KR102116209B1 - 상이한 보호 구역들로 분리된 dc 전력 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 개시물은 DC 전력 시스템 (1) 에 관한 것으로서, 그 DC 전력 시스템 (1) 은 메인 버스 (3), 메인 버스 (3) 에 접속되도록 구성된 복수의 전력 전달 디바이스들 (G1-G8, 11-15), 제 1 구역 파티셔닝 디바이스 (7a), 및 제어 시스템 (9) 을 포함하고, 상기 제 1 구역 파티셔닝 디바이스 (7a) 는 메인 버스 (3) 를, 제 1 시간 범위에서 결함 클리어런스 요건을 갖는 전력 전달 디바이스들 (11-15) 이 접속되도록 구성되는 메인 버스 (3) 의 섹션인 제 1 보호 구역 (Z2), 및 제 1 시간 범위에 포함된 어느 시간보다 더 높은 시간들을 포함하는 제 2 시간 범위에서 결함 클리어런스 요건을 갖는 메인 버스 (3) 의 섹션이고 제 1 시간 범위에서 결함 클리어런스 요건을 갖는 어떠한 전력 전달 디바이스 (G5-G8, 11-15) 도 접속되도록 구성되지 않는 제 2 보호 구역 (Z1) 으로 분리하도록 구성되며, 제어 시스템 (9) 은 부하 전류가 제 1 보호 구역 (Z2) 으로부터 제 2 보호 구역 (Z1) 으로 흐르도록 허용하고 제 1 보호 구역 (Z2) 으로부터 제 2 보호 구역 (Z1) 으로의 결함 전류 흐름을 제한하도록 제 1 구역 파티셔닝 디바이스 (7a) 를 제어하도록 구성된다.

Description

상이한 보호 구역들로 분리된 DC 전력 시스템
본 개시는 일반적으로 전력 시스템들에 관한 것이고, 특히 리던던시 능력 (redundancy capability) 을 갖는 DC 전력 시스템에 관한 것이다.
모터들에 전력을 공급하기 위한 전력 시스템들은 하나 이상의 전력 생성 유닛들과 같은 복수의 컴포넌트들을 포함할 수도 있고, 라인-업들, 에너지 저장 모듈들, 및 전술된 컴포넌트들이 접속가능한 메인 버스를 구동한다. 안전 상의 이유로, 이러한 시스템들은 리던던시로 설계될 수도 있다. 이는 예컨대 해양 애플리케이션들에서 중요하고, 여기서, 예를 들어 일부 애플리케이션들에서, 선박의 프로펠러들 및 반동추진엔진들을 이용하여 선박의 포지션을 유지하기 위한 선박의 동적 포지셔닝 (dynamic positioning) 은 항상 보장될 수 있는 것이 필수적이다.
일부 시점에서, 단락과 같은 결함 (fault) 이 버스바 시스템에서, 시스템의 컴포넌트들의 하나에서, 또는 부하에서 중 어느 것에서 전력 시스템에서 불가피하게 발생할 것이다. 결함의 경우에, 시스템의 건전한 부분으로부터 그 결함을 분리시켜 그 건전한 부분에 의해 정상적인 전력 제공이 계속될 수 있도록 하고 건전한 부분들이 손상되는 것으로부터 보호하는 것이 중요하다. 이 목적을 위해, 보호 시스템이 통상적으로 전력 시스템에 포함된다. 전력 시스템에서 결함들을 처리하도록 배열된 보호 시스템은 통상적으로, 전력 시스템에서 전류들과 같은 전기적 파라미터들을 모니터링하도록 배열된 모니터링 장비, 및 모니터링 장비에 의해 제어되는 서킷 브레이커들 (circuit breakers) 을 포함한다. 서킷 브레이커들은 결함의 경우에 선택적 결함 분리가 획득될 수 있는 방식으로 전력 시스템에서 배열된다. 기존의 보호 시스템들은 하지만 일부 애플리케이션들에서 매우 비싸고 또한 공간 소비적일 수 있다.
WO2013127575 호는 메인 DC 버스, 메인 DC 버스에 공급하도록 배열된 전력 생성 유닛, 메인 DC 버스 결함의 경우에 메인 DC 버스로부터 전력 생성 유닛을 분리하기 위해 메인 DC 버스와 전력 생성 유닛 사이에 배열된 분리자 스위치, 메인 DC 버스에 의해 공급되도록 배열된 구동 유닛을 포함하는 DC-전력 시스템을 개시하고, 여기서, 구동 유닛은 구동 유닛 버스 시스템, 그 구동 유닛 버스 시스템에 접속된 컨버터 유닛들, 및 구동 유닛 결함의 경우에 컨버터 유닛들을 보호하기 위해 구동 유닛 버스 시스템과 컨버터 유닛들 사이에 배열된 퓨즈들을 포함한다. 그에 의해, DC-전력 시스템에서의 다양한 유닛들은 크고 공간 소비적이며 비싼 서킷 브레이커들의 사용 없이 그 유닛들의 어느 것에서 또는 메인 DC 버스 상에서의 결함들의 경우에 선택적으로 보호될 수 있다.
본 발명자는 WO2013127575 에서 개시된 보호 철학이 단순화될 수도 있다는 것 및 보호 전략의 유연성이 향상될 수도 있음을 깨달았다.
