KR20190116474A

KR20190116474A - 배전 시스템

Info

Publication number: KR20190116474A
Application number: KR1020197027508A
Authority: KR
Inventors: 에스펜 하우간
Original assignee: 지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2017-03-21
Filing date: 2018-02-14
Publication date: 2019-10-14
Also published as: US20200119548A1; KR102290404B1; AU2018238950B2; AU2018238950A1; US10862300B2; WO2018171979A1; EP3379674B1; ES2829324T3; DK3379674T3; EP3379674A1

Abstract

DC 배전 시스템은 복수의 전력원들, 및 복수의 DC 버스 섹션들을 포함하는 DC 배전 버스를 포함한다. DC 버스 섹션들 각각에 적어도 하나의 전력원이 커플링된다. 하나 이상의 전력 스위칭 어셈블리들(21)이 DC 버스 섹션들 중 하나의 DC 버스 섹션(S1)을 복수의 DC 버스 섹션들 중 다른 DC 버스 섹션(S2)에 커플링한다. 전력 스위칭 어셈블리는 제1 단자(30) 및 제2 단자(31)를 포함하고, 제1 단자는 배전 버스의 제1 버스 섹션(S1)에 전기적으로 커플링되고, 제2 단자는 배전 버스의 제2 버스 섹션(S2)에 전기적으로 커플링된다. 제1 단자와 제2 단자 사이의 전류 흐름을 제어하기 위해, 제1 단자와 제2 단자 사이에 제1 반도체 디바이스(33) 및 제2 반도체 디바이스(34)가 전기적으로 커플링된다. 적어도 하나의 전력 스위칭 어셈블리는 제1 반도체 디바이스와 제2 반도체 디바이스 사이에 커플링된 한 쌍의 전류 제한기들(35, 36)을 더 포함하며, 한 쌍의 전류 제한기들 사이에서 해당 전력 스위칭 어셈블리에 에너지 스토어(22)가 커플링된다.

Description

배전 시스템

본 발명은, 특히 오프쇼어 플랫폼(offshore platform) 또는 선박을 위한 직류(DC; direct current) 배전 시스템(power distribution system)에 관한 것이다.

오프쇼어 플랫폼들 또는 선박들 상에서, 많은 장비는 임계적(critical)인 것으로 여겨지며, 규제 요건들은 결함(fault)의 발생 시 전력의 이용가능성을 특정한다. 결과적으로, 결함이 하나의 섹션(section)에서 발생하면, 이 결함이 다른 섹션으로 전달되지 않고 모든 동작 능력이 손실되지 않도록, 리던던시(redundancy)하게, 선박 장비를 섹션들로 분리(separate)하고 각각의 섹션에 별개의 전력을 제공하는 것은 정상적인 관행이었다. 이 분리는, 상시 개방(normally open)되는, 섹션들 사이의 버스 타이(bus tie)들을 이용하여 동작시키고, 제한된 상황들에서만, 일 측이 다른 측으로부터 전력을 수신하는 것을 가능하게 하기 위해 그러한 버스 타이들을 폐쇄함으로써 달성되었다. 주 에너지 소스(energy source)들의 리던던시에 부가하여, 시스템의 양측에 제공되어야 하는 많은 다른 구성요소들이 있으며, 따라서 이러한 많은 다른 구성요소들은 일 측에서 결함의 발생 시 계속 이용가능하다. 이는 전부, 시스템들의 비용 및 복잡성에 더해진다.

본 발명의 제1 양상에 따르면, DC 배전 시스템은, 복수의 전력원들; 및 복수의 DC 버스 섹션(bus section)들을 포함하는 DC 배전 버스를 포함하며, DC 버스 섹션들 각각에 적어도 하나의 전력원이 커플링되며(coupled), 시스템은 하나 이상의 전력 스위칭 어셈블리(switching assembly)들을 더 포함하며, 전력 스위칭 어셈블리는 복수의 DC 버스 섹션들 중 하나의 DC 버스 섹션을 복수의 DC 버스 섹션들 중 다른 DC 버스 섹션에 커플링(couple)하며, 전력 스위칭 어셈블리는 제1 단자 및 제2 단자 ―제1 단자는 배전 버스의 제1 버스 섹션에 전기적으로 커플링되고, 제2 단자는 배전 버스의 제2 버스 섹션에 전기적으로 커플링됨―; 및 제1 단자와 제2 단자 사이의 전류 흐름을 제어하기 위해 제1 단자와 제2 단자 사이에 전기적으로 커플링된 제1 반도체 디바이스(device) 및 제2 반도체 디바이스를 포함하며, 적어도 하나의 전력 스위칭 어셈블리는 제1 반도체 디바이스와 제2 반도체 디바이스 사이에 커플링된 한 쌍의 전류 제한기들을 더 포함하며, 그리고 한 쌍의 전류 제한기들 사이에서 해당 전력 스위칭 어셈블리에 보조 에너지 스토어(energy store)가 커플링된다.

