CN110710076A - 冗余的直流电压网络 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流电压网络(1)，其具有第一直流电压子网(11)、第二直流电压子网(12)、储能网络(13)、第一电力变换器(21)、第二电力变换器(22)和储能器(4)。为了改进直流电压网络而提出：第一直流电压子网(11)和储能网络(13)借助于第一电力变换器(21)相互连接，其中，第二直流电压子网(12)和储能网络(13)借助于第二电力变换器(22)相互连接，其中，储能网络(13)与储能器(4)连接，以使储能网络(13)具有储能器(4)的电压，其中，第一直流电压子网(11)和/或第二直流电压子网(12)能够通过至少一个馈电装置(5)与至少一个交流电压网络(6)连接。为了改进直流电压网络(1)而提出：直流电压网络(1)具有至少一个连接转换器(2)，其中，第一直流电压子网(11)和第二直流电压子网(12)借助于连接转换器(2)相互连接。本发明还还涉及一种用于控制这种直流电压网络(1)的方法，其中，当直流电压网络(1)中出现故障时，根据故障的位置来断开电力变换器(21、22、23、24)中的至少一个。

Description

冗余的直流电压网络

技术领域

本发明涉及一种直流电压网络，其具有第一直流电压子网、第二直流电压子网和储能器。此外，本发明涉及一种用于控制这种直流电压网络的方法。

背景技术

当今，变频器扩展用于越来越大的联合体，并且变频器除了具有只能调节电机的典型功能以外，还可以供给电网(例如在风力发电设备中)或者甚至形成完整的直流电压网络(也被称为DC(直流)网络)，在此仅应考虑直流电压网络，其中例如是用电器和电源的电气装置交换电能。直流电压网络的供电借助于来自交流电压网络的一个或多个电流转换器实现。

直流电压网络的典型应用是在船舶或者交通工具内的能量供应。借助于直流电压网络，电能被分配到各个用电器处。在此，即使在故障情况下，现有的驱动器和装置的一部分也应该一直工作。这部分被称为冗余。

当前，直流电压网络配备有保险和隔离开关，以便能够在故障情况下从电网断开并且保持其他用电器运行。然而，在短路情况下，与直流电压网络连接的电组件不能免于损伤。这种损伤能够导致相应的电组件发生故障。为了避免这种情况，有时使用快速开关，该快速开关用于减小短路的破坏作用。

发明内容

本发明所基于的目的是改进直流电压网络。

该目的通过一种直流电压网络实现，该直流电压网络具有第一直流电压子网、第二直流电压子网、储能网络、第一电力变换器、第二电力变换器和储能器，其中，第一直流电压子网和储能网络借助于第一电力变换器相互连接，其中，第二直流电压子网和储能网络借助于第二电力变换器相互连接，其中，储能网络与储能器连接，以使储能网络具有储能器的电压，其中，第一直流电压子网和/或第二直流电压子网能够通过至少一个馈电装置与至少一个交流电压网络连接。该目的还通过一种用于控制该直流电压网络的方法实现，其中，当直流电压网络中出现故障时，根据故障的位置来断开电力变换器中的至少一个。

本发明的有利的设计方案在从属权利要求中给出。

本发明基于如下构思，即通过将直流电压网络划分为两个直流电压子网的方式，提升直流电压网络的容错率。例如是用电器和/或电源的电气装置与子网之一连接。此外，直流电压网络具有作为另外的子网的储能网络。在供电网络的能量供应有故障时，能够借助储能器来保持与电气装置的能量交换。储能网络能够是直流电压网络或者交流电压网络。直流电压网络的应用尤其适合于具有直流电压的储能器。也就是说，在运行期间，该储能器在端子处具有直流电压。储能器类型的典型代表是电池和电容器(例如双层电容器，诸如UltraCaps(超级电容器))。

至少三个这种子网借助于电力控制器相互连接。被作为电力控制器使用的能够是DC/DC电压转换器、特别是双向的DC/DC电压转换器，其也被称为DCP，或者是电流转换器。电流转换器在直流电压侧与交流电压侧之间传递能量。双向电流转换器对于在直流电压网络中的应用是特别有利的，因为双向电流转换器实现了在两个方向上的能量流动，即从交流电压侧到直流电压侧以及从直流电压侧到交流电压侧流动。这种电力控制器设置在子网之间，并且实现了子网之间受控的能量交换。通过该电力控制器可以使储能器与储能网络直接连接。尤其用于功率调节的电压控制则通过与储能网络连接的电力控制器实现。因此，电池和/或UltraCaps能够在直流储能网络中充电或者放电，或者旋转储能器能够在交流能量网络中充电或放电。

