KR20140123982A

KR20140123982A - 시스템 보호 성능들을 갖는 dc-전력 시스템

Info

Publication number: KR20140123982A
Application number: KR1020147024362A
Authority: KR
Inventors: 욘 린트외른
Original assignee: 에이비비 테크놀로지 리미티드
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2013-01-24
Publication date: 2014-10-23
Also published as: RU2014138818A; SG11201404427UA; JP6001098B2; US9735573B2; DK2634885T3; JP2015515243A; CN104137372A; CA2865231A1; BR112014019687A2; CN104137372B; EP2634885B1; CA2865231C; BR112014019687A8; BR112014019687B1; AU2013225292A1; WO2013127575A1; RU2592066C2; US20140361621A1; KR101542339B1; EP2634885A1

Abstract

메인 DC 버스 (3), 메인 DC 버스 (3) 에 공급하도록 배열된 전력 발생 유닛 (P1, P2, P3, P4), 메인 DC 버스 고장의 경우에 메인 DC 버스 (3) 로부터 전력 발생 유닛 (P1, P2, P3, P4) 을 격리하기 위해 메인 DC 버스 (3) 와 전력 발생 유닛 (P1, P2, P3, P4) 사이에 배열된 아이솔레이터 스위치 (7), 및 메인 DC 버스 (3) 에 의해 공급되도록 배열된 드라이브 유닛 (D1, D2) 으로서, 드라이브 유닛 (D1, D2) 은, 드라이브 유닛 버스 시스템 (DB), 드라이브 유닛 버스 시스템 (DB) 에 연결된 컨버터 유닛들 (I1, I2, I3), 및 드라이브 유닛 고장의 경우에 컨버터 유닛들 (I1, I2, I3) 을 보호하기 위해 드라이브 유닛 버스 시스템 (DB) 과 컨버터 유닛들 (I1, I2, I3) 사이에 배열된 퓨즈들 (F) 을 포함하는, 상기 드라이브 유닛 (D1, D2) 을 포함하는, DC-전력 시스템 (1) 이 제시된다.

Description

시스템 보호 성능들을 갖는 DC-전력 시스템{A DC-POWER SYSTEM WITH SYSTEM PROTECTION CAPABILITIES}

본 개시는 일반적으로, 전력 시스템들에 관한 것이고, 보다 상세하게는 보호 성능들을 갖는 DC-전력 시스템에 관한 것이다.

전력 시스템들은 통상적으로 하나 이상의 전력 발생원, 드라이브들, 및 에너지 저장 모듈들과 같은 복수의 컴포넌트들을 포함한다. 이들 컴포넌트들은 통상적으로, 전력 시스템에 연결된 하나 이상의 부하들에 전력을 제공하기 위해 전류들이 흐를 수 있는 버스바 (busbar) 시스템에 의해 상호연결된다.

어떤 시점에서, 단락과 같은 고장 (fault) 이 전력 시스템에서, 버스바 시스템에서, 시스템의 컴포넌트들 중 하나에서, 또는 부하 (load) 에서 불가피하게 일어날 것이다. 고장의 경우에, 건전한 부분 (healthy part) 에 의해 정상적인 전력 제공이 계속될 수 있도록, 그리고 건전한 부분들을 손상되는 것으로부터 보호하기 위해, 시스템의 건전한 부분으로부터 고장부를 격리시키는 것이 중요하다. 이러한 목적을 위해, 보호 시스템이 통상적으로 전력 시스템 내에 포함된다.

전력 시스템에서 고장들을 다루도록 배열된 보호 시스템은 통상적으로, 전력 시스템에서 전류들과 같은 전기적 파라미터들을 모니터링하도록 배열된 모니터링 장치, 및 모니터링 장치에 의해 제어되는 회로 차단기들 (circuit breakers) 을 포함한다. 회로 차단기들은, 고장의 경우에 선택적인 고장 격리 (fault isolation) 가 획득될 수 있는 방식으로 전력 시스템에서 배열된다.

하지만, 기존의 보호 시스템들은 일부 애플리케이션들에서 매우 비싸고 또한 공간 소모적일 수 있다.

직류 (DC) 회로 차단기들은, 교류 (AC) 회로 차단기들에 반해 그들이 제로 크로싱들 (zero crossings) 에 의존할 수 없기 때문에, 특별히 크다. 따라서, DC 회로 차단기들이 적절한 보호를 보장하기 위해서는 보다 큰 에어 갭들 (air gaps) 이 필요하다. 결과로서, DC 회로 차단기들은 통상적으로 대량의 공간을 소모하고, 그들은 제조하기에 비싸다.

상기 고려들의 관점에서, 본 개시의 일반적인 목적은 종래 기술보다 적은 공간을 필요로 하는 보호 성능들을 갖는 DC-전력 시스템을 제공하는 것이다.

다른 목적은 가격이 알맞은 DC-전력 시스템을 제공하는 것이다.

이런 이유로, 메인 DC 버스, 메인 DC 버스에 공급 (feed) 하도록 배열된 전력 발생 유닛, 메인 DC 버스 고장의 경우에 메인 DC 버스로부터 전력 발생 유닛을 격리하기 위해 메인 DC 버스와 전력 발생 유닛 사이에 배열된 (arranged) 아이솔레이터 스위치 (isolator switch), 및 메인 DC 버스에 의해 공급되도록 배열된 드라이브 유닛 (drive unit) 으로서, 드라이브 유닛은, 드라이브 유닛 버스 시스템, 드라이브 유닛 버스 시스템에 연결된 컨버터 (converter) 유닛들, 및 드라이브 유닛 고장의 경우에 컨버터 유닛들을 보호하기 위해 드라이브 유닛 버스 시스템과 컨버터 유닛들 사이에 배열된 퓨즈들을 포함하는, 상기 드라이브 유닛을 포함하는, DC-전력 시스템이 제공된다.

