CN112467710A - 电力分配 - Google Patents

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CN112467710A
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buses
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莫赫德·塔里克
钱德纳·J·加贾纳亚克
阿里·I·马斯伍德
阿米特·K·古普塔
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Rolls Royce PLC
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Abstract

本发明题为“电力分配”。本发明提供了配电系统200和操作配电系统200的方法。一种配电系统包括：电力储存单元201；变压器202；第一双向转换器电路204，该第一双向转换器电路连接在电力储存单元201和变压器202的第一绕组203a之间；第一DC总线205；第二DC总线207；第二双向转换器电路209，该第二双向转换器电路连接在第一DC总线205和变压器202的第二绕组203b之间；第三双向转换器电路210，该第三双向转换器电路连接在第二DC总线207和变压器202的第三绕组203c之间；以及控制器300，该控制器被连接用于控制第一转换器电路204、第二转换器电路209和第三转换器电路210，以在电力储存单元201、第一DC总线205和第二DC总线207之间分配电力。

Description

电力分配
技术领域
本公开涉及例如用于飞机的电力分配，其中根据功率可用性和功率需求在电力储存单元与两条或更多条DC总线之间分配电力。
背景技术
现代飞机系统的电力需求目前通常不断增加，并且将趋于继续增加，特别是随着混合动力飞机或全电动飞机的出现。广泛使用的术语“多电飞机”(MEA)描述了越来越多地使用电气系统来操作更多的飞机的控制系统的飞机，该控制系统可例如替换现有的液压系统。一般来讲，MEA中的电力通过将发电机连接到飞机上的气体涡轮来供应，该气体涡轮可以是用于推进的涡轮之一或者可以是仅用于发电的专用气体涡轮。所生成的电能被转换并分配以在整个飞机上供应各种负载。
传统上，电池可用于启动具有电动起动器发电机组的引擎并且用于向紧急负载提供电源。最近，电池功率还可用于减轻配电总线上的功率不足，用于改善配电网络操作的功率/能量平衡，以及用于类似混合动力和全电力推进的应用。因此，越来越重要的是将电池与飞机配电架构集成，以便满足系统的不同需求。一般来讲，飞机应用对重量敏感，这成为可在飞机中实现的各种电气架构和解决方案的考虑和选择的关键因素之一。因此，重要的是具有能够减轻整个系统重量的解决方案。
发明内容
根据第一方面，提供了一种操作配电系统的方法，所述系统包括：
电力储存单元；
变压器，所述变压器具有第一绕组、第二绕组和第三绕组；
第一双向转换器电路，所述第一双向转换器电路连接在所述电力储存单元和所述第一绕组之间；
第一DC总线；
第二DC总线；
第二双向转换器电路，所述第二双向转换器电路连接在所述第一DC总线和所述第二绕组之间；以及
第三双向转换器电路，所述第三双向转换器电路连接在所述第二DC总线和所述第三绕组之间，
所述方法包括：
确定所述电力储存单元的充电状态；
确定所述第一DC总线和所述第二DC总线中的每一者处的功率需求或功率可用性；以及
操作所述第一双向转换器电路、所述第二双向转换器电路和所述第三双向转换器电路以平衡所述电力储存单元与所述第一DC总线和所述第二DC总线之间的电力分配。
操作所述第一双向转换器电路、所述第二双向转换器电路和所述第三双向转换器电路可包括如果所述电力储存单元的功率可用性大于所述第一DC总线和所述第二DC总线处的所确定的功率需求中的任一者或两者，则将电力从所述电力储存单元传输到所述第一DC总线和/或所述第二DC总线。
所述第二DC总线可连接到发电机，并且操作所述第一双向转换器电路、所述第二双向转换器电路和所述第三双向转换器电路可包括如果所述第二DC总线处的功率可用性大于所述电力储存单元处的功率需求，则将电力从所述第二DC总线传输到所述电力储存单元。
所述第一DC总线和所述第二DC总线可连接到相应的第一发电机和第二发电机，并且操作所述第一双向转换器电路、所述第二双向转换器电路和所述第三双向转换器电路可包括如果所述第二DC总线处的功率可用性大于零但小于所述电力储存单元处的功率需求并且所述第一DC总线处的功率可用性大于零，则将电力从所述第一DC总线和所述第二DC总线传输到所述电力储存单元。