퓨즈들/반도체들 및 분리자 스위치들은 상이한 동작 속도 능력들을 갖는다. 시스템의 다양한 부분들로부터의 결함 전류들은 분명한 과도 특성을 가질 수도 있거나 그것은 결함 전류의 소스에 따라 보다 느리게 생성될 수도 있다. 과도 타입의 결함 전류의 일 예는 메인 DC 버스에 접속된 컨버터 유닛들에서의 커패시터들의 방전으로 인해 획득된다. 따라서, 예를 들어, 전력 생성 유닛에 가까운 결함은 컨버터 유닛들의 임의의 커패시터들의 방전을 야기할 수 있다.
상기한 바를 감안하여, 본 개시의 목적은 종래 기술의 문제점들을 해결하거나 적어도 완화하는 DC 전력 시스템을 제공하기 위한 것이다.
그러므로, 메인 버스, 메인 버스에 접속되도록 구성된 복수의 전력 전달 디바이스들, 제 1 구역 파티셔닝 디바이스, 및 제어 시스템을 포함하는 DC 전력 시스템이 제공되고, 여기서, 제 1 구역 파티셔닝 디바이스는 메인 버스를, 제 1 시간 범위 내에 결함으로부터 클리어 (clear) 될 것이 요구되는 전력 전달 디바이스들이 거기에 접속되도록 구성되는 메인 버스의 섹션인 제 1 보호 구역, 및 제 1 시간 범위에 포함된 임의의 시간보다 더 높은 (higher) 시간들을 포함하는 제 2 시간 범위 내에 결함으로부터 클리어될 것이 요구되는 메인 버스의 섹션이고 제 1 시간 범위 내에 결함으로부터 클리어될 것이 요구되는 어떠한 전력 전달 디바이스도 접속되도록 구성되지 않는 제 2 보호 구역으로 분리 (segregate) 하도록 구성되며, 여기서, 제어 시스템은 부하 전류가 제 1 보호 구역으로부터 제 2 보호 구역으로 흐르도록 허용하고 제 1 보호 구역으로부터 제 2 보호 구역으로의 결함 전류 흐름을 제한하도록 제 1 구역 파티셔닝 디바이스를 제어하도록 구성된다.
제 1 구역 파티셔닝 디바이스는, 제 2 보호 구역에서의 결함의 이벤트 시에 제 1 보호 구역으로부터 제 2 보호 구역을 빨리 분리시켜서, 이에 의해 제 1 보호 구역에서 발생하는 과도 결함 전류들이 제 2 보호 구역 내로 흐르는 것이 제한되거나 방지될 수 있고, 그에 의해, 제 1 보호 구역에서 전력 컨버터들과 같은 전력 전달 디바이스들에 대한 부정적인 영향을 방지한다. 그것은 또한 보호에 대한 보다 유연한 접근법을 허용하고, 여기서, 제 1 보호 구역에서 빠른 결함 처리를 제공하기 위해 제 1 보호 구역에서 더 높은 성능의 보호 디바이스들이 사용될 수도 있고, 제 2 보호 구역에서 더 낮은 성능의 보호 디바이스들이 사용될 수도 있으며, 결함 처리를 위한 복수의 전략들이 이용될 수도 있다.
하나의 실시형태에 따르면, 제어 시스템은 부하 전류가 제 1 보호 구역으로부터 제 2 보호 구역으로 흐르도록 허용하도록 그리고 결함 전류가 제 1 보호 구역으로부터 제 2 보호 구역으로 흐르는 것을 방지하도록 제 1 구역 파티셔닝 디바이스를 제어하도록 구성된다.
제 1 보호 구역은 그것에 접속되도록 구성된 전력 컨버터들의 형태의 대부분의 전력 전달 디바이스들은 dc 링크 전압을 지원하는 통합된 커패시터 뱅크들을 갖는다는 사실에 의해 특정지어진다. 전력 컨버터들은 그것들의 동작을 위해 이들에 의존하고, 이들 커패시터들 상의 전압이 소정 레벨 미만으로 떨어지는 경우에 전력 컨버터들은 미달 전압에 트립된다. dc-링크의 용량성 성질은 또한, 이 구역에서의 결함 전류들은 매우 짧은 시간 상수들을 가지고 결과적으로 결함 후에 매우 짧은 시간 내에서 높은 레벨들에 도달함을 의미한다. 이것은 또한, 제 1 보호 구역에서의 임의의 결함들이 그것의 컨버터들에 대한 부정적 영향들을 회피하기 위해 지극히 빨리 처리되어야만 함을 의미한다. 이 환경은 수 마이크로세컨드 내지 수 밀리세컨드의 범위에서 결함들을 제거하는 고속 퓨즈들 및 솔리드 스테이트 서킷 브레이커들에 이상적으로 잘 맞다. 제 1 구역 파티셔닝 디바이스는 특정 제 1 보호 구역 외부의 결함들이 즉시 컨버터들이 미달 전압에 트립되게 하지 않는 것을 보장한다.
제 2 보호 구역은 보다 긴 시간 상수들을 갖는 결함 전류들에 의해 특징지어지고, 그것에 접속된 임의의 전력 컨버터들은 동작할 그것들의 dc 단자들 상의 커패시터 뱅크들에 의존적이지 않다. 이것은, 이 구역에서 더 느리게 작동하는 보호 접근법을 이용하는 것이 가능함을 의미한다. 메인 버스의 다른 구역(들)으로부터 제 2 보호 구역 내로의 모든 진입 포인트들은 결함 전류를 제어할 수 있는 구역 파티셔닝 디바이스들에 의해 보호된다. 이것은, 일 예에 따라, 폴드-백 보호 체계 (fold-back protection scheme) 를 구현하기 위해 사용될 수 있고, 이에 의해 지속되는 결함 전류가 그리드 전압 및 결함 전류에서의 감소를 트리거한다. 결함있는 섹션 또는 컴포넌트들은 시스템으로부터 접속해제되고, 전압은 다시 상승된다. 이 구역에서의 결함들은 통상적으로 2-500 ms 에서 클리어된다.