이에 의해, DC-전력 시스템에서의 다양한 유닛들은, 크고 공간 소모적이며 비싼 회로 차단기들의 사용 없이도, 유닛들 중 임의의 것에서의 또는 메인 DC 버스 상에서의 고장들의 경우에, 선택적으로 보호될 수 있다.

일 실시형태에 따르면, 드라이브 유닛은 메인 DC 버스와 드라이브 유닛 버스 시스템 사이에 배열된 제 1 유형의 입력 유닛을 포함하고, 제 1 유형의 입력 유닛은 드라이브 유닛 고장의 경우에 메인 DC 버스로부터 드라이브 유닛을 연결해제하기 위한 아이솔레이터 스위치를 포함한다. 따라서, 드라이브 유닛은 회로 차단기의 이용 없이도 드라이브 유닛에서의 고장의 경우에 나머지 DC-전력 시스템으로부터 연결해제될 수 있다.

일 실시형태에 따르면, 제 1 유형의 입력 유닛은, 드라이브 유닛 버스 시스템으로부터 메인 DC 버스로의 방향으로의 전류들은 차단하고 메인 DC 버스로부터 드라이브 유닛으로는 전류가 흐르게 허용하도록 배열된 전류 블록킹 (blocking) 디바이스를 포함한다. 이에 의해, 전류 블록킹 디바이스는 드라이브 유닛 버스 시스템으로부터 메인 DC 버스로의 방향에서 본질적으로 개방 회로로서 작용하므로, 드라이브 유닛에서의 컨버터 유닛들의 커패시터 뱅크들 (capacitor banks) 로부터, 메인 DC 버스 상의 또는 메인 DC 버스에 연결된 다른 유닛에서의 고장부에 제공될 고장 전류들 (fault currents) 은 감소 또는 제거될 수 있다.

일 실시형태는, 메인 DC 버스에 공급하도록 배열된 에너지 저장 유닛을 포함하고, 에너지 저장 유닛은 에너지 저장 유닛 버스 시스템, 전력 제공 유닛들, 및 에너지 저장 유닛 고장의 경우에 전력 제공 유닛들의 보호를 위해 에너지 저장 유닛 버스 시스템과 전력 제공 유닛 사이에 배열된 퓨즈들을 포함한다. 따라서, 예를 들어 여분의 목적들을 위한 백업 전력 컴포넌트들이 시스템에 부가되는 경우에, 이 컴포넌트도 또한 회로 차단기들의 이용 없이 내부 고장들로부터 보호될 수 있다.

일 실시형태에 따르면, 에너지 저장 유닛은 에너지 저장 유닛 버스 시스템과 메인 DC 버스 사이에 배열된 제 2 유형의 입력 유닛을 포함하고, 제 2 유형의 입력 유닛은 에너지 저장 유닛 고장의 경우에 메인 DC 버스로부터 에너지 저장 유닛을 연결해제하기 위한 아이솔레이터 스위치를 포함한다. 따라서, 에너지 저장 유닛은 회로 차단기들의 이용 없이 메인 DC 버스로부터 연결해제될 수 있다.

일 실시형태에 따르면, 제 2 유형의 입력 유닛은, 에너지 저장 유닛 버스 시스템으로부터 메인 DC 버스로의 방향으로의 전류들은 차단하고 메인 DC 버스로부터 에너지 저장 유닛으로는 전류가 흐르게 허용하도록 배열된 전류 블록킹 디바이스, 및 전류가 전류 블록킹 디바이스를 바이패스 (bypass) 하고 메인 DC 버스로 흐르도록 선택적으로 허용하기 위한 반도체 스위칭 유닛을 포함한다. 따라서, 반도체 스위칭 유닛을 그것의 온-상태 (on-state) 로 설정함으로써, 에너지 저장 유닛으로부터 추가적인 전력이 필요한 경우에 전류가 메인 DC 버스 내로 흐르도록 허용될 수 있다.

대안적으로, 반도체 스위칭 유닛이 그것의 오프-상태 (off-state) 로 설정되는 경우에, 에너지 저장 유닛으로부터 메인 DC 버스 상의 또는 DC-전력 시스템의 다른 부분에서의 고장부로의 고장 전류들이 최소화될 수 있다.

일 실시형태에 따르면, 전류 블록킹 디바이스 및 반도체 스위칭 유닛은 역병렬 (anti-parallel) 로 접속된다.

일 실시형태에 따르면, 전력 발생 유닛은 발전기 (generator) 및 정류기 (rectifier) 를 포함하고, 정류기는 정류기 고장의 경우에 정류기를 보호하도록 배열된 복수의 퓨즈들을 포함한다. 이에 의해, 내부 정류기 고장들은 전력 발생 유닛에서 로컬 회로 차단기들을 이용함이 없이 퓨즈들의 수단에 의해 처리될 수 있다.

