TW202232844A - 用於電力系統之增強型匯流排阻抗及瞬變擾動控制技術 - Google Patents

用於電力系統之增強型匯流排阻抗及瞬變擾動控制技術 Download PDF

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Abstract

一種系統包括被組配用以從一電力源配送電力之一配電匯流排。該系統亦包括複數個電氣負載，該複數個電氣負載被組配用以從該電力源接收該電力之部分。該系統更包括一雙饋送式感應機(DFIM)，該DFIM被組配用以降低該配電匯流排上之傳輸阻抗以對該等電氣負載中之一或多者之一實際或無效功率變化作出回應，並且降低來源處之低頻電力振盪。

Description

用於電力系統之增強型匯流排阻抗及瞬變擾動控制技術
本揭露大致係針對使用電機之電力系統。更具體而言，本揭露係有關於具有脈動負載之電力系統用之擴增型匯流排阻抗及瞬變擾動控制。
船舶上之許多現代變速驅動機或雷達電力供應器具有少量或不具有能量儲存。因此，輸出功率之暫態擺動在主要交流(AC)匯流排上呈現相應之大能量擺動，從而呈現電壓波動。當大實際功率波動出現時，這些會在船舶電力系統上伴隨有大幅擺動之無效功率(kVAR)，並且影響最高層級之產生器運作，包括核反應器閥門回應。帶有中電壓交流配送之現有船舶對無效功率具有達到最小之控制，並且未使用靜態伏安無功(VAR)補償器。
本揭露為電力系統提供用於擴增型匯流排阻抗及瞬變擾動控制之系統。
在一第一實施例中，一種系統包括被組配用以從一電力源配送電力之一配電匯流排。該系統亦包括複數個電氣負載，該複數個電氣負載被組配用以從該電力源接收該電力之部分。該系統更包括一雙饋送式感應機(DFIM)，該DFIM被組配用以降低傳輸阻抗並降低該配電匯流排上之電壓降，並且提供能量儲存能力以對該等電氣負載中之一或多者處之一電力變化作出回應。
在一第二實施例中，一種系統包括被組配用以為複數個電氣負載產生電力之一電力產生器。該系統亦包括被組配用以從該電力產生器接收及配送電力之一配電匯流排。該系統更包括一DFIM，該DFIM被組配用以降低傳輸阻抗及該配電匯流排上之電壓降以對該等電氣負載中之一或多者處之一實際或無效功率變化作出回應。
在一第三實施例中，一種方法包括使用一電力產生器為複數個電氣負載產生電力。該方法亦包括在一配電匯流排處接收該電力並配送該電力中之至少一些以供在該等電氣負載處使用。該方法更包括使用一DFIM降低該配電匯流排上之傳輸阻抗及電壓降以對該等電氣負載中之一或多者處之一無效功率變化作出回應、以及增強系統穩定性。
所屬技術領域中具有通常知識者可從圖式、說明、及申請專利範圍輕易明白其他技術特徵。
下文所述之圖1至9、以及本專利文件中用於對本揭露之原理作說明之各項實施例僅為例示，並且不應該以任何方式視為限制本揭露之範疇。所屬技術領域中具有通常知識者將理解，可在任何類型之適當布置之裝置或系統中實施本揭露之原理。
為了簡單及清楚起見，一些特徵及組件並未在每個圖式中明確示出，包括搭配其他圖式所示之那些圖式。將瞭解的是，圖式中所示之所有特徵都可運用於所述實施例中之任何一者。從一特定圖式省略一特徵或組件之目的是為求簡便及清楚，並非旨在暗指該特徵或組件不能運用在搭配該圖式所述之實施例中。
如上述，船舶上之許多現代工業變速驅動機或雷達電力供應器具有少量或不具有能量儲存。因此，輸出功率之暫態擺動在主要交流(AC)匯流排上呈現相應之大能量擺動，從而呈現電壓波動。當大實際功率波動出現時，這些會在船舶電力系統上伴隨有大幅擺動之無效功率，並且影響最高層級之產生器運作，包括核反應器閥門回應。帶有中電壓交流(MVAC)配送(諸如4.16 kV至13.8 kV)之現有船舶對無效功率具有達到最小之控制，並且未使用靜態伏安無功(VAR)補償器。
現代船舶電力系統具有在一共用交流配電系統上組合之低頻/低脈衝重複頻率(PRF)及高頻/高PRF兩者之一脈動負載組合。諸脈動載荷之間的干擾係許多軍艦上之一主要問題。舉例而言，雷達交流對直流(AC/DC)電力轉換器與用於壓縮機及泵送裝備之習知變速驅動機負面互動。為了在百萬瓦級上妥善解決此問題，期望能量儲存管理與無效功率調節之一組合。
本揭露為電力系統提供擴增型匯流排阻抗控制之各項實施例。所揭示之實施例將實際及無效功率控制與主動式能量儲存組合以加固交流匯流排、降低電壓驟降並顯著降低「瞬變擾動」(低頻功率振盪)。所揭示之實施例將一雙饋送式多埠口感應機用於為「弱式」交流電力系統中之補償提供無功控制及瞬變擾動能量。海軍艦艇伴隨從主要電力產生器到負載站點之長傳輸距離可構成弱式系統，因為串聯電抗相當高。所揭示之實施例改善這些類型之系統上之電壓調節及無效功率穩定性。具有波動或隨機負載之以陸地為基及以船舶為基之電力系統期望減輕瞬變擾動。
將瞭解的是，本揭露之實施例可包括這裡所述特徵中之任何一者、多於一者、或全部。本揭露之實施例亦可另外或替代地包括這裡未列出之其他特徵。儘管所揭示之實施例可針對海軍艦艇及預警雷達電力系統作說明，這些實施例也適用於任何其他適合的系統或應用。