제 1 보호 구역은 용량성 구역일 수도 있고, 제 2 보호 구역은 DC 그리드 구역일 수도 있다.
하나의 실시형태에 따르면, 제어 시스템은 부하 전류 및 결함 전류가 제 2 보호 구역으로부터 제 1 보호 구역으로 흐르는 것을 허용하도록 제 1 구역 파티셔닝 디바이스를 제어하도록 구성된다.
하나의 실시형태에 따르면, 제 1 구역 파티셔닝 디바이스는 솔리드 스테이트 서킷 브레이커 (solid state circuit breaker) 이다.
하나의 실시형태는 정류기를 포함하고, 여기서, 제 2 보호 구역에 접속되도록 구성된 전력 전달 디바이스들 중 적어도 하나는 디젤 발전기 또는 가스 엔진이고, 여기서, 그 디젤 발전기 또는 가스 엔진은 정류기를 통해 메인 버스에 접속되도록 구성된다.
하나의 실시형태에 따르면, 전력 전달 디바이스들 중 적어도 하나는 커패시터 뱅크 (capacitor bank) 를 포함하는 전력 컨버터이고, 전력 컨버터는 제 1 보호 구역에 접속되도록 구성된다.
하나의 실시형태에 따르면, 제 1 보호 구역에 접속되도록 구성된 전력 전달 디바이스들 중 적어도 하나는 에너지 저장 유닛이다.
하나의 실시형태에 따르면, 제 1 보호 구역에 접속되도록 구성된 전력 전달 디바이스들 중 적어도 하나는 발전기, 예를 들어, 디젤 발전기이다.
하나의 실시형태에 따르면, 제 1 시간 범위 및 제 2 시간 범위는 부분적으로 중첩된다.
하나의 실시형태에 따르면, 제 1 시간 범위 및 제 2 시간 범위는 분리된 것이다.
하나의 실시형태에 따르면, 제 1 시간 범위는 1 마이크로 세컨드 정도에서부터 1 밀리세컨드 정도까지의 범위인 시간들을 포함한다.
하나의 실시형태에 따르면, 제 2 시간 범위는 1 밀리세컨드 정도에서부터 수백 밀리세컨드 정도까지의 범위인 시간들을 포함한다.
하나의 실시형태는 버스-타이 (bus-tie) 를 포함하고, 여기서, 메인 버스는 버스-타이에 의해 제 1 버스 섹션 및 제 2 버스 섹션으로 분리가능하고, 제 1 구역 파티셔닝 디바이스는 제 1 버스 섹션을 제 1 보호 구역 및 제 2 보호 구역으로 분리하도록 구성되며, DC 전력 시스템은 제 2 구역 파티셔닝 디바이스를 포함하고, 제 2 구역 파티셔닝 디바이스는 제 2 버스 섹션을, 제 1 시간 범위 내에 결함으로부터 클리어될 것이 요구되는 전력 전달 디바이스들이 거기에 접속되도록 구성되는 제 2 버스 섹션의 섹션인 제 1 보호 구역, 및 제 2 시간 범위 내에 결함으로부터 클리어될 것이 요구되는 메인 버스의 섹션이고 제 1 시간 범위 내에 결함으로부터 클리어될 것이 요구되는 어떠한 전력 전달 디바이스도 거기에 접속되도록 구성되지 않는 제 2 보호 구역으로 분리하도록 구성되며, 제어 시스템은 부하 전류가 제 1 보호 구역으로부터 제 2 보호 구역으로 흐르도록 허용하고 결함 전류가 제 1 보호 구역으로부터 제 2 보호 구역으로 흐르는 것을 제한하도록 제 2 구역 파티셔닝 디바이스를 제어하도록 구성된다.
하나의 실시형태에 따르면, 제어 시스템은 부하 전류가 제 1 보호 구역으로부터 제 2 보호 구역으로 흐르는 것을 허용하고 결함 전류가 제 1 보호 구역으로부터 제 2 보호 구역으로 흐르는 것을 방지하도록 제 2 구역 파티셔닝 디바이스를 제어하도록 구성된다.
하나의 실시형태에 따르면, 제어 시스템은 부하 전류 및 결함 전류가 제 2 보호 구역으로부터 제 1 보호 구역으로 흐르도록 허용하도록 제 2 구역 파티셔닝 디바이스를 제어하도록 구성된다.
하나의 실시형태는 복수의 접속해제 디바이스들을 포함하고, 각각의 접속해제 디바이스는 메인 버스와 각각의 전력 전달 디바이스 사이에 접속되어 메인 버스로부터의 전력 전달 디바이스들의 접속해제를 가능하게 하도록 구성된다.
하나의 실시형태에 따르면, 제 1 보호 구역에 접속되도록 구성된 전력 전달 디바이스들을 접속해제 (disconnect) 하도록 구성되는 접속해제 디바이스들의 적어도 일부는 솔리드 스테이트 서킷 브레이커들 및 퓨즈들, 예를 들어 고속 퓨즈들, 중 일방이다.
제 2 보호 구역에 접속되도록 구성되는 전력 전달 디바이스들을 접속해제하도록 구성된 접속해제 디바이스들은 분리자 스위치들 (isolator switches), 컨택터들 (contactors) 또는 에어 서킷 브레이커들 (air circuit breakers) 일 수도 있다.