바람직하게는, 제1 반도체 디바이스 및 제2 반도체 디바이스 각각은 제1 쌍의 직렬 연결된 반도체 디바이스들을 포함한다.

바람직하게는, 한 쌍의 전류 제한기들 중 하나의 전류 제한기와 제1 반도체 디바이스, 또는 한 쌍의 전류 제한기들 중 다른 전류 제한기와 제2 반도체 디바이스는 DC-DC 변환기(converter)로서의 역할을 하도록 구성된다.

일 실시예에서, 전력 스위칭 어셈블리들의 한 쌍의 전류 제한기들 중 하나의 전류 제한기는 일 측에서는 직렬 연결된 반도체 디바이스들 사이에 연결되고, 다른 측에서는 한 쌍의 전류 제한기들 중 다른 전류 제한기에 연결된다.

이는, 에너지 스토어로부터 DC 버스 전압으로의 DC-DC 변환을 제어하는 2 사분면 디바이스(two quadrant device)를 형성한다.

전력 스위칭 어셈블리는, 한 쌍의 전류 제한기들 중 하나의 전류 제한기에 의해 함께 커플링된 제1 쌍의 직렬 연결된 반도체 디바이스들 및 제2 쌍의 직렬 연결된 반도체 디바이스들을 포함하는 제1 DC-DC 변환기를 포함할 수 있고, 전류 제한기의 하나의 단자는 제1 직렬 연결된 쌍의 반도체 디바이스들 중 하나의 반도체 디바이스의 출력과 제1 직렬 연결된 쌍의 반도체 디바이스들 중 다른 반도체 디바이스의 입력 사이의 공통 지점에 연결되며, 전류 제한기의 다른 단자는 제2 직렬 연결된 쌍의 반도체 디바이스들 중 하나의 반도체 디바이스의 출력과 제2 직렬 연결된 쌍의 반도체 디바이스들 중 다른 반도체 디바이스의 입력 사이의 공통 지점에 연결된다.

전력 스위칭 어셈블리는, 한 쌍의 전류 제한기들 중 다른 전류 제한기에 의해 함께 커플링된 제1 쌍의 직렬 연결된 반도체 디바이스들 및 제2 쌍의 직렬 연결된 반도체 디바이스들을 포함하는 제2 DC-DC 변환기를 더 포함할 수 있고, 전류 제한기의 하나의 단자는 제1 직렬 연결된 쌍의 반도체 디바이스들 중 하나의 반도체 디바이스의 출력과 제1 직렬 연결된 쌍의 반도체 디바이스들 중 다른 반도체 디바이스의 입력 사이의 공통 지점에 연결되며, 전류 제한기의 다른 단자는 제2 직렬 연결된 쌍의 반도체 디바이스들 중 하나의 반도체 디바이스의 출력과 제2 직렬 연결된 쌍의 반도체 디바이스들 중 다른 반도체 디바이스의 입력 사이의 공통 지점에 연결된다.

이는, 에너지 스토어와 DC 버스 전압 사이의 양방향 DC-DC 변환을 제공하는 4 사분면 회로(four quadrant circuit)를 제공한다.

제1 DC-DC 변환기와 제2 DC-DC 변환기는 전력 스위칭 어셈블리의 단자들 사이에 커플링될 수 있으며, 보조 에너지 스토어는 제1 DC-DC 변환기와 제2 DC-DC 변환기 사이에 커플링될 수 있다.

