CN114902513A - 能量分配系统 - Google Patents

Abstract

一种用于船舶或平台的电能分配系统(1)，包括多个DC总线(DC BB1、DC BB2、DC BB3、DC BB4)，每个DC总线耦接至对应的蓄能总线(ES BB1、ES BB2、ES BB3、ES BB4)；每个蓄能总线通过第一DC/DC转换器(10、11、12、13)耦接至系统的相邻蓄能总线。多个蓄能总线连接在一起形成环。每个蓄能总线还通过第二DC/DC转换器(18、19、20、21)耦接至蓄能器(14、15、16、17)。

Description

能量分配系统

技术领域

本公开涉及一种能量分配系统，特别是用于在包括船或平台(platform)的船舶或钻机上分配电能的能量分配系统，并且涉及一种能量分配系统的操作方法。

背景技术

为了操作船舶，特别是船或平台，例如石油勘探平台，可能需要向将在船舶上操作多个消耗装置(例如推进器和泵)分配电能。另外，船舶或平台可以执行其它任务，诸如钻井，从而产生需要耗散的过量能量。电能可以由原动机产生，诸如柴油发动机和发电机。多余的能量可以耗散在制动电阻器中。船舶或平台可以包括即使在能量分配系统的某些部分发生故障的情况下也需要向其提供电能的基本部件。期望提供一种改进的能量分配系统。

发明内容

根据本发明的第一方面，一种用于船舶或平台的电能分配系统，包括多个DC总线，每个DC总线耦接至对应的蓄能总线；每个蓄能总线通过第一DC/DC转换器耦接至系统的相邻蓄能总线；其中，多个蓄能总线连接在一起形成环；并且其中，每个蓄能总线还通过第二DC/DC转换器耦接至蓄能器。

第一DC/DC转换器可以包括通过电感器连接的两对并联晶体管二极管布置。

系统还可以包括物理分隔区，每个区通过第一DC/DC转换器耦接至一个相邻区，第一DC/DC转换器包括并联晶体管二极管布置或成对并联晶体管二极管布置中的一者，以及电感器；并且所述每个区通过第三DC/DC转换器耦接至另一相邻区，第三DC/DC转换器包括成对并联晶体管二极管布置和电感器。

系统可以包括至少三个DC总线和至少三个蓄能总线。

系统还可以至少包括主能量源；其中，主能量源包括连接至AC总线的AC发电机；其中，AC总线经由变压器和AC至DC转换器耦接至所述DC总线或每个DC总线。

系统还可以包括电压比AC总线低的中间AC总线。

蓄能器可以包括电池、电池组、电容器、超级电容器或飞轮中的一者。

多个DC总线可以包括相邻DC总线之间的常开开关。

根据本发明的第二方面，一种根据第一方面的电能分配系统的操作方法，包括检测蓄能装置和DC总线之间的电压差，并允许电流从高压流向低压。

所述蓄能装置或每个蓄能装置可以在任何DC总线上存在能量过度时充电，并且在DC总线的电压低于蓄能装置的能量总线的电压时向连接至任何DC总线的消耗装置放电。

附图说明

现在将参考附图描述根据本发明的能量分配系统的示例，其中：

图1示出根据本发明实施例的能量分配系统的一个示例；

图2更详细地示出图1的能量分配系统的一部分的第一示例；

图3更详细地示出图1的能量分配系统的一部分的第二示例；并且

图4更详细地示出图1的能量分配系统的一部分的第三示例。

具体实施方式

本公开解决了提供一种用于在船舶或平台上分配电能的系统的需求，该系统能够维持对基本消耗装置的供应，并减少在钻井操作期间产生的能量的浪费。在海上钻井系统中，钻井操作中会再生大量的制动能量，否则钻柱会加速进入井中，潜在地导致对钻机或其它设备的损坏。由于制动电阻器在耗散制动能量时会变热并产生蒸汽，对甲板上的操作者造成危险，并占据钻机或船舶甲板上的大量空间，因此操作者希望减少或消除钻井操作中制动电阻器的使用。另一个问题是海水是侵蚀性环境，随着时间的推移会腐蚀损坏电阻器。

图1示出用于在船舶或平台上产生和分配电能的能量分配系统1的示例，该船舶或平台由本发明的系统增强。系统被示出为具有主AC配电盘，包括一系列AC总线AC BB1、ACBB2、AC BB3和AC BB4，这些总线可以通过在操作中常闭的成对开关2连接成环。诸如柴油发动机D1、D2、D3、D4的原动机向AC发电机G1、G2、G3、G4馈电，以产生用于AC总线的AC电力。例如，每个柴油发动机可以分别供应高达10MW的电力，并且供应给AC总线的电力可以高达15kV、60Hz AC。该环形布置允许一个或多个发动机在低负荷期间关闭，并且来自剩余最小数量的柴油发动机的能量通过以接近全功率运行这些发动机生成。将AC母线彼此连接、连接发电机或消耗装置或变压器的开关提供电流隔离。

