CN111903028A - 冗余供电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种供电系统，特别是用于浮船的供电系统，该供电系统包括：至少两个隔离的电源部分，每个电源部分构成一个主冗余组，并且每个电源部分包括至少一个发电机，该发电机适于产生电力至主配电盘和从配电盘汲取功率的功率消耗装置，例如推进单元；以及连接每个冗余组的主配电盘的汇流母排。该系统还包括至少两个隔离的直接供电的推进器冗余组，每个推进器冗余组包括推进器驱动装置，每个推进器冗余组分别连接到主冗余组中的相应一个的主配电盘，推进器冗余组包括AC/DC转换器装置和连接推进器冗余组的DC互连，从而提供回路结构，推进器冗余组能够从两个主配电盘汲取功率。

Description

冗余供电系统
技术领域
本发明涉及一种电气系统和推进器驱动装置设计，旨在以降低的成本、空间和重量来提高海船的容量和容错能力。
背景技术
要求海上的大量船舶在船舶的动力和推进装置的设计方面具有冗余性。这是为了确保在最严重的故障后，船舶设计成仍可承受，仍具有足够的动力和完整的推进能力。故障后对动力和推进推力的要求将取决于船舶的类型和用途。因此，船舶可能会保持最小推进速度/推力或推进能力，以保持固定位置。
要求设计冗余的船舶，例如动态定位的船舶，通常将其动力和推进装置分成两个或更多个冗余组。每个冗余组通常具有一个或多个发动机以及一个或多个推进器，并向船舶的辅助消耗装置和一般消耗装置分配动力。
简言之，具有两个冗余组的船舶只能使用项目机械达到大约50％，以便能够补偿其他冗余组的故障。这意味着机械的运行不是最理想的，并且还需要比发动机和推进器两者所使用的更多的机械安装功率。
替代方法是将其分为附加的冗余组，以限制所需的机械备用容量。这同样可能是昂贵的，特别是对于冗余度也要承受火灾和水淹的船舶而言。挑战尤其涉及额外的房间、公用系统的防火和防洪隔离以及电缆(干线)、管道、导管等的隔离。
目前，在设计上具有冗余的船舶通常将动力和推进装置分成两个或更多个冗余组。传统上，每个冗余组都具有一个或多个发动机作为主动力源，并且具有一个或多个推进单元。
结果，在最坏情况的故障发生时，船舶将使发生故障的冗余组的所有推进单元和发动机变松散。因此，通常，通过增加推进单元的数量和/或额定值或通过增加具有附加发动机和船舶复杂性的冗余组来确保所需的船舶推进和定位能力。这导致动力和推进装置以及整个船舶的成本、空间和重量增加。对于船舶的运行，不能最佳地利用机械，这导致更高的燃料和排放以及增加的维护。
在WO2016/062565中讨论了许多不同的解决方案。WO2016/062565中提出的解决方案基于回路结构，其中两个独立供电的配电盘连接到串联在直接供电的配电盘之间的两个或更多个间接供电的主配电盘。尽管WO2016/062565申请的目的是减小结构的尺寸、重量和成本，同时保持冗余系统中的足够的供电，但是其结构复杂。US10084319描述了一种具有两个冗余组的直流(DC)电力系统，所述冗余组由具有共同能量存储装置的发电机供电。在US2017/0133858中描述了包括两个分离的电源部分，每个电源部分构成主冗余组，并且每个电源部分包括通过配电盘向功率消耗装置供电的发电机，并且其中这些消耗装置通过DC互连来连接以提供回路结构，这样它们就可以从两个配电盘汲取功率。
发明内容
本发明的目的是进一步减小船舶上的电气和电力系统的尺寸和成本，同时保持系统中的冗余度，从而限制系统中电力故障的影响。该目的如权利要求中所描述的那样获得。
该解决方案利用相互连接以形成回路配置的自主的、冗余供电的推进器驱动装置。每个驱动装置都具有到回路中的一个或多个相邻的推进器驱动装置的直流(DC)链路。没有从主(AC)配电盘直接供电的推进器驱动装置具有专用的逆变器，用于为与推进器单元相关的所有辅助装置馈电，并且可以称为推进器冗余组。推进器驱动装置的直流链路馈线受转换器、保险丝和开关保护。这样可以确保一个驱动装置或整个冗余组上的故障不会传播到任何其他冗余组。