바람직하게는, 이 반도체 디바이스 또는 각각의 반도체 디바이스는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(insulated gate bipolar transistor)를 포함한다.

바람직하게는, 전력원은 원동기, 발전기, 또는 에너지 스토어 중 하나를 포함한다.

바람직하게는, 전력 스위칭 어셈블리의 일 측에서의 전압은 1KV 이상이다.

바람직하게는, 전력 스위칭 어셈블리의 일 측에서의 전압은 1KV 내지 15KV 범위 내에 있다.

이제, 본 발명에 따른 DC 배전 시스템의 예가 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이며, 이 도면들에서:
도 1은 저전압 디젤(diesel) 전기 추진 시스템을 위한 회로소자의 예를 예시하고;
도 2는 넓은 범위의 전압들에 적절한, 본 발명에 따른 배전 시스템의 예를 도시하고;
도 3은 도 2의 배전 시스템의 DC 버스 섹션들과 에너지 스토어 사이의 연결의 일 예를 더욱 상세히 예시하며; 그리고
도 4는 도 2의 배전 시스템의 DC 버스 섹션들과 에너지 스토어 사이의 연결의 다른 예를 더욱 상세히 예시한다.

오프쇼어 선박들 또는 플랫폼들, 또는 원격 드릴링 리그(drilling rig)들에 있는 DC 배전 시스템들은 통상적으로, 버스 타이 스위치(switch)에 의해 결합되는(joined) DC 버스 섹션들과 함께 전력원, 이를테면 원동기, 발전기 또는 에너지 스토어를 포함한다. 안전한 동작을 위한 규제 요건들을 충족시키기 위하여, 시스템의 일 측에서의 결함이 다른 측으로 전파되고 잠재적으로 임계 시스템들, 이를테면 드릴링 장비의 스러스터(thruster)들 또는 필수적인 부품들에 대한 모든 전력을 잃는 것을 방지하기 위해, 버스 타이 스위치는 DC 버스 섹션들을 서로 연결해제할 수 있어야 한다. 그러나, 정상 동작에서 유용하지만 임계 동작들에 필수적이지는 않은 구성요소들, 예컨대, 전부하로 모터(motor)를 돌릴 때 생성되는 과잉 에너지를 저장하거나 또는 능동 히브 보상(active heave compensation)을 이용한 드릴링 동작들 동안 재생 에너지를 저장할 수 있는 보조 에너지 스토리지(storage), 이를테면 배터리(battery)들이 또한 있을 수 있다. 본 발명은 종래의 시스템의 크기, 비용 및 복잡성을 감소시키는 것을 목적으로 한다.

통상적으로, 도 1에서 도시된 바와 같이, 통상적으로 최대 1000V DC의 저전압 DC 분배 시스템들 또는 기계 차단기들을 갖는 AC 분배(고전압 및 저전압) 솔루션(solution)들에 대해서는 버스 타이 스위치 또는 차단기 기능이 제공된다. 현재, 해양 및 오프쇼어 시스템들에서 사용하기 위한 고전압 정적 DC 스위치들에 대해서는 제한된 옵션(option)들이 이용가능하다. 통상적으로 15kV에서의 동작을 위한 고전압 등가물(equivalent)들은 이용가능하지 않다. 분류 표준들을 충족시키기 위해 두 개의 독립적으로 동작하는 전력 시스템들이 요구되는 경우, 결함들이 일 측으로부터 다른 측으로 전파되는 것을 방지하기 위해, DC 버스 타이 연결들을 매우 빠르게 연결해제할 필요가 있다. 기존의 저전압 버스 타이 스위치들은 1000V를 초과하는 전압들에서는 동작할 수 없으며, 10kV 내지 15kV 또는 그 이상의 구역의 전압에 대해서는 확실히 동작할 수 없다.

부가하여, 리던던시, 즉, 실패(failure)를 허용하기 위한 임계 구성요소들의 과잉능력(overcapacity), 이를테면, 주 스러스터의 실패의 경우 사용하기 위한 리던던트(redundant) 스러스터들을 통합하는 오프쇼어 시스템들에서, 리던던트 구성요소는, 비록 규제 표준들을 준수하는 데 필요하지만, 종종 사용되지 않을 수 있다. 더욱이, 연관된 장비, 이를테면, 에너지 스토리지, 해당 에너지 스토리지에 대한 DC-DC 변환부, 및 리던던트 시스템의 일부로서 요구되는 다른 장비는 비용들을 증가시킨다. 이들 장비 피스(piece)들이 항상 사용되는 것은 아닐 수 있거나 또는 심지어 종종 사용되는 것은 아닐 수 있기 때문에, 연관된 장비의 일부에 대한 필요를 완전히 제거하는 설계가 바람직하다.