圖1根據本揭露，繪示用於擴增型匯流排阻抗控制(ABIC)之一例示性系統100。系統100之一些實施例可用於海軍艦艇電力系統，但其他用途也在本揭露之範疇內。如上述，ABIC代表實際及無效功率控制與能量儲存之一組合，用以加固交流匯流排、降低電壓驟降、及降低「瞬變擾動」。
如圖1所示，系統100包括以一頻率f1向一交流配電匯流排104提供電力之一產生器組102 (諸如一渦輪產生器)。系統100亦包括一雙饋送式感應機(DFIM) 106，DFIM 106向一快速脈動負載110 (諸如一雷射、雷達、磁軌砲、或類似者)提供實際功率及能量儲存，並且還為配電匯流排104提供用於提供電壓/VAR支援之一可調整無效功率來源。DFIM 106係一種電機，其具有雙向功率流以供實際及無效功率兩者都流入或流出其定子或初級繞組；DFIM 106係由饋送至其轉子或次級繞組之激發交流電力所控制。
配電匯流排104將電力從產生器組102配送至DFIM 106並配送至一慢速脈動負載112。慢速脈動負載112係一種「內務處理型」負載，其可代表一或多個壓縮機、泵浦、及類似者。可將配電匯流排104之部分特性化為一「強式」匯流排或一「弱式」匯流排，端視各種因素而定。一個因素是當電流以一指定量(諸如百分之80)波動時，快速脈動負載110處發生多少電壓波動。在一弱式匯流排中，快速脈動負載110處之電壓可顯著波動(諸如百分之20或更多)。在一強式匯流排中，電壓波動小更多(諸如百分之5或更小)。一弱式匯流排可導因於隨著一長傳輸距離(諸如約800英尺或更長)存在之中間變換器加上傳輸纜線電感。特性化匯流排強度之另一因素係額定短路。舉例而言，一強式匯流排可具有一更高之額定短路(諸如40 MVA)，而一弱式匯流排則可具有一更低之額定短路(諸如6 MVA)。
DFIM 106係一旋轉機，並且可具有靜態VAR補償器中通常使用之一交流電容器組之約兩倍電容性能量儲存密度(諸如8.43 MVAR/m 3之於4 MVAR/m 3)。DFIM 106係耦合至一高速飛輪108，高速飛輪108以慣性能量之形式儲存能量，並且還緩衝產生器組102免受與該等電氣負載中之一者相關聯之功率振盪影響，藉此減少系統功率激增。飛輪108亦有助於DFIM 106以比標準船舶渦輪產生器可回應者更快之一回應時間來降低瞬變擾動。降低瞬變擾動使所有主要電氣裝備之壽命延長。
如圖1所示，DFIM 106包括三個定子繞組埠口。埠口1係連至定子之初級電力輸入，且埠口2及3係位在該定子上之輸出埠。埠口1從不穩定配電匯流排104接收輸入視在功率(MVA)。埠口2向帶有復現功率或電流激增之脈動負載110提供穩定之實際功率(以百萬瓦之等級提供)。負載110可以是一經整流DC負載或嚴格之交流負載。埠口1及埠口2與飛輪108交換功率/能量。埠口3產生超前功率因子無效功率Q3 (MVAR)，其係藉由轉子(或次級)激發多相功率輸入之作用進行調節，並且此無效功率Q3係注入到配電匯流排104裡。一ABIC無功控制器114調整電壓位準以獲得與相應負載之正確VAR匹配。無效功率Q3大致與DFIM 106之輸出電壓之平方成比例。埠口3支援一「同步凝結器」功能，並且將DFIM 106之所儲存磁場用於來源能量。多相轉子激發係取自一單獨交流激發電力供應器116。此轉子激發供應器有能力以輸出功率之一到兩個電氣循環之等級快速變更轉子電流及電壓位準；因此，可快速調節埠口2及3處之輸出電壓。儘管圖1僅展示一個DFIM 106，但這僅僅是一項實例。其他實施例可包括附加DFIM 106，其包括在相反方向旋轉之一或多個機器。
圖2A根據本揭露，繪示一例示性曲線圖200，其繪示以圖1之系統100中之產生器電抗為函數之可傳輸功率。如圖2A所示，P max係從產生器組102到負載110之最大正規化可傳輸功率。所示為功率與對傳輸線特性阻抗 Z o正規化之產生器電抗X t之對照關係。即使傳輸線大部分具有電感性，而且與其多長無關，傳輸線對於無效功率仍有一需求。曲線圖200中標記為1至5之曲線代表不同長度之傳輸線。曲線1係長度最短(諸如0.5 km)或匯流排「最強」之一傳輸線。曲線5係長度最長(諸如2.5 km)或匯流排「最弱」之一傳輸線。
點P 1代表每單位典型固定電抗X t/Z o= 0.20之一所欲操作點，因為每單位最大功率P max= 2.5。量P o係來源產生器之標稱輸出功率。對於相同之產生器電抗X t/Z o= 0.20，點P 5係最不期望之操作點，因為每單位P max只有1.0。可能期望或需要使比值P max/P o大且大於1.0。系統100將一長度為中至長之傳輸線上之一操作點P 5變更為介於P 1與P 5之間的一操作點(藉由增加允許之實際功率來變更)，端視分流連接之DFIM 106之VAR注入位準(圖1中之Q3@V1)而定。實際上，系統通常不使用X t/Z o＞ 0.40，因為電壓降很大。所揭示之實施例亦涵蓋對於無效功率之需求，用以補償一交流/直流受控制整流器系統及起於DFIM更下游之一DC負載的無功需求，如本文中所詳述。