每个回路在两个主/交流配电盘(中压或低压)之间至少要有两个推进器驱动装置。船舶可能有多于一个回路，例如一个用于所有船头推进器，一个用于所有船尾推进器。
附图说明
下面将参照图示了本发明的附图，通过示例更详细地描述本发明。
图1示出了本发明的第一实施例。
具体实施方式
在图1中，通过到船舶的一个远端的单个回路来例示根据本发明的解决方案。该图示出了两个主冗余组1a、1b，每个冗余组均示出了具有发电机7，发电机7联接至两个主配电盘4a、4b以及可选的推进器6和开关装置5，用于向相应的冗余组中的辅助装置馈电，其中主配电盘4a、4b通过汇流母排8彼此连接。
每个主冗余组的主配电盘4a分别通过电缆连接到推进器冗余组2a，并通过变压器和AC/DC转换器连接到包括推进器6和辅助装置5的互连的自主推进器驱动装置3。推进器驱动装置3也可以包括DC/DC转换器类型的断路器，用于控制和/或保护到相邻推进器冗余组的DC链路9。这样，推进器冗余组通过DC互连来连接，并且冗余组的数量优选地是三个或更多个，在系统的DC部分中串联。
因此，该回路包含两个直接供电的推进器冗余组2a、2b，以及一个位于两个直接供电的冗余组之间的间接供电的冗余组2c，从而冗余组2c通过两个直接供电的推进器2a、2b的DC链路供电。虚线表示冗余组之间的隔离线。根据本发明的优选实施例，间接供电的冗余组由间接供电的推进器冗余组构成，但是可以替代地或另外地包括能量存储冗余组。
因此，系统限定了一个回路：从其中一个主冗余组1开始，第一主冗余组配电盘4a通过AC连接与所述直接供电的冗余组2a中的第一个(该直接供电的冗余组包括AC/DC转换器)相连，然后通过DC连接与间接供电的冗余组2c相连。间接供电的冗余组2c还通过DC连接与第二直接供电的冗余组2b相连，第二直接供电的冗余组2b又通过AC连接与第二主冗余组配电盘4b相连。第一和第二主配电盘4a、4b通过汇流母排8连接，从而闭合回路。
所链接的自主推进器驱动装置通过容错连接相互连接。因此，一个推进器冗余组中的故障不会传播到任何其他冗余组。回路中的第一直接供电的推进器冗余组被来自主配电盘的电缆连接，可以设计有故障保护，以确保故障不会在主冗余组和推进器冗余组之间传播。这是通过安装适当的保护并确保设计中的充分冗余来实现的。保护和测试的冗余级别将随船级社规则而变化，如WO2016/062565公开文本中针对DP3闭环保护方案所讨论的。
当主配电盘的汇流母排断路器断开时，也可以使用新的解决方案。因此，回路由两个电气隔离的主冗余组(从两个主配电盘)供电。由于新解决方案关联了推进器驱动装置的直流电平，因此可以通过以不同频率和电压运行的主开关装置为链路供电。
本发明设计为使得功率分配可以与操纵控制系统或动态定位系统集成在一起，例如，如WO2015/028621中所描述的那样。通过与操纵控制系统或动态定位系统集成在一起，每个回路中的推进器所需的功率可以由能量管理系统(EMS)控制，以从各个主配电盘4a、4b不相称地汲取功率。能源管理系统不仅测量每个主冗余组的发动机各自的负载斜增(功率增加)，而且还测量其负载(利用率)。EMS将通过控制来分配来自各个冗余组的功率，以进行如下优化：
-补偿不均匀和不利的利用率水平(针对各个发动机的比油耗进行控制)；
-补偿不均匀且不利的大功率波动。
这些控制功能是针对触发水平进行测量的，旨在防止触发水平自动启动另外的发动机。这是因为，另外的发动机将使发动机的平均利用率水平偏离最佳运行范围。因此，除了增加运行时间和维护成本之外，还增加了燃料成本和排放。对于动态定位(DP)的船舶，EMS将与DP系统连接以进行DP结果分析，从而计算最佳分配。这可以增加船舶的运行时间和/或减少所需的在线发动机数量。