操作所述第一双向转换器电路、所述第二双向转换器电路和所述第三双向转换器电路可包括如果所述第二双向转换器电路处的计算功率大于所述第二双向转换器电路的额定功率并且所述第三双向转换器电路处的计算功率小于所述第三双向转换器电路的额定功率，则将电力从所述第一DC总线传输到所述第二DC总线。
根据第二方面，提供了一种用于配电系统的控制器，所述控制器被配置为执行根据第一方面的方法。
根据第三方面，提供了一种计算机程序，所述计算机程序包括用于使控制器执行根据第一方面的方法的指令。所述计算机程序可以体现在非易失性存储介质上。
根据第四方面，提供了一种配电系统，所述配电系统包括：
电力储存单元；
变压器；
第一双向转换器电路，所述第一双向转换器电路连接在所述电力储存单元和所述变压器的第一绕组之间；
第一DC总线；
第二DC总线；
第二双向转换器电路，所述第二双向转换器电路连接在所述第一DC总线和所述变压器的第二绕组之间；
第三双向转换器电路，所述第三双向转换器电路连接在所述第二DC总线和所述变压器的第三绕组之间；以及
控制器，所述控制器被连接用于控制所述第一转换器电路、所述第二转换器电路和所述第三转换器电路，以在所述电力储存单元、所述第一DC总线和所述第二DC总线之间分配电力。
所述控制器可被配置为控制第一双向转换器电路、第二双向转换器电路和第三双向转换器电路的操作以：
在第一模式中，将电力从所述电力储存单元传输到所述第一DC总线和/或所述第二DC总线；
在第二模式中，将电力从所述第一DC总线和/或所述第二DC总线传输到所述电力储存单元；以及
在第三模式中，将电力从所述第一DC总线传输到所述第二DC总线或从所述第二DC总线传输到所述第一DC总线。
在第一模式中，所述控制器可被配置为：
根据所述电能储存单元的充电状态确定所述第一双向转换器电路处的功率可用性；
确定所述第一DC总线和所述第二DC总线处的功率需求；
如果所述电能储存单元的功率可用性大于所述第一DC总线和所述第二DC总线处的组合功率需求，则控制所述第一双向转换器电路、所述第二双向转换器电路和所述第三双向转换器电路以将电力从所述电能储存单元传输到所述第一DC总线和所述第二DC总线；以及
如果所述电能储存单元的功率可用性大于所述第一DC总线处的功率需求但小于所述第一DC总线和所述第二DC总线处的组合功率需求，则控制所述第一双向转换器电路、所述第二双向转换器电路和所述第三双向转换器电路以将电力从所述电能储存单元传输到所述第一DC总线。
在第二模式中，所述控制器可被配置为：
确定所述第一DC总线和所述第二DC总线处的功率可用性；
根据所述电能储存单元的充电状态确定所述第一双向转换器电路的功率需求；以及
如果所述第一DC总线和/或所述第二DC总线处的功率可用性大于所述电能储存单元的功率需求，则控制所述第一双向转换器电路、所述第二双向转换器电路和所述第三双向转换器电路以将电力从所述第一DC总线和/或所述第二DC总线传输到所述电力储存单元。
配电系统还可以包括经由相应的转换器连接到第二DC总线的一个或多个推进式电气负载。第一DC总线和第二DC总线可根据不同的功率质量需求来配置。第二DC总线可以例如被配置为仅向一个或多个推进式电气负载供电，这可以允许根据比第一DC总线更低的功率质量需求来配置第二DC总线，与在每个DC总线上具有相同的高功率质量需求相比，这可以节省总重量。
配电系统可包括经由转换器连接到第二DC总线的发电机。
配电系统可包括经由转换器连接到第一DC总线的发电机。
第一DC总线可以可切换地连接到第二DC总线。
第一DC总线可以可切换地连接到第二双向转换器电路。
根据第五方面，提供了一种载具，所述载具包括第四方面的配电系统。该载具可为飞机。
本发明的配电架构是有利的，因为其允许电力储存单元更多地与电力分配集成，并且允许通过减少配电系统中的冗余来减轻重量，这在应用于重量关键应用诸如飞机时可能是特别有利的。
本领域的技术人员将理解，除非相互排斥，否则关于任何一个上述方面描述的特征如作适当变动，可以应用于任何其他方面。此外，除非相互排斥，否则本文中描述的任何特征可以应用于任何方面以及/或者与本文中描述的任何其他特征组合。
附图说明
现在将仅通过示例的方式参考附图来描述实施方案，附图仅为示意图并且未按比例绘制，并且在附图中：
图1是气体涡轮引擎的截面侧视图；
图2是配电系统的示意图；
图3是用于图1的配电系统的控制器的示意图；
图4是与图3的控制器结合的图2的配电系统的示意图；
图5是示出操作图1的配电系统的示例性方法的示意性流程图；
图6是用于为图1的配电系统的转换器生成PWM信号的控制系统的示意图；
图7a-c和图8a-c是针对配电系统的各种操作模式的作为时间的函数的传输功率的示例性曲线图；
图9是配电系统的另选示例的示意图；
