TWI726050B - 電力系統以及包括其之船舶 - Google Patents

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泰羅 賈維賴妮恩
奇摩 瑞烏瑪
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Abstract

電力系統包括：直流電壓軌(101)；電池元件(102~104)，其以供應轉換器(105~107)而連接到直流電壓軌；以及負載轉換器(111~113)，其將直流電壓軌的直流電壓轉換成適合電力系統之負載的電壓；其中供應轉換器和負載轉換器是以過電流保護器(108~110、114~116)而連接到直流電壓軌。電力系統進一步包括電容器系統(117)，其連接到直流電壓軌，並且能夠供應錯誤電流，其將過電流保護器切換成非導電狀態，而回應於在經由該過電流保護器連接到直流電壓軌的電節點之引起電壓滑落的錯誤。電容器系統可以包括一或更多個高電容雙層電容器。可得自電容器系統的錯誤電流能夠做到選擇性保護。

Description

電力系統以及包括其之船舶
本揭示關於電力系統，其舉例而言可以是但未必就是船舶的電力系統。
於許多情形，電力系統包括：直流電壓軌；一或更多個電池元件，其供應電能給直流電壓軌；以及一或更多個負載轉換器，其將直流電壓軌的直流電壓轉換成適合電力系統之一或更多個負載的電壓。電力系統舉例而言可以是船舶的電力系統；於該情形，電力系統的負載可以包括一或更多個推進馬達、船舶的交流電壓網路、其他負載(例如一或更多個船頭推動馬達)。馬達有利而言是交流電(alternating current，AC)馬達，並且對應的負載轉換器是反相器，其將直流電壓軌的直流電壓轉換成適合AC馬達的交流電壓。
於許多情形，有利的是直流電壓軌的直流電壓乃高於電池元件的直流電壓。於這些情形，每個電池元件典型而言以增壓供應轉換器而連接到直流電壓軌。供應轉換器典型而言包括：電感器線圈，其第一極連接到個別的電池元件；可控制的切換器，其在接地和電感器線圈的第二極之間；以及單向導電構件，譬如二極體，其提供讓電流從電感器線圈朝向直流電壓軌的路徑，以回應於可控制的切換器是在非導電狀態的狀況。
於上述類型的電力系統，典型而言需要有選擇性保護，如此則在錯誤的情形，電力系統在功能上與其餘之電力系統所分開的部分是盡可能的小。舉例而言，於某一負載轉換器有錯誤的情形，僅錯誤的負載轉換器在功能上與其餘的電力系統分開。為了實施選擇性保護，上述每個供應轉換器典型而言經由熔絲或另一過電流保護器而連接到直流電壓軌。對應而言，上述每個負載轉換器經由熔絲或另一過電流保護器而連接到直流電壓軌。
與上述做法有關的一個固有的挑戰在於：在許多錯誤狀況，上述類型的供應轉換器可能無法在錯誤狀況開始之後、在夠短時間內來供應足夠的錯誤電流。因此，經過熔絲或另一過電流保護器的錯誤電流可能不足以燒斷熔絲或夠快的將另一過電流保護器切換成非導電狀態。因此，就有電力系統的錯誤部分未與其餘之電力系統正確分開的風險。自然有可能提供額外的手段給供應轉換器以在夠短時間內從電池元件來供應足夠的錯誤電流，但這會使供應轉換器顯著更複雜而較無成本效益。
世界專利公告案第2015168830號描述保護直流電(direct-current，DC)之電力分配系統的方法，該系統包括：一或更多個交流/直流(AC/DC)轉換器和/或一或更多個DC/DC轉換器；以及一或更多個負載，其由DC匯流排所連接。回應於在系統某處偵測到錯誤而進行該方法，其開始於限制一或更多個轉換器之每一者的輸出電流，如此則這些轉換器的每一者都輸出受限制的DC電流。在一或更多個轉換器已經發生電流限制之後，系統中的一或更多個保護裝置被活化，其中該活化至少部分取決於受限制的DC電流。活化可以包括自動開啟一或更多個保護裝置，其中每個保護 裝置的開啟是基於個別的裝置電流超過個別門檻而達個別時間。於此方法，做到了正確操作保護裝置，如此則控制了受限制的DC電流，因而成功的活化了保護裝置。然而，這作法使轉換器的控制變得複雜。
以下提出簡化綜述以便提供對於本發明多樣的具體態樣之某些方面的基本理解。【發明內容】不是本發明之廣泛的概述。它既不打算識別出本發明的關鍵元件，也不打算限制本發明的範圍。以下綜述僅以簡化形式來提出本發明的某些概念，而作為本發明的釋例性具體態樣之更詳細敘述的序言。