도 1은 정적 버스 타이 차단기, 또는 온 포지션(on position) 또는 오프 포지션(off position)의 IGBT들에 기반하는 스위치(switch)(그러나, 스위칭(switching)은 없음)를 이용한 DC 분배에 기반한 통상적인 디젤 전기 추진 시스템을 예시한다. DC/DC 변환기를 갖는 에너지 스토어, 예컨대, 배터리, 커패시터(capacitor)들, 플라이휠(flywheel) 또는 다른 유형들의 스토리지가 주 스위치보드(switchboard)들 둘 모두에 배치된다. 도 1의 디젤 전기 추진 시스템은 저전압 DC 분배에 기반하며, 복수의 디젤 엔진(engine)들(1)을 포함하며, 복수의 디젤 엔진들(1) 각각은 개개의 발전기 보호 시스템들(P1, P2, P3, P4) 내의 발전기(G1, G2, G3, G4)에 연결된다. 발전기 보호 시스템들은 발전기 제어부(2)를 통합하는 발전기 큐비클(cubicle)(K1, K2, K3, K4)을 포함한다. 각각의 발전기는, 다이오드(diode)(4) 및 격리 스위치(5)를 포함하는 라인(line)(3)을 통해, DC 주 스위치보드(S1, S2)에 커플링된다. 발전기들(G1 및 G2)은 스위치보드(S1)에 커플링된다. 발전기들(G3 및 G4)은 스위치보드(S2)에 커플링된다. 스위치보드(S1, S2) 각각으로부터, DC 주 스위치보드와 모터들(10) 사이의 인버터(inverter)들(9)로의, 또는 필터(filter)(11) 및 트랜스포머(transformer)(12)를 통해 AC 보조 스위치보드(A1, A2)에 커플링되는, 모터 기능을 갖는 축 발전기로의 라인들(8)에, 스위치들(6) 및 퓨즈(fuse)들(7)이 제공된다. 부가하여, DC 주 스위치보드(S1, S2)는 DC-DC 변환기(20)를 통해 배터리(19)를 공급한다. AC 보조 스위치보드는 바이패스(bypass)(13) 및 격리 스위치들(14)을 통해 커플링된다. DC 주 스위치보드는, Di/dt 리액터(reactor)(18)의 양측에 격리 스위치(16) 및 트랜지스터 다이오드 어레인지먼트(arrangement)(17)를 포함하는 버스 타이 스위치(15)를 통해 연결된다.

도 1의 예는, 버스 타이 스위치(15)를 이하에 설명된 전력 스위칭 어셈블리(22)로 대체함으로써, 중전압 또는 고전압 DC 분배를 위해 적응될 수 있다. 배터리(19)는 보조 에너지 스토어의 예이며, 결함의 발생 시 이 보조 에너지 스토어로의 액세스(access)를 유지하는 것이 바람직하며, 이에 따라, 이 보조 에너지 스토어는 전통적으로, 결함 측이 사전에 결정될 수 없기 때문에 시스템의 양측에 제공되었다. 본 발명은, 보조 에너지 스토어로의 연결들을 통합하는 버스 타이 전력 스위칭 어셈블리에 의하여 비용 및 복잡성에서의 추가적인 감소들을 제공하며, 따라서 양측의 보조 에너지 스토어들 ―대응하는 DC-DC 변환기들 및 다른 연관된 구성요소들이 양측에 있음― 대신에, DC-DC 변환을 수행하기 위하여 전력 스위칭 어셈블리의 구성요소들을 사용하는 단일의 공통적인 보조 에너지 스토어가 제공될 수 있다. 본 발명은 또한, 단지 보조물들이 아니라, 예컨대 추진을 제공하기 위해 에너지 저장 시스템을 사용하는 완전 전기 선박의 경우 주 에너지 스토어 또는 전력 주 장비에 대한 연관된 장비를 단순화하고 감소시키는 데 유사한 방식으로 사용될 수 있다.