图10是配电系统的另一个另选示例的示意图；
图11是配电系统的另一个另选示例的示意图；
图12是配电系统的另一个另选示例的示意图；
图13是配电系统的另一个另选示例的示意图；并且
图14是配电系统的另一个另选示例的示意图。
具体实施方式
参考图1，涡轮风扇型气体涡轮引擎通常用100表示，具有主旋转轴线101。引擎100以轴流式串联方式包括进气口102、推进式风扇103、中压压缩机104、高压压缩机105、燃烧器106、高压涡轮107、中压涡轮108、低压涡轮109和排气喷嘴110。短舱111通常围绕引擎100并且限定进气口102和排气喷嘴110。
气体涡轮引擎100以常规方式运转，使得进入进气口102的空气被风扇103加速以产生两股气流：进入中压压缩机104的第一气流和通过旁路管道112以提供推进推力的第二气流。中压压缩机104在将空气输送到高压压缩机105(其中发生进一步的压缩)之前，压缩被引导至其中的气流。
从高压压缩机105排出的压缩空气被引导至燃烧器106中，在106中该压缩空气与燃料混合，并且混合物被燃烧。然后，所得的热燃烧产物在通过喷嘴110排出之前通过高压涡轮107、中压涡轮108和低压涡轮109膨胀，从而驱动该高压涡轮、中压涡轮和低压涡轮以提供额外推进推力。该高压涡轮107、中压涡轮108和低压涡轮109各自通过合适的互连轴分别驱动高压压缩机105、中压压缩机104和风扇103。
本公开可应用的其他气体涡轮引擎可具有另选构型。以举例的方式，此类引擎可具有另选数量的互连轴(例如，两个)和/或另选数量的压缩机和/或涡轮。另外，该引擎可包括设置在从涡轮到压缩机和/或风扇的驱动系中的齿轮箱。
电机可与图1所示类型的气体涡轮引擎集成，例如由轴中的一个驱动以产生交流电源的发电机或被布置成驱动轴中的一个的电动起动器马达。此类电机可连接到图2所示类型的配电系统200。配电系统200包括电力储存单元或电池201，该电力储存单元或电池经由变压器202以及第一双向电流转换器204、第二双向电流转换器209和第三双向电流转换器210连接到第一DC总线205和第二DC总线207。每个DC总线205、207可连接到各种电气负载或电源，包括电机206、208，即电动马达或发电机。
第一双向转换器电路204将电力储存单元201连接到变压器202的第一绕组203a。第二双向转换器电路209将第一DC总线205连接到变压器202的第二绕组203b。第三双向转换器电路210将第二DC总线207连接到变压器202的第三绕组203c。另外的绕组和相关联的双向转换器电路可连接到变压器以提供附加的DC总线。
图2所示的实施方案中的每个双向转换器电路204、209、210包括四个开关电路和一个平滑电容器。下文更详细描述的控制器向每个开关电路提供开关信号，以根据功率流的方向配置每个转换器电路204、209、210以作为DC到AC转换器或AC到DC转换器进行操作，以及控制通过脉宽调制(PWM)转换的功率电平。此类控制器300的一般视图在图3中示出。控制器300从转换器电路204、209、210中的每一者接收电流i_1、i_2、i_3和电压V_1、V_2、V_3的输入，并且从电力储存单元201接收充电状态(SOC)指示。第一或主控制模块301确定多个控制方案中的哪一个要操作。控制模块301可例如根据电池201的充电状态以及测量的第一总线205和第二总线207的电压电平来确定控制方案。例如，如果DC总线205、207之一处的电压电平由于从总线消耗的功率增加而下降，则控制模块301可选择从另一总线和/或从电池201传输功率的控制方案。如果电池201的充电状态低，则控制模块301可选择从总线205、207中的一者或两者传输功率的控制方案。主控制模块301向第二或从控制模块302提供控制信号，该第二或从控制模块302确定要发送到转换器电路204、209、210中的每一者的开关电路的多个开关信号PWM1-12。开关信号PWM1-4被发送到第一转换器电路204的开关Q1-4，开关信号PWM5-8被发送到第二转换器电路209的开关Q5-8，并且开关信号PWM9-12被发送到第三转换器电路210的开关Q9-12。
图4示出了与图3的控制器300结合的模块化形式的图2的配电系统200。如上所详述，控制器300从电力储存单元201以及第一总线205和第二总线207接收信号，并且将信号发送到第一双向转换器电路204、第二双向转换器电路209和第三双向转换器电路210。
图5以示意性流程图形式示出了由控制器300实现的用于控制配电系统200的操作的一系列示例性操作。在第一步骤501中，控制器300确定电力储存单元201的充电状态，该充电状态可用于确定电力储存单元201的能量可用性或能量需求。电力储存单元201的能量可用性可以是可以从储存单元201提供多少能量的量度，而能量需求实质上是可用性的反面，即，可以向储存单元201提供多少能量的量度。控制器300还基于每个DC总线205、207处的电流和电压测量值来确定每个总线205、207处的功率可用性或功率需求的水平。