일 실시형태에 따르면, 정류기에 포함된 복수의 퓨즈들은, 정류기의 하류 (downstream) 에서의 고장들의 결과로서 고장 전류들을 받을 때 그들이 끊어지지 않도록 치수가 맞춰진다. 따라서, 퓨즈들은 오직 정류기에서의 내부 고장들에 의해 야기되는 전류들에 의해서만 끊어진다. 전력 발생 유닛 외부의 고장부들에 제공되는 고장 전류들은 따라서 퓨즈가 끊어지는 것을 촉발시키지 않는다. 따라서, 정류기에서의 퓨즈들의 전류 정격 (rating) 은, 그 특정 전력 발생 유닛에서의 정류기 고장들에 의해 형성된 고장 전류에 의해서만 도달되거나 초과되는 임계 전류 레벨에 있도록 선택되어야 한다.

일 실시형태에 따르면, 각 컨버터 유닛은 드라이브 유닛 버스에 연결된 단자들 (terminals) 을 가지고, 컨버터 유닛의 각 단자는 퓨즈에 연결된다.

일 실시형태에 따르면, 전류 블록킹 디바이스는 다이오드이다.

일 실시형태에 따르면, 제 1 입력 유닛은, 전류가 전류 블록킹 디바이스를 바이패스하고 메인 DC 버스로 흐르도록 선택적으로 허용하기 위해 전류 블록킹 디바이스와 역병렬로 접속된 반도체 스위칭 유닛을 포함한다.

본원에 개시된 바와 같은 퓨즈들 및 아이솔레이터 스위치들을 조합함으로써, 로컬 (local) 고장들, 즉, 특정 유닛에서의 고장들이 퓨즈들에 의해 처리되는, 그리고, 글로벌 (global) 고장들, 즉, 메인 DC 버스 상의 고장들은, 적절한 아이솔레이터 스위치들이 DC-전력 시스템의 영향을 받는 부분을 격리시킬 수 있도록 하는, 소스에서의 전류의 차단에 의해 처리되는, 복합 보호 시스템이 획득된다. 이에 의해, 퓨즈 사이즈들은 보다 작게 유지될 수 있으면서, 로컬 고장의 경우에 로컬 고장 전류들의 크기가 퓨즈를 끊을 수 있을 것을 보장하고, 따라서, 국부적으로 그리고 또한 전체적으로 신뢰할 수 있는 DC-전력 시스템 보호를 보장한다. 필요한 경우에, 퓨즈들이 고장을 클리어 (clear) 하기 위해 이용가능한 충분한 고장 전류를 가지는 것을 보장하도록 가외의 고장 전류를 제공하기 위해 추가적인 커패시터 뱅크들이 설치될 수 있다.

일반적으로, 청구항들에서 사용되는 모든 용어들은, 본 명세서에서 명시적으로 달리 정의되지 않는 한, 당해 기술분야에서 그들의 보통 의미에 따라 해석되어야 한다. 단수 표현의 엘리먼트, 장치, 컴포넌트, 수단 등에 대한 모든 언급들은, 명시적으로 달리 진술되지 않는 한, 엘리먼트, 장치, 컴포넌트, 수단 등의 적어도 하나의 실체를 개방적으로 지칭하는 것으로서 해석되어야 한다.

이제 창의적인 개념의 구체적인 실시형태들이 첨부 도면들을 참조하여 예시적인 방식으로 설명될 것이다
도 1 은 DC-전력 시스템의 개략도이다.
도 2 는 도 1 에서의 DC-전력 시스템에서의 전력 발생 유닛의 개략도이다.
도 3a 는 도 1 에서의 DC-전력 시스템에서의 고장의 예를 나타낸다.
도 3b 는 도 1 에서의 DC-전력 시스템에서의 고장의 다른 예를 나타낸다.

창의적인 개념은 이제, 예시적인 실시형태들이 나타난 첨부 도면들을 참조하여 보다 충분하게 이하 설명될 것이다. 하지만, 창의적인 개념은 많은 상이한 형태들로 구현될 수도 있고, 본 명세서에서 전개된 실시형태들에 제한되는 것으로 해석되어서는 아니되며, 오히려, 이 실시형태들은, 이 개시물이 철저하고 완전하도록, 그리고 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자 (이하, '당업자' 라 함) 에게 창의적인 개념의 범위를 충분히 전달하도록, 예시적인 방식으로 제공된다. 동일 부호들은 설명 전체에 걸쳐 동일한 엘리먼트를 지칭한다.

도 1 은 DC-전력 시스템 (1) 의 일예의 개략도를 나타낸다. DC-전력 시스템 (1) 은 뷔스티에 차단기 (bustie breaker) (5) 에 의해 분리가능한 제 1 버스바 (3-1) 및 제 2 버스바 (3-2) 를 갖는 메인 DC 버스 (3), 제 1 전력 발생 유닛 (P1), 제 2 전력 발생 유닛 (P2), 제 3 전력 발생 유닛 (P3), 제 4 전력 발생 유닛 (P4), 에너지 저장 유닛 (E), 제 1 드라이브 (D1) 및 제 2 드라이브 (D2) 를 포함한다.

제 1 드라이브 유닛 (D1) 및 제 2 드라이브 유닛 (D2) 은 전기 모터들 또는 유사한 장치에 전력을 공급하도록 배열된다. 이러한 드라이브 유닛들의 예들은 단일 드라이브들, 멀티 드라이브들, 및 정규 AC 소비자들에게 50Hz 또는 60Hz AC 전력을 공급하도록 의도된 정적 주파수 컨버터들이다.