도 2에서 예시된 바와 같이, DC 주 스위치보드(S1, S2)의 양측은, 도 1의 예에서 수행된 바와 같이 변환기를 통해 에너지 스토어를 공급할 필요가 없다. 대신에, 전력 스위칭 어셈블리(21)의 설계는, 공통 에너지 스토어(22)에 대한 DC-DC 변환을 제공할 뿐만 아니라 버스 타이 차단기로서의 역할을 하도록 적응된다. 반도체 디바이스들, 이를테면 다이오드들 또는 트랜지스터들, 또는 인덕턴스(inductance) 또는 초크(choke)와 같은 전류 제한기들과 함께 이러한 반도체 디바이스들의 결합은, 에너지 스토어(22)에 대한 DC-DC 변환과 스위칭 둘 모두를 제공한다. 통상적으로, 전력 스위칭 어셈블리(21)와 에너지 스토어(22) 사이의 라인에 퓨즈(23) 및 아이솔레이터(isolator)(24)가 제공된다. 전력 스위칭 어셈블리는, 전력 스위칭 어셈블리(21)의 제1 단자(30)와 제2 단자(31) 사이에 전기적으로 커플링된 제1 반도체 디바이스(33) 및 제2 반도체 디바이스(34)에 의하여, 복수의 DC 버스 섹션들(S1, S2) 중 하나의 DC 버스 섹션을 복수의 DC 버스 섹션들(S1, S2) 중 다른 DC 버스 섹션에 커플링한다. 이는 제1 단자와 제2 단자 사이의 전류 흐름이 제어될 수 있게 하지만, 또한, 제1 반도체 디바이스(33)와 제2 반도체 디바이스(34) 사이에 커플링된 한 쌍의 전류 제한기들(35, 36)과 함께, 보조 에너지 스토어(22)가 한 쌍의 전류 제한기들(35, 36) 사이에서 해당 전력 스위칭 어셈블리(21)에 커플링될 수 있게 한다.