基于功率需求、可用性和充电状态，在步骤502处，控制器300然后确定转换器电路204、209、210要以三种模式503、504、505中的哪一种操作。在第一模式503中，功率从电力储存单元201传输到第一DC总线205和第二DC总线207中的一者或两者。在第二模式504中，功率从DC总线中的一者或两者传输到电力储存单元201。在第三模式505中，在第一DC总线和第二DC总线之间传输功率。
在第一模式503中，在第一双向转换器电路204上的功率PB1与第二双向转换器电路209和第三双向转换器电路210上的功率PB2、PB3之间进行比较(步骤506)。如果关系PB1>PB2+PB3为真，则功率从电力储存单元201传输到DC总线205、207中的两者(步骤507)。如果不是，则将功率从电力储存单元201传输到仅一条DC总线(步骤508)。在每种情况下，都不会在第一DC总线205和第二DC总线207之间传输功率。
在第二模式504中，控制器300确定在第一DC总线205还是第二DC总线207上是否存在可用于提供给电力储存单元201的附加功率。如果是这样，则控制器300布置转换器电路204、209、210以从DC总线之一(步骤510)或从DC总线两者(步骤511)传输功率。
在第三模式505中，控制器300确定第二转换器电路109或第三转换器电路110中的一者处的计算功率是否大于该转换器电路的额定功率，而在另一个转换器电路处的计算功率是否小于其额定功率。如果是这样的话，如果第二转换器电路109处的功率大于该电路的额定功率，则功率从第一DC总线105传输到第二DC总线107(步骤513)，或者如果第三转换器电路110处的功率大于该电路的额定功率，则功率从第二DC总线107传输到第一DC总线105(步骤514)。
从控制模块302可操作以根据图6所示的框图控制DC总线205、207与电力储存单元201之间传输的功率的量。这示出了导致PWM信号被提供给双向转换器电路中的一个的一系列操作。第一操作601将参考功率电平P_ref与所计算的功率电平V*i_act进行比较。来自该操作601的输出向第二操作602提供误差信号P_error，其中该误差信号除以参考电压V_ref以提供参考电流I*。在第三操作603中，将参考电流与实际电流i_act进行比较，以向第四操作604提供电流误差信号I_error，其中调谐PI调节器将电流误差信号转换为相移Φ*。然后将相移信号“与”从主控制器301接收的信号组合，以生成输出PWM切换信号。
从主控制器接收的信号可例如为关于第一双向转换器电路204、第二双向转换器电路209和第三双向转换器电路210之间的功率流的方向的指示。例如，如果功率将从第一转换器电路流向第二电路，则信号B12可为+1，而如果功率将沿相反方向流动，则信号可为-1，并且如果不需要功率流，则信号可为0。相同的原理可应用于在第二双向转换器电路209和第三双向转换器电路210之间流动的功率(可称为B23)以及在第一双向转换器电路204和第三双向转换器电路210之间流动的功率(可称为B13)。
图7a-c和图8a-c示出了在一系列情况下每个转换器电路的建模功率流，其中曲线a)中示出了称为B1的第一双向转换器电路204的功率，曲线b)中示出了称为B2的第二双向转换器电路209的功率，并且曲线c)中示出了称为B3的第三双向转换器电路210的功率。在图7中，在第一时间段701中，功率从B1流向B2，使得在B2处从B1接收功率，并且B3断开。在第二时间段702中，功率从B1流向B2和B3两者，使得在B2和B3处从B1接收功率。在第三时间段703中，没有功率从B1流动，并且功率从B3发送到B2。在图8中，在第一时间段801中，功率从B2和B3流动以对电力储存单元充电。在第二时间段802中，功率从B3发送到B2，并且B1关断。在第三时间段803中，功率从B2发送到B3。这些示例性功率流示出了如何操作配电系统以平衡存储、发电和供电之间的功率流，从而优化系统的操作。
图9示出了结合上述特征的示例性配电系统900。与图2的系统200一样，系统900包括电力储存单元或电池201、具有第一绕组、第二绕组和第三绕组203a-c的变压器202、连接到变压器202的相应第一绕组、第二绕组和第三绕组203a-c的第一双向转换器电路204、第二双向转换器电路209和第三双向转换器电路210(另选地分别称为B1、B2、B3)。
