CN115776106A - 直流配电和保护系统 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及直流配电和保护系统。直流(DC)配电系统(100)包括多个DC电源(102；400)，环形母线(108)，多个开关组合件(104；210；300)，以及多个无源保护组合件(106；212)。每个DC电源通过相应的开关组合件和相应的无源保护组合件耦合至环形母线。

Description

直流配电和保护系统
分案申请的相关信息
本申请是分案申请，其母案申请是申请日为2016年6月3日、优先权日为2015年6月5日、申请号为“201610637584.2”、并且发明名称为“直流配电和保护系统”的发明专利申请。
背景技术
本公开的领域一般涉及电功率分配系统，并且更具体地说，涉及直流(DC)分配系统和DC保护系统。
一些已知的配电系统供应DC功率给一个或多个负载。这些负载包括，例如，但不限于，DC负载，交流(AC)负载或者AC和DC负载的组合。配电系统使用各种保护装置以在故障情况下保护设备和人。保护装置包括，例如，但不限于，电路断路器和熔断器。通常，当故障发生时，功率从负载断开，直至故障被清除。
一些已知的DC配电系统具有不能容忍功率丢失的临界负载。DC配电系统被设计为如对于给定安装能够尽量合理达到的鲁棒性和可靠性，其随着例如但不限于成本、大小、重量和容量而改变。提供可靠质量功率的一个挑战是电源的可用性。当故障发生时，电源通常从服务移除，从而导致功率丢失。为了克服该可用性的问题，DC配电系统被设计为用于多个DC电源，这提出关于隔离故障的进一步挑战。
发明内容
在一个方面中，提供一种直流配电系统。直流(DC)配电系统包括多个DC电源，环形母线，多个开关组合件，以及多个无源保护组合件。每个DC电源通过相应的开关组合件和相应的无源保护组合件耦合至环形母线。
在另一方面中，提供一种用于连接在直流电源和直流环形母线之间的保护系统。该保护系统包括具有第一、第二和第三支路的无源保护组合件。第一支路具有第一端和第二端。第一支路包括耦合在第一端和第二端之间的电感器。第二支路具有第一端和第二端。第二支路包括与耦合在第一端和第二端之间的电阻串联的二极管。第三支路具有第一端和第二端。第三支路包括与耦合在第一端和第二端之间的电阻串联的二极管。第一支路、第二支路和第三支路的第一端耦合在一起，并且第一支路、第二支路和第三支路的第二端耦合在一起。
在又一方面中，提供一种直流配电系统。该直流配电系统包括第一配电母线、第二配电母线以及连接第一配电母线和第二配电母线的环形母线。第一配电母线配置成提供直流功率并包括第一开关组合件和第一无源保护组合件。第二配电母线配置成提供直流功率并包括第二开关组合件和第二无源保护组合件。
本发明提供如下一组技术方案：
1.一种直流(DC)配电系统(100)，包括：
多个DC电源(102；400)；
环形母线(108)；
多个开关组合件(104；210；300)；以及
多个无源保护组合件(106；212)，所述多个DC电源中的每个DC电源通过所述多个开关组合件中相应的开关组合件和所述多个无源保护组合件中相应的无源保护组合件耦合至所述环形母线。
2.根据技术方案1所述的DC配电系统(100)，其中每个所述相应的开关组合件(104；210；300)包括双向开关(302)。
3.根据技术方案2所述的DC配电系统(100)，其中每个所述相应的开关组合件(104；210；300)包括RC组合件，所述RC组合件包括与电容器(310)串联的电阻器(308)，所述RC组合件与所述双向开关(302)并联耦合。
4.根据技术方案2所述的DC配电系统(100)，其中所述双向开关(302)包括反向阻断绝缘栅双极晶体管(IGBT)、一对IGBT和耦合至开关(214)的四个二极管(216)中的一个。
5.根据技术方案2所述的DC配电系统(100)，其中每个所述相应的无源保护组合件(106：212)包括电感器(218)。
6.根据技术方案5所述的DC配电系统(100)，其中每个所述相应的无源保护组合件(106；212)包括其中包含所述电感器(218)的第一支路、与所述第一支路并联耦合的第二支路以及与所述第一支路并联耦合的第三支路，所述第一支路和所述第二支路各自包括与支路电阻(220)串联耦合的二极管(222)。
7.根据技术方案6所述的DC配电系统(100)，其中所述支路电阻(220)包括分立电阻器。