AC总线可以供应AC消耗装置(未示出)，并且可以通过AC至DC转换器3，经由单向变压器T1、T2、T3、T4向DC母线DC BB1、DC BB2、DC BB3、DC BB4供电，AC至DC转换器3通常是仅允许电流沿一个方向流动的二极管整流器布置。整流器可以包括简单的二极管布置或其它整流布置，其中，来自整流器的二极管功能阻止能量从DC母线流回AC母线。可以在主AC配电盘或AC母线与DC配电盘或母线之间提供处于低压的中间AC配电盘(未示出)，从而提供将AC电压降至例如11kV的第一级。如果需要，可以通过分别闭合开关4、5将成对DC母线DC BB1、DC BB2和DC BB3、DC BB4连接在一起。

本发明通过在图1的能量分配系统1中结合蓄能环总线6提供了对现有能量分配布置的改进。传统上，已经使用蓄能器直接连接至AC母线，以平滑对同样连接至这些母线的消耗装置的供应，并且在钻井操作中，已经将制动电阻器连接至DC母线，以在钻柱降至钻孔中时耗散在钻井操作中再生的大量过剩能量。这是方便的，因为如果可用的量不足以应付所需或产生的过量能量，这允许添加与AC总线并联的蓄能器，或添加与DC总线并联的更多制动电阻器。

蓄能环总线6可以采用几种不同形式。第一示例在图2中示出。在本示例中，四个蓄能母线ES BB1、ES BB2、ES BB3和ES BB4在环中通过DC斩波器(即DC至DC转换器10、11、12、13，通常是晶体管调节转换器)连接在一起。能量母线ES BB1、ES BB2、ES BB3和ES BB4可以通过熔断器22连接至其对应的DC总线母线DC BB1、DC BB2和DC BB3、DC BB4。每个蓄能母线还通过对应的DC/DC转换器或斩波器18、19、20、21连接至蓄能器14、15、16、17。在所示示例中，蓄能器14、15、16、17包括电池或电池组，根据其应用用途，这些电池或电池组被选择为具有以kWh计的预定容量。用于钻井操作的典型容量将在每个蓄能器400kWh至2000kWh的范围内。然而，也可以使用其它形式的蓄能器，诸如电容器组、超级电容器或飞轮。针对电池斩波器18、19、20、21示出了每个DC总线及其相关电池的DC总线电压相对于电池DC电流的控制特性22。该特性呈现出正向直流电流从电池流向DC总线。DC/DC转换器可以用于控制对电池15、16、17、18的充电供应，并使电池电压与DC母线上的DC消耗装置的工作电压相匹配。环中的DC/DC斩波器10、11、12、13具有从两个总线的总线电压差导出的独特特性，斩波器位于这两个总线之间，例如相对于电池15的电池DC电流绘制的斩波器11的U2-U4。在本示例中，该特性呈现出正向直流电流从DC总线DC BB1流向DC总线DC BB4。对于电池16，只有连接电池的总线电压的电平将根据曲线23确定电池电流。

电流流动由电路不同点处的电压差控制。如果电压在部件的预定安全工作范围内，则自动发生从高压向低压的电流流动。例如，DC BB2或ES BB2中的电压增加(实际上，在这些配电盘之间没有电压降)可能引起朝向处于低压的相邻母线(例如BB1或BB3)的电流流动。在正常操作中，仅通过系统中的电压差来执行控制。默认BB2上的过量电压将试图首先将该能量储存在其自身的蓄能器15中。只有在该存储器的容量接近满了的情况下，才会分别经由斩波器10、11将过量电压引导至另一蓄能母线，例如ES BB1或ES BB3。

来自钻井操作的再生功率返回DC母线，并由此进入对应的岛(island)，蓄能环允许再生能量从该岛被供应至相邻母线或相邻蓄能器。例如，如果本地蓄能器15接近满容量，例如充电85％，并且已知已经达到的钻井操作阶段期望再生，则一种选择是通过使用存储能量在DC总线上向消耗装置供电，将电池充电水平降低至更接近一半，而不是从AC总线为该消耗装置获取更多能量。然后，作为最后的手段，例如通过将过量能量引导至与DC母线相连的制动电阻器，该系统可以确保每个电池在能量耗散之前充满。然而，与常规钻井能量分配系统的情况相比，需要的制动电阻器要少得多，因此减少了操作者对制动电阻器占据的空间量的担忧，并且降低了对在制动电阻器附近的甲板上工作的操作者造成伤害的可能性。