하나의 실시형태에 따르면, DC 전력 시스템은 선박의 온-보드 (on-board) 전력 시스템이다.
하나의 실시형태는 모니터링 시스템을 포함하고, 이 모니터링 시스템은, 제 2 보호 구역에서의 결함의 이벤트 시에, 제 1 보호 구역으로부터 제 2 보호 구역으로 흐르도록 제 1 구역 파티셔닝 디바이스에 의해 허용된 제한된 결함 전류를 모니터링하여 그에 의해 결함이 클리어되었는지 여부를 결정하도록 구성된다.
본 개시의 제 2 양태에 따르면 제 1 양태에 따른 DC 전력 시스템을 포함하는 선박 (marine vessel) 이 제공된다.
하나의 실시형태에 따르면, 선박은 동적 포지셔닝 (dynamic positioning) 선박이다.
일반적으로, 청구항들에서 사용된 모든 용어들은 본 명세서에서 달리 명시적으로 정의되지 않는 한 당해 기술 분야에서의 그것들의 통상적인 의미에 따라 해석되어야 한다. "부정관사/정관사 (a/an/the) 엘리먼트, 장치, 컴포넌트, 수단 등에 대한 모든 언급들은 달리 명시적으로 진술되지 않는 한 그 엘리먼트, 장치, 컴포넌트, 수단 등에 대한 언급으로서 개방적으로 해석되어야 한다.
발명적 개념의 특정 실시형태들은 이제 첨부 도면들을 참조하여 예시적으로 설명될 것이다.
도 1 은 DC 전력 시스템의 일 예의 개략도이다.
도 2 는 도 1 에서의 DC 전력 시스템의 동작의 일 예를 개략적으로 도시한다.
발명적 개념은, 예시적인 실시형태들이 도시된 첨부 도면들을 참조하여 이하에서 보다 완전히 이제 설명될 것이다. 하지만, 발명적 개념은 많은 상이한 형태들로 구현될 수도 있고, 본 명세서에서 전개된 실시형태들에 제한되는 것으로서 해석되어서는 아니되며; 그보다는, 이들 실시형태들은 이 개시가 철저하고 완전하도록, 그리고 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자 (이하, '통상의 기술자' 라 함) 에게 본 발명의 개념의 범위를 충분히 전달하도록 예시적 방식에 의해 제공된다. 유사한 참조부호들은 설명 전체를 통해 유사한 엘리먼트들을 지칭한다.
본 개시는 메인 버스, 복수의 전력 전달 디바이스들, 복수의 접속해제 디바이스들 또는 보호 디바이스들, 제어 시스템 및 제 1 구역 파티셔닝 디바이스를 포함하는 DC 전력 시스템에 관한 것이다.
각 전력 전달 디바이스는 각각의 접속해제 디바이스에 의해 메인 버스에 접속되도록 구성된다. 이 접속해제 디바이스는 각기의 전력 전달 디바이스들을 메인 버스로부터 접속해제하도록 구성된다.
제 1 구역 파티셔닝 디바이스는 메인 버스를 제 1 보호 구역 및 제 2 보호 구역으로 분리하도록 구성된다. 제 1 보호 구역 및 제 2 보호 구역은 2 개 타입들의 보호 구역들을 형성한다.
제 1 보호 구역은 빠른 결함 클리어런스 요건들에 의해 특징지어지는 것이고, 제 2 보호 구역은 제 1 보호 구역보다 더 느린 결함 클리어런스 요건들에 의해 특징지어지는 것이다. 결함 클리어런스 요건들 (fault clearance requirements) 은 메인 버스에 접속되도록 구성된 특정 전력 전달 디바이스들에 의해 형성된다. 빠른 결함 클리어런스 요건들을 갖는 전력 전달 디바이스들이 거기에 접속되도록 구성되는 메인 버스의 섹션은 제 1 보호 구역이다. 더 느린 결함 클리어런스 요건들을 갖는 전력 전달 디바이스들이 거기에 접속되도록 구성되고 빠른 결함 클리어런스 요건들을 갖는 어떠한 전력 전달 디바이스들도 거기에 접속되지 않는 메인 버스의 섹션은 제 2 보호 구역이다.
제 1 보호 구역에서의 결함 클리어런스 요건은 제 1 시간 범위 내에 있다. 제 1 시간 범위는 1 마이크로 세컨드의 정도에서부터 1 밀리세컨드의 정도까지의 범위인 시간들을 포함한다. 제 2 보호 구역에서의 결함 클리어런스 요건은, 제 1 시간 범위에 포함되는 임의의 시간보다 더 높은 시간들을 포함하는 제 2 시간 범위 내에 있다. 제 1 시간 범위 및 제 2 시간 범위는 부분적 중첩을 가질 수도 있거나, 또는 분리될 수도 있다. 제 2 시간 범위는 1 밀리세컨드의 정도에서부터 수백 밀리세컨드의 정도까지의 범위인 시간들을 포함한다.
제어 시스템은 부하 전류가 제 1 보호 구역으로부터 제 2 보호 구역으로 흐르도록 허용하도록 그리고 결함 전류가 제 1 보호 구역으로부터 제 2 보호 구역으로 흐르는 것을 제한하거나 방지하도록 제 1 구역 파티셔닝 디바이스를 제어하도록 구성된다. 제어 시스템은 또한, 부하 전류 및 결함 전류가 제 2 보호 구역으로부터 제 1 보호 구역으로 흐르도록 허용하도록 제 1 구역 파티셔닝 디바이스를 제어하도록 구성된다.