圖2B以正及負滑差值為習知雙饋送式感應產生器繪示一操作範圍。在圖2B中，實際功率輸出P G係隨著連接至來源而用於一習知雙激發式纏繞轉子感應機之定子電路，其中P S係標稱來源功率位準。正滑差值指出機器係作為一馬達運作中，具有一正功率流P R進入轉子並吸收來源能量。負滑差值指出機器係作為一產生器運作中，具有一功率流P R從轉子流出並將能量還給來源。轉子功率係以零滑差值為中心對稱。信號P GC係控制信號，用於估計要高於及低於標稱回傳至來源之功率。這種布置結構之一個問題在於來源可能無法吸收由轉子或其負載所發展之多餘能量，這可能會創建一瞬變擾動條件或復現暫態行為。所揭示之實施例解決此問題。
圖3A至3D繪示例示性曲線圖301至304，其根據本揭露，繪示用於DFIM無效功率輸出之一寬控制範圍。在一些實施例中，曲線圖301至304可基於帶有可變滑差激發控制頻率之60 Hz輸出下之一三級多相機器繞組。顯然，該概念可延伸至遠低於60 Hz及遠高於60 Hz之頻率。DFIM可由圖1之DFIM 106表示。
如圖3A所示，曲線圖301以與圖1中之埠口1及埠口3繞組對應之定子週邊位置為函數，繪示與Q軸繞組之無效功率輸出對應之磁場正交密度B q。作圖曲線311指出極點6與8之間Q軸繞組之無功輸出磁場密度B q。作圖曲線311針對15%滑差之狀況，展示每單位正交磁通量密度約±1處，點P 6與點P 8之間幾乎相等之正及負無效功率。在這裡，無效功率係無功輸出B q與圖1中埠口3之繞組之定子電流加載的空間積分。
如圖3B所示，曲線圖302以多達六個極點之定子週邊位置為函數，繪示Q軸繞組之無功輸出徑向磁場密度B q。作圖曲線312指出極點4與6之間Q軸繞組之無功輸出磁場密度B q。作圖曲線312針對19%滑差之狀況，展示從點P 4處之零到點P 6處之每單位高度超前電容性輸出5.8的無功輸出。此特性具有一輔助定子激發繞組，其有助於起於定子週邊位置s/Tp = 3.0之VAR產生。因此，當需要一純無功輸出才能針對無效功率滿足中頻匯流排時，DFIM可在一19%滑差下運作，並且可從位於極點4與6之間的繞組取出輸出，如作圖曲線312所指。滑差值係由轉子滑差頻率激發電力供應器快速控制，直接對輸出無功需求作出回應。
如圖3C所示，曲線圖303針對一4極點專業感應產生器，以滑差值(每單位)及輸出頻率f (Hz)為函數，繪示所產生無效功率Q之正規化極限。對於f = 50-600 Hz範圍內之機器，無功特性在每單位滑差約0.05處達到峰值。對於帶有兩個或三個輸出之一機器，總Q可藉由使用一適當之繞組設計在該等輸出之中進行等分。四個極點之倍數之機器利用四個極點之多個可重複區段。
如圖3D所示，曲線圖304以定子氣隙週邊位置及每單位高達0.25之滑差值為函數，繪示同相正規化氣隙徑向通量密度B p。通量密度B p對於埠口2或3係DFIM之實際功率輸出之主要分量。曲線圖304中所示之這些曲線與定子電流加載(每公尺周緣安培匝數)進行純量乘積，然後隨著空間位置進行積分，預測埠口2處定子繞組所吸收並在輸出負載係再生負載時於一模式中轉移至飛輪加速的實際功率之極限，藉此將能量泵送回到電力系統裡。舉例而言，在一些實施例中，可最期望每單位0.05至0.11之一滑差值(正或負)。所示曲線對於一個磁化因子值G = X m/R2 = 30有效，其中X m係磁化電抗且R2係轉子電阻。
圖3E根據本揭露，為帶有三級繞組及暫態條件且有能力向一中間匯流排提供超前無效功率之一例示性感應機繪示一曲線圖305。受測體DFIM三級繞組可在特此定義之某些限制下針對電流輸出實際及無效功率。在如圖8A及8B中之繞組圖所定義之一空間暫態中，圖3E在一可重複區段中，針對不同系列之初級定子極點n=l至n=4，以每單位滑差為函數，展示總氣隙通量密度(如Bt 2)與正交通量密度(如Bq 2)之一組合。在初級繞組之一可重複定子區段之後，定子周緣係以一多相三級繞組區段纏繞，並且出現一空間暫態。例如，一12極點機器將具有3個可重複區段。最有用之特性係n=4系列。如粗線所示，在一10%樣本滑移值處，Bq 2值為每單位(p.u.) 0.27且Bt 2值為每單位0.44。這兩點之間的差異係每單位磁通密度之同相分量Bp 2= 0.17。關係式Bt 2= Bp 2+ Bq 2對於所有滑移值都成立。
分量值因此為：Bp = 0.412 p.u.、Bq = 0.519 p.u.且Bt= 0.663 p.u.。每單位基本量為Us/(p r*Js)，其中Us係同步場速(ms)、p r係轉子表面電阻率(歐姆)且Js係定子電流加載(A/m周緣)。圖3E中之曲線指出，除了更大之無效功率(計算為積分Bq* Js)以外，還有實質實際功率(計算為積分Bp*Js)可得自三級繞組，用以自/向負載吸收或產出瞬變擾動無效功率。可從圖3E看出，隨著滑差減小到諸如5%之一值，Bp之相對位準降低且最終隨著滑差值趨近零而朝向零消減。這定義所揭示實施例之一操作模式；隨著瞬變擾動功率位準增加，連至DFIM 406之可調整頻率驅動機414 (下文針對圖4所述)瞬間將滑差值從一低滑差增加到一更高值，用以產出一更高之Bp及因此更高之實際功率能力，以供三級繞組中之至少一者從振盪或不穩定負載吸收實際功率。瞬變擾動能量在機器轉子中消散，而不是發送回到渦輪來源。