通过将直流电压网络划分为至少两个直流电压子网，能够实现控制用电器和/或电源在能量流动方面的复杂分配。在直流电压网络中将直流电压作为直流母线的应用允许广泛的分支和供电机构，因为借助电力控制器的分割方案几乎可以任意扩展。因此，交流母线(也就是给各个电气装置供给交流电压)是多余的，并且能够任意安装电源、负载和储能器。冗余随着子网数目的增加而增加。

在全部子网中能够借助于电力控制器根据需要控制或者调节电压。在储能网络中，根据在那里连接的储能器的运行方式来调节电压。因此，电力控制器具有多个功能。一方面，例如在故障情况下，电力控制器是各个子网的安全的隔离装置。此外，电力控制器调节或控制在子网之间的功率变换。此外，储能网络处的电压被调整，以使储能器根据需求充电或者放电。该系统在仅使用少量组件的情况下实现了可靠性的明显改进，因为例如能够省去电池充电设备。

当一个子网中发生短路时，其他两个子网能够继续运行。也就是说，电池缓冲保持可用。特别地，这在“船舶驱动”的应用情况下具有重要意义并且在船舶验收时被检查。在使用开关代替电力控制器的情况下，开关的故障使得设备不再能安全运行。当电力控制器发生故障时，至少一个直流电压子网还能为连接的用电器供电。因此，例如仍然能够在船舶中还提供一半的驱动功率。

当直流电压网络是孤岛网络时，直流电压网络是特别有利的。这例如是在船舶上或者在交通工具中、特别是在轨道交通工具中的情况。通过来自储能器的能量供应能够减少由大用电器产生的负荷、特别是由大用电器的接通和断开产生的负荷。通过电力控制器的高动态性能够完全、至少大部分地避免对其他组件的影响，该影响例如是在直流电压中的扰动或者突然的过电压。

通过将直流电压网络划分为至少两个直流电压子网，能够实现在故障情况下(例如在一个子网中发生短路)不损坏其他子网中的组件或者其他子网。通过电力控制器，还能够与其余子网的电压无关地在每个子网中自主地调节或者控制电压。这样实现了直接连接的电池的充电和放电。能够省去附加的、只具有非常有限的动态性能的电池充电设备。这节省了成本并且在故障情况下引起在调节和反应方面的高动态性能。即使在电力控制器发生故障的情况下，子网还能一直运行。这在船舶应用或者在轨道交通工具中是特别有利的，因为一直有直流电压网络以及驱动装置准备工作，使得交通工具是可控的。当在船舶上应用时可以由此确保机动性。

在本发明的一个有利的设计方案中，第一电力变换器和第二电力变换器各自具有直流电压转换器，并且储能器的电压是直流电压。直流电压转换器也常被称为DC/DC转换器。有利地，其应该允许双向的能量流动。该DC/DC转换器也被称为DCP。利用该转换器尤其能够在直流电压网络中动态调整直流电压。因此，能够对故障情况快速反应，从而不损坏电气装置。此外，具有直流电压的储能器、例如电池或者电容器、特别是像UltraCaps的双层电容器能直接与储能网络连接。因此能省掉附加的充电设备，其为了在系统中与其他组件去耦通常具有相对慢的调节特性。

此外已经证明有利的是，直流电压转换器具有电势隔离。由此，在接地时就能避免故障电流。同时在接地的情况下，部分甚至全部的直流电压网络仍可以运行。

在本发明的另一个有利的设计方案中，第一电力变换器和第二电力变换器各自具有电流转换器，并且储能器的电压是交流电压。电流转换器实现了在直流电压网络与交流电压网络之间的能量传输。应用双向电流转换器是特别有利的，因为利用双向电流转换器能够在两个方向上进行能量传输。由此，储能器能够在储能网络中利用交流电压以受调节或控制的方式进行充电或放电。例如可以考虑例如是飞轮储能器的旋转储能器作为具有交流电压端子的储能器。此外，能够省去常规的控制元件、例如变流器。这节省了成本。同时，利用电流转换器能够实现特别好的动态调节，以便能够在故障情况下快速反应，从而避免交流电压网络的其他组件损坏。在此例如还能借助于变压器以特别简单的方式实现子网彼此间的电隔离。因此，在发生短路时就能避免故障电流。同时，在接地的情况下，部分甚至全部的直流电压网络保持为可运行的状态。