제 1 보호 구역 외부의 메인 버스의 섹션들로부터 제 2 보호 구역 내로의 모든 진입 포인트들은 각각의 구역 파티셔닝 디바이스들에 의해 보호되어서, 그에 의해 결함 전류들이 제 1 보호 구역으로부터 제 2 보호 구역으로 흐르는 것을 제한하거나 방지한다.
DC 전력 시스템의 일 예가 이제 도 1 을 참조하여 설명될 것이다.
도 1 은 DC 전력 시스템 (1) 을 개략적으로 도시한다. DC 전력 시스템 (1) 은 DC 그리드로서 또한 알려진, 메인 버스 (3), 즉, 메인 DC 버스를 포함한다. 메인 DC 버스 (3) 는 제 1 버스 섹션 (3a), 즉, 제 1 DC 버스 섹션, 및 제 2 버스 섹션 (3b), 즉, 제 2 DC 버스 섹션을 갖는다. DC 전력 시스템 (1) 은 추가적으로, 제 1 DC 버스 섹션 (3a) 및 제 2 DC 버스 섹션 (3b) 을 접속 및 접속해제하기 위해 배열된 스위치 (3c), 예를 들어 버스-타이를 포함한다.
DC 전력 시스템 (1) 은 전력 생성 유닛들의 형태로 전력 전달 디바이스들 (G1 내지 G4) 을 포함한다. 본 예에 따르면, 전력 전달 디바이스들 (G1 및 G2) 은 제 1 DC 버스 섹션 (3a) 에 접속되도록 구성되고, 전력 전달 디바이스들 (G3 및 G4) 은 제 2 DC 버스 섹션 (3b) 에 접속되도록 구성된다.
각각의 전력 전달 (G1 내지 G4) 은 예를 들어 AC 전력 소스, 예컨대, 디젤 발전기 또는 가스 엔진일 수도 있다. DC 전력 시스템 (1) 은 따라서, 각 전력 전달 디바이스 (G1 내지 G4) 에 대해 하나의 정류기 (R1 내지 R4) 로 복수의 정류기들 (R1 내지 R4) 을 포함할 수도 있다. 각각의 정류기 (R1 내지 R4) 는 각각의 전력 전달 디바이스 (G1 내지 G4) 에 그리고 메인 버스 (3) 에 접속되도록 구성된다. 각 정류기 (R1 내지 R4) 는 따라서, 각각의 전력 전달 디바이스 (G1 내지 G4) 에 접속되도록 구성된 단자들 및 메인 버스 (3) 에 접속되도록 구성된 단자들을 갖는다.
DC 전력 시스템 (1) 은 정류기들 (R1-R4) 의 각각의 하나를 선택적으로 접속해제하기 위한, 따라서 전력 전달 디바이스들 (G1-G4) 을 메인 버스 (3) 로부터 접속해제하기 위한, 에어 서킷 브레이커들, 접속해제기들, 또는 컨택터들과 같은 접속해제 디바이스들 (5) 을 포함한다.
메인 버스 (3) 는 제 2 보호 구역 및 제 1 보호 구역으로서 지칭되는 상이한 보호 구역들로 분리되도록 구성된다. 그 분리 (segregation) 는 이하에서 보다 자세히 설명되는 바와 같이 구역 파티셔닝 디바이스들에 의해 제공된다.
전력 전달 디바이스들 (G1-G4) 이 거기에 접속되도록 구성되는 메인 버스 (3) 의 섹션은 제 2 보호 구역 (Z1) 이다. 여기서, 오직 더 긴 결함 클리어런스 요건들을 갖는 전력 전달 디바이스들만이 메인 버스 (3) 에 접속되도록 구성된다. 따라서, 통합된 커패시터 뱅크들을 포함하는 어떠한 전력 컨버터들도 제 2 보호 구역 (Z1) 에 접속되거나 접속되도록 구성되지 않는다.
예시된 DC 전력 시스템 (1) 은 또한, 복수의 전력 전달 디바이스들 (G5 내지 G8 및 11-15) 을 포함하고, 그것들의 적어도 일부는 빠른 결함 클리어런스 요건들을 가지고, 각각의 제 1 보호 구역 (Z2 및 Z3) 에 접속되도록 구성된다. DC 전력 시스템 (1) 은 또한, 각각의 전력 전달 디바이스 (11-15) 와 메인 버스 (3) 사이에 접속되도록 구성된 복수의 접속해제 디바이스들 (6), 및 메인 버스 (3) 와 각각의 전력 전달 디바이스들 (G5 내지 G8) 사이에 접속되도록 구성된 복수의 접속해제 디바이스들 (10) 을 포함한다. 접속해제 디바이스들 (6, 10) 은 전력 전달 디바이스들 (G5-G8 및 11-15) 의 각각의 하나를 각각 메인 버스 (3) 로부터 선택적으로 접속해제하도록 구성된다.
예시된 전력 전달 디바이스들 (G5 내지 G8) 은 AC 전력 생성 유닛들, 예컨대, 디젤 발전기들 또는 가스 엔진들이다. 예시된 DC 전력 시스템 (1) 은 따라서 정류기들 (R5-R8) 을 포함하고, 전력 전달 디바이스들 (G5 내지 G8) 은 각각의 정류기 (R5-R8) 를 통해 메인 버스 (3) 에 접속되도록 구성된다. 정류기들 (R5-R8) 은, 예컨대, 정류기 결함 또는 전력 전달 디바이스 결함의 이벤트 시에 커패시터들의 방전으로부터 빠른 과도 결함 전류들을 차단할 수 있는 스위칭가능한 정류기 브릿지들, 예를 들어 사이리스터-기반 정류기 브릿지들을 제공받을 수도 있다. 전력 전달 디바이스들 (G5-G8) 은 따라서 빠른-과도 결함 전류 환경에서 설치되도록 구성된다.