如果电压在部件的安全工作范围之外，则触发其它机制以防止过度充电，使用可以是集中式或分布式控制系统的整体系统控制，从传感器(未示出)获取数据以便能够采取适当步骤。在本示例中，用于钻井操作的配电网络中具有四个岛的另一个益处在于，不需要通过系统中的开关4、5直接连接母线。斩波器能够在DC总线系统故障的情况下提供静态保护，并且提供和岛之间的电流或功率调节，从而允许不同DC系统的不同电压电平。因此，如果发生单个故障，则仅有一个岛失效，例如DC BB1，并且斩波器10、13通过电流感测和电流电平将该岛从其它岛切断。剩余的岛能够继续存储和提取能量，并且经由蓄能环上的斩波器11、12共享多余能量。连接在电池和DC总线之间的斩波器18、19、20、21的调节原理是常规的压降调节。能量总线之间的互连斩波器10、11、12、13的调节使用电压差来调节电流流动。

在DC总线上使用蓄能环的好处在于，当DC钻井系统通过蓄能环互连时，制动能量自由地流过整个DC系统，并且可以由消耗装置重新使用，而不是在制动电阻器中烧尽。在来自制动的能量过多的情况下，该能量可以转而存储在蓄能系统中。另一个好处是增加了可以在系统中处理的总电流。对于典型的2000A额定部件，诸如海上钻井应用中的DC斩波器，与传统的能量分配系统相比，蓄能环以直接关系增加了环中的斩波器数量，从而可以去除另外的6000A。此外，只需对现有DC系统稍加修改，即将每个DC母线与其对应的蓄能母线连接，就可以将这种形式的蓄能器引入设备中。蓄能环提供能量分配系统中的母线之间的互连，特别是用于钻井操作或具有多个推进器的船舶的母线，这些推进器之后可以互连以提供冗余。

用于根据本发明的能量分配系统的蓄能环的第二示例在图3中示出。代替图1中成对地连接在一起的四个DC母线，图3的示例适于使用具有允许母线连接在一起的可选开关30、31的三个DC总线。在正常操作中，这些开关是闭合的。蓄能环32包括三个电池33、34、35，三个电池33、34、35中的每个电池具有位于电池和母线之间的对应DC/DC转换器36、37、38，以及位于成对能量母线ES BB1、ES BB2、ES BB3之间的斩波器39、40、41。特性23、24呈现出从电池到能量母线的正向直流电流，而对于斩波器41则是从能量母线ES BB3到ES BB1。类似的呈现也适用于斩波器40(从ES BB2到ES BB3)和斩波器39(从ES BB1到ES BB2)。每个能量母线ES BB1、ES BB2、ES BB3经由熔断器22连接至其对应的DC总线DC BB1、DC BB2、DCBB3。

本发明的益处在于增强钻井系统的稳健性，其中，通过再利用能量和在总线之间共享来降低整体能耗。这可以减少对AC发电机和原动机的需求。DC系统最常用于海上电气应用，特别是海上钻井。另一种海上应用是在需要高可靠性的船舶上。其一个示例是至关重要的操作中的电力推进驱动器和推进器，即DP3，例如，当驱动力下降并且船舶必须能够保持站台和功率时。对于船舶中具有推进驱动器的DC组的系统，所有岛均可以断开操作，每个岛一个推进器。在另一示例中，如图4所示，船舶的不同位置处存在单元的物理分离，并且由舱壁或耐火壁分离以防止洪水或火灾。

等同部件的附图标记与图1相同。

在本示例中，每个不同区域内设置两个DC/DC转换器，使得故障不会从一个DC/DC转换器传播至另一DC/DC转换器。因此，不同于环上的每个总线之间的第一DC/DC转换器和从每个总线到蓄能器的第二DC/DC转换器，每个不同区域具有第一DC/DC转换器和第三DC/DC转换器。这允许柴油发动机在不是所有发动机都运行的情况下更接近满负荷地运行，而不是如当前那样每个单独区域必须具有运行功率源，在15％至20％的负荷下运行。如果正在运行的发动机发生故障，则蓄能环中的电池组在另一发动机启动的转换期间覆盖功率要求。本示例中的转换器包括斩波器，并且图4中的ES总线之间的线缆的每个端部使用的斩波器类型仅需要二象限斩波器80，不过也可以使用四象限斩波器81。然而，由于成本更高，增加额外损耗并且占用更多空间，在这种情况下最好使用二象限斩波器。