在本发明的另一个有利的设计方案中，直流电压网络具有至少一个连接转换器，其中，第一直流电压子网和第二直流电压子网借助于连接转换器相互连接。通过连接转换器，能够直接实现两个直流电压子网之间的能量转换。通过储能网络能够避免绕路。因此，能量在从第一直流电压子网到第二直流电压子网的路径上仅必须经过一个转换器。连接转换器的简单的实施方式是直流电压转换器。通过直接连接直流电压子网，能够避免对储能网络的影响。由此能够在储能网络中观察到较少的电压波动。由此提高了与储能网络连接的储能器的寿命预期。此外，第一和第二电力变换器的规格能够更小，因为第一和第二电力变换器仅必须针对储能器的功率被设计。因此，能够减少用于实现直流电压网络的成本。

在本发明的另一个有利的设计方案中，连接转换器具有第三电力变换器、第四电力变换器和另外的储能网络，其中，第一直流电压子网和另外的能量供应网络借助于第三电力变换器相互连接，其中，第二直流电压子网和另外的能量供应网络借助于第四电力变换器相互连接，其中，另外的储能网络与另外的储能器连接，以使另外的储能网络具有另外的储能器的电压。通过在直流电压网络中将储能器划分为两个储能网络，能够使具有不同充电状态的不同电池充电和放电。因此，不同储能网络的储能器能够彼此独立地充电和放电。这导致储能器的寿命增加。同样地能够组合不同的储能器类型，例如组合电池和电容器。因此能够例如将储能网络与电池连接，该电池长期地释放和接收能量。然后，电容器与另外的储能网络连接，利用这些电容器能够提供高动态的电能。

在本发明的另一个有利的设计方案中，第三电力变换器和第四电力变换器各自具有直流电压转换器，并且另外的储能器的电压是直流电压。有利地，还应该允许双向的能量流动。由此，尤其能够动态调整直流电压网络里的直流电压。因此能够对故障情况快速反应，以使故障不损坏电气装置。此外，具有直流电压的储能器(例如电池或者电容器，特别是像UltraCaps的双层电容器)能够与储能网络直接连接。因此能够省去额外的充电设备，其为了在系统中与其他组件去耦通常具有相对慢的调节性能。此外已经证明有利的是，直流电压转换器具有电势隔离。因此在接地时就能避免故障电流。同时在接地的情况下，部分甚至全部的直流电压网络保持为可运行的状态。

在本发明的另一个有利的设计方案中，第三电力变换器和第四电力变换器各自具有电流转换器，并且另外的储能器的电压是交流电压。在此特别有利的是使用双向电流转换器，因为利用双向电流转换器能够实现在两个方向上的能量传输。因此，储能器能够在另外的储能网络中利用交流电压以受调节或控制的方式进行充电或放电。例如可以考虑例如是飞轮储能器的旋转储能器作为具有交流电压端子的储能器。此外，能够省去常规的控制元件、变频器。这节省了成本。同时，利用电流转换器能够实现特别好的动态调节，以便能够在故障情况下快速反应。由此，能够避免交流电压网络中的其他组件损坏。在此例如还能借助于变压器以特别简单的方式实现子网彼此间的电隔离。因此，在接地时就能避免故障电流。同时，在存在接地的情况下，部分甚至全部的直流电压网络保持为可运行的状态。

在本发明的另一个有利的设计方案中，在连接转换器与第一直流电压子网之间设有开关，其中，另外的开关将位于连接转换器和开关之间的连接上的点与储能网络连接。因此，能够增加系统中的冗余。即使在电力控制器发生故障的情况下，也能够保证直流电压子网在电力控制器有故障时的可控性和/或可调节性。

在本发明的另一个有利的设计方案中，第一直流电压网络具有第一线路，第一线路设置在第一电力变换器与连接转换器之间，其中，第一线路具有第一开关，其中，第二直流电压网络具有第二线路，第二线路设置在第二电力变换器与连接转换器之间，其中，第二线路具有第二开关。因此，直流电压网络具有环形结构。在此，多个直流电压网络各自经由线路形成，该线路的两端与电力控制器连接。因此，在发生故障时，不是将近一半的直流电压网络失效，而是只有大概四分之一的直流电压网络失效。第一开关实现的是，在第一直流电压子网中发生故障时，仅断开第一直流电压子网的存在故障的部分。因此，能够通过电力变换器之一和开关之一将故障部位隔离。直流电压网络的其余组件保持为可运行的状态。为了断开开关，不需要大电流的断路能力。使用仅能无电流转换的开关就足够了，因为已经通过两个电力变换器实现了切断电流。在打开相应的开关之后，直流电压子网的一部分能够再次运行。因为开关仅必须具有小的断路能力，在此能够使用断路开关代替接触器。

