CN110797859A - 冗余供电电网和具有冗余供电电网作为具载电网的船 - Google Patents

冗余供电电网和具有冗余供电电网作为具载电网的船 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种冗余供电电网，具有：带有直流电压中间电路的第一馈电变流器(11)，和带有第二直流电压中间电路(22)的第二馈电变流器(21)，以及第一电源(13)和第二电源(23)，交流电压电网和用于外部电网的接口，第一馈电变流器和第二馈电变流器分别在交流电压侧与交流电压电网连接，第一电源与第一直流电压中间电路连接，并且第二电源与第二直流电压中间电路连接。为了在由外部电网馈电方面改善冗余供电电网而提出：在第一馈电变流器与交流电压电网之间布置第一电网开关，第一直流电压中间电路和第二直流电压中间电路通过中间电路开关相互连接，在第一馈电变流器与第一电网开关之间布置有到外部电网的接口的连接(6)。

Description

冗余供电电网和具有冗余供电电网作为具载电网的船
技术领域
本发明涉及一种冗余供电电网，其具有：带有第一直流电压中间电路的第一馈电变流器和带有第二直流电压中间电路的第二馈电变流器、以及第一电源和第二电源、交流电压电网以及外部电网的接口，其中，第一馈电变流器和第二馈电变流器分别在交流电压侧与交流电压电网连接，其中，第一电源与第一直流电压中间电路连接，并且第二电源与第二直流电压中间电路连接。此外，本发明还涉及一种具有具载电网的船，其中，该具载电网设计为这种冗余供电电网。此外，本发明涉及一种将这种冗余供电电网与外部电网连接的方法。
背景技术
供电电网用于为电负载提供能量。对于重要的负载，这样的供电电网通常设计为冗余的。这意味着，在一个或者多个部件故障时供电电网依然能够可靠地提供电能。这种情况例如适用于在交通工具上、特别是水上交通工具上(如船)的电负载。在那里，特别是在船的行驶期间，重要的电负载由冗余供电电网供电。
经由交流电压电网来为负载供给能量。冗余供电电网由两个电源馈电。电源可以是纯能量产生装置、例如由内燃机驱动的发电机，或者是储能装置、例如电池。该储能装置不仅能够提供电能，还能够接收和储存能量。在船上可以将轴式发电机用作电源。在此，由发电机从船的驱动轴、船轴接收机械能并输送给供电电网。在此，电源通常包括变流器，因此电源可以连接到馈电变流器的直流电压中间电路。
馈电变流器布置在电源和交流电压电网之间。利用该馈电变流器，可以控制和调节在电源和交流电压电网之间的能量转换。这符合交流电压电网中关于电网干扰的要求，并且这能够通过电压和频率来形成交流电压电网。
其次，可能需要，代替通过电源而将交流电压电网与外部电网连接并从该外部电网为交流电压电网供能。这例如出于维护目的可能是必要的。在交通工具中，当交通工具位于不允许柴油发动机运行的仓库时，这可能是必要的。这同样适用于船，其中，在一定的区域内由于环境保护的原因，不允许船上柴油发动机的运行，并且然后交流电压电网应由外部电网(也称为陆地馈电、海岸接口或者陆地电网)来供应电能。对此，设置有另外的变流器，其控制和调节外部电网和交流电压电网之间的能量转换。
发明内容
本发明的目的在于，在由外部电网馈电的方面改进冗余供电电网。
该目的通过一种冗余供电电网来实现，该冗余的供电电网具有：具有第一直流电压中间电路的第一馈电变流器和具有第二直流电压中间电路的第二馈电变流器、以及第一电源和第二电源、交流电压电网和外部电网的接口，其中，第一馈电变流器和第二馈电变流器分别在交流电压侧与交流电压电网连接，其中，第一电源与第一直流电压中间电路连接，并且第二电源与第二直流电压中间电路连接，其中，在第一馈电变流器和交流电压电网之间布置有第一电网开关，其中，第一直流电压中间电路和第二直流电压中间电路能够经由第一中间电路开关互相连接。其中，在第一馈电变流器与第一电网开关之间布置有到外部电网的接口的连接部。此外，所述目的还通过具有具载电网的水上交通工具来实现，其中，具载电网设计为这种冗余供电电网。另外，所述目的还通过这种冗余供电电网与外部电网的连接方法来实现，其中，闭合中间电路开关并且断开第一电网开关，其中，在断开第一电网开关之后，外部电网与第一馈电变流器导电地连接。