相反，图2、图3和图4中的电池斩波器需要是四象限斩波器81。四个DC母线DC BB1、DC BB2、DC BB3、DC BB4等同于图1和图2中的那些母线。这些母线经由熔断器22连接至能量环总线DP区。BB1连接至区一50，BB2连接至区二51，BB3连接至区三52，并且BB4连接至区四53。在区一50中，能量母线ES BB1具有将其连接至相邻区二51和区三52的两个部分斩波器60、61，以及电池70与能量总线ES BB1之间的全斩波器54。在不同的相邻区中的部分斩波器之间，即在区50、51中的部分斩波器61、62之间，或在区51、53中的部分斩波器63、64之间，设置连接线或连接总线，区53、52、50中的其它斩波器65、66、67、60类似。

在区二51中，能量母线ES BB2具有将其连接至相邻区一50、区三52的两个部分斩波器62、63，以及电池71与能量总线ES BB2之间的全斩波器55。在区三52中，能量母线ESBB3具有将其连接至相邻区一50和区四53的两个部分斩波器66、67，以及电池72与能量总线ES BB3之间的全斩波器56。在区四53中，能量母线ES BB4具有将其连接至相邻区二51和区三52的两个部分斩波器64、65，以及电池72与能量总线ES BB4之间的全斩波器57。

如上所述的电能分配系统可以通过下述方式操作：检测蓄能装置和DC总线之间的电压差，并允许电流从高压流向低压。所述蓄能装置或每个蓄能装置可以在任何DC总线上存在能量过度时充电，并且在DC总线的电压低于蓄能装置的能量总线的电压时向连接至任何DC总线的消耗装置放电。因此，通过共享，可以更有效地利用蓄能装置和电源。

已经参考不同主题描述了本发明的实施例。特别地，一些实施例已经结合方法类型权利要求描述，另一些已经结合装置类型权利要求描述。然而，本领域技术人员将从上下文的描述中理解，除非另有说明，否则除属于一种类型的主题的特征的任何组合之外，涉及不同主题的特征的任何组合，特别是方法类权利要求的特征与装置类权利要求的特征之间的特征的任何组合，也被认为是由本文件公开的。

应当注意，术语“包括”不排除其它元件或步骤，并且“一”或“一个”不排除多个。此外，与不同实施例结合描述的元件可以进行组合。本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征和/或如此公开的任何方法或过程的所有步骤可以以任何组合方式组合，其中至少一些此类特征和/或步骤相互排斥的组合除外。

除非另有明确说明，否则本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由具有相同、等同或类似目的的替代特征代替。因此，除非另有明确说明，否则所公开的每个特征仅是一系列等同或相似特征的示例。还应当注意的是，权利要求中的附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。本发明不限于前述实施例的细节。本发明延及本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的特征的任何新颖特征或任何新颖组合，或者延及如此公开的任何方法或过程的步骤的任何新颖步骤或任何新颖组合。

Claims (10)

1.一种用于船舶或平台的电能分配系统，包括多个DC总线，每个DC总线耦接至对应的蓄能总线；每个蓄能总线通过第一DC/DC转换器耦接至所述系统的相邻蓄能总线；其中，所述多个蓄能总线连接在一起形成环；并且其中，每个蓄能总线还通过第二DC/DC转换器耦接至蓄能器。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一DC/DC转换器包括通过电感器连接的两对并联晶体管二极管布置。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统还包括物理分隔区，每个区通过所述第一DC/DC转换器耦接至一个相邻区，所述第一DC/DC转换器包括并联晶体管二极管布置或成对并联晶体管二极管布置中的一者，以及电感器；并且所述每个区通过第三DC/DC转换器耦接至另一相邻区，所述第三DC/DC转换器包括成对并联晶体管二极管布置和电感器。

4.根据前述任意一项权利要求所述的系统，其中，所述系统包括至少三个DC总线和至少三个蓄能总线。

5.根据前述任意一项权利要求所述的系统，其中，所述系统还至少包括主能量源；其中，所述主能量源包括连接至AC总线的AC发电机；其中，所述AC总线经由变压器和AC至DC转换器耦接至所述DC总线或每个DC总线。

6.根据前述任意一项权利要求所述的系统，其中，所述系统还包括电压比所述AC总线低的中间AC总线。

7.根据前述任意一项权利要求所述的系统，其中，所述蓄能器包括电池、电池组、电容器、超级电容器或飞轮中的一者。

8.根据前述任意一项权利要求所述的系统，其中，所述多个DC总线包括相邻DC总线之间的常开开关。

9.一种根据前述任意一项权利要求所述的电能分配系统的操作方法，所述方法包括检测蓄能装置和DC总线之间的电压差，并允许电流从高压流向低压。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述蓄能装置或每个蓄能装置在任何所述DC总线上存在能量过度时充电，并且在所述DC总线的电压低于所述蓄能装置的能量总线的电压时向连接至任何所述DC总线的消耗装置放电。

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