8.根据技术方案6所述的DC配电系统(100)，其中所述第一支路与所述第二支路反并联连接。
9.一种用于连接在电源(102；400)和直流(DC)环形母线(108)之间的保护系统(114；200)，包括：
无源保护组合件(106；212)，包括：
包括第一端和第二端的第一支路，所述第一支路包含耦合在所述第一支路的所述第一端和所述第二端之间的电感器(218)；
包括第一端和第二端的第二支路，所述第二支路包括与耦合在所述第二支路的所述第一端和所述第二端之间的电阻(220)串联的二极管(222)：以及
包括第一端和第二端的第三支路，所述第三支路包括与耦合在所述第三支路的所述第一端和所述第二端之间的电阻(220)串联的二极管(222)，所述第一支路、所述第二支路和所述第三支路的所述第一端耦合在一起，并且所述第一支路、所述第二支路和所述第三支路的所述第二端耦合在一起。
10.根据技术方案9所述的保护系统(114；200)，其中所述第二支路和所述第三支路的所述电阻(220)包括分立电阻器。
11.根据技术方案9所述的保护系统(114；200)，其中：
所述第二支路二极管(222)包括阳极和阴极，并且所述第二支路二极管(222)定位有相比所述第二支路的所述第二端更靠近所述第二支路的所述第一端的所述阳极；以及
所述第三支路二极管包括阳极和阴极，并且所述第三支路二极管定位有相比所述第三支路的所述第二端更靠近所述第三支路的所述第一端的所述阴极。
12.根据技术方案9所述的保护系统(114；200)，进一步包括耦合至所述无源保护组合件(106；212)的开关组合件(104；210；300)。
13.根据技术方案12所述的保护系统(114；200)，其中所述开关组合件(104；210；300)包括与RC组合件并联耦合的双向开关(302)，所述RC组合件包括与电容器(310)串联耦合的电阻器(308)，所述RC组合件与所述双向开关并联耦合。
14.根据技术方案13所述的保护系统(114；200)，其中所述双向开关(302)包括反向阻断绝缘栅双极晶体管(IGBT)、一对IGBT和耦合至开关(214)的四个二极管(216)中的一个。
15.一种直流(DC)配电系统(100)，包括：
配置成提供DC功率的第一分配母线(110；202；204)，所述第一分配母线包括第一开关组合件(104；210；300)和第一无源保护组合件(106；212)；
配置成提供DC功率的第二分配母线(112；206；208)，所述第二分配母线包括第二开关组合件(104；210；300)和第二无源保护组合件(106；212)；以及
连接所述第一分配母线和所述第二分配母线的环形母线(108)。
附图说明
当参考附图阅读下述详细描述时，本公开的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，在全部附图中相似符号代表相似部分，其中：
图1是示范性DC配电系统的方框图；
图2是供在图1所示DC配电系统中使用的示范性保护联络(tie)的示意图；
图3是供在图1所示DC配电系统和图2所示保护联络中使用的另一示范性开关组合件的示意图；以及
图4是供在图1所示DC配电系统中使用的示范性电源的示意图。
除非另有指示，否则本文提供的附图意味着图示本公开实施例的特征。认为这些特征可适用于包括本公开的一个或多个实施例的各种各样的系统中。因此，附图并非意味着包括实施本文所公开的实施例所需的本领域技术人员已知的所有常规特征。
具体实施方式
在下文的描述和权利要求中，将参考多个术语，这些术语具有下面含义。
除非上下文另有明确地指示，否则单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数参考。
“可选的”或“可选地”意味着可能会或可能不会发生随后描述的事件或情况，以及描述包含其中事件发生的实例和其中事件未发生的实例。
如本说明书和权利要求中所使用的，可以应用近似语言来修改能够在不导致与之相关的基本功能中的变化的情况下允许变化的任何定量表示。因此，由诸如“约”、“大约”或“基本上”的一个或多个术语修改的值不限于所指定的精确值。在至少一些实例中，近似语言可以对应于用于测量该值的仪器的精度。在这里以及在整个说明书和权利要求中，除非上下文或语言另有指示，可以组合和/或互换范围限制，此类范围被标识且包含所有在其中所含的子范围。