本发明基于以下知识，通过将第一馈电变流器用于与外部电网的连接，能以简单的方式确保来自外部电网的供电，而无需额外的变流器。对此，只需在交流电压电网与第一馈电变流器之间存在一开关，该开关将第二馈电变流器从交流电压电网分离。为了使该开关能够与其他开关区分，该开关被称为电网开关。经由与用于外部电网的接口的连接部，在断开第一电网开关之后，在第一馈电变流器与外部电网之间建立导电连接。由此，这可以例如如下地存在，外部电网经由线缆和所属的插头与接口连接。同样也可行的是，在断开第一电网开关之前就已经建立了从电网到接口的连接，并且在断开第一电网开关之后闭合位于与接口的连接部中的开关，并且从而建立导电连接。为了能够实现外部电网与交流电压电网之间的能量交换，第一馈电变流器和第二馈电变流器的直流电压中间电路必须相互连接。这可以有利地利用开关来实现。为了使该开关与其他开关区分开，该开关被称为中间电路开关。
交流电压电网可以设计为单相或者多相电网。特别地，三相的交流电网已经证明了其对于电负载的供电是有利的并且已经在市场上实施。
可以提到的特别优点是，外部电网的这种通断过程不间断地进行，即，具载电网被持续供电，在此，在由外部电网供电的情况下，电源不仅作为马达而且作为发电机一直连续的运行。
不仅能够在与外部电网建立电连接之前也可以在电连接建立之后，将第一馈电变流器的电压和频率同步到外部电网的电压和频率上。如果在与外部电网建立电连接之后进行同步，则需要在与外部电网连接时锁定第一馈电变流器，以便避免在冗余供电电网的组件和外电网之间的不期望的补偿过程。
为了由外部电网馈电而使用第一馈电变流器也可以称为重组。也就是说，通过变流器与直流电路的连接的重组，现有的馈电变流器能够转换为电网耦合转换器，进而实现了通过外部电网(特别是陆地接口)的供电，而无需额外的转换器硬件。对此，在馈电变流器的直流电压中间电路之间只需要一个可通断的连接，以及用于将第一馈电变流器从交流电压电网分离的开关。
通过重组，虽然失去了涉及变流器方面的供电中的冗余性，但另一方面，已经通过外部电网在供电中提供了高可靠性。
特别有利的是，在水上交通工具(例如船)上使用该冗余供电电网。因为船出于冗余原因一般以双通道构造，为了确保安全的供电，通常存在左舷变流器和右舷变流器。这种双通道保证了在船的行驶、即船运行期间的可靠供电。然而，在港口中该双通道不一定是必要的。也就是说，在港口可以放弃冗余地馈电到交流电压电网中。关于电源方面的冗余性还存在。因此，冗余供电电网特别适用于船，因为在船运行期间，例如在海上时确保冗余，并且同时通过使用馈电变流器可以实现无需其他的变流器从外部电网馈电，并且在此可以放弃冗余，在这里冗余不是必须的。换句话说，由于损失的冗余性而在供电中获得的自由度通过以下方式被用于变流器的重组，即，第一直流电压中间电路与第二直流电压中间电路通过中间电路电压开关相互连接。该中间电路电压开关可以例如实施为接触器或分离器。由于这些原因，冗余供电电网特别适用于构成船的具载电网(船载电网Bordnetz)。
在经由外部电网供电时产生的较低馈电功率(因为只有一个馈电变流器向交流电压电网馈电)没有很大的影响，因为在港口时对具载电网所需要的功率减少了。
通过馈电变流器的重组，也可以使用当前的变流器的电网滤波器。可以放弃其他电网滤波器(例如，在使用其他变流器时所必须的)，并且因此可以节省供电电网的成本、重量和结构空间。
此外，冗余供电电网可以以有利的方式应用在独立供电电网中。通常，可以在当前有两个馈电变流器的情况下通过重组来实施电网耦合。因此，例如在独立供电电网有能量剩余时，独立供电电网能作为外部电网连接到电网连接。由于电能剩余，能量产生的冗余性不再是绝对必要的。同样也可能的是，在一个电源或者多个电源明显耗尽时，利用与外部电网连接来保证可靠供电。
本发明的有利设计方案中，第一电源和第二电源设计为轴式发电机。对于船的具载电网设计为冗余供电电网产生以下有利的应用可能。