當對於DFIM繞組進行純實際功率吸收引起一需求時(諸如用以將負載能量轉移至飛輪)，機器可在極點4與8之間以5-11%之一滑差值運作，如圖3D所示。8%滑差曲線313展示B p隨著這個四極點區段從每單位4.7增加到每單位12。相比之下，當DFIM必須同時提供實際及電抗支援時，一中間滑差值可藉由滑差頻率調節來控制，諸如16%。同相通量密度B p在每單位9.8處達到相當可觀之峰值，並且正交通量密度B q係每單位3.0 (請參照圖3B)。滑差值係藉由DFIM轉子激發電路對同步速度ῳ s下命令之動作，在任何機器速度ῳ r下進行調節，其中滑差 = (ῳ s-ῳ r)/ῳ s。同步速度(以弧度/秒為單位)與所施加激發頻率f s成正比，因為ῳ s= 2*π f s/極點對數量。由於現代驅動機可在數毫秒內改變頻率f s，轉子之同步場速可在相同之短期間內改變，藉此允許非常快速地控制DFIM輸出無效功率達到峰值之位置。
圖4根據本揭露，繪示用於擴增型匯流排阻抗控制(ABIC)之另一例示性系統400。如下文所論述，系統400包括與圖1之系統100之對應組件相同或類似之多個組件。
如圖4所示，系統400包括向一交流配電匯流排404提供電力之一船舶電力產生器402。在一些實施例中，產生器402可與圖1之產生器組102相同或類似。產生器402及匯流排404處於中等多相電壓電位，諸如4160伏特及頻率fx。
系統400亦包括帶有多個(諸如三個)多相三級繞組埠口1至3之一DFIM 406，各埠口補償一相異脈衝負載410至412 (諸如需要一更高電壓輸入之一雷達、一干擾器、一電磁效應器、及類似者)。DFIM 406包含一非對稱、空間暫態繞組，其在三級繞組中產生超前無效功率、其在有別於初級或次級繞組之一電壓位準下運作，並且補償由脈衝負載410至412所需之無效功率中之至少一些。DFIM 406係耦合至一能量儲存慣性飛輪408，並且係藉由在輸入處具有來源頻率fx且在輸出處具有頻率fo之一可調整速度可變電壓可變頻率(VVVF)驅動機414來加速。實際功率Po係藉由VVVF驅動機414向DFIM 406之初級繞組提供以補償加速功率、摩擦損失、風阻損失及初級I 2R損失。一旦轉子及飛輪升到額定速度，DFIM 406便操作為帶有可調整輸出kVAR及kW特性之一旋轉凝結器。在一些實施例中，DFIM 406包括一8極點機器，並且基於7,500 -11,000 rpm之一實際操作速度範圍具有500-733 Hz之一輸出範圍。當然，其他極點計數、輸出範圍及操作速度範圍是有可能的，並且在本揭露之範疇內。同樣地，儘管圖4僅展示一個DFIM 406，但這僅僅是一項實例。其他實施例可包括附加DFIM 406，其包括在相反方向旋轉之一或多個。
用於各負載410至412之電路具有一交流對交流頻率轉換器416至418、以及一步升或步降變換器，加上交流/直流整流器420至422，酌情連至送至負載之所欲輸入電壓。提供變換器420至422以將負載410至412與來源電力電流性隔離。各交流對交流頻率轉換器416至418將來源頻率fx轉換成為了對應負載410至412所選擇之一中頻f1、f2、f3。f1、f2、f3處之一中頻中間鏈路之優點在於變換器420至422尺寸縮減且濾波器組件尺寸縮減，包括DFIM 406之尺寸。系統400之架構允許DFIM 406之轉子阻尼器機座吸收由饋伺脈動負載410至412之交流/直流整流器420至422所產生之高次諧波。
各頻率轉換器416至418輸出一頻率f1、f2或f3，該頻率比來源頻率fx顯著更高(諸如10x)。藉由將一DFIM激發器424用於改變DFIM 406之次級(轉子)繞組上之激發電流Ie及頻率fr以與軸轉速成反比，三級繞組上之輸出頻率f1、f2及f3可隨著寬速度變化維持實質恆定，因為能量被提取或回傳至飛輪408。由於DFIM 406之機器繞組之磁性設計，頻率f1、f2及f3較佳為相等，還與來自VVVF驅動機414之輸出fo同頻率，輸出fo被注入到DFIM 406之主要定子繞組裡。DFIM激發器424使三級繞組輸出能夠提供超前或滯後無效功率，用以在一復現或暫態基礎上補償振盪負載條件功率因子。
各脈衝負載410至412均具有一等效電抗Xqq，如反射到連至變換器420至422之輸入的電抗。DFIM 406處之三個單獨輸出三級繞組提供無功電流I1、I2、I3及無效功率Q1、Q2、Q3 (如Q=I 2Xqq)、以及一對應高頻匯流排上之相關聯無功能量，儘管這些可處於不同線電壓V1、V2、V3而無限制。如圖4所示，兩個負載410至411與一步降變換器420-421匹配，而第三負載412則具有一步升變換器422。頻率轉換器416至418有能力將輸出電壓V1、V2、V3升壓或降壓至高於或低於來源電壓Vx。DFIM 406之三個輸出具有一共同頻率，但輸出功率/能量可處於實質不同之速率(MW/s或MJ/s)及幅度。
DFIM 406之多個三次輸出繞組各與輸出埠1至3中之一者相關聯，為負載410至412提供VAR支援。三級繞組回應於滑差值操作範圍，亦提供實際功率輸出或吸收實際功率(請參照圖3D)。各輸出埠1至3均可向具有一無功需求或無效功率振盪之對應負載410至412提供超前無功電流及無效功率。這因此對主要從船舶電力產生器402提供實際功率之頻率轉換器416至418降低無效功率需求並縮減實體尺寸/重量。當一瞬變擾動條件發展時(其一般可用於雷達及類似應用)，將瞬變擾動實際功率能量提取自飛輪408或回傳至飛輪408，而不是負面影響船舶電力產生器402。這會降低總體船舶功率調節，其對於核動力航空母艦尤其重要，該等核動力航空母艦對不利之功率調節敏感。
