中的较低故障清除要求来处理故障F。

根据一个示例，DC电力系统可以包括监视系统，该监视系统在第二保护区中发生故障的情况中被配置成监视由（一个或多个）相应的区分割装置允许从（一个或多个）第一保护区流到第二保护区的受限故障电流，以从而确定所述故障是否已经被清除。通过允许来自（一个或多个）第一保护区的受限量的故障电流流到故障，可以促进故障是否已经被清除的检测。

应该注意到，本文描述的区分割（上面用2分系统例示的）也可以被实现用于具有三分或四分（即，通过例如母联可连接的部分）的DC电力系统。还能存在每个部分多个第二保护区和第一保护区。

应该更进一步注意到，控制系统可包括多个控制器，每个控制器被配置成控制相应的区分割装置。

根据一个示例，DC电力系统可以具有第二保护区，没有电力输送装置直接连接到该第二保护区。在这种情况中，第二保护区可以本质上是空的，在这种意义中，没有电力输送装置被配置成直接连接到第二保护区，仅经由区分割装置被连接。由于在第二保护区中可能存在的断连装置，诸如连接在区保护装置和第二保护区之间的母联和隔离器开关，在这种类型的配置中可仍然有益处。然后，这些断连装置可以被灵活地选择成更便宜和/或更慢的类型，不能处理快速瞬变（如果期望的话）。因此，在这种情况中，也将主母线分隔或细分成不同的保护区，即（一个或多个）第一保护区和（一个或多个）第二保护区，可能是有益的。在此设置中，除了电力转换器之外，至少一个第一保护区也可以包含以例如柴油发电机和/或燃气引擎形式的电力输送装置，以向系统提供电力。

本文描述的DC电力系统可以有利地被用作舰载电力系统，用于给船舶（例如，用于利用动态定位的船舶）供电。这种船的示例是电缆敷设船、钻井船、浮式生产、储存和卸载装置（FPSO）、半潜式装置和石油平台。本电力系统通常被用在低电压环境中，尽管也设想了较高电压应用，例如中压。

本发明概念已经在上面主要参考几个示例进行了描述。然而，如由本领域技术人员容易认识到的，与上面公开的实施例不同的其它实施例在如由所附权利要求书所定义的发明概念的范围内是同样可能的。

Claims (16)

1.一种DC电力系统（1），包括：

主母线（3），

多个电力输送装置（G1-G8、11-15），所述多个电力输送装置配置成连接到所述主母线（3），

第一区分割装置（7a），以及

控制系统（9），

其中所述第一区分割装置（7a）被配置成将所述主母线（3）分隔成第一保护区（Z2）和第二保护区（Z1），所述第一保护区（Z2）是具有在第一时间范围中的故障清除要求的电力输送装置（11-15）被配置成连接到的所述主母线（3）的一部分，并且所述第二保护区（Z1）是具有在第二时间范围中的故障清除要求的电力输送装置(G1-G4)配置成连接到的所述主母线（3）的一部分，所述第二时间范围包含高于在所述第一时间范围中包含的任何时间的时间，并且没有具有在所述第一时间范围中的故障清除要求的电力输送装置（11-15）配置成连接到所述第二保护区，

其中所述控制系统（9）被配置成控制所述第一区分割装置（7a）以允许负载电流从所述第一保护区（Z2）流到所述第二保护区（Z1），并限制故障电流从所述第一保护区（Z2）流到所述第二保护区（Z1）。

2.如权利要求1所述的DC电力系统（1），其中所述控制系统（9）被配置成控制所述第一区分割装置（7a）以允许负载电流和故障电流从所述第二保护区（Z1）流到所述第一保护区（Z2）。

3.如权利要求1所述的DC电力系统（1），其中所述第一区分割装置（7a）是固态断路器。

4.如前述权利要求1-3中任一项所述的DC电力系统（1），包括具有在第二时间范围中的故障清除要求的电力输送装置（G1-G4）和整流器（R1-R4），其中所述电力输送装置（G1-G4）被配置成经由所述整流器（R1-R4）连接到所述第二保护区（Z1）。

5.如前述权利要求1-3中任一项所述的DC电力系统（1），其中所述具有在第一时间范围中的故障清除要求的电力输送装置（11-15）中的至少一个是包括电容器组的功率转换器，其中所述功率转换器被配置成连接到所述第一保护区（Z2）。

6.如前述权利要求1-3中任一项所述的DC电力系统（1），其中所述第一时间范围和所述第二时间范围部分重叠。

7.如前述权利要求1-3中任一项所述的DC电力系统（1），其中所述第一时间范围和所述第二时间范围不相交。

8.如前述权利要求1-3中任一项所述的DC电力系统（1），其中所述第一时间范围包含从一微秒级到一毫秒级的范围内变动的时间。

9.如前述权利要求1-3中任一项所述的DC电力系统（1），其中所述第二时间范围包含从一毫秒级到数百毫秒级的范围内变动的时间。

10.如前述权利要求1-3中任一项所述的DC电力系统（1），包括母联（3c），其中所述主母线（3）借助于所述母联（3c）可分成第一母线部分（3a）和第二母线部分（3b），其中所述第一区分割装置（7a）被配置成将所述第一母线部分（3a）分隔成所述第一保护区（Z2）和所述第二保护区（Z1），以及

其中所述DC电力系统（1）包括第二区分割装置（7b），其中所述第二区分割装置（7b）被配置成将所述第二母线部分（3b）分隔成第三保护区（Z3）和第二保护区（Z1），所述第三保护区（Z3）是具有在所述第一时间范围中的故障清除要求的电力输送装置（11-15）被配置成连接到的所述第二母线部分（3b）的一部分，并且所述第二保护区（Z1）是具有在所述第二时间范围中的故障清除要求的所述主母线（3）的一部分，并且没有具有在所述第一时间范围中的故障清除要求的电力输送装置（11-15）配置成连接到所述第二保护区，其中所述控制系统（9）被配置成控制所述第二区分割装置（7b）以允许负载电流从所述第三保护区（Z3）流到所述第二保护区（Z1），并限制故障电流从所述第三保护区（Z3）流到所述第二保护区（Z1）。

11.如权利要求10所述的DC电力系统（1），其中所述控制系统（9）被配置成控制所述第二区分割装置（7b）以允许负载电流和故障电流从所述第二保护区（Z1）流到所述第三保护区（Z3）。

12.如前述权利要求10所述的DC电力系统（1），包括多个断连装置（5、6、10），每个断连装置（5、6、10）被配置成连接在所述主母线（3）和相应的电力输送装置（G1-G8、11-15）之间以能够实现所述电力输送装置（G1-G8、11-15）与所述主母线（3）的断连。

13.如权利要求12所述的DC电力系统（1），其中被配置成对被配置成连接到所述第一保护区（Z2）和所述第三保护区（Z3）的电力输送装置（11-15）进行断连的所述断连装置（5、6、10）中的至少一些是固态断路器和熔丝之一。

14.如前述权利要求10所述的DC电力系统（1），包括监视系统，所述监视系统在所述第二保护区中发生故障的情况中被配置成监视由所述第一区分割装置允许从所述第一保护区和所述第三保护区流到所述第二保护区的受限故障电流，以从而确定所述故障是否已经被清除。

15.一种船舶，包括如权利要求1-14中任一项所述的DC电力系统（1）。

16.如权利要求15所述的船舶，其中所述船舶是动态定位船。

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