DC 전력 시스템 (1) 은 추가적으로, 메인 버스 (3) 를 제 2 보호 구역 (Z1) 및 제 1 보호 구역 (Z2) 으로 분리하는 제 1 구역 파티셔닝 디바이스 (7a), 및 메인 버스 (3) 를 그리드 구역 (Z1) 및 제 1 보호 구역 (Z3) 으로 분리하는 제 2 구역 파티셔닝 디바이스 (7b) 를 포함한다.
제 1 구역 파티셔닝 디바이스 (7a) 및 제 2 구역 파티셔닝 디바이스 (7b) 는 예를 들어 솔리드 스테이트 서킷 브레이커들일 수도 있다.
DC 전력 시스템 (1) 은 또한, 제 1 구역 파티셔닝 디바이스 (7a) 및 제 2 구역 파티셔닝 디바이스 (7b) 를 제어하도록 구성된 제어 시스템 (9) 을 포함한다. 특히, 제어 시스템 (9) 은, 부하 전류가 제 1 보호 구역 (Z2) 으로부터 제 2 보호 구역 (Z1) 으로 흐르도록 허용하고 결함 전류가 제 1 보호 구역 (Z2) 으로부터 제 2 보호 구역 (Z1) 으로 흐르는 것을 제한하거나 방지하도록 제 1 구역 파티셔닝 디바이스 (7a) 를 제어하도록 구성된다. 제어 시스템 (9) 은 추가적으로, 부하 전류 및 결함 전류가 제 2 보호 구역 (Z1) 으로부터 제 1 보호 구역 (Z2) 으로 흐르도록 허용하도록 제 1 구역 파티셔닝 디바이스 (7a) 를 제어하도록 구성될 수도 있다.
제어 시스템 (9) 은 추가적으로, 부하 전류가 제 1 보호 구역 (Z3) 으로부터 제 2 보호 구역 (Z1) 으로 흐르도록 허용하고 결함 전류가 제 1 보호 구역 (Z3) 으로부터 제 2 보호 구역 (Z1) 으로 흐르는 것을 제한하거나 방지하도록 제 2 구역 파티셔닝 디바이스 (7b) 를 제어하도록 구성된다. 제어 시스템 (9) 은 추가적으로, 부하 전류 및 결함 전류가 제 2 보호 구역 (Z1) 으로부터 제 1 보호 구역 (Z3) 으로 흐르도록 허용하도록 제 2 구역 파티셔닝 디바이스 (7b) 를 제어하도록 구성될 수도 있다.
제어 시스템 (9) 은 따라서, 시스템에서 흐르는 전류들, 또는 전압들과 같은 다른 전기적 파라미터들의 측정치들 또는 추정치들을 획득하거나 수신하도록 구성될 수도 있고, 결함이 검출되는 경우에, 제어 시스템 (9) 은 이에 따라 구역 파티셔닝 디바이스들 (7a 및 7b) 을 제어한다.
메인 버스 (3) 의 제 1 버스 섹션 (3a) 및 제 2 버스 섹션 (3b) 에 접속되도록 구성된 전력 전달 디바이스들 (11) 은 배터리와 같은 에너지 저장 유닛, 및 DC/DC 컨버터를 포함하는 시스템에 의해 예시되고, 따라서, 제 1 보호 구역 (Z2) 및 제 2 보호 구역 (Z3) 에 각각 접속된다.
전력 전달 디바이스들 (13 및 15) 은 예컨대 모터 (M) 에 공급하도록 구성된 인버터들이다. 전력 전달 디바이스들 (11-15) 의 컨버터들의 임의의 것은 DC 링크 전압을 지지하도록 구성되는 통합된 커패시터 뱅크를 포함할 수도 있다. 결함의 경우에 커패시터들이 방전할 때 빠른 과도들을 야기하는 것은 이들 커패시터들 뱅크들이다.
도 2 는 결함 (F) 이 전력 전달 디바이스 (G1) 의 부근에서 일어나는 상황의 일 예를 나타낸다. 예를 들어 WO2013127575 에서 개시된 바와 같이 이 유형의 결함을 어떻게 처리할지의 다수의 전략들이 존재하고, 결함 처리 전략들은 따라서 본 명세서에서 어떻게 상세하게 설명되지 않을 것이다. 도 2 에서의 예로 이제 돌아가서, 제 2 버스 섹션 (3b) 을 결함으로부터 접속해제하기 위해, 제 1 버스 섹션 (3a) 및 제 2 버스 섹션 (3b) 이 이전에 접속되었던 경우에, 버스-타이 (3c) 는 개방될 수도 있다. 또한, 제어 시스템 (9) 은 이 경우에 제 1 구역 파티셔닝 디바이스 (7a) 에 제어 신호들을 전송할 것이고, 이는 결과로서 결함 전류들이 제 1 보호 구역 (Z2) 으로부터 제 2 보호 구역 (Z1) 으로 흐르는 것을 차단 또는 제한할 것이다. 결함 (F) 은 그 다음에 제 2 보호 구역 (Z1) 에서의 더 낮은 결함 클리어런스 요건들에 따라 처리될 수도 있다.