DFIM 406之分流連接將中頻匯流排阻抗降到比沒有DFIM連接時所存在之值還低之一值，這與一靜態分流電容器降低交流匯流排阻抗幾乎同方式，差別在於系統400中，有效之匯流排阻抗可藉由滑差激發控制來調整。變換器420至422具有取決於負載410至412之條件而可變之一輸入無功kVAR需求。各負載410至412之脈衝率(脈衝/秒)越高，對應於變換器/整流器對420至422之輸入處之基波功率及諧波功率之無功需求就越高。DFIM 406藉由調節滑差激發電流「Ie」與調節滑差激發頻率「fr」之一組合來控制無效功率Q1、Q2或Q3之輸出，如下文搭配圖5A到5D所解釋。DFIM激發器424具有對DFIM轉子電路中之繞組損耗進行補償之一實際功率輸出Pr。
交流配電匯流排404之阻抗降低原理取決於各種因素。DFIM 406在低滑差模式(諸如1.5%至2.5%)中受控制時，於任何輸出頻率下均包含一負交流電阻。藉由隨著寬速度/能量範圍使用一快速主動式轉子頻率控制器(諸如一可變頻率絕緣閘雙載子電晶體或IGBT驅動機)，DFIM 406保持處於負電阻區域中。DFIM 406之負電阻對於此特性不依賴轉換器，但三個頻率轉換器416至418仍用於將匯流排404 (例如：60 Hz)與對於kW及kVAR輸出兩者都獲得高功率密度所需之一DFIM輸出頻率(諸如1000 Hz)相匹配。在一些實施例中，系統400可呈現一匯流排阻抗降低，諸如在60Hz下從0.63歐姆降低到0.12歐姆，但其他值仍是有可能的並且在本揭露之範疇內。
DFIM 406在使用高軸轉速時獲得一高功率密度(諸如6 kVA/kg)。頻率轉換器416至418非常緊湊、有效率且重量輕。DFIM 406之無效功率(kVAR)輸出與總體kVA機器額定內之實際功率(kW)輸出無關。輸出埠3在一實質正交軸磁性電路上運作，而輸出埠2之實際功率輸出在一實質直軸磁性電路上運作。
圖5A至5D根據本揭露，繪示例示性相量圖501至504，相量圖501至504展示藉由DFIM 406進行之無效功率控制。在圖5A中，相量圖501展示三個脈衝負載(負載1、負載2、負載3)，其分別代表圖4之三個脈衝負載410至412。在相量圖501中，實際功率P係由X軸指出，且無效功率Q係由Y軸指出。如圖5A所示，線條510至512代表用於三個脈衝負載之視在功率S1、S2、S3，藉此，視在功率S1 ＞ S2 ＞ S3且實際功率P1 ＞ P2 ＞ P3。多個繞組/埠口中之DFIM 406之輸出(由線條513所指)完全補償三個無效功率Q1L ＞ Q2L ＞ Q3L，而且實際功率係專門透過頻率轉換器416至418汲取。
在圖5B中，相量圖502展示負載2 (線條511)之一突然變化，其此時超出負載1及負載3 (亦即，P2 ＞ P1 ＞ P3)並且因此Q2L ＞ Q1L ＞ Q3L。情況穩定，且DFIM 406在2至5個循環內補償變化，以及負載2之實際功率P2係藉由頻率轉換器417增加。DFIM 406以88至89度之一相位角運作，因為其大部分輸出係無效功率，並且僅少量實際功率Po係用於摩擦及風阻損失。在實際之脈衝功率實作態樣中，負載2可在每秒多次下、或在一低頻(諸如2 Hz)下，於一週期性基礎上，在圖5A與圖5B之條件之間隨著大實際及無效功率擺動振盪，因此創建一瞬變擾動條件。應知，在大部分狀況中，頻率轉換器416至418之功率流屬於單向，因為產生器402 (諸如一氣輪機)無法輕易接受來自一大負載之再生功率。
在圖5C中，相量圖503展示負載3 (線條512)突然從一非再生象限II負載變為屬於再生之一象限III負載之一狀況。為了保護原動機，如果頻率轉換器418屬於單向，則系統400可藉由使DFIM 406吸收此功率/能量P3/E3，並且使用此能量E3對耦合至DFIM 406之飛輪408再充電，吸收負載能量E3作為實際功率。圖5C中展示此模式，其中DFIM 406 (線條513)此時在象限IV中運作，且相量ST 3為三個負載410至412提供所有無效功率，並且在一復現基礎上從負載3吸收實際功率/能量，直到飛輪408不能再接受進一步能量增加且必須將其能量排洩至負載410至412中之任何一者時為止。
DFIM 406及DFIM激發器424之設計允許隨著快速回應在一隨機基礎上或替代地在一週期性基礎上交替地發生一負載從象限II擺動至象限III。藉由將負載能量吸收到飛輪408裡，這消除會按其他方式分布在系統400 (有別於一原動機來源)各處之瞬變擾動能量，該瞬變擾動能量可能導致不期望之過電壓及暫態效應。系統400允許DFIM 406使各輸出埠1至3獨立於相鄰埠口吸收瞬變擾動能量，並且將各段瞬變擾動能量回傳至其附接之能量儲存單元，同時向各負載提供無效功率補償。