전력 스위칭 어셈블리(21)는 도 3 및 도 4에서 더욱 상세히 예시된다. 도 3에서 도시된 제1 예는, 결함의 발생 시 하나의 DC 버스 섹션(S1, S2)을 다른 버스 섹션(S2, S1)과 연결해제하고 또한 에너지 스토어(22)로부터의 DC를 DC 버스 섹션들(S1, S2) 상의 DC 전압으로 스텝 업(step up) 변환을 수행하기 위한 스위치로서의 역할을 할 수 있는 2 사분면 솔루션이다. 예컨대, 1KV에서 동작하는 DC 주 스위치보드에서, 에너지 스토어(22)에서의 전압은 700V일 수 있고, 이에 따라 700V의 배터리 전압으로부터 1KV로 DC-DC 변환이 요구된다. DC-DC 변환기들(42, 43) 각각은 전류 제한기(35, 36) 및 반도체 디바이스(33, 34)를 포함한다. DC-DC 변환기들은 전류 제한기들(35, 36)을 통해 함께 커플링되고, 보조 에너지 스토어(22)는 전류 제한기들 사이에 연결된다. 퓨즈들(23) 및 격리 스위치들(24)은 통상적으로, 에너지 스토어의 각각의 단부에 제공된다. 제1 반도체 디바이스(33) 및 제2 반도체 디바이스(34) 각각은, 제1 쌍의 직렬 연결된 반도체 디바이스들(37, 38)을 포함할 수 있고, 한 쌍의 전류 제한기들(35, 36) 중 하나의 전류 제한기와 결합되어 DC-DC 변환기로서의 역할을 하도록 구성된다. 전력 스위칭 어셈블리들의 한 쌍의 전류 제한기들(35, 36) 중 하나의 전류 제한기가 일 측에서는 직렬 연결된 반도체 디바이스들(37, 38, 39, 40) 사이에 연결되고 다른 측에서는 한 쌍의 전류 제한기들(35, 36) 중 다른 전류 제한기에 연결될 때, 에너지 스토어(22)의 DC 전압으로부터 DC 버스 전압으로 DC-DC 스텝 업 변환이 가능하다. T1은 해당 지점에서 전류를 검출하기 위한 DC 전류 센서(sensor)를 예시한다. 일 측에서 단락이 발생하면, DC 전압은 0이 되고, 이는 전력 요건이 높다면 문제일 수 있다. 에너지 스토어는 퓨즈(23)에 의해 보호되고, 일 측이 쇼트(short)되면 이 퓨즈(23)는 나간다(blow). 이는, 에너지 스토어가 비-임계 동작에 사용되고 있는 상황들에 수용가능하다. 결함이 제거되었을 때, 퓨즈들은 교체될 수 있으며, 쇼트(short)를 갖지 않았던 측으로부터의 공급은 영향받지 않은 상태로 계속되는데, 그 이유는 DC 버스(S1, S2)의 일 측으로부터 다른 측으로 결함이 확산되는 것을 방지하기에 충분히 신속하게 스위치가 개방되었기 때문이다. 선택적으로, 반도체 디바이스들과 병렬로 커패시터(C1, C2)가 제공될 수 있다. 커패시터들의 기능은 트랜지스터들의 고속 스위칭을 가능하게 하는 것인데, 그 이유는 손상을 주는 과전압들이 발생하는 것을 방지하기 위해 고속으로 스위칭(switching)할 때 커패시터와 트랜지스터 사이에서 직렬인 유도성(inductivity)을 트랜지스터들이 피해야 하기 때문이다. DC-DC 변환기들(42, 43)의 일 측에는, 하이 폴(high pole)에서 퓨즈(F1) 그리고 직렬인 퓨즈(F11)와 저항기(R1), 로우 폴(low pole)에서 퓨즈(F2) 그리고 퓨즈(F21) 및 저항기(R2)를 통해, DC 주 스위치보드(S1, S2)로의 연결들이 있다. R1/R2는 커패시터들(C1/C2)에 대한 통상적인 프리-차지(pre-charge) 솔루션을 예시하며, 정상 동작에서, 퓨즈(F1)는 전류를 전도한다. 점선은, 기계적 스위치가 양극과 음극 둘 모두에 대해 동일한 기계적 개방/폐쇄 메커니즘(mechanism)으로 동작된다는 것과, 그들을 개별적으로 동작시키는 것은 가능하지 않다는 것을 예시한다.

도 4의 예에서, 전력 스위칭 어셈블리는, 한 쌍의 전류 제한기들 중 하나의 전류 제한기(35)에 의해 함께 커플링된, 도 3의 예에서와 같은 제1 쌍(33)의 직렬 연결된 반도체 디바이스들(37, 38) 및 제2 쌍의 직렬 연결된 반도체 디바이스들(52, 53)을 포함하는 제1 DC-DC 변환기(50)를 포함할 수 있고, 전류 제한기의 하나의 단자는 제1 직렬 연결된 쌍(33)의 반도체 디바이스들 중 하나의 반도체 디바이스(37)의 출력과 제1 직렬 연결된 쌍(33)의 반도체 디바이스들 중 다른 반도체 디바이스(38)의 입력 사이의 공통 지점에 DC 전류 센서(T1)를 통해 연결되며, 전류 제한기의 다른 단자는 제2 직렬 연결된 쌍(54)의 반도체 디바이스들 중 하나의 반도체 디바이스(52)의 출력과 제2 직렬 연결된 쌍의 반도체 디바이스들 중 다른 반도체 디바이스(53)의 입력 사이의 공통 지점에 DC 전류 센서를 통해 연결된다. 이 어레인지먼트(arrangement)는 전력 스위칭 어셈블리의 다른 측에 미러링되며(mirrored), 여기서, 한 쌍의 전류 제한기들 중 다른 전류 제한기(36)에 의해 함께 커플링된 제1 쌍(34)의 직렬 연결된 반도체 디바이스들(39, 40) 및 제2 쌍(55)의 직렬 연결된 반도체 디바이스들(56, 57)을 포함하는 제2 DC-DC 변환기(51)가 제공될 수 있고, 전류 제한기의 하나의 단자는 제1 직렬 연결된 쌍의 반도체 디바이스들 중 하나의 반도체 디바이스(39)의 출력과 제1 직렬 연결된 쌍의 반도체 디바이스들 중 다른 반도체 디바이스(40)의 입력 사이의 공통 지점(T2)에 연결되며, 전류 제한기(36)의 다른 단자는 제2 직렬 연결된 쌍(55)의 반도체 디바이스들 중 하나의 반도체 디바이스(56)의 출력과 제2 직렬 연결된 쌍의 반도체 디바이스들 중 다른 반도체 디바이스(57)의 입력 사이의 공통 지점에 연결된다.