하나의 예에 따르면, DC 전력 시스템은 모니터링 시스템을 포함하고, 이 모니터링 시스템은, 제 2 보호 구역에서의 결함의 경우에 제 1 보호 구역(들)으로부터 제 2 보호 구역으로 흐르도록 각각의 구역 파티셔닝 디바이스(들)에 의해 허용되는 제한된 결함 전류를 모니터링하고 그에 의해 결함이 클리어되었는지 또는 아닌지 여부를 결정하도록 구성된다. 제한된 양의 결함 전류가 제 1 보호 구역(들)으로부터 결함부로 흐르도록 허용함으로써, 결함이 클리어되었는지 또는 아닌지 여부의 검출이 용이하게 될 수도 있다.
2-분할 시스템으로 상기 예시된 본 명세서에서 설명된 구역 파티셔닝은 또한 3 개 또는 4 개의 분할들, 즉, 예컨대 버스-타이에 의해 접속가능한 섹션들을 갖는 DC 전력 시스템에 대해 또한 구현될 수도 있음에 유의하여야 한다. 섹션 당 다수의 제 2 보호 구역들 및 제 1 보호 구역들이 또한 존재할 수 있다.
제어 시스템은 복수의 제어기들을 포함할 수도 있고, 각 제어기는 각각의 구역 파티셔닝 디바이스를 제어하도록 구성됨에 또한 유의하여야 한다.
DC 전력 시스템은 하나의 예에 따르면 아무런 전력 전달 디바이스들도 직접 거기에 접속되지 않는 제 2 보호 구역을 가질 수도 있다. 이 경우에, 제 2 보호 구역은, 어떤 전력 전달 디바이스도 그 제 2 보호 구역에 직접 접속되도록 구성되지 않고, 오직 구역 파티셔닝 디바이스들을 통해서만 접속되도록 구성된다는 의미에서 본질적으로 빈 것일 수도 있다. 구역 보호 디바이스들과 제 2 보호 구역 사이에 접속된 버스-타이 및 분리자 스위치들과 같이, 제 2 보호 구역에서 존재할 수도 있는 접속해제 디바이스들로 인해 이 유형의 구성에서 이익들이 여전히 존재할 수도 있다. 이들 접속해제 디바이스들은 그러면, 요망되는 경우, 빠른 과도들을 처리할 수 없는, 더 느린 타입의 및/또는 더 싼 것이도록 유연하게 선택될 수도 있다. 따라서, 메인 버스를 상이한 보호 구역들, 즉, 이 경우에 또한 제 1 보호 구역(들) 및 제 2 보호 구역(들)으로 분리 또는 하위분할하는 것이 유익할 수도 있다. 이러한 구성에서, 적어도 하나의 제 1 보호 구역은 전력 컨버터들에 추가하여 시스템에 전력을 제공하기 위해 예를 들어 디젤 발전기들 및/또는 가스 엔진들의 형태로 전력 전달 디바이스들을 포함할 수도 있다.
본 명세서에서 설명된 DC 전력 시스템은 유리하게는 예를 들어 동적 포지셔닝을 이용하는 선박들에 대해 선박에 동력을 공급하기 위한 온-보드 전력 시스템으로서 사용될 수도 있다. 이러한 선박들의 예들은 케이블 설치 선박들, 드릴쉽들, 부유식 생산소, 저장 및 오프로딩 유닛들 (FPSO), 반-잠수정들, 및 오일 플랫폼들이다. 본 전력 시스템은 통상적으로 저 전압 환경에서 사용되지만, 더 높은 전압 애플리케이션들, 예컨대, 중간 전압이 또한 고려된다.
발명적 개념은 주로 수개의 예들을 참조하여 상기 설명되었다. 하지만, 통상의 기술자에 의해 쉽게 이해되는 바와 같이, 상기 개시된 것들 외의 다른 실시형태들이 첨부된 청구항들에 의해 정의되는 바와 같이 발명적 개념의 범위 내에서 동등하게 가능하다.

Claims (16)

  1. DC 전력 시스템 (1) 으로서,
    메인 버스 (3),
    상기 메인 버스 (3) 에 접속되도록 구성된 복수의 전력 전달 디바이스들 (G1-G8, 11-15),
    제 1 구역 파티셔닝 디바이스 (7a), 및
    제어 시스템 (9) 을 포함하고,
    상기 제 1 구역 파티셔닝 디바이스 (7a) 는 상기 메인 버스 (3) 를, 제 1 시간 범위 내에 결함으로부터 클리어 (clear) 될 것이 요구되는 전력 전달 디바이스들 (11-15) 이 접속되도록 구성되는 상기 메인 버스 (3) 의 섹션인 제 1 보호 구역 (Z2), 및 상기 제 1 시간 범위에 포함된 임의의 시간보다 더 높은 시간들을 포함하는 제 2 시간 범위 내에 결함으로부터 클리어될 것이 요구되는 전력 전달 디바이스들 (G1-G4) 이 접속되도록 구성되고 상기 제 1 시간 범위 내에 결함으로부터 클리어될 것이 요구되는 어떠한 전력 전달 디바이스 (11-15) 도 접속되도록 구성되지 않는 상기 메인 버스 (3) 의 섹션인 제 2 보호 구역 (Z1) 으로 분리하도록 구성되며,
    상기 제어 시스템 (9) 은 부하 전류가 상기 제 1 보호 구역 (Z2) 으로부터 상기 제 2 보호 구역 (Z1) 으로 흐르도록 허용하고 상기 제 1 보호 구역 (Z2) 으로부터 상기 제 2 보호 구역 (Z1) 으로의 결함 전류 흐름을 제한하도록 상기 제 1 구역 파티셔닝 디바이스 (7a) 를 제어하도록 구성되는, DC 전력 시스템 (1).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 시스템 (9) 은 부하 전류 및 결함 전류가 상기 제 2 보호 구역 (Z1) 으로부터 상기 제 1 보호 구역 (Z2) 으로 흐르는 것을 허용하도록 상기 제 1 구역 파티셔닝 디바이스 (7a) 를 제어하도록 구성되는, DC 전력 시스템 (1).