依據本發明，提供的是新的電力系統，其舉例而言可以是但未必是船舶的電力系統。根據本發明的電力系統包括：直流電壓軌，一或更多個電池元件，一或更多個供應轉換器，其將電能從一或更多個電池元件轉移到直流電壓軌，每個供應轉換器乃連接到一或更多個電池元件中的一者，一或更多個負載轉換器，其將直流電壓軌的直流電壓轉換成適合電力系統之一或更多個負載的電壓，過電流保護器，其連接在直流電壓軌和一或更多個供應轉換器的每一者之間，以及在直流電壓軌和一或更多個負載轉換器的每一者之間，以及電容器系統，其連接到直流電壓軌並且包括一或更多個電容器，該電容器系統能夠供應錯誤電流，其將某一過電流保護器切換成非導電狀態，而回應於在經由該一過電流保護器連接到直流電壓軌的電節點之引起電壓滑落 的錯誤。
電容器系統舉例而言，可以包括一或更多個雙層電容器(electric double layer capacitor，EDLC)，其也可以稱為「超級電容器」(super capacitor)。電容器系統所儲存的電能緩和了直流電壓軌在錯誤狀況期間的電壓滑落，並且可得自電容器系統的錯誤電流能夠做到選擇性保護。電容器系統可以是集中式電容器系統，其連接到直流電壓軌的一點；或者電容器系統可以是分散式電容器系統，其包括連接到直流電壓軌之許多點的許多電容器元件。每個過電流保護器舉例而言可以是回應於超過預定極限之電流的熔絲或繼電切換器。
要注意根據本發明之範例性和非限制性具體態樣的電力系統，其可以包括多於一個的直流電壓軌，和連接到直流電壓軌之多於一個的電容器系統，如此則直流電壓軌間係利用一或更多個過電流保護器來互連，並且每個直流電壓軌連接到電容器系統之一者。
依據本發明，也提供新的船舶，其包括根據本發明的電力系統。船舶之電力系統的負載，舉例而言，可以包括一或更多個推進馬達、船舶的交流電壓網路和/或其他負載(例如一或更多個船頭推動馬達)。馬達有利而言是交流電(AC)馬達，並且對應的負載轉換器是反相器，以將電力系統之一或更多個直流電壓軌的一或更多個直流電壓，轉換成適合AC馬達的交流電壓。
本發明的許多範例性和非限制性具體態樣，乃描述於伴隨的申請專利範圍附屬項。
從以下特定範例性和非限制性具體態樣的敘述，當連同伴隨 圖式來閱讀時，將最能理解本發明關於建構和操作方法之多樣的範例性和非限制性具體態樣，還有其額外的目的和優點。
動詞「包括」和「包含」在本文中乃使用作為開放性限制，其既不排除也不要求存在了未引述的特色。申請專利範圍附屬項所引述的特色可互相自由組合，除非另有明確陳述。再者，要了解全篇使用的「一」(亦即單數形式)不排除為複數。
101:直流電壓軌
102~104:電池元件
105~107:供應轉換器
108~110:過電流保護器
111~113:負載轉換器
114~116:過電流保護器
117:電容器系統
118:電感器線圈
119:第一可控制的切換器
120:第一單向導電構件
121~122:充電轉換器
123:過電流保護器
124:第二可控制的切換器
125:第二單向導電構件
126:直流電壓軌
127:過電流保護器
128:電容器系統
129:電動馬達
130:船頭推動馬達
131:部分的交流電壓網路
132:電節點
133:部分的電力系統
134~135:過電流保護器
136:外部電力網路
137:過電流保護器
M:馬達
下面就範例而言並且參考伴隨圖式來更詳細解釋本發明的範例性和非限制性具體態樣及其優點，其中：圖1a顯示根據本發明的範例性和非限制性具體態樣之電力系統的示意釋例，以及圖1b顯示圖1a所示範之電力系統的供應轉換器之主電路的示意釋例。
以下給出之敘述所提供的特定範例不應解讀成限制所附請求項的範圍和/或應用性。以下給出之敘述所提供的條列和成群之範例不是窮盡的，除非另有明確陳述。
圖1a顯示根據本發明的範例性和非限制性具體態樣之電力系統的示意釋例。於此範例性情形，電力系統是船舶的電力系統。電力系統包括直流電壓軌101、電池元件、將電能從電池元件轉移到直流電壓軌的供應轉換器。於圖1a，三個電池元件乃標以參考數字102、103、104，並且三個供應轉換器乃標以參考數字105、106、107。電力系統包括負載轉換器，其將直流電壓軌101的直流電壓轉換成適合電力系統之負載的電壓。於圖 1a，三個負載轉換器乃標以參考數字111、112、113。於圖1a所示範的範例性情形，電力系統的負載包括推進系統、船頭推動馬達、船舶的交流電壓網路。於圖1a，推進系統的某一電動馬達乃標以參考數字129，某一船頭推動馬達乃標以參考數字130，並且船舶的部分交流電壓網路乃標以參考數字131。於圖1a所示範的範例性情形，負載轉換器包括反相器，其將直流電壓軌的直流電壓轉換成適合電力系統之負載的交流電壓。