DC-전력 시스템 (1) 은, 메인 DC 버스 (3) 로부터 전력 발생 유닛들 (P1, P2, P3, P4) 을 연결해제 (disconnect) 할수 있도록 각각의 전력 발생 유닛 (P1, P2, P3, P4) 과 연관된 아이솔레이터 스위치들 (7), 즉, 디스커넥터들 (disconnectors) 을 더 포함할 수도 있다. 이에 의해, 각 전력 발생 유닛은 예를 들어 메인 DC 버스 (3) 상의 고장으로부터 격리될 수 있거나 그들은 유지보수 목적들을 위해 격리될 수 있다.

제 1 전력 발생 유닛 (P1) 은 메인 DC 버스 (3) 에 공급하도록 배열되고, 아이솔레이터 스위치 (7) 를 통해 메인 DC 버스 (3) 에 접속가능하다. 도 1 에서의 예에 따르면, 제 1 전력 발생 유닛 (P1) 은 제 1 버스바 (3-1) 에 접속가능하다.

제 2 전력 발생 유닛 (P2) 은 메인 DC 버스 (3) 에 공급하도록 배열되고, 아이솔레이터 스위치 (7) 를 통해 메인 DC 버스 (3) 에 접속가능하다. 도 1 에서의 예에 따르면, 제 2 전력 발생 유닛 (P2) 은 제 1 버스바 (3-1) 에 접속가능하다.

제 3 전력 발생 유닛 (P3) 은 메인 DC 버스 (3) 에 공급하도록 배열되고, 아이솔레이터 스위치 (7) 를 통해 메인 DC 버스 (3) 에 접속가능하다. 도 1 에서의 예에 따르면, 제 3 전력 발생 유닛 (P3) 은 제 2 버스바 (3-2) 에 접속가능하다.

제 4 전력 발생 유닛 (P4) 은 메인 DC 버스 (3) 에 공급하도록 배열되고, 아이솔레이터 스위치 (7) 를 통해 메인 DC 버스 (3) 에 접속가능하다. 도 1 에서의 예에 따르면, 제 4 전력 발생 유닛 (P4) 은 제 2 버스바 (3-2) 에 접속가능하다.

제 1 전력 발생 유닛 (P1) 은, 교류를 발생시키도록 배열된 디젤 엔진 구동 발전기와 같은 발전기 (G1), 및 그 교류를 메인 DC 버스 (3) 에 공급될 직류로 변환하도록 배열된 정류기 (R1) 를 포함한다. 정류기 (R1) 에는 정류기 (R1) 에서의 고장의 경우에 끊어지도록 치수가 맞춰진 퓨즈들이 제공될 수도 있다.

제 2 전력 발생 유닛 (P2), 제 3 전력 발생 유닛 (P3), 및 제 4 전력 발생 유닛 (P4) 은 제 1 전력 발생 유닛 (P1) 과 유사한 설계를 가질 수도 있다. 이를 위해, 제 2 전력 발생 유닛 (P2), 제 3 전력 발생 유닛 (P3), 및 제 4 전력 발생 유닛 (P4) 의 각각은 각기의 발전기 (G2, G3, G4), 및 메인 DC 버스 (3) 에 DC 신호들을 제공하기 위한 각기의 정류기 (R2, R3, R4) 를 포함할 수 있다. 하지만, 상이한 발전기 유형들의 조합이 동일한 시스템 내에서 가능하다는 것에 유의하여야 한다.

제 1 드라이브 유닛 (D1) 및 제 2 드라이브 유닛 (D2) 의 각각은 제 1 버스 (DB1) 및 제 2 버스 (DB2) 를 포함하는 드라이브 유닛 버스 시스템 (DB) 을 갖는다. 또한, 제 1 드라이브 유닛 (D1) 및 제 2 드라이브 유닛 (D2) 의 각각은, 그들의 각각의 구동 유닛 버스 시스템 (DB) 에 연결된, 이하에서 인버터들 (I1, I2, I3) 에 의해 예시되는, 다수의 컨버터 유닛들, 및 인버터들 (I1, I2, I3) 및 드라이브 유닛 버스 시스템 (DB) 의 단자들 사이에 배열된 퓨즈들 (F) 을 갖는다. 적합한 인버터의 예는 ABB 의 ACS800 인버터이다.

제 1 드라이브 유닛 (D1) 및 제 2 드라이브 유닛 (D2) 의 각각은, 일 단부가 메인 DC 버스 (3) 와 연결되도록 배열된 제 1 유형의 입력 유닛 (17) 을 더 갖는다. 그것의 다른 단부에서는, 제 1 유형의 입력 유닛 (17) 이 드라이브 유닛 버스 시스템 (DB) 에 연결된다. 제 1 유형의 입력 유닛 (17) 은, 메인 DC 버스 (3) 로부터 드라이브 유닛 (D1, D2) 을 연결해제하도록 배열된 아이솔레이터 스위치, 및 드라이브 유닛 버스 시스템 (DB) 으로부터 메인 DC 버스 (3) 로의 방향에서의 전류 흐름은 차단하고 메인 DC 버스 (3) 로부터 드라이브 유닛 버스 시스템 (DB) 으로의 방향에서는 전류가 흐르게 허용할 수 있는 전류 블록킹 디바이스 (11) 를 포함한다. 이러한 전류 블록킹 디바이스는 하나의 다이오드 또는 수개의 다이오드들, 또는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 (IGBT), 사이리스터, 또는 유사한 디바이스와 같은 반도체 디바이스일 수도 있다.