新解决方案通常可以具有连接到主配电盘4a、4b的主电源7。
在根据本发明的系统中可以包括几种变型：
电源7：主电源通常连接到主配电盘，并且可以是内燃机、燃料电池或电能存储装置(电池)。但是，可以将能量存储单元形式的电源连接到推进器驱动装置。连接点可以是直流链路或交流辅助配电盘。
供电电缆：为直流链路中的两个或更多个推进器供电。因此，将电力馈送到推进器电源的电缆和变压器中的每一个可以是一个或更少的数量。
在直接供电的冗余组和间接供电的冗余组之间的电源链路9优选是推进器之间的直流断路器和直流电缆，和/或直流汇流条，或者通过推进器变压器上的专用绕组实现，其中在它们之间有交流电缆。
DC断路器/开关10可以是与保险丝和/或开关(例如，空载开关)串联的任何DC/DC转换器、智能转换器类型的开关(通常用于限制短路影响的传递)或常规的机械断路器(通常与谐振电路并联以实现零交叉和灭弧)。
推进器的辅助装置可以由变压器的第四绕组或每个推进器驱动装置的直流链路上的逆变器(或可能的组合)供电。
用于推进器驱动装置的AC/DC转换器可以是二极管整流器(如二极管那样的单向)或有源前端类型(双向)。
新解决方案的主要优点是简单地将冗余组隔离，尤其是在船舶的远端推进器中。因此，在这种隔离的有限的成本、空间和复杂性的情况下，可以减少所需的安装机械和所需的操作机械。
在不增加额外的主冗余组的情况下实现了机械的优化和节省，从而最大程度地减少了布置和隔离(布线、布管、管道、绝缘等)的复杂性。可以在整个船舶上使用最简单的隔离(例如，左舷和右舷有两个冗余组)，而只有船舶的远端部分(例如远前端和/或船尾)才会有用于推进器的附加冗余组。
减少带有辅助系统的机械单元不仅减少了要维护的船舶和设备及系统的成本，而且大大减少了空间和重量。
当在(电气隔离的)主配电盘之间的汇流母排断开的情况下操作时，本发明具有其他优点：
该解决方案可以进一步提高发电装置的鲁棒性。当主配电盘之间的汇流母排断开时，该新的解决方案还可以补偿主冗余组可能出现的负载分布不均匀的情况。因此，可以在不闭合主配电盘的汇流母排的情况下实现负载均衡或从一个组到另一个组的电力传输。例如在DP操作期间，闭合主配电盘的汇流母排可能会被船舶承租人禁止，并且可能暗含从船级社对系统和测试的严格要求。这尤其适用于IMO设备级别3的DP船。通过与操纵控制系统或动态定位系统集成，可以不相称地分配每个回路中的推进器所需的功率，并从各自的主配电盘中汲取该功率。因此，可以补偿由于主冗余组之间的负载分布不均而引起的缺点。EMS控制功能是针对触发水平进行测量的，旨在防止触发水平自动启动另外的发动机。这是因为，另外的发动机将使发动机的平均利用率水平偏离最佳运行范围。因此，除了增加运行时间和维护成本之外，还增加了燃料成本和排放。
总而言之，本发明涉及一种供电系统，特别是用于浮船的供电系统，其包括至少两个隔离的电源部分1a、1b。每个电源部分构成一个主冗余组，每个主冗余组包括至少一个发电机7，发电机7适于产生电力至主配电盘4a、4b和/或功率消耗装置5、6(例如推进单元6或船上的其他设备5)，其中功率消耗装置5、6从所述配电盘4a、4b汲取功率。每个主冗余组的主配电盘通过汇流母排8连接。
该系统还包括至少两个隔离的直接供电的推进器冗余组2a、2b，每个冗余组都包括推进器驱动装置6或其他消耗装置5，并且连接到对应的主冗余组1a、1b的主配电盘4a、4b，其中直接供电的冗余组优选地通过AC连接与不同的主冗余组连接。直接供电的推进器冗余组2a、2b包括AC/DC、具有转换器装置和本地配电盘的推进器驱动装置3、以及连接直接供电的推进器冗余组的DC互连9、10。优选地，在直接供电的推进器冗余组2a、2b之间连接有至少一个间接供电的推进器冗余组2c。由于主冗余组通过主汇流母排8连接，而推进器冗余组通过DC连接而连接，因此系统构成了一个回路结构，其中推进器冗余组能够从两个主配电盘汲取功率。