连接到相应的第二双向转换器电路和第三双向转换器电路204、209的第一DC总线205和第二DC总线207连接到相应的第一电机906和第二电机908。在这种情况下，第一电机是引擎起动器发电机(ESG)906，并且第二电机是发电机908，这两者通过相应的转换器909、910可切换地连接到相应的DC总线205、207。ESG 906可充当马达，例如用于启动气体涡轮引擎的操作，或者一旦引擎操作就充当发电机，而发电机908仅充当发电机。系统900可被配置为根据连接到DC总线205、207的负载的功率需求和电池201的充电状态，将由发电机906、908提供的功率分配给电池201和/或连接到任一DC总线205、207的负载。
每个DC总线205可经由另外的转换器911a-d以与DC总线205、207不同的电压电平连接到DC总线912a-d。在图9所示的示例中，转换器911a、911d将DC总线205、207处的270伏DC电平转换为DC总线912a、912d处的28伏DC电平，而转换器911b、911c将DC总线205、207处的270伏DC电平转换为DC总线912b、912c处的115V DC电平。每对DC总线可经由相应开关913、914、915可切换地连接，这些开关中的每一者使得能够在每对DC总线之间进行直接连接，以用于DC总线之间的直接功率共享，而不是经由变压器202。
开关913、914、915是任选的。如果开关不存在或断开，则总线205、207可保持电隔离，使得每个总线上可存在不同的功率质量，例如，允许一条总线用于以降低的功率质量驱动电动马达，而另一条总线用于驱动需要更高功率质量的其他负载，从而减少对两条总线205、207上的附加滤波的需要。每个DC总线205、207的功率质量要求可根据标准诸如DO-160、MIL-STD-704或MIL-STD-461来定义。DC总线的功率质量可例如与正常和异常电压条件下的总线电压、总线中存在的电压纹波或EMI的变化相关。
设计DC总线以满足更严格的功率质量需求将趋于由于附加部件而增加总体重量。因此，具有DC总线或不同的功率质量可允许通过以下操作来降低总体重量：允许用于向一些电子部件提供电力的DC总线的较低功率质量，而另一DC总线可为需要较高功率质量的部件提供较高功率质量，其中两条总线均从公共源提供功率。因此，在一般方面，DC总线205、207可根据不同的功率质量需求进行配置。
另选的示例性配电系统1000在图10中示出。与图9的系统900一样，系统1000包括电力储存单元或电池201、具有第一绕组、第二绕组和第三绕组203a-c的变压器202、连接到变压器202的相应第一绕组、第二绕组和第三绕组203a-c的第一双向转换器电路204、第二双向转换器电路209和第三双向转换器电路210(另选地称为B1、B2、B3)、以及连接到相应第一电机906和第二电机908的第一DC总线205和第二DC总线207。另外，与图9的系统900一样，系统1000可被配置为根据连接到DC总线205、207的负载的功率需求和电池201的充电状态，将由发电机906、908提供的功率分配给电池201和/或连接到任一DC总线205、207的负载。
在图10的系统1000中，电池201被布置成向两条DC总线205、207供电，但由于DC总线205、207通过变压器202彼此隔离，因此每个DC总线的功率质量可不同。例如，第二DC总线207可以连接到一个或多个推进式负载1009a-d，每个推进式负载可以经由相应的转换器1010a-d可切换地连接到第二DC总线207。因此，第二DC总线207处的功率质量需求不需要高达第一DC总线205的功率质量需求。通过向不同的总线提供不同水平的功率质量，同时保持总线与变压器202的分离，可实现显著的重量减轻。第一总线205可以例如经由相应的DC-DC转换器1012a、1012b向多个另外的DC总线1011a、1011b中的一条提供功率，而第二总线207仅向一个或多个推进式负载1009a-d提供功率，例如以用于为结合有系统1000的飞机提供推进推力的电动马达的形式。
在图9和图10所示的示例性系统上指示的DC总线电压可具有与所示的电压不同的电压。“干净”总线可例如以270伏DC提供，其中“脏”总线具有±270伏。根据应用，其他电压也是可能的，其中由于所涉及的较高功率，用于推进式负载的较高电压总线是有利的。因此，第二DC总线207可具有比第一DC总线205更高的电压，例如±325伏、±750伏、±1000伏或±1.5千伏。