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 구역 파티셔닝 디바이스 (7a) 는 솔리드 스테이트 서킷 브레이커인, DC 전력 시스템 (1).
  4. 제 1 항에 있어서,
    제 2 시간 범위 내에 결함으로부터 클리어될 것이 요구되는 전력 전달 디바이스 (G1-G4) 및 정류기 (R1-R4) 를 포함하고,
    상기 전력 전달 디바이스 (G1-G4) 는 상기 정류기 (R1-R4) 를 통해 상기 제 2 보호 구역 (Z1) 에 접속되도록 구성되는, DC 전력 시스템 (1).
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력 전달 디바이스들 (11-15) 중 적어도 하나는 커패시터 뱅크를 포함하는 전력 컨버터이고, 상기 전력 컨버터는 상기 제 1 보호 구역 (Z2) 에 접속되도록 구성되는, DC 전력 시스템 (1).
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 시간 범위 및 상기 제 2 시간 범위는 부분적으로 중첩하는, DC 전력 시스템 (1).
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 시간 범위 및 상기 제 2 시간 범위는 분리된, DC 전력 시스템 (1).
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 시간 범위는 1 마이크로 세컨드 정도에서부터 1 밀리세컨드 정도까지의 범위인 시간들을 포함하는, DC 전력 시스템 (1).
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 시간 범위는 1 밀리세컨드 정도에서부터 수백 밀리세컨드 정도까지의 범위인 시간들을 포함하는, DC 전력 시스템 (1).
  10. 제 1 항에 있어서,
    버스-타이 (3c) 를 포함하고,
    상기 메인 버스 (3) 는 상기 버스-타이 (3c) 에 의해 제 1 버스 섹션 (3a) 및 제 2 버스 섹션 (3b) 으로 분리가능하고, 상기 제 1 구역 파티셔닝 디바이스 (7a) 는 상기 제 1 버스 섹션 (3a) 을 상기 제 1 보호 구역 (Z2) 및 상기 제 2 보호 구역 (Z1) 으로 분리하도록 구성되며,
    상기 DC 전력 시스템 (1) 은 제 2 구역 파티셔닝 디바이스 (7b) 를 포함하고, 상기 제 2 구역 파티셔닝 디바이스 (7b) 는 상기 제 2 버스 섹션 (3b) 을, 제 1 시간 범위 내에 결함으로부터 클리어될 것이 요구되는 전력 전달 디바이스들 (11-15) 이 접속되도록 구성되는 상기 제 2 버스 섹션 (3b) 의 섹션인 제 1 보호 구역 (Z3), 및 상기 제 2 시간 범위 내에 결함으로부터 클리어될 것이 요구되는 상기 메인 버스 (3) 의 섹션이고 상기 제 1 시간 범위 내에 결함으로부터 클리어될 것이 요구되는 어떠한 전력 전달 디바이스 (11-15) 도 접속되도록 구성되지 않는 제 2 보호 구역 (Z1) 으로 분리하도록 구성되며, 상기 제어 시스템 (9) 은 부하 전류가 상기 제 1 보호 구역 (Z3) 으로부터 상기 제 2 보호 구역 (Z1) 으로 흐르도록 허용하고 상기 제 1 보호 구역 (Z3) 으로부터 상기 제 2 보호 구역 (Z1) 으로의 결함 전류 흐름을 제한하도록 상기 제 2 구역 파티셔닝 디바이스 (7b) 를 제어하도록 구성되는, DC 전력 시스템 (1).
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어 시스템 (9) 은 부하 전류 및 결함 전류가 상기 제 2 보호 구역 (Z1) 으로부터 상기 제 1 보호 구역 (Z3) 으로 흐르는 것을 허용하도록 상기 제 2 구역 파티셔닝 디바이스 (7b) 를 제어하도록 구성되는, DC 전력 시스템 (1).
  12. 제 1 항에 있어서,
    복수의 접속해제 디바이스들 (6, 10) 을 포함하고,
    각각의 접속해제 디바이스 (5, 6, 10) 는 상기 메인 버스 (3) 와 각각의 전력 전달 디바이스 (G5-G8, 11-15) 사이에 접속되어 상기 메인 버스 (3) 로부터의 상기 전력 전달 디바이스들 (G5-G8, 11-15) 의 접속해제를 가능하게 하도록 구성되는, DC 전력 시스템 (1).
  13. 제 12 항에 있어서,
    제 1 보호 구역 (Z2, Z3) 에 접속되도록 구성된 전력 전달 디바이스들 (11-15) 을 접속해제하도록 구성되는 상기 접속해제 디바이스들 (6) 의 적어도 일부는 솔리드 스테이트 서킷 브레이커들 및 퓨즈들 중 일방인, DC 전력 시스템 (1).
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 보호 구역에서의 결함의 경우에, 상기 제 1 보호 구역으로부터 상기 제 2 보호 구역으로 흐르도록 상기 제 1 구역 파티셔닝 디바이스에 의해 허용된 제한된 결함 전류를 모니터링하여 그에 의해 상기 결함이 클리어되었는지 여부를 결정하도록 구성되는 모니터링 시스템을 포함하는, DC 전력 시스템 (1).
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 기재된 DC 전력 시스템 (1) 을 포함하는 선박.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 선박은 동적 포지셔닝 선박인, 선박.
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