在第一种情景中，船到达并且停靠在港口，轴式发电机的主驱动器仍然是接通的。首先，将第一馈电变流器从船电网、即交流电压电网分离。第二馈电变流器继续从第二电源、轴式发电机之一持续地为交流电压电网供电。然后，可以以任意的顺序：闭合第二中间电路开关，将第一馈电变流器同步到作为外部电网的陆地电网上，以及建立与陆地电网的连接。这可以通过建立连接、例如通过插头或电缆或者通过闭合连接开关来实现。在此，轴式发电机能够在外部电网连接之后还保持运行，例如为了支持船的定位。
作为第二种情景，以下应用是可能的。在到达港口之前，切断主驱动器(通常包括不太环保的内燃机)，并且接通更小的、更清洁的柴油发动机。现在，轴式发电机用于作为马达来驱动船。因此，电源暂时是能阱(Energiesenke)，并且轴式发电机变为驱动器。现在，能流从交流电压电网到当前以马达形式运转的轴式发电机。船到达停靠地后，切断以马达形式运转的轴式发电机，并且将第一馈电变流器从具载电网分离，并且建立了与陆地电网的连接，正如第一种情景中所描述的。有利地也可行的是，使轴式发电机处于运行中，以此来辅助船的定位。由此，能够实现在靠近港口处特别环保地运行。正好在领土区域内或者在港口附近，通过冗余的供电电网能够以简单的方式遵循严格排放规定。
在本发明的其他的有利的设计方案中，第一电源和/或第二电源设计为为储能装置，特别是设计为电池。如上所述，再次将第一馈电变流器从具载电网或者一般是从交流电压电网分离。第一馈电变流器在交流电压侧经由与用于外部电网的接口的连接部与外部电网(例如陆地电网)连接。第一馈电变流器与所述方法类似地与陆地电网或外部电网同步。现在不仅能够通过陆地电网对电池充电，而且同时还能够与保留在具载电网上的第二馈电变流器为交流电压电网产生电压并维持。该实施方式特别适合于电动的船。储能装置可以是唯一或部分地设置用于为电动驱动马达供电的储存器。
在本发明的其他有利的设计方案中，与用于外部电网的接口的连接部具有连接开关。该连接开关如上所述，并不一定是必要的。然而，能够通过该连接开关由调节装置来控制外部电网的通断。因此，能够根据馈电变流器与外部电网的同步来进行外部电网的通断。通过开关的反馈触点，调节装置得知外部电网是否与第一馈电变流器连接。由此，以简单的方式、例如通过一个馈电变流器或者两个馈电变流器的调节装置使外部电网的通断方法自动化。
附图说明
以下将根据在图片中所示的设计方案进一步的说明和解释本发明。
示出：
图1示出了已知的供电电网；
图2示出了具有外部电网的接口的冗余供电电网的实施例；
图3至图5示出了电源的设计方案；并且
图6示出了具有冗余供电电网的船，该冗余供电电网具有外部电网的接口。
具体实施方式
图1示出了已知的供电电网，其中，交流电压电网2用于从第一电源13和第二电源23向未示出的电负载供应电能。在该实例中，供电通过两条线路进行，它们分别具有馈电变流器11、21，直流电压中间电路12、22，以及电源13、23。电源13、23分别与对应的输入变流器11、21的第一直流电压中间电路与第二直流电压中间电路12、22相连。电源13、23分别在电机132、232旁具有调整器131、231。调整器131、231能够将从电机产生的交流电转变为直流电，由此，电源13、23能够分别与直流电压中间电路12、22连接。交流电压电网的形成可以通过一个或者多个馈电变流器11、21来实施。在该实例中示出了第一馈电变流器11和第二馈电变流器21，它们能够控制或者调节与其相连的电源13、23与交流电压电网2之间的电能交换。两条线路的布置提供了冗余性，即使在一条线路故障的情况下，该冗余性允许经由另一线路仍然可靠地对交流电压电网2供电。
除了可以从电源13、23来供电，交流电压电网2还能够附加的或者可替代的从柴油发电机30馈电。
如果想要将这样的供电电网与此处未示出的外部电网5连接，那么在直流电压中间电路12、22中的一个上布置另外的此处未示出的变流器，该变流器将外部电网5与直流电压中间电路12、22连接。为了节省变流器，外部电网5也可以在调整器131、231与电机132、232之间与供电电网连接。然后，相应的调整器131或231则可以承担将外部电网5与直流电压中间电路12、23连接的任务，并经由此将电能馈至交流电压电网2中。这些线路的电机132、232必须例如是借助供电电网的开关分开的。