图11示出了另一个另选系统1100。与图9和图10的系统一样，系统1100包括电力储存单元或电池201、具有第一绕组、第二绕组和第三绕组203a-c的变压器202、连接到变压器202的相应第一绕组、第二绕组和第三绕组203a-c的第一双向转换器电路204、第二双向转换器电路209和第三双向转换器电路210(另选地称为B1、B2、B3)、以及分别连接到变压器202的第二绕组203b和第三绕组203c的第一DC总线205和第二DC总线207。在这种情况下，发电机906、908均经由相应的转换器909、910连接到第二DC总线207。与图9和图10的系统900、1000一样，系统1100可被配置为根据连接到DC总线205、207的负载的功率需求和电池201的充电状态，将由发电机906、908提供的功率分配给电池201和/或连接到任一DC总线205、207的负载。
在图11的系统1100中，第一DC总线205可切换地连接到第二双向转换器电路209，并且还可经由DC-DC转换器1112a可切换地连接到第二DC总线207。这使得第一DC总线205能够直接从电池201或从第二DC总线207供应，这取决于电池201的充电状态和可从发电机906、908获得的功率。第一DC总线在图11中指示为28伏DC，其可用于供应飞机上的各种航空电子子系统。另外的DC总线1111可经由DC-DC转换器1112b连接，以为飞机上的其他系统提供另外的DC电压电平。该配置使得能够对连接到低电压DC总线205的负载进行容错操作，该低电压DC总线可选择性地直接从电池201供应。
图12示出了另一个另选系统1200。与图9至图11的系统一样，系统1200包括电力储存单元或电池201、具有第一绕组、第二绕组和第三绕组203a-c的变压器202、连接到变压器202的相应第一绕组、第二绕组和第三绕组203a-c的第一双向转换器电路204、第二双向转换器电路209和第三双向转换器电路210(另选地称为B1、B2、B3)、以及分别连接到变压器202的第二绕组和第三绕组203b、203c的第一DC总线205和第二DC总线207。与图11一样，在这种情况下，发电机906、908均经由相应的转换器909、910连接到第二DC总线207。与图9和图10的系统900、1000一样，系统1100可被配置为根据连接到DC总线205、207的负载的功率需求和电池201的充电状态，将由发电机906、908提供的功率分配给电池201和/或连接到任一DC总线205、207的负载。
在图12的系统1200中，第一DC总线205可切换地连接到第二双向转换器电路209，并且与第二DC总线207分开。
对于图11的系统1100，电池201可向第二总线207供电以向ESG 906提供功率以用于启动。连接到第一总线205的航空电子控制负载也可通过DC-DC转换器1112a从第二总线207供电，或者可例如在操作开始时从由电池201供电的第一总线205供电。对于图12的系统1200，电池201向第二总线207和ESG 906供电以用于启动，并且还向第一总线205供电以用于为航空电子负载供电。
当发电机906、908正常工作时，电池201可通过变压器202和转换器204、209、210充电，并且航空电子控制负载可通过图11的系统1100中的DC-DC转换器1112a以及通过图12的系统1200中的转换器209供电。
如果发电机906、908发生故障，则在系统1100、1200中，航空电子设备可经由转换器209从电池201供电，或者另选地，在系统1100中，从转换器1112a供电。
图9至图12所示的架构可进一步扩展到其中可从变压器202供应另外的DC总线的系统中，诸如在图13所示的示例性系统1300中。该系统1300具有对应于图10中的系统1000中的那些的特征，不同之处在于DC总线1011b经由转换器1012b连接到变压器202上的第四绕组203d。可从第一DC总线205和第二DC总线207或从电池201选择性地为该总线1011b供电，该总线可以是低电压DC总线，例如在28V DC下。因此，除了通过仅使用单个储能单元201来减小系统的总重量之外，还可使系统1300更耐故障。
概括地说，本文所述的各种示例性系统和方法实现了可在不同功率电平下工作的不同总线之间的功率共享。转换器可用于支持瞬态功率需求和负载平衡，并且它们的容量可被最佳地使用。另一个优点是提供容错操作，使得能够从替代源向临界负载供应功率，以及为操作配电架构提供更大的灵活性，从而根据需要允许不同的操作模式。