電力系統包括過電流保護器，其連接在直流電壓軌101和一或更多個供應轉換器中的每一者之間，並且其他的過電流保護器連接在直流電壓軌101和一或更多個負載轉換器中的每一者之間。於圖1a，連接在直流電壓軌101和供應轉換器之間的三個過電流保護器乃標以參考數字108、109、110，並且連接在直流電壓軌101和負載轉換器之間的三個過電流保護器乃標以參考數字114、115、116。每個過電流保護器舉例而言可以是回應於電流超過預定極限的熔絲或繼電切換器。
電力系統進一步包括電容器系統117，其連接到直流電壓軌101。電容器系統117舉例而言可以包括一或更多個高電容的雙層電容器(EDLC)，其也稱為「超級電容器」。電容器系統117的電容有利而言是至少0.1法拉第，較有利而言至少1法拉第，更加有利而言至少10法拉第。電容器系統117能夠供應錯誤電流，其足以將上述過電流保護器中的適當一者切換成非導電狀態，而回應於在經由過電流保護器中之該一者連接到直流電壓軌的電節點之引起電壓滑落的錯誤。舉例而言，如果負載轉換器111和/或電動馬達129有錯誤，使得電節點132的電壓滑落，則電容器系統117經由過電流保護器114來供應錯誤電流，如此則過電流保護器114切換成 非導電狀態，結果必然是電力系統的部分133與其餘的電力系統分開。於圖1a所示範的範例性電力系統，電容器系統117經由過電流保護器134而連接到直流電壓軌101。過電流保護器134的電流限制乃充分高於每個過電流保護器108~110和114~116的電流限制以便達成選擇性保護。
圖1a所示範的範例性電力系統包括另一直流電壓軌126，如此則電力系統的直流電壓軌101和126經由過電流保護器127和135而彼此連接。電力系統連接到直流電壓軌之不同部分的諸部分，有利而言是可彼此獨立的操作，以便改善電力系統的操作可靠度。電力系統包括另一電容器系統128，其連接到直流電壓軌127，並且能夠以相同於上述電容器系統117的方式來供應錯誤電流。
圖1a所示範的範例性電力系統包括充電轉換器121和122，其從外部電力網路136接收電能，並且經由過電流保護器123和137而供應電能給直流電壓軌101和126。電力系統包括以從電力網路136所接收之電能來對電池元件充電的手段。供應轉換器可以提供有構件和控制系統，其使供應轉換器能夠將電能從直流電壓軌轉移到電池元件。然而，電力系統也可能包括分開的轉換器以將電池元件充電。
圖1b示範供應轉換器105的主電路，其將電能從電池元件102轉移到直流電壓軌101。其他的供應轉換器可以類似於供應轉換器105。供應轉換器105的主電路包括電感器線圈118，其第一極連接到電池元件102。主電路包括在接地和電感器線圈118的第二極之間的第一可控制的切換器119。第一可控制的切換器119舉例而言可以是絕緣閘極雙極電晶體(insulated gate bipolar transistor，IGBT)、閘極關閉閘流體(gate turn-off thyristor， GTO)、雙極電晶體、或場效電晶體(field-effect transistor，FET)。供應轉換器105的主電路包括第一單向導電構件120，其提供讓電流從電感器線圈118朝向直流電壓軌101的路徑，而回應於第一可控制的切換器119是在非導電狀態的狀況。第一單向導電構件120舉例而言可以是二極體。供應轉換器105是增壓轉換器，亦即升壓轉換器，其當電池元件的電壓V直流電池小於直流電壓軌101的電壓V直流軌時，能夠以受控制的方式而將電能從電池元件102轉移到直流電壓軌101。
於圖1b所示範的範例性情形，供應轉換器105進一步包括能夠使供應轉換器從直流電壓軌101轉移電能到電池元件102的構件，如此以對電池元件102充電。供應轉換器105的主電路包括第二可控制的切換器124，其將從直流電壓軌110所抵達的電流傳導到電感器線圈118的第二極。第二可控制的切換器124舉例而言可以是絕緣閘極雙極電晶體(IGBT)、閘極關閉閘流體(GTO)、雙極電晶體、或場效電晶體(FET)。供應轉換器105的主電路包括第二單向導電構件125，其提供讓電流從接地到電感器線圈118之第二極的路徑，而回應於第二可控制的切換器124是在非導電狀態的狀況。第二單向導電構件125舉例而言可以是二極體。在電感器線圈118、第二可控制的切換器124、第二單向導電構件125的幫助下，當電池元件的電壓V直流電池小於直流電壓軌101的電壓V直流軌時，供應轉換器105以受控制的方式將電能從直流電壓軌101轉移到電池元件102，而能夠對電池元件102充電。於第一和第二可控制的切換器119和124是IGBT或金屬氧化物半導體場效電晶體(metal oxide semiconductor field effect transistor，MOSFET)的範例性情形，第一和第二單向導電構件120和125可 以是IGBT或MOSFET的本體二極體。