图2示出了具有外电网的接口4的冗余供电电网1。为了避免重复，参照图1中的描述以及参照那里引入的参考符号。与图1的供电电网相比，具有外部电网5的接口4的冗余供电电网1具有第一电网开关14，该开关布置在交流电压电网2与第一馈电变流器11之间。利用该电网开关14和连接开关7，该连接开关布置在外部电网5的接口4与第一电网开关14和第一馈电变流器11之间的连接部之间，冗余供电电网1被重组为，使得来自外部电网5的电能能够经由第一馈电变流器11以及第二馈电变流器21向交流电压电网2馈电。第一馈电变流器11以及第二馈电变流器21共同形成电网耦合转换器。为了在交流电压电网2与外部电网5之间能够发生电能转换，与图1的结构相对地，第一直流电压中间电路12和第二直流电压中间电路必须相互连接。为此，在该设计方案中，在第一直流电压中间电路与第二直流电压中间电路之间布置有中间电路开关3。在从电源13、23对交流电压电网2进行的冗余供电中，连接开关7是断开的。中间电路开关3优选地但不必须是断开的，由此进行冗余的由电源供电，并且在一条线路出错时不会影响另一条线路。为了通断外部电网5，将外部电网5与接口4连接，闭合中间电路开关3并且断开电网开关14，如果第一电源13需要保持在运行状态中，在断开第一电网开关14之前必须闭合中间单路开关3，由此能够接收第一电源13的电能。在断开第一电网开关14后，能够闭合连接开关7并进而外部电网5与交流电压电网2连接。要注意的是，这里的通断是在不中断的情况下进行的。对于这里的通断不需要切断电源13、23。
这种布置对于在港口或者港口附近利用环保的柴油发电机30运行的船是特别有利的。可以关闭用于驱动船螺旋桨的(此处未示出的)驱动柴油机31，因为在港口附近或者在港口只需要低的驱动功率。通常该驱动柴油机31是不太环保的。电源13、23在这种情况下设计为轴式发电机，可以接收来自交流电压电网2的电能并且由此驱动(此处未示出的)船轴32。在该运行中通断外部电网5也是可行的，因为电源13、23能保持接通。这也可以应用在港口被用于使船保持在期望的位置。只要外部电网5与冗余供电电网连接，那么也可以关闭柴油发电机30，并且两个轴式发电机在该过程中以及之后保持在运行状态中。
该布置可以以另外的开关、特别是第二电网开关来进行扩展，以便能够中断交流电压电网和储能装置、特别是第二储能装置之间的电能交换。此外，这还能对于保护供电电网的部件是有用的。
图3示出了第一电源13或者第二电源23的实施例。该电源具有在电机132、232旁边的调整器，该调整器能够将电机132、232的电压匹配于直流电压中间电路12、22，即从交流电压变为直流电压。在此，电机132、232即能够以发电机的形式又能以马达的形式运行。例如当电机与内燃机耦合时，便以发电机的形式运行。另一个实例是船，其中，电机132、232在船上是轴式发电机。在此，电机作为发电机从船的驱动轴取得机械能并且馈入具载电网、即交流电压电网2。同样地，降低功率的运行也是可行的，其中从交流电压电网2中取得驱动功率并且通过一个或者多个驱动轴、即船轴32供给轴式发电机并且因此提供给船的船螺旋桨33。
另一种可行方案在于，电机132、232与飞轮接合，并进而运行飞轮存储器，其既能取得交流电压电网2中的电能，又能将电能馈入交流电压电网。
图4示出作为电源13、23的电池储存器。在此，电池133、233能够经由调整器131、231与直流电压中间电路连接。调整器133、233在这种情况下是DC/DC调整器。电池可以通过该冗余供电电网1经由与外部电网5的连接以简单的方式充电。在交通工具上的应用也是特别有利的，特别是水上交通工具。使用储存在电池133、233中的电能不仅能给交通工具的具载电网馈电也可以取得用于驱动的功率。市场对于电驱动的交通工具的要求越来越多，该电驱动的交通工具能够以这种方式经由外部电网充电，而不会导致具载电网中的中断。
图5示出了一个对照实施例，其替代电池133、233具有电容器134、234。为了避免重复，参照图4的描述以及在那里引入的附图标记。与电池相比，电容器能够提供明显更高的电功率。该应用特别适用于在短时间内必须调用高功率、例如用于加速的交通工具。对此，可以使用电容134、234，其从交流电压电网2或者在交通工具停靠时从外部电网5来充电。