如本文所述的配电系统可用于在飞机上分配电力，或者另选地，可用于在诸如电气接地载具的其他载具上分配电力，或者用于在固定式系统中分配电力。图14中示出了用于电动载具的示例性系统1400，该系统1400包括电力储存单元201、具有第一绕组、第二绕组、第三绕组和第四绕组203a-d的变压器202、连接到相应绕组203a-d的第一双向转换器电路204、第二双向转换器电路209、第三双向转换器电路210和第四双向转换器电路1211。第一转换器电路204连接在电力储存单元201与第一绕组203a之间。第二转换器电路209连接在第一DC总线205和第二绕组203b之间。第三转换器电路210连接在第二DC总线207与第三绕组203c之间。第四转换器电路1211连接在第三DC总线1212和第四绕组203d之间。DC总线207、205经由双向DC-DC转换器1213连接，并且DC总线207、1212经由另一个双向DC-DC转换器1214连接。DC总线205经由DC-AC转换器1218、1219为马达1216、1217供电，并且DC总线207连接到电源1215。在操作中，电力可类似于上文所述分布在整个系统1400中。此外，DC-DC转换器1214、1213可用于在DC总线207、1212、205之间分配功率。变压器202和相关联的连接部件的添加使得系统能够具有更高的容错能力。
在本文所述的每个示例中，电能储存单元201可以是电池，例如化学电池，或者在一些示例中可以被替换或结合用于电能储存的电容器，通常称为“超级电容器”，其优点可以是更高的充电和放电速率。
应当理解，本发明不限于上述实施方案，并且在不脱离本文中描述的概念的情况下可进行各种修改和改进。除非相互排斥，否则任何特征可以单独使用或与任何其他特征组合使用，并且本公开扩展到并包括本文中描述的一个或多个特征的所有组合和子组合。

Claims (16)

1.一种操作配电系统(200)的方法，所述系统(200)包括：
电力储存单元(201)；
变压器(202)，所述变压器具有第一绕组、第二绕组和第三绕组(203a-c)；
第一双向转换器电路(204)，所述第一双向转换器电路连接在所述电力储存单元(201)和所述第一绕组(203a)之间；
第一DC总线(205)；
第二DC总线(207)；
第二双向转换器电路(209)，所述第二双向转换器电路连接在所述第一DC总线(205)和所述第二绕组(203b)之间；和
第三双向转换器电路(210)，所述第三双向转换器电路连接在所述第二DC总线(207)和所述第三绕组(203c)之间，
所述方法包括：
确定所述电力储存单元(201)的充电状态；
确定所述第一DC总线和所述第二DC总线(205,207)中的每一者处的功率需求或功率可用性；以及
操作所述第一双向转换器电路、所述第二双向转换器电路和所述第三双向转换器电路(204,209,210)以平衡所述电力储存单元(201)与所述第一DC总线和所述第二DC总线(205,207)之间的电力分配。
2.根据权利要求1所述的方法，其中操作所述第一双向转换器电路、所述第二双向转换器电路和所述第三双向转换器电路(204,209,210)包括如果所述电力储存单元(201)的功率可用性大于所述第一DC总线和所述第二DC总线(205,207)处的所确定的功率需求中的任一者或两者，则将电力从所述电力储存单元(210)传输到所述第一DC总线(205)和/或所述第二DC总线(207)。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二DC总线(207)连接到发电机(208)，并且操作所述第一双向转换器电路、所述第二双向转换器电路和所述第三双向转换器电路(204,209,210)包括如果所述第二DC总线(207)处的所述功率可用性大于所述电力储存单元(201)处的功率需求，则将电力从所述第二DC总线(207)传输到所述电力储存单元(201)。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一DC总线和所述第二DC总线(205,207)连接到相应的第一发电机和第二发电机(206,208)，并且操作所述第一双向转换器电路、所述第二双向转换器电路和所述第三双向转换器电路(204,209,210)包括如果所述第二DC总线处的所述功率可用性大于零但小于所述电力储存单元(201)处的所述功率需求并且所述第一DC总线(205)处的所述功率可用性大于零，则将电力从所述第一DC总线(205)和所述第二DC总线(207)传输到所述电力储存单元(201)。
5.根据权利要求1所述的方法，其中操作所述第一双向转换器电路、所述第二双向转换器电路和所述第三双向转换器电路(204,209,210)包括如果所述第二双向转换器电路(209)处的计算功率大于所述第二双向转换器电路(209)的额定功率并且所述第三双向转换器电路(210)处的计算功率小于所述第三双向转换器电路(210)的额定功率，则将电力从所述第一DC总线(205)传输到所述第二DC总线(207)。
6.一种用于配电系统(200)的控制器(300)，所述控制器被配置为执行根据权利要求1至5中任一项所述的方法。
7.一种计算机程序，包括用于使控制器(300)执行根据权利要求1至5中任一项所述的方法的指令。