推进器冗余组之间的DC互连还包括DC/DC转换器类型的断路器，该断路器适于控制和/或保护DC链路。
该系统还可以具有功率管理系统，该功率管理系统适于分别控制和分配来自主配电盘的电力。优选地，功率管理系统包括输入装置，输入装置用于接收与冗余组2a、2b、2c中的每一个的功耗有关的信息，并基于其功耗分配来自主冗余组1的功率。因此，即使在汇流母排断开时，功率管理系统也可以适于平衡主冗余组的功耗。
该系统还可以包括能量存储系统，例如直接地或通过冗余组中的辅助配电盘上的逆变器连接到DC连接的电池。这也可以由功率管理系统控制，并且可以在组中提供额外的备用电源。
如图所示，推进器冗余组还包括直接地或通过DC链路连接上的逆变器连接到冗余组DC链路的辅助装置5。这样，在主冗余组中缺失电力的情况下，推进器冗余组中的推进器或辅助装置都不会缺失。

Claims (10)

1.一种供电系统，特别是用于浮船的供电系统，所述供电系统包括：至少两个隔离的电源部分(1a、1b)，每个电源部分构成一个主冗余组，并且每个电源部分包括至少一个发电机(7)，所述发电机(7)适于产生电力至主配电盘(4a、4b)和从所述配电盘汲取功率的功率消耗装置，例如推进单元(6)；以及连接每个冗余组(1a、1b)的所述主配电盘(4a、4b)的汇流母排(8)；所述系统还包括至少两个隔离的直接供电的推进器冗余组(2a、2b)，每个推进器冗余组包括推进器驱动装置(6)，每个推进器冗余组分别连接到所述主冗余组(1a、1b)中的相应一个的所述主配电盘(4a、4b)，所述推进器冗余组包括AC/DC转换器装置(3)和连接所述推进器冗余组的DC互连(9、10)，从而提供回路结构，所述推进器冗余组能够从两个所述主配电盘汲取功率，
其中，所述供电系统包括通过所述推进器冗余组的所述DC互连(9、10)在所述回路中连接在所述直接供电的冗余组(2a、2b)之间的至少一个间接供电的冗余组(2c)。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述DC互连还包括DC/DC转换器类型的断路器，所述断路器适于控制和/或保护所述DC链路。
3.根据权利要求1所述的系统，包括功率管理系统，所述功率管理系统适于分别控制和分配来自所述主配电盘的电力。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述功率管理系统包括输入装置，所述输入装置用于接收与所述冗余组(2a、2b、2c)中的每一个的功耗有关的信息，并基于所述功耗分配来自所述主冗余组的电力。
5.根据权利要求3所述的系统，其中，所述功率管理系统适于平衡所述主冗余组(1a、1b)的功耗。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述冗余组(2a、2b、2c)中的至少一个包括通过所述DC链路连接上的逆变器连接到所述冗余组的辅助设备(5)。
7.根据权利要求1所述的系统，包括能量存储系统，例如连接到所述DC互连的电池。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述能量存储系统通过辅助配电盘连接。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述间接供电的冗余组(2c)是推进器冗余组。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述间接供电的冗余组(2c)包括能量存储装置。
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