通过构造这种环形结构，实现了直流电压网络的改善的冗余特性。

附图说明

下面根据附图中示出的实施例详细地描述和阐述本发明。附图示出：

图1至图6示出了直流电压网络的多个实施例。

具体实施方式

图1示出了直流电压网络1，其具有两个直流电压子网11、12和一个储能网络13。这些子网与电力变换器21、22相互连接，从而能够借助电力变换器21在子网11、12、13之间进行能量交换。同时，电力变换器21、22实现子网彼此间的快速分开。在直流电压子网11、12处连接有电气装置3，这些电气装置表示用电器或者电源。这些电气装置3从交流电压网络6获取电能，该交流电压网络通过一个或者多个馈电装置5与直流电压子网11、12连接。可选地或附加地，电能也能够被与储能网络13直接连接的储能器4提供或存储。借助于电力控制器21、22能够实现到储能器4的能量流的调节或控制。

借助于电力控制器21、22能够快速切断能量流，以便例如将有故障的组件与整个系统分开。因此，不仅能够保证其余的电气装置3的运行，还能够通过电力变换器21、22的快速反应可靠地避免电气装置3的损坏，例如由过电流或者过电压导致的损坏。

在此示出的储能器4是电池。可选地，这里也能够使用电容器、特别是双层电容器。这些储能器的共同点是在运行时具有直流电压。因此，在本实施例中，也被称为DC/DC转换器的直流电压转换器作为电力控制器21、22使用。

图2示出了作为储能器4的飞轮储能器。与图1中的储能器4不同，当该储能器直接(也就是不使用例如是变流器的驱控单元)与储能网络13连接时，该储能器4在运行时具有交流电压。为了利用储能器4控制或调节能量交换，将电流转换器作为电力控制器21、22使用，通过电流转换器能够将交流电压子网与直流电压子网连接。为了避免关于一致的组件的重复，参考图1的描述和那里引入的附图标记。

在图3中，直流电压网络1经由连接转换器2扩展，连接转换器将两个直流电压子网11、12彼此直接连接。因此，相应的电力变换器21、22为了与储能网络13连接而能设计得更小，从而仅考虑进出储能器的能量需求。借助于连接转换器2控制或调节在直流电压子网之间的能量交换。在该实施例中也可行的是，使用飞轮储能器代替电池。在这种情况下，代替将DC/DC转换器作为电力控制器21、22，再次使用根据图2的电流转换器。通过设计用于给第二直流电压子网12供电的高性能的连接转换器2，能够省掉用于在第二直流电压子网12中连接交流电压网络6的馈电装置5。为了避免关于一致的组件的重复，参考图1和图2的描述以及那里引入的附图标记。

图4示出了在直流电压网络1中集成多个储能器4、41、特别是多个不同的储能器4、41的可行方案。在此，连接转换器2经由另外的储能网络14扩展。为了与另外的储能网络14进行能量交换，连接转换器2具有第三电力控制器23和第四电力控制器24。利用电力控制器，在直流电压网络1中能够设有另外的储能器41。根据储能器4、41的种类，将如上所述的DC/DC转换器或电流转换器作为电力控制器21、22、23、24使用。为了避免关于一致的组件的重复，参考图1至图3的描述以及那里引入的附图标记。通过相对多的数量的电力控制器21、22、23、24，在该实施例中也可以省去根据图3所示的馈电装置之一。

图5示出了经由开关31和另外的开关32扩展的实施例。利用这种连接转换器2，根据开关31、32的开关位置能够对在直流电压子网11、12之间的能量传递进行调节或者控制，或者对储能器4进行充电或放电。因此，在不添加另外的电子驱控元件的情况下提高了直流电压网络1的冗余，因为在电力控制器21、22发生故障的情况下直流电压网络1能够继续运行。由于这种冗余，能够省去用于连接交流电压网络6的第二馈电装置5，而不明显地消极影响直流电压网络1的可用性。为了避免关于一致的组件的重复，参考图1至图4的描述以及那里引入的附图标记。

图6示出了直流电压网络1的环形结构。在此，直流电压子网11、12各自通过线路51、52形成。线路51、52与电力控制器21、22、23、24的连接相应地在线路51、52相对置的端部实现。在此，线路51、52能够设计为电缆或电导轨。在第一直流电压子网11中发生故障时，第一开关51实现了仅断开第一直流电压子网11的发生故障的部分。因此，与之前所述的情况的实施例相比，能够使更多的电气装置3保持运行。然后，在发生故障的情况下断开开关53，并且根据故障的位置关闭第一电力控制器21或者第三电力控制器23，以便避免故障对直流电压网络1的其余的电气装置3的消极影响。相应情况适用于第二直流电压子网12的第二线路52和那里的第二开关54、以及第二电力控制器22和第四电力控制器24。