애플리케이션에 따라서는, 드라이브 유닛들은 하나의 인버터에서부터 복수의 인터버들까지 상이한 수의 인버터들로 설계될 수 있다는 것에 유의하여야 한다. 또한, 제 1 유형의 드라이브 유닛은 일 실시형태에서 전류 블록킹 디바이스와 역병렬 접속된 반도체 스위칭 유닛을 포함할 수도 있고, 이에 의해, DC-전력 시스템의 정규 동작 동안 역 전력 공급을 허용한다. 이러한 반도체 스위칭 유닛은 예를 들어 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 (IGBT) 일 수도 있다.

에너지 저장 유닛 (E) 은 제 1 버스 (EB1) 및 제 2 버스 (EB2) 를 갖는 에너지 저장 유닛 버스 시스템 (EB) 을 갖는다. 에너지 저장 유닛 (E) 은, 에너지 저장 유닛 버스 시스템 (EB) 에 연결된 커패시터 뱅크 (C) 및 배터리 유닛 (B) 과 같은 전력 제공 유닛들, 에너지 저장 유닛 버스 시스템 (EB)에 연결된 DC-DC 컨버터 (15), 및 퓨즈들 (F) 을 더 포함한다. 퓨즈들 (F) 은 DC-DC 컨버터 (15) 및 에너지 저장 유닛 버스 시스템 (EB) 의 단자들 사이, 커패시터 뱅크 (C) 와 에너지 저장 유닛 버스 시스템 (EB) 사이, 및 배터리 유닛 (B) 과 에너지 저장 유닛 버스 시스템 (EB) 사이에 배열된다.

DC-DC 컨버터 (15) 수단에 의해, 전력이 에너지 저장 유닛 (E) 으로부터 메인 DC 버스 (3) 로 제공되어야 하는 경우에 배터리 유닛 (B) 의 전압 레벨 출력이 제어될 수 있다.

에너지 저장 유닛 (E) 은 다수의 전력 제공 유닛들 및 컨버터들에 관한 많은 가능한 구성들의 일예라는 것에 유의하여야 한다. 예를 들어, 에너지 저장 유닛 (E) 의 몇몇 변형들은 커패시터 뱅크를 가지지 않는다. 에너지 저장 유닛에서의 커패시터 뱅크의 일반적인 목적은 만약 내부 고장이 발생할 경우에 퓨즈들을 끊는 것을 보조하기 위한 것이다.

에너지 저장 유닛 (E) 은, 메인 DC 버스 (3) 와 접속하도록 일 단부가 배열된 제 2 유형의 입력 유닛 (9) 을 더 갖는다. 그것의 다른 단부에서, 제 2 유형의 입력 유닛 (9) 은 에너지 저장 유닛 버스 시스템 (EB) 에 연결된다. 제 2 유형의 입력 유닛 (9) 은, 메인 DC 버스 (3) 로부터 에너지 저장 유닛 (E) 을 연결해제하기 위한 아이솔레이터 스위치, 반도체 스위칭 유닛 (13), 및 에너지 저장 유닛 버스 시스템 (EB) 으로부터 메인 DC 버스 (3) 로의 방향에서의 전류 흐름은 차단하고 메인 DC 버스 (3) 로부터 에너지 저장 유닛 버스 시스템 (EB) 으로의 방향에서는 전류가 흐르게 허용할 수 있는 전류 블록킹 디바이스 (11) 를 포함한다. 이러한 전류 블록킹 디바이스는 하나의 다이오드 또는 수개의 다이오드들, 또는 IGBT, 사이리스터, 또는 유사한 디바이스와 같은 반도체 디바이스일 수도 있다. 반도체 스위칭 유닛 (13) 은 예를 들어 IGBT 일 수 있다. 반도체 스위칭 유닛 (13) 및 전류 블록킹 디바이스 (11) 는 역병렬로 배열될 수 있고, 이에 의해, 반도체 스위칭 디바이스 (13) 가 적절한 제어 신호들에 의해 그것의 포화 상태 또는 개방 상태로 설정되는 경우에 에너지 저장 유닛 버스 시스템 (EB) 으로부터 메인 DC 버스 (3) 로의 방향으로 전류가 흐르게 허용한다. 따라서, 전류 블록킹 디바이스 (11) 및 반도체 스위칭 유닛 (13) 에 의해, 전류는 전류 블록킹 디바이스를 바이패스하고 메인 DC 버스 (3) 로 흐르도록 선택적으로 허용될 수 있다.

도 2 는 전력 발생 유닛 (P1) 의 개략도이다. 정류기 (R1) 의 내부 컴포넌트들이 도시된다. 각각의 전기적 페이즈 (electrical phase) 에 대해, 발전기 (G1) 에 의해 생성된 AC 신호는 정류기 (R1) 의 각각의 레그 (leg) 에 제공된다. 스위칭 디바이스들 (T) 은 각각의 레그에 제공되고, 그 스위칭 디바이스들 (T) 은 DC 신호가 정류기 (R1) 에 의해 출력될 수 있도록 제어될 수 있다. 도 2 의 예에서, 스위칭 디바이스들은 사이리스터들에 의해 예시되지만, 예를 들어 IGBT 들과 같은 다른 스위치 수단이 또한 가능하다. 또한, 정류기 (R1) 는 고장, 즉 정류기 (R1) 에서의 단락의 경우에 정류기 (R1) 를 보호하기 위한 퓨즈들 (F) 을 포함한다. 그 경우에, 고장부로 퓨즈들 (F) 을 통해 흐르는 고장 전류에 응답하여 하나 이상의 퓨즈들이 끊어질 것이다. 도 2 의 예에서, 각 스위칭 디바이스 (T) 는 퓨즈 (F) 와 연관된다. 따라서, 각 레그, 즉 각 위상은 2 개의 퓨즈들 (F) 과 연관된다. 전력 발생 유닛 (P1) 의 다른 가능한 실현들은 정류기 DC 단자들의 양극 상의 다이오드 상에 다이오드와 함께 크로우 바 (crow bar) 설계를 포함한다. 일반적인 생각은, 내부 고장이 발생하는 경우에, 발전기를 갖는 정류기는 보다 넓은 시스템에 대한 후속 결과들을 최소화하기 위해 DC-전력 시스템으로부터 그자신을 격리시킬 것이라는 것이다.