在圖5D中，相量圖504繪示一標準高功率6脈衝受控制交流對直流整流器，諸如圖4之整流器420至422。圖5D中之一電路圖505繪示此一高功率6脈衝受控制交流對直流整流器之代表性電路系統。在圖式中，Q 1代表基波無效功率且Q H代表諧波無效功率。
圖6根據本揭露，繪示圖4所示三個輸出支路中之一者之一例示性等效電路600。如圖6所示，電路600將產生器402建模為帶有來源電壓Vx之一來源602，並且將頻率轉換器416至418建模為帶有組合式阻抗Zx = Rx之一輸入頻率轉換器604。輸入頻率轉換器604饋伺位處中頻匯流排處之一節點605。節點605亦具有來自DFIM 406之功率注入，其在電路600中係建模為帶有來源電壓V4及串聯阻抗Z4=R4-jX4之一DFIM 606。負載410至412及帶有整流器420至422之變換器係建模為具有磁化電抗Xm之一分流支路608、及具有阻抗ZL=RL+jXL之一串聯支路610。DFIM 406為其各埠口所發展之無效功率完全補償Xm及XL中消耗之無效功率。
如果負載整流器420至422係諸如一閘流體之一相控橋裝置，當此裝置具有一閘延遲(ά角)及一回相電流切換時，連至整流器420至422之輸入上出現一等效無功需求，即使負載410至412屬於純電阻性亦然。這種無功需求在負載410至412之加速或暫態擺動中特別大；其在電路600中係由與負載串聯之電抗Xc表示。隨之而來之無功需求係變換器磁化電抗、變換器漏電抗與交流對直流轉換器無功需求之一組合，如下文所解釋。還對無功需求新增以高功率閘流體為基之交流對直流轉換器中存在之換向重疊。此交流對直流轉換器無功需求以輸出直流電流為函數增加。負電抗-jX4係DFIM輸出繞組之一設計特徵，並且可匹配與Xm並聯之輸出電抗Xl + Xc，所以，輸入頻率轉換器無有效之無功需求。
圖7A至7D繪示大型習知電力轉換器之性質。圖7A至7D中之例示展示Albert Kloss-Brown所著教科書「Basic Guide to Power Electronics」(Boveri & Cie，1984 年)中之構圖。圖7A繪示教科書中之圖77。圖7A右側之功率圓圖展示以閘流體閘控延遲角α為函數之正規化無效功率。應知，交流對直流轉換器無效功率需求以每單位1.0在α = 87度處達到峰值。圖7B繪示教科書中之圖81。圖7B之下方曲線圖展示以直流負載電流i d及α角為函數之正規化無效功率。在圖7A及7B中，已將線條701至702新增至圖式中，用以繪示變換器之後交流對直流受控制整流器之輸入側之無效功率需求(滯後PF)。
在圖7C中，線條703展示負載條件之加速或暫態變化期間連至輸入交流對直流整流器之正規化無效功率q 1在前三個循環中非常高。在圖7D中，線條704展示加速區域內前三個循環期間每單位約0.75之平均無效功率。因此，在快速負載變化期間，附加之無效功率需要超出一穩態要求。
圖8A及8B根據本揭露繪示用於一ABIC機器，諸如DFIM 804，之例示性繞組圖801至804。如圖8A及8B所示，ABIC機器係帶有108個定子槽及3個無功輸出繞組之一2極點ABIC機器。在圖8A中，繞組圖801展示ABIC主要輸入「M」用之繞組。繞組圖802展示無功輸出Q1群組用之繞組。在圖8B中，繞組圖803展示無功輸出Q2群組用之繞組。繞組圖804展示無功輸出Q3群組用之繞組。圖8B底部所示之區塊M、Q1、M、Q2等係功能塊，其繪示一主要繞組，該主要繞組為機器提供激發，後接一無功繞組。這接著後接另一主要繞組及另一無功繞組。這種繞組序列在機器磁性電路中創建一暫態，其產生附加之超前無效功率。
雖然圖1至8B繪示用於擴增型匯流排阻抗控制之例示性系統及相關細節，但仍可對圖1到8B施作各種變更。舉例而言，儘管圖式展示僅帶有一個DFIM之系統，但這僅僅是一項實例。在其他實施例中，該等系統可包括附加DFIM，其包括在相反方向旋轉之一或多個。大致說來，電力系統具有多種組態，並且圖1至圖8B未將本揭露限制為任何特定組態。
圖9根據本揭露，繪示用於擴增型匯流排阻抗控制之一例示方法900。為了便於解釋，將方法900描述為係使用圖1之系統100或圖4之系統400來進行。然而，方法900可與任何其他適合的裝置或系統配合使用。
如圖9所示，於步驟902，使用一電力產生器為複數個負載產生電力。這舉例而言，可包括電力產生器402產生電力以供在系統400中使用。於步驟904，在一配電匯流排處接收電力，並且配送該電力中之至少一些以供在負載處使用。這舉例而言，可包括配電匯流排404配送電力，其中一些係在負載410至412中之各者處使用。於步驟906，阻抗係使用一分流連接之DFIM在配電匯流排上減小，以對一或多個負載處之一電力變化作出回應。這舉例而言，可包括DFIM 406減小匯流排404上之阻抗，以對負載410至412中一或多者處之一電力變化作出回應。
於步驟908，將來自負載漣波或瞬變擾動之脈動電力吸收到DFIM 406之三級繞組裡。於步驟910，負載漣波或瞬變擾動能量係轉移成飛輪能量儲存之再充電電力或加速。當負載實際功率需求高時，於步驟912，將來自飛輪能量儲存之能量釋放到DFIM 406裡及負載裡。於步驟914，藉由DFIM無效功率輸出及注入到匯流排裡，在中間負載上調節電壓以補償在輸出轉換器中使用無效功率之大負載擺動。