在此，第一开关53和第二开关54能够设计为接触器，接触器实现了在有电流的情况下进行开关操作并且转变为断开状态。可选地，能够借助于电力控制器21、22、23、24将开关53、54中的电流减小到零，并且然后断开开关53、54。在此，能够使用断路开关作为开关53、54代替接触器。为了避免关于一致的组件的重复，参考图1至图5的描述以及那里引入的附图标记。

总之，本发明涉及一种直流电压网络，其具有第一直流电压子网、第二直流电压子网、储能网络、第一电力变换器、第二电力变换器和储能器。为了改进直流电压网络而提出：第一直流电压子网和储能网络借助于第一电力变换器相互连接，其中，第二直流电压子网和储能网络借助于第二电力变换器相互连接，其中，储能网络与储能器连接，以使储能网络具有储能器的电压，其中，第一直流电压子网和/或第二直流电压子网能够通过至少一个馈电装置与至少一个交流电压网络连接。此外，本发明还涉及一种用于控制这种直流电压网络的方法，其中，当直流电压网络中出现故障时，根据故障的位置来断开至少电力变换器中的至少一个。

Claims (9)

1.一种直流电压网络(1)，具有：

-第一直流电压子网(11)，

-第二直流电压子网(12)，

-储能网络(13)，

-第一电力变换器(21)，

-第二电力变换器(22)，和

-储能器(4)，

其中，所述第一直流电压子网(11)和所述储能网络(13)借助于所述第一电力变换器(21)相互连接，其中，所述第二直流电压子网(12)和所述储能网络(13)借助于所述第二电力变换器(22)相互连接，其中，所述储能网络(13)与所述储能器(4)连接，以使所述储能网络(13)具有所述储能器(4)的电压，

其中，所述第一直流电压子网(11)和/或所述第二直流电压子网(12)能够通过至少一个馈电装置(5)与至少一个交流电压网络(6)连接，其特征在于，所述直流电压网络(1)具有至少一个连接转换器(2)，其中，所述第一直流电压子网(11)和所述第二直流电压子网(12)借助于所述连接转换器(2)相互连接。

2.根据权利要求1所述的直流电压网络(1)，其中，所述第一电力变换器(21)和所述第二电力变换器(22)各自具有直流电压转换器，并且所述储能器(4)的电压是直流电压。

3.根据权利要求1所述的直流电压网络(1)，其中，所述第一电力变换器(21)和所述第二电力变换器(22)各自具有电流转换器，并且所述储能器(4)的电压是交流电压。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的直流电压网络(1)，其中，所述连接转换器(2)具有第三电力变换器(23)、第四电力变换器(24)和另外的储能网络(14)，其中，所述第一直流电压子网(11)和另外的能量供应网络(14)借助于所述第三电力变换器(23)相互连接，其中，所述第二直流电压子网(12)和所述另外的能量供应网络(14)借助于所述第四电力变换器(24)相互连接，其中，所述另外的储能网络(14)与另外的储能器(41)连接，以使所述另外的储能网络(14)具有所述另外的储能器(41)的电压。

5.根据权利要求4所述的直流电压网络(1)，其中，所述第三电力变换器(23)和所述第四电力变换器(24)各自具有直流电压转换器，并且所述另外的储能器(41)的电压是直流电压。

6.根据权利要求4所述的直流电压网络(1)，其中，所述第三电力变换器(23)和所述第四电力变换器(24)各自具有电流转换器，并且所述另外的储能器(41)的电压是交流电压。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的直流电压网络(1)，其中，在所述连接转换器(2)与所述第一直流电压子网(11)之间设有开关(31)，其中，另外的开关(32)将位于所述连接转换器(2)和所述开关(31)之间的连接上的点(33)与所述储能网络(13)连接。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的直流电压网络(1)，其中，第一直流电压网络(11)具有第一线路(51)，所述第一线路设置在所述第一电力变换器(21)与所述连接转换器(2)之间，其中，所述第一线路(51)具有第一开关(53)，其中，第二直流电压网络(12)具有第二线路(52)，所述第二线路设置在所述第二电力变换器(22)与所述连接转换器(2)之间，其中，所述第二线路(52)具有第二开关(54)。

9.一种用于控制根据权利要求1至8中任一项所述的直流电压网络(1)的方法，其中，当所述直流电压网络(1)中出现故障时，根据所述故障的位置来断开电力变换器(21、22、23、24)中的至少一个。

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