图6示出了具有冗余供电电网1的水上交通工具10。为了避免重复，参照图1至图4的描述以及那里引入的附图标记。电源13、23设计为轴式发电机，其能够从船轴32取得从驱动柴油机31引入的电能，并且能够驱动船轴32进而船螺旋桨33，并且因此能够至少暂时地、优选在港口关闭驱动柴油机31。接口4适合在港口与作为外部电网的陆地电网连接。通断由作为外部电网5的陆地电网的供电在此引用附图2中的描述。在交流电压电网2处的箭头标识了船的具载电网的各个电负载的输出。
具有第一馈电变流器11、第一直流电压中间电路12和第一电源13的的第一线路，优选地为了确保高度冗余性而布置在船的一侧(左舷或右舷)，然而具有第二馈电变流器21、第二直流电压中间电路22以及第二电源的第二线路，布置在船的相对侧(右舷或左舷)上。总之，本发明涉及一种冗余供电电网，其具有第一馈电变流器，该第一馈电变流器具有第一直流电压中间电路，以及第二馈电变流器，该第二馈电变流器具有第二直流电压中间电路，以及第一电源和第二电源，交流电压电网和外部电网的接口，其中，第一馈电变流器和第二馈电变流器各自的交流电压侧与交流电压电网连接，其中，第一电源与第一直流电压中间电路连接并且第二电源与第二直流电路连接。为了在由外部电网馈电方面改善冗余供电电网，提出在第一馈电变流器与交流电压电网之间布置有第一电网开关，其中，第一直流电压中间电路以及第二直流电压中间电路通过中间电路开关彼此相连，其中，在第一馈电变流器和第一电网开关之间布置有与用于外部电网的接口的连接。此外，本发明涉及一种具有具载电网的水上交通工具，其中，具载电网设计为这种冗余供电电网。另外，本发明涉及一种用于将这种冗余供电电网与外部电网连接的方法。

Claims (8)

1.一种冗余供电电网(1)，具有：
第一馈电变流器(11)和第二馈电变流器(21)，所述第一馈电变流器具有第一直流电压中间电路(12)，所述第二馈电变流器具有第二直流电压中间电路(22)，
第一电源(13)和第二电源(23)，
交流电压电网(2)，以及
用于外部电网(5)的接口(4)，
其中，所述第一馈电变流器(11)和所述第二馈电变流器(21)分别在交流电压侧与所述交流电压电网(2)连接，其中，所述第一电源(13)与所述第一直流电压中间电路(12)连接，并且所述第二电源(23)与所述第二直流电压中间电路(22)连接，
其特征在于，在所述第一馈电变流器(11)与所述交流电压电网(2)之间布置有第一电网开关(14)，其中，所述第一直流电压中间电路(12)与所述第二直流电压中间电路(22)能够借助中间电路开关(3)相互连接，其中，在所述第一馈电变流器(11)与所述第一电网开关(14)之间布置有与所述用于外部电网(5)的接口(4)的连接部(6)。
2.根据权利要求1所述的冗余供电电网(1)，其中，所述第一电源(13)与所述第二电源(23)设计为轴式发电机。
3.根据权利要求1所述的冗余供电电网(1)，其中，所述第一电源(13)和/或所述第二电源(23)设计为储能装置。
4.根据权利要求3所述的冗余供电电网(1)，其中，所述第一电源(13)和/或所述第二电源(23)设计为电池。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的冗余供电电网(1)，其中，与所述用于外部电网(5)的接口(4)的所述连接部(6)具有连接开关(7)。
6.一种水上交通工具(10)，具有具载电网，其中，所述具载电网设计为根据权利要求1至5中任一项所述的冗余供电电网(1)。
7.一种用于将冗余供电电网(1)与外部电网(5)连接的方法，所述冗余供电电网(1)根据权利要求1至5中任一项来设计，其中，闭合中间电路开关(3)并且断开第一电网开关(14)，其中，在断开所述第一电网开关(14)后，将所述外部电网(5)与第一馈电变流器(11)导电地连接。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，通过闭合根据权利要求5所述的连接开关(7)，将所述外部电网(5)与所述第一馈电变流器(11)导电地连接。
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