8.一种配电系统(200)，包括：
电力储存单元(201)；
变压器(202)；
第一双向转换器电路(204)，所述第一双向转换器电路连接在所述电力储存单元(201)和所述变压器(202)的第一绕组(203a)之间；
第一DC总线(205)；
第二DC总线(207)；
第二双向转换器电路(209)，所述第二双向转换器电路连接在所述第一DC总线(205)和所述变压器(202)的第二绕组(203b)之间；
第三双向转换器电路(210)，所述第三双向转换器电路连接在所述第二DC总线(207)和所述变压器(202)的第三绕组(203c)之间；和
控制器(300)，所述控制器被连接用于控制所述第一转换器电路、所述第二转换器电路和所述第三转换器电路(204,209,210)，以在所述电力储存单元(201)、所述第一DC总线(205)和所述第二DC总线(207)之间分配电力。
9.根据权利要求8所述的配电系统(200)，其中所述控制器(300)被配置为控制所述第一双向转换器电路、所述第二双向转换器电路和所述第三双向转换器电路(204,209,210)的操作以：
在第一模式中，将电力从所述电力储存单元(201)传输到所述第一DC总线和/或所述第二DC总线(205,207)；
在第二模式中，将电力从所述第一DC总线和/或所述第二DC总线(205,207)传输到所述电力储存单元(201)；以及
在第三模式中，将电力从所述第一DC总线(205)传输到所述第二DC总线(207)或从所述第二DC总线(205)传输到所述第一DC总线(207)。
10.根据权利要求9所述的配电系统(200)，其中，在所述第一模式中，所述控制器(300)被配置为：
根据所述电能储存单元(201)的充电状态确定所述第一双向转换器电路(204)处的功率可用性；
确定所述第一DC总线和所述第二DC总线(205,207)处的功率需求；
如果所述电能储存单元(201)的功率可用性大于所述第一DC总线和所述第二DC总线(205,207)处的组合功率需求，则控制所述第一双向转换器电路、所述第二双向转换器电路和所述第三双向转换器电路(204,209,210)以将电力从所述电能储存单元(201)传输到所述第一DC总线和所述第二DC总线(205,207)；以及
如果所述电能储存单元(201)的所述功率可用性大于所述第一DC总线(205)处的功率需求但小于所述第一DC总线和所述第二DC总线(205,207)处的所述组合功率需求，则控制所述第一双向转换器电路、所述第二双向转换器电路和所述第三双向转换器电路(204,209,210)以将电力从所述电能储存单元(201)传输到所述第一DC总线(205)。
11.根据权利要求9所述的配电系统(200)，其中，在所述第二模式中，所述控制器(300)被配置为：
确定所述第一DC总线和所述第二DC总线(205,207)处的功率可用性；
根据所述电能储存单元(201)的充电状态确定所述第一双向转换器电路(204)的功率需求；以及
如果所述第一DC总线和/或所述第二DC总线(205,207)处的所述功率可用性大于所述电能储存单元(201)的功率需求，则控制所述第一双向转换器电路、所述第二双向转换器电路和所述第三双向转换器电路(204,209,210)以将电力从所述第一DC总线和/或所述第二DC总线(205,207)传输到所述电力储存单元(201)。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的配电系统(1000)，还包括一个或多个推进式电气负载(1009a-d)，所述一个或多个推进式电气负载经由相应的转换器(1010a-d)连接到所述第二DC总线，任选地，其中所述第二DC总线被配置为仅向所述一个或多个推进式电气负载(1009a-d)供电。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的配电系统(1000)，其中根据不同的功率质量需求来配置所述第一DC总线和所述第二DC总线。
14.根据权利要求8至13中任一项所述的配电系统(1000)，还包括：
发电机(908)，所述发电机经由转换器(910)连接到所述第二DC总线(207)；和/或
发电机(906)，所述发电机经由转换器(909)连接到所述第一DC总线(205)。
15.根据权利要求8至14中任一项所述的配电系统(1100)，其中，所述第一DC总线(205)可切换地连接到所述第二DC总线(207)和/或所述第二双向转换器电路(209)。
16.一种载具，例如飞机，包括根据权利要求8至15中任一项所述的配电系统(200)。
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