이 4 사분면 회로는, 에너지 스토어와 DC 버스 전압 사이의 양방향 DC-DC 변환을 DC 버스의 양측에 제공할 뿐만 아니라, 버스타이(bustie) 차단기 기능을 제공한다. DC 주 스위치보드(S1, S2)의 양측은 전압에 대해 서로 독립적으로 실행된다.

본 발명은, 각각의 DC 스위치보드에 연결되는 별개의 에너지 스토어를 필요로 하는 것이 아니라, 전력 스위칭 어셈블리가 버스 타이 차단기를 통해 에너지 스토어로부터 직접적으로 에너지를 리트리빙(retrieve) 및/또는 저장하는 것을 가능하게 하기 위해 이 전력 스위칭 어셈블리를 변경함으로써, 컨슈머(consumer)에 DC 공급을 제공하는 것의 체적, 크기, 비용 및 복잡성을 감소시킨다. 이는 리던던시, 즉, 실패를 허용하기 위한 임계 구성요소들의 과잉능력, 이를테면, 주 스러스터의 실패의 경우 사용하기 위한 리던던트 스러스터들을 통합하는 오프쇼어 시스템들에서 특히 중요한데, 그 이유는 리던던트 구성요소는, 비록 규제 표준들을 준수하는 데 필요하지만, 종종 사용되지 않을 수 있기 때문이다. 항상 사용되는 것은 아닌 어떤 것에 대해, 해당 리던던트 구성요소에 대해 또한 요구되는 연관된 장비가 더 많을수록, 비용은 더 크며, 이에 따라 연관된 장비 중 일부를 완전히 배제하는 설계가 바람직하다. 더 많은 공간을 자유롭게 하고 유지보수 요건들을 감소시키기 위해, 본 발명에 따른 전력 스위칭 어셈블리의 레트로-피팅(retro-fitting)은 기존의 리던던트 시스템들을 이용하여 가능하다. 본 발명은, 통상적으로 1KV 미만인 저전압들 그리고 최대 10kV 내지 15kV, 또는 그 이상의 중전압 및 고전압 양자 모두에 대해, 넓은 범위의 전압들에 걸쳐 사용될 수 있다는 장점들을 갖는다.