雖然圖9繪示用於擴增型匯流排阻抗控制之方法900之一項實例，但仍可對圖9施作各種變更。舉例而言，儘管所示為一系列步驟，圖9中所示之各種步驟仍可重疊、平行發生、以一不同順序發生、或多次發生。此外，可組合或移除一些步驟，並且可根據特定需求新增附加步驟。
提出本專利文件中所用某些字組及字詞之定義可有所助益。「包括」及「包含」等詞、以及其派生詞意味著含納但不限制。「或」一詞具有含納性、意義及/或。「與...相關聯」一詞及其派生詞意味著包括、係包括在...內、與...互連、含有、含在...內、連接至或與...連接、耦合至或與...耦合、與...通訊、與...相配合、交錯、並列、貼近於、定界至或以...定界、具有、具有...之一性質、與...產生或有一關係、或類似者。「中之至少一者」一詞與一項目清單配合使用時，意味著可使用一或多個所列項目之不同組合，並且可僅需要清單中之一個項目。舉例而言，「下列至少一者：A、B及C」包括以下任何組合：A、B、C、A及B、A及C、B及C、以及A及B及C。
本申請案中之說明不應該視為暗指任何特定元件、步驟、或功能係必須包括在申請專利範圍中之一必要或關鍵元件。專利標的內容之範疇僅由允許之請求項定義。此外，沒有請求項係意欲針對隨附申請專利範圍中之任何請求項或請求項之元件援引35 USC § 112(f)，除非特定請求項中明確使用「用之手段」或「用之步驟」等確切字組，字組前接指認一功能之一分詞片語。一請求項內諸如(但不限於)「機制」、「模組」、「裝置」、「單元」、「組件」、「元件」、「構件」、「設備」、「機器」或「系統」等用語之使用係理解為並意指為對所屬技術領域中具有通常知識者屬於已知之結構，如藉由請求項本身之特徵予以進一步修改或增強者，而且非意欲援引35 USC § 112(f)。
儘管本揭露已說明某些實施例及大致相關聯之方法，這些實施例及方法之更改及排列對於所屬技術領域中具有通常知識者將顯而易見。因此，以上對例示性實施例之說明未界定或約束本揭露。其他變更、替代及更改亦屬於可能，但不會脫離本揭露之精神及範疇，如以下申請專利範圍所定義。
100,400:系統 102:產生器組 104,404:交流配電匯流排 106,406,606:DFIM 108:高速飛輪 110:快速脈動負載 112:慢速脈動負載 114:ABIC無功控制器 116:單獨交流激發電力供應器 200,301~305:曲線圖 311,312:作圖曲線 313:滑差曲線 402:船舶電力產生器 408:能量儲存慣性飛輪 410~412:脈衝負載 414:VVVF驅動機 416~418:交流對交流頻率轉換器 420~422:變換器 424:DFIM激發器 501~504:相量圖 505:電路圖 510~513:線條 600:等效電路 602:來源 604:輸入頻率轉換器 605:節點 608:分流支路 801~804:繞組圖 900:方法 902~914:步驟
為了更完整地理解本揭露，現請搭配附圖參照以下說明，其中：
圖1根據本揭露，繪示用於擴增型匯流排阻抗控制(ABIC)之一例示性系統；
圖2A根據本揭露，繪示一例示性曲線圖，其繪示以圖1之系統中之產生器電抗為函數之可傳輸功率；
圖2B以正及負滑差值為習知雙饋送式感應產生器繪示一操作範圍；
圖3A至3D繪示曲線圖，該等曲線圖根據本揭露，為一雙饋送式感應機(DFIM)之無效功率輸出繪示一寬範圍控制；
圖3E根據本揭露，為帶有三級繞組及暫態條件且有能力向一中間匯流排提供超前無效功率之一例示性感應機繪示一曲線圖305；
圖4根據本揭露，繪示用於ABIC之另一例示性系統；
圖5A至5D根據本揭露，繪示例示性相量圖，該等相量圖展示藉由圖4之DFIM進行之無效功率控制；
圖6根據本揭露，繪示圖4所示三個輸出支路中之一者之一例示性等效電路；
圖7A至7D繪示大型習知電力轉換器之性質；
圖8A及8B根據本揭露繪示用於一ABIC機器之例示性繞組圖；以及
圖9根據本揭露，繪示用於擴增型匯流排阻抗控制之一例示方法。
100:系統
102:產生器組
104:交流配電匯流排
106:DFIM
108:高速飛輪
110:快速脈動負載
112:慢速脈動負載
114:ABIC無功控制器
116:單獨交流激發電力供應器

Claims (22)

  1. 一種系統，其包含： 一配電匯流排，其被組配用以從一電力源配送電力； 複數個電氣負載，其被組配用以從該電力源接收該電力之部分；以及 雙饋送式感應機(DFIM)，其被組配用以降低傳輸阻抗並降低該配電匯流排上之電壓降以對該等電氣負載中之一或多者處之一電力變化作出回應。
  2. 如請求項1之系統，其更包含： 一飛輪，其耦合至該DFIM，該飛輪被組配用以旋轉以儲存慣性能量，該慣性能量係可轉換以供電給該等電氣負載中之一或多者。
  3. 如請求項2之系統，其中： 與該等電氣負載中之一者相關聯之電力以與一瞬變擾動條件相關聯之一低頻振盪；以及 該DFIM被組配用以從該飛輪提取與該瞬變擾動條件相關聯之能量、或將與該瞬變擾動條件相關聯之能量回傳至該飛輪，以便使該瞬變擾動條件對該電力源或該系統之一影響降到最低。