本公开的实施例涉及电功率分配系统。本文描述的直流(DC)配电系统便于多个能量源并且更具体而言的具有改进故障隔离的DC环形母线结构之间的功率共享。本文描述的DC保护系统无源组件故障保护，其给DC配电系统整体提供更高可靠性。更具体地说，DC保护系统利用半导体开关和无源组件的组合来限制电流和降低电路上的高压应力。DC环形母线和DC保护系统的改进的功率可用性和可靠性降低了DC配电系统的寿命周期成本。
图1是示范性DC配电系统100的简图。DC配电系统100包括通过开关组合件104和保护组合件106耦合至DC环形母线108的多个电源102。DC环形母线108包括正DC母线110和负DC母线112。对于每个电源102，开关组合件104和保护组合件106组合起来定义出一个保护联络114。
在某些实施例中，DC配电系统100进一步包括耦合至DC环形母线108在电源102中一个和对应保护联络114之间的负载116。在一个电源102处或负载116附近发生故障情况下，对应的保护联络114隔离该故障与DC环形母线108。在某些实施例中，进一步的隔离由电路断路器118提供。通过隔离该故障，其它两个电源102继续供应功率并对在其上发生故障的电源102的丢失功率产生进行补偿。
在某些实施例中，开关组合件104包括半导体开关，比如例如，但不限于，绝缘栅双极晶体管(IGBT)和金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。在其它实施例中，开关组合件104包括机械开关，比如例如，但不限于，机电继电器。
图2是供在DC配电系统100(图1示出)中使用的示范性保护联络200的示意图。保护联络200耦合在源侧正DC母线202和负载侧正DC母线204之间，并且还耦合在源侧负DC母线206和负载侧负DC母线208之间。保护联络200包括开关组合件210和保护组合件212。
每个开关组合件210包括开关214和二极管216。对于给定的电流方向，电流流经开关214和针对电流源的相同极性的二极管，其可以是在源侧，也可以是在负载侧。每个保护组合件212为无源保护组合件，并包括电感器218、阻抗220和二极管222。电感器218与负载侧正DC母线204和负载侧负DC母线208耦合在一条直线上，并且进一步的与串联耦合的二极管222和阻抗220并联耦合。
在正常操作期间，开关214闭合，并且对于负载侧正DC母线204和负载侧负DC母线208两者，电流流经电感器218并流经开关组合件210。二极管222和阻抗220保持高于电感器218的阻抗，从而造成大多数电流流经电感器218。在开关组合件210附近、比如例如负载116(图1中示出)附近发生故障期间，开关组合件210中电流的幅度在某一时间周期内增大超出预定义的限值。通常，耦合至源侧正DC母线202和源侧负DC母线206的比如例如电源102(图1中示出)的电源包括电流感测和监测电路，其对故障进行检测并使得开关组合件210的开关214断开。当这种故障发生时，电流通常在更靠近开关组合件210处形成更大尖峰，该开关组合件210通常是用于那个特定电源的保护联络200的开关组合件210。此外，在故障条件期间，电感器218对来自其它电源和其它保护联络的电流呈现出阻抗。其它电源上的保护联络限制由那些电源提供的电流以防止它们对故障馈电。
在开关214的断开期间，存储在电感器218中的能量将通过反并联布置的二极管222中的一个续流(free-wheeled)。一个二极管222基于经过保护组合件212的电流的方向被正向偏置。续流的能量在电阻器220的对应电阻器上被耗散。当开关214成功断开时，开关组合件210附近的故障能够从环形母线上物理隔离和电隔离。在某些实施例中，隔离也可包括缓动DC隔离器开关或断路器，比如例如，电路断路器118(图1中示出)。在故障期间，频率瞬间为非零，从而导致电感器218通过二极管222和阻抗220转移电流，这耗散电流。
电感器218对电流的变化率进行了限制。电感器218的电感值被选择以将电流变化限制为尽可能的小。附加的考虑是，通常，开关组合件210操作越快，能够充分限制通过保护联络200的电流的电感器218越小。
图3是供在DC配电系统100(图1中示出)和保护联络200(图2中示出)使用的另一示范性开关组合件300的示意图。开关组合件300包括耦合在线路侧304和负载侧306之间的开关302。电阻器308和电容器310串联耦合，形成RC电路，并且进一步与开关302并联耦合。