정류기에서의 퓨즈들 (F) 은, 정류기의 하류에서의 고장들의 결과로서 고정 전류들을 받을 때에 그들이 끊어지지 않도록 유리하게 치수가 맞춰진다. 하류라는 용어는 DC-전력 시스템 (1) 에서의 전류 흐름 방향에 관한 것으로 이해되어야 한다.

도 3a 는 DC-전력 시스템 (1) 에서 고장 (19) 이 발생한 때의 상황의 예이다. 도 3a 의 예에서, 고장 (19) 은 단락 (short circuit) 이고 메인 DC 버스 (3) 상에서 발생하였다. 고장 (19) 은 따라서 글로벌 고장이다. 수개의 상이한 고장-처리 전략들이 이 경우에 가능하다.

어느 경우에도, 고장 (19) 으로 인해, 고장 전류들 (20-1, 20-2, 20-3, 20-4) 이, 이 예에서 제 1 버스바 (3-1) 상에 있는 고장 (19) 지점으로 흐른다. 일반적으로, 고장 (19) 은 DC-전력 시스템 (1) 을 모니터링하는 복수의 센서들, 즉, 전류 측정 센서들 중 적어도 하나에 의해 검출된다.

고장을 처리하기 위한 일 전략에 따르면, 뷔스티에 차단기 (5) 가 고장이 검출됨에 따라 개방 명령이 주어진다. 건전한 측, 즉, 제 2 버스바 (3-2) 는 파티셔닝 (partitioning) 후에 자동적으로 재시작된다. 따라서, 일단 DC-전력 시스템이 쪼개지면, 건전한 측은 동작을 재개한다. 고장 측, 즉, 제 1 버스바 (3-1) 는, 고장 지점을 알게 되는 경우에, 재시작하지 않을 것이다. 그 지점을 알지 못하는 경우에, 정보의 결핍으로 인해, 고장 측은 고장 검출을 위해 재시작을 시도할 것이다.

전략의 다른 버전에서, 전력 발생 유닛들 (P1-P4) 의 정류기들 (R1, R2, R3, R4) 은, 그들의 전류 출력이 제로를 향하도록 제어되고, 임의의 다른 에너지 소스도 또한, 뷔스티에 차단기 (5) 에 개방 명령을 주는 동안 DC-전력 시스템 내로의 전류를 제한할 것이다. 일단 시스템이 쪼개지면, 건전한 측은 고장이 클리어된 것을 검출하는 한편, 고장 측은 고장이 지속되는 것을 보게 될 것이다. 이것은 고장 측의 에너지 소스, 예를 들어, 전력 발생 유닛들로 하여금 고장부 내로의 전류를 차단하게 할 것이다.

전략의 또 다른 버전에서, 에너지 소스는 그들의 출력 전압 및 전류들을 아이솔레이터 스위치들이 그들의 정격들 내에서 동작하는 것을 허용할 레벨로 제한할 수 있고, 여기서, 아이솔레이터 스위치들 (7) 은 메인 DC 버스 (3) 로부터 전력 발생 유닛들을 연결해제할 수 있다.

제 1 드라이브 유닛 (D1) 및 제 2 드라이브 유닛 (D2) 은, 전류 블록킹 디바이스들 (11) 의 전류 블록킹 특징 때문에 고장 전류에 기여하지 않거나 적어도 최소한으로 기여한다. 또한, 제 1 유형의 입력 유닛들 (17) 의 아이솔레이터 스위치들로 인해, 제 1 드라이브 유닛 (D1) 및 제 2 드라이브 유닛 (D2) 은 메인 DC-버스 (3) 로부터 연결해제될 수 있다. 이에 의해, 제 1 드라이브 유닛 (D1) 및 제 2 드라이브 유닛 (D2) 의 각각은 메인 DC 버스 (3) 상의 고장의 경우에 보호될 수 있다.

에너지 저장 유닛 (E) 은 메인 DC 버스 (3) 상의 고장 (19) 동안 또한 보호된다. 에너지 저장 유닛 (E) 이 고장 (19) 의 발생 전에 메인 DC 버스 (3) 에 전력을 제공하는 중에 있었던 경우, DC-DC 컨버터 (15) 의 전류 출력은 제어, 예를 들어 제로로 설정될 수 있다. 이에 의해, 에너지 저장 유닛 (E) 은 제 2 유형의 입력 유닛 (9) 의 아이솔레이터 스위치의 수단에 의해 메인 DC 버스 (3) 로부터 격리될 수 있다. 또한, 에너지 저장 유닛 (E) 이 메인 DC 버스 (3) 로부터 격리되기 전에, 제 2 유형의 입력 유닛 (9) 은 고장부 (19) 로 전류가 흐르는 것을 차단할 수 있다. 이것은 제 2 유형의 입력 유닛 (9) 의 전류 블록킹 디바이스 (11) 의 수단에 의해 그리고 반도체 스위칭 유닛 (13) 을 그것의 오프-상태로 설정함으로써 획득된다.