Claims

DC 배전 시스템(power distribution system)으로서,
복수의 전력원들; 및
복수의 DC 버스 섹션(bus section)들을 포함하는 DC 배전 버스
를 포함하며,
상기 DC 버스 섹션들 각각에 적어도 하나의 전력원이 커플링되며(coupled), 상기 시스템은 하나 이상의 전력 스위칭 어셈블리(switching assembly)들을 더 포함하며, 전력 스위칭 어셈블리는 상기 복수의 DC 버스 섹션들 중 하나의 DC 버스 섹션을 상기 복수의 DC 버스 섹션들 중 다른 DC 버스 섹션에 커플링(couple)하며,
상기 전력 스위칭 어셈블리는,
제1 단자 및 제2 단자 ―상기 제1 단자는 상기 배전 버스의 제1 버스 섹션에 전기적으로 커플링되고, 상기 제2 단자는 상기 배전 버스의 제2 버스 섹션에 전기적으로 커플링됨―; 및
상기 제1 단자와 상기 제2 단자 사이의 전류 흐름을 제어하기 위해 상기 제1 단자와 상기 제2 단자 사이에 전기적으로 커플링된 제1 반도체 디바이스(device) 및 제2 반도체 디바이스
를 포함하며,
적어도 하나의 전력 스위칭 어셈블리는 상기 제1 반도체 디바이스와 상기 제2 반도체 디바이스 사이에 커플링된 한 쌍의 전류 제한기들을 더 포함하며, 그리고
상기 한 쌍의 전류 제한기들 사이에서 해당 전력 스위칭 어셈블리에 에너지 스토어(energy store)가 커플링되는,
DC 배전 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 제1 반도체 디바이스 및 상기 제2 반도체 디바이스 각각은 제1 쌍의 직렬 연결된 반도체 디바이스들을 포함하는,
DC 배전 시스템.
제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 한 쌍의 전류 제한기들 중 하나의 전류 제한기와 상기 제1 반도체 디바이스, 또는 상기 한 쌍의 전류 제한기들 중 다른 전류 제한기와 상기 제2 반도체 디바이스는 DC-DC 변환기(converter)로서의 역할을 하도록 구성되는,
DC 배전 시스템.
제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전력 스위칭 어셈블리들의 상기 한 쌍의 전류 제한기들 중 하나의 전류 제한기는 일 측에서는 상기 직렬 연결된 반도체 디바이스들 사이에 연결되고, 다른 측에서는 상기 한 쌍의 전류 제한기들 중 다른 전류 제한기에 연결되는,
DC 배전 시스템.
제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전력 스위칭 어셈블리는, 상기 한 쌍의 전류 제한기들 중 하나의 전류 제한기에 의해 함께 커플링된 제1 쌍의 직렬 연결된 반도체 디바이스들 및 제2 쌍의 직렬 연결된 반도체 디바이스들을 포함하는 제1 DC-DC 변환기를 포함하고, 상기 전류 제한기의 하나의 단자는 제1 직렬 연결된 쌍의 반도체 디바이스들 중 하나의 반도체 디바이스의 출력과 상기 제1 직렬 연결된 쌍의 반도체 디바이스들 중 다른 반도체 디바이스의 입력 사이의 공통 지점에 연결되며, 상기 전류 제한기의 다른 단자는 제2 직렬 연결된 쌍의 반도체 디바이스들 중 하나의 반도체 디바이스의 출력과 상기 제2 직렬 연결된 쌍의 반도체 디바이스들 중 다른 반도체 디바이스의 입력 사이의 공통 지점에 연결되는,
DC 배전 시스템.
제5 항에 있어서,
상기 어셈블리는, 상기 한 쌍의 전류 제한기들 중 다른 전류 제한기에 의해 함께 커플링된 제1 쌍의 직렬 연결된 반도체 디바이스들 및 제2 쌍의 직렬 연결된 반도체 디바이스들을 포함하는 제2 DC-DC 변환기를 더 포함하고, 상기 전류 제한기의 하나의 단자는 제1 직렬 연결된 쌍의 반도체 디바이스들 중 하나의 반도체 디바이스의 출력과 상기 제1 직렬 연결된 쌍의 반도체 디바이스들 중 다른 반도체 디바이스의 입력 사이의 공통 지점에 연결되며, 상기 전류 제한기의 다른 단자는 제2 직렬 연결된 쌍의 반도체 디바이스들 중 하나의 반도체 디바이스의 출력과 상기 제2 직렬 연결된 쌍의 반도체 디바이스들 중 다른 반도체 디바이스의 입력 사이의 공통 지점에 연결되는,
DC 배전 시스템.
제6 항에 있어서,
상기 제1 DC-DC 변환기와 상기 제2 DC-DC 변환기는 상기 전력 스위칭 어셈블리의 단자들 사이에 커플링되며, 그리고
상기 제1 DC-DC 변환기와 상기 제2 DC-DC 변환기 사이에 보조 에너지 스토어가 커플링되는,
DC 배전 시스템.
제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반도체 디바이스 또는 각각의 반도체 디바이스는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(insulated gate bipolar transistor)를 포함하는,
DC 배전 시스템.
제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전력원은 원동기, 발전기, 또는 에너지 스토어 중 하나를 포함하는,
DC 배전 시스템.
제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전력 스위칭 어셈블리의 일 측에서의 전압은 1KV 이상인,
DC 배전 시스템.
제1 항 내지 제10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전력 스위칭 어셈블리의 일 측에서의 전압은 1KV 내지 15KV 범위 내에 있는,
DC 배전 시스템.
제1 항 내지 제11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 에너지 스토어는 보조 에너지 스토어인,
DC 배전 시스템.