在正常操作期间，开关302闭合，并且电流从线路端子304流至负载端子306。由电阻器308和电容器310形成的RC电路相对于开关302为高阻抗。开关302可体现在用作切断的任何开关，包括，例如但不限于，机械开关和半导体开关。相对于机械开关，半导体开关一般具有优势，因为半导体开关通常在操作上比机械开关快很多。
当故障发生在由开关组合件300保护的电源处时，开关302断开，从而造成通过开关组合件300的电流中的变化。电流的该变化导致电容器310根据开关302两端的电压和与由电阻器308和电容器310形成的RC电路相关的时间常数进行充电。这减轻了开关302上的高压应力。如通过其它电源看来，电阻器308和电容器310仍为高阻抗。
图4是供在DC配电系统100(图1中示出)中使用的示范性电源400的示意图。电源400包括一次电源402和二次电源404。一次电源402和二次电源404耦合至自动转换开关406，自动转换开关406进一步耦合至整流器408。整流器408然后耦合至DC母线410。
自动转换开关406检测一次电源402是否供应功率。当一次电源402供应功率时，自动转换开关406将一次电源402耦合至整流器408。当一次电源402未供应功率时，自动转换开关406解耦一次电源402并将二次电源404在其位置耦合至整流器408。所供应的AC功率到达整流器408，整流器408将该AC功率转换为DC功率，其被放到DC母线410上。
一次电源402和二次电源404包括，例如，但不限于，电网、发电机、光伏、风力农场、水电或任何其它适合的电功率源。
本公开的实施例涉及电功率系统。
上述DC配电系统便于在多个能量源，以及更具体地说在具有改善的故障隔离的DC环形母线结构之间功率共享。本文所描述的DC保护系统提供无源组件故障保护，其给DC配电系统整体提供更高的可靠性。更具体地说，DC保护系统利用半导体开关和无源组件的组合来限制电流和降低电路上的高压应力。DC环形母线和DC保护系统的改进的功率可用性和可靠性降低了DC配电系统的寿命周期成本。
本文所述方法、系统和设备的示范性技术效果包括下述中的至少一个：(a)在多个能量源之间功率共享；(b)作为多个能量源的结果，对负载的功率可用性得以改进；(c)改进了负载侧的故障隔离；(d)作为负载侧故障隔离的结果，改进了分配系统可靠性；(e)产生改进可靠性的无源组件保护方案；以及(f)由于可靠性得到改进，降低了操作成本。
电功率分配系统的方法、系统和设备的示范性实施例并不限于本文所述的特定实施例，而是，系统的组件和/或方法的步骤可与本文所述的其它组件和/或步骤分开和独立地使用。例如，该方法还可与其它非传统的电功率分配系统结合使用，并且不限于仅采用如本文所述的系统和方法来实施。而是，结合许多其它可受益于提高的效率、降低的操作成本和降低的资本支出的应用、设备和系统能够实现或利用示范性实施例。
尽管本公开的各种实施例的特定特征在一些图中被示出而在其它图中未示出，但是这仅仅是为了方便。根据本发明的原理，附图的任何特征可以与任何其它附图的任何特征组合被参考和/或被主张。
本书面描述使用包括最佳模式的示例来公开本发明，并且使本领域的技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何合并方法。本发明的可取得专利范围由权利要求书来定义，并且可包括本领域的技术人员想到的其他示例。如果这类其他示例具有与权利要求的文字语言完全相同的结构单元，或者如果它们包括具有与权利要求的文字语言的非实质差异的等效结构单元，则预计它们处于权利要求的范围之内。

Claims (1)

1.一种直流DC配电系统(100)，包括：
多个DC电源(102；400)；
环形母线(108)；
多个开关组合件(104；210；300)；以及
多个无源保护组合件(106；212)，所述多个DC电源中的每个DC电源通过所述多个开关组合件中相应的开关组合件耦合至所述环形母线，所述多个开关组合件中所述相应的开关组合件与所述多个无源保护组合件中相应的无源保护组合件串联耦合，
其中每个所述相应的开关组合件(104；210；300)包括双向开关(302)，并且其中每个所述相应的开关组合件(104；210；300)包括RC组合件，所述RC组合件包括与电容器(310)串联的电阻器(308)，所述RC组合件与所述双向开关(302)并联耦合。
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