제 1 유형의 입력 디바이스 (17) 및 제 2 유형의 입력 디바이스 (9) 의 전류 블록킹 특성들에 의해, 고장부 (19) 로의 고장 전류는 감소될 수 있다.

도 3b 를 참조하여, 제 1 드라이브 유닛 (D1) 에서 고장 (22) 이 발생한 상황이 이제 설명될 것이다. 이 고장은 따라서 제 1 드라이브 유닛 (D1) 에서의 로컬 고장이다.

도 3b 에서의 예에 따르면, 드라이브 유닛 버스 시스템 (DB) 상에서 단락이 발생하였다. 제 1 버스 (DB-1) 및 제 2 버스 (DB-2) 는 예를 들어 단락될 수도 있다. 고장 (22) 이 발생한 때에, 전류들 (23-1, 23-2, 23-3, 23-4, 및 23-5) 은 고장부 (22) 로 흐른다. 전류들 (23-3, 23-4, 23-5) 은 인버터들 (I1, I2, I3) 에서의 커패시터 뱅크들에 의해 제공된다. 커패시터 뱅크에 의해 제공된 전류들 (23-3, 23-4, 23-5) 이 제 1 드라이브 유닛 (D1) 에 배열된 퓨즈들 (F) 을 통해 흐름에 따라, 퓨즈들 (F) 은 아마 끊어질 것이고, 이에 의해 인버터들 (I1, I2, I3) 을 고장부 (22) 로부터 연결해제한다. 인버터들 (I1, I2, I3) 에 접속된 부하는 이에 의해 드라이브 유닛 버스 시스템 (DB) 으로부터 연결해제된다. 예를 들어 정류기들 (R1, R2, R3, R4) 의 적절한 제어에 의해, 전력 발생 유닛 (P1, P2, P3, P4) 으로부터의 전류가 감소됨에 따라, 제 1 구동 유닛 (D1) 의 제 1 유형의 입력 유닛 (17) 의 아이솔레이터 스위치는 메인 DC 버스 (3) 로부터 제 1 드라이브 유닛 (D1) 을 연결해제할 수 있고, 따라서, 고장부 (22) 를 완전히 격리시킬 수 있다. 고장부 (22) 가 격리될 때, DC-전력 시스템 (1) 의 나머지 부분들은 정규 동작을 재개할 수 있다.

제 2 드라이브 유닛 (D2) 의 제 1 유형의 입력 유닛 (17) 에서 전류 블록킹 디바이스 (11) 때문에 제 2 드라이브 유닛 (D2) 의 커패시터 뱅크들에 의해 고장부 (22) 로 본질적으로 어떤 전류들도 제공되지 않는다.

또한, 에너지 저장 유닛 (E) 의 제 2 유형의 입력 유닛 (9) 은 전류가 고장부 (22) 로 흐르는 것을 차단할 수 있다. 이것은 제 2 유형의 입력 유닛 (9) 의 전류 블록킹 디바이스 (11) 의 수단에 의해 그리고 반도체 스위칭 유닛 (13) 을 그것의 오프-상태로 설정함으로써 획득된다.

제 1 유형의 입력 디바이스 (17) 및 제 2 유형의 입력 디바이스 (9) 의 전류 블록킹 특성들에 의해, 고장부 (22) 로의 고장 전류는 감소될 수 있다.

인버터 (I1, I2, I3) 의 하류에서 고장이 발생하는 상황들에서, 이러한 고장은 통상적으로 그 인버터의 퓨즈들 (F) 에 의해 처리된다.

일반적으로, 전력 발생 유닛, 에너지 저장 유닛, 또는 드라이브 유닛과 같은 유닛 내에서 퓨즈들의 하류에서의 고장들은 그 유닛의 퓨즈들에 의해 처리된다.

본 명세서에서 설명된 DC-전력 시스템은 베셀 (vessel) 에 전력을 공급하기 위한 온-보드 전력 시스템으로서, 또는 큰 DC 회로 차단기들이 바람직하지 않은 다른 한정된 공간들에서의 전력 시스템으로서 유리하게 사용될 수도 있다. 본 DC-전력 시스템은 통상적으로 낮은 전압 환경에서 사용되지만, 더 높은 전압 애플리케이션들, 예를 들어, 중간 정도의 전압이 또한 고려된다.

창의적인 개념은 주로 소수의 예들을 참조하여 상기 설명되었다. 하지만, 당업자에 의해 자명하게 이해되는 바와 같이, 상기 개시된 것들 외의 다른 실시형태들도 첨부된 청구항들에 의해 정의되는 바와 같이, 창의적인 개념의 범위 내에서 동등하게 가능하다. 예를 들어, 본 개시에 따른 DC-전력 시스템은 도 1 에서 설명된 예에서보다 더 적거나 더 많은 전력 발생 유닛들을 포함할 수 있다. 또한, DC-전력 시스템은 에너지 저장 유닛을 포함하지 않아도 되거나 추가적인 에너지 저장 유닛들, 및/또는 보다 적은 또는 보다 많은 드라이브 유닛들을 포함할 수 있다.