  4. 如請求項3之系統，其中： 與該等電氣負載中之該一者相關聯之該電力在再生電力與非再生電力之間振盪；以及 該DFIM被組配用以接收該再生電力中之至少一些，並且使用該再生電力中之該至少一些來增加儲存在該飛輪處之該慣性能量。
  5. 如請求項3之系統，其中該DFIM包含複數個輸出埠，各輸出埠被組配用以獨立於其他輸出埠吸收與該瞬變擾動條件相關聯之該能量中之至少一些。
  6. 如請求項2之系統，其更包含： 複數個頻率轉換器，各頻率轉換器對應於該等電氣負載中之一者，各頻率轉換器被組配用以將來自該電力源之該電力之一頻率轉換成與該對應電氣負載相關聯之一輸出頻率。
  7. 如請求項6之系統，其更包含： 一DFIM激發器，其被組配用以將該DFIM之一次級繞組上之一激發電流及頻率改變成與該飛輪之一軸轉速成反比，以便隨著該軸轉速及慣性儲存能量之變化使一三級繞組上之各輸出頻率維持處於一實質恆定值。
  8. 如請求項7之系統，其更包含： 複數個DFIM三級繞組埠口，各DFIM三級繞組埠口被組配用以向具有一無效功率需求或無效功率振盪之該等電氣負載之對應一者提供超前無效功率，並因此降低對該複數個頻率轉換器之該無效功率需求，該複數個頻率轉換器主要從該電力源提供實際功率。
  9. 一種系統，其包含： 一電力產生器，其被組配用以為複數個電氣負載產生電力； 一配電匯流排，其被組配用以從該電力產生器接收及配送電力；以及 雙饋送式感應機(DFIM)，其被組配用以降低傳輸阻抗並降低該配電匯流排上之電壓降以對該等電氣負載中之一或多者處之一電力變化作出回應。
  10. 如請求項9之系統，其更包含： 一飛輪，其耦合至該DFIM，該飛輪被組配用以旋轉以儲存慣性能量，該慣性能量係可轉換以供電給該等電氣負載中之一或多者。
  11. 如請求項10之系統，其中： 與該等電氣負載中之一者相關聯之實際或無效功率以與一瞬變擾動條件相關聯之一低頻振盪；以及 該DFIM被組配用以從該飛輪提取與該瞬變擾動條件相關聯之能量、或將與該瞬變擾動條件相關聯之能量回傳至該飛輪，以便使該瞬變擾動條件對該電力產生器或該系統之一影響降到最低。
  12. 如請求項11之系統，其中： 與該等電氣負載中之該一者相關聯之該電力在再生電力與非再生電力之間振盪；以及 該DFIM被組配用以接收該再生電力中之至少一些，並且使用該再生電力中之該至少一些來增加儲存在該飛輪處之該慣性能量。
  13. 如請求項11之系統，其中該DFIM包含複數個輸出埠，各輸出埠與其他埠口電流性隔離，並且被組配用以獨立於其他輸出埠吸收與該瞬變擾動條件相關聯之該能量中之至少一些。
  14. 如請求項11之系統，其更包含： 複數個頻率轉換器，各頻率轉換器對應於該等電氣負載中之一者，各頻率轉換器被組配用以將來自該電力產生器之該電力之一頻率轉換成與該對應電氣負載相關聯之一輸出頻率。
  15. 如請求項14之系統，其更包含： 一DFIM激發器，其被組配用以將該DFIM之一次級繞組上之一激發電流及頻率改變成與該飛輪之一軸轉速成反比，以便隨著該軸轉速之寬變化使一三級繞組上之各輸出頻率維持處於一實質恆定值。
  16. 如請求項14之系統，其更包含： 複數個DFIM三級繞組埠口，各DFIM三級繞組埠口被組配用以向具有一無效功率需求或無效功率振盪之該等電氣負載之對應一者提供超前無功電流及超前無效功率，並因此降低對該複數個頻率轉換器之該無效功率需求，該複數個頻率轉換器主要從該電力產生器提供實際功率。
  17. 一種方法，其包含： 使用一電力產生器為複數個電氣負載產生電力； 在一配電匯流排處接收該電力並配送該電力中之至少一些以供在該等電氣負載處使用；以及 使用一雙饋送式感應機(DFIM)降低該配電匯流排上之傳輸阻抗以對該等電氣負載中之一或多者處之一無效功率需求作出回應。
  18. 如請求項17之方法，其更包含： 將耦合至該DFIM之一飛輪旋轉，用以儲存慣性能量，並用以緩衝該電力產生器免受與該等電氣負載中之一者相關聯之電力振盪影響，以便減少系統功率激增。
  19. 如請求項18之方法，其中 與該等電氣負載中之一者相關聯之實際功率以與一瞬變擾動條件相關聯之一低頻振盪；以及 該方法更包含經由該DFIM從該飛輪提取與該瞬變擾動條件相關聯之能量、或將與該瞬變擾動條件相關聯之能量回傳至該飛輪，以便使該瞬變擾動條件對該電力產生器之一影響降到最低。
  20. 如請求項19之方法，其中該DFIM包含一非對稱、空間暫態繞組，其在複數個三級繞組中產生超前無效功率、其在有別於初級或次級繞組之一電壓位準下運作，並且補償由該等電氣負載所需之該無效功率中之至少一些。
  21. 如請求項19之方法，其中該DFIM之一次級繞組係耦合至一DFIM激發電源，該DFIM激發電路被組配用以使該等DFIM三級繞組埠口能夠提供超前或滯後無效功率，以在一復現或暫態基礎上補償振盪負載條件功率因子。
  22. 如請求項21之方法，其中 該DFIM包含複數個多相及電流性隔離輸出埠；以及 該方法更包含獨立於其他輸出埠在各輸出埠處吸收與該瞬變擾動條件相關聯之該能量中之至少一些。
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