Claims

DC-전력 시스템 (1) 으로서,
메인 DC 버스 (3),
상기 메인 DC 버스 (3) 에 공급하도록 배열된 전력 발생 유닛 (P1, P2, P3, P4),
메인 DC 버스 고장의 경우에 상기 메인 DC 버스 (3) 로부터 상기 전력 발생 유닛 (P1, P2, P3, P4) 을 격리하기 위해 상기 메인 DC 버스 (3) 와 상기 전력 발생 유닛 (P1, P2, P3, P4) 사이에 배열된 아이솔레이터 스위치 (7), 및
상기 메인 DC 버스 (3) 에 의해 공급되도록 배열된 드라이브 유닛 (D1, D2) 으로서, 상기 드라이브 유닛 (D1, D2) 은, 드라이브 유닛 버스 시스템 (DB), 상기 드라이브 유닛 버스 시스템 (DB) 에 연결된 컨버터 유닛들 (I1, I2, I3), 및 드라이브 유닛 고장의 경우에 상기 컨버터 유닛들 (I1, I2, I3) 을 보호하기 위해 상기 드라이브 유닛 버스 시스템 (DB) 과 상기 컨버터 유닛들 (I1, I2, I3) 사이에 배열된 퓨즈들 (F) 을 포함하는, 상기 드라이브 유닛 (D1, D2) 을 포함하는, DC-전력 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 드라이브 유닛 (D1, D2) 은 상기 메인 DC 버스 (3) 와 상기 드라이브 유닛 버스 시스템 (DB) 사이에 배열된 제 1 유형의 입력 유닛 (17)을 포함하고, 상기 제 1 유형의 입력 유닛 (17) 은 드라이브 유닛 고장의 경우에 상기 메인 DC 버스 (3) 로부터 상기 드라이브 유닛 (D1, D2) 을 연결해제하기 위한 아이솔레이터 스위치를 포함하는, DC-전력 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 제 1 유형의 입력 유닛 (17) 은, 상기 드라이브 유닛 버스 시스템 (DB) 으로부터 상기 메인 DC 버스 (3) 로의 방향으로의 전류들은 차단하고 상기 메인 DC 버스 (3) 로부터 상기 드라이브 유닛 (D1, D2) 으로는 전류가 흐르게 허용하도록 배열된 전류 블록킹 디바이스 (11) 를 포함하는, DC-전력 시스템.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 메인 DC 버스 (3) 에 공급하도록 배열된 에너지 저장 유닛 (E) 을 포함하고, 상기 에너지 저장 유닛 (E) 은 에너지 저장 유닛 버스 시스템 (EB), 전력 제공 유닛들 (B, C), 및 에너지 저장 유닛 고장의 경우에 상기 전력 제공 유닛들 (B, C) 의 보호를 위해 상기 에너지 저장 유닛 버스 시스템 (EB) 과 상기 전력 제공 유닛들 (B, C) 사이에 배열된 퓨즈들 (F) 을 포함하는, DC-전력 시스템.
제 4 항에 있어서,
상기 에너지 저장 유닛 (E) 은 상기 에너지 저장 유닛 버스 시스템 (EB) 과 상기 메인 DC 버스 (3) 사이에 배열된 제 2 유형의 입력 유닛 (9) 을 포함하고, 상기 제 2 유형의 입력 유닛 (9) 은 에너지 저장 유닛 고장의 경우에 상기 메인 DC 버스 (3) 로부터 상기 에너지 저장 유닛 (E) 을 연결해제하기 위한 아이솔레이터 스위치를 포함하는, DC-전력 시스템.
제 5 항에 있어서,
상기 제 2 유형의 입력 유닛 (9) 은, 상기 에너지 저장 유닛 버스 시스템 (EB) 으로부터 상기 메인 DC 버스 (3) 로의 방향으로의 전류들은 차단하고 상기 메인 DC 버스 (3) 로부터 상기 에너지 저장 유닛 (E) 으로는 전류가 흐르게 허용하도록 배열된 전류 블록킹 디바이스 (11), 및 전류가 상기 전류 블록킹 디바이스 (11) 를 바이패스하고 상기 메인 DC 버스 (3) 로 흐르도록 선택적으로 허용하기 위한 반도체 스위칭 유닛 (13) 을 포함하는, DC-전력 시스템.
제 6 항에 있어서,
상기 전류 블록킹 디바이스 (11) 및 상기 반도체 스위칭 유닛 (13) 은 역병렬로 접속되는, DC-전력 시스템.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전력 발생 유닛 (P1, P2, P3, P4) 은 발전기 (G1, G2, G3, G4) 및 정류기 (R1, R2, R3, R4) 를 포함하고, 상기 정류기 (R1, R2, R3, R4) 는 정류기 고장의 경우에 상기 정류기 (R1, R2, R3, R4) 를 보호하도록 배열된 복수의 퓨즈들 (F) 을 포함하는, DC-전력 시스템.
제 8 항에 있어서,
상기 정류기 (R1, R2, R3, R4) 에 포함된 상기 복수의 퓨즈들 (F) 은, 상기 정류기 (R1, R2, R3, R4) 의 하류에서의 고장들의 결과로서 고장 전류들이 흐를 때 끊어지지 않도록 치수가 맞춰지는, DC-전력 시스템.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 컨버터 유닛 (I1, I2, I3) 은 상기 드라이브 유닛 버스 (DB) 에 연결된 단자들을 가지고, 컨버터 유닛 (I1, I2, I3) 의 각 단자는 퓨즈 (F) 에 연결되는, DC-전력 시스템.
제 3 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전류 블록킹 디바이스 (11) 는 다이오드인, DC-전력 시스템.
제 3 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 입력 유닛은, 전류가 상기 전류 블록킹 디바이스를 바이패스하고 상기 메인 DC 버스로 흐르도록 선택적으로 허용하기 위해 상기 전류 블록킹 디바이스와 역병렬로 접속된 반도체 스위칭 유닛을 포함하는, DC-전력 시스템.