電力系統的每個供應轉換器和每個負載轉換器可以包括控制器以控制考慮下之轉換器的操作。也可能是將單一控制器建構成控制許多轉換器。控制器可以用一或更多個處理器電路來實施，每個處理器電路可以是提供有適當軟體之可程式化的處理器電路、專屬的硬體處理器(舉例而言例如特用積體電路(application specific integrated circuit，ASIC))、或可建構的硬體處理器(舉例而言例如可場程式化的閘極陣列(field programmable gate array，FPGA))。再者，每個控制器可以包括一或更多個記憶電路。控制器未顯示於圖1a和1b。
上面給出敘述所提供的特定範例不應解讀成限制所附申請專利範圍的應用性和/或解釋。上面給出敘述所提供的條列和成群之範例不是窮盡的，除非另有明確陳述。
101:直流電壓軌
102~104:電池元件
105~107:供應轉換器
108~110:過電流保護器
111~113:負載轉換器
114~116:過電流保護器
117:電容器系統
121~122:充電轉換器
123:過電流保護器
126:直流電壓軌
127:過電流保護器
128:電容器系統
129:電動馬達
130:船頭推動馬達
131:部分的交流電壓網路
132:電節點
133:部分的電力系統
134~135:過電流保護器
136:外部電力網路
137:過電流保護器
M:馬達

Claims (10)

  1. 一種電力系統，其包括：直流電壓軌(101)，一或更多個電池元件(102~104)，一或更多個供應轉換器(105~107)，其將電能從該一或更多個電池元件轉移到該直流電壓軌，每個供應轉換器乃連接到該一或更多個電池元件中的一者，一或更多個負載轉換器(111~113)，其將該直流電壓軌的直流電壓轉換成適合該電力系統之一或更多個負載的電壓，以及第一過電流保護器(108~110、114~116)，其連接在該直流電壓軌和該一或更多個供應轉換器的每一者之間，並且在該直流電壓軌和該一或更多個負載轉換器的每一者之間，該電力系統的特徵在於：該電力系統進一步包括電容器系統(117)，其經由第二過電流保護器(134)連接到該直流電壓軌並且包括一或更多個電容器，該電容器系統能夠供應錯誤電流，其將該等第一過電流保護器中的一者切換成非導電狀態，而回應於在經由該等第一過電流保護器中的該一者連接到該直流電壓軌的電節點之引起電壓滑落的錯誤，其中該第二過電流保護器的電流限制是高於該等第一過電流保護器中的每一者的電流限制。
  2. 根據申請專利範圍第1項的電力系統，其中該一或更多個負載轉換器(111~113)包括一或更多個反相器，其將該直流電壓軌的該直流電壓轉換成適合該電力系統的該等負載中之一或更多者的交流電壓。
  3. 根據申請專利範圍第1或2項的電力系統，其中每個供應轉換器包 括：電感器線圈(118)，其第一極連接到該等電池元件(102)中的該一對應者，第一可控制的切換器(119)，其在接地和該電感器線圈的第二極之間，以及第一單向導電構件(120)，其提供讓電流從該電感器線圈朝向該直流電壓軌(101)的路徑，而回應於該第一可控制的切換器是在非導電狀態的狀況。
  4. 根據申請專利範圍第3項的電力系統，其中該一或更多個供應轉換器中的每一者進一步包括以下構件，以讓該供應轉換器能夠將電能從該直流電壓軌轉移到該等電池元件中的該一對應者：第二可控制的切換器(124)，其將從該直流電壓軌所抵達的電流傳導到該電感器線圈的該第二極，以及第二單向導電構件(125)，其提供讓電流從該接地到該電感器線圈之該第二極的路徑，而回應於該第二可控制的切換器是在非導電狀態的狀況。
  5. 根據申請專利範圍第1或2項的電力系統，其中該電力系統包括充電轉換器(121)，其從外部電力網路接收電能，並且經由第三過電流保護器(123)而供應該電能給該直流電壓軌。
  6. 根據申請專利範圍第1或2項的電力系統，其中該電力系統包括至少一其他的直流電壓軌(126)，如此則該電力系統的該等直流電壓軌經由一或更多個第四過電流保護器(127)而彼此連接。
  7. 根據申請專利範圍第6項的電力系統，其中該電力系統包括至少一其他的電容器系統(128)，其包括一或更多個電容器，並且連接到該至少一其他的直流電壓軌(127)。
  8. 根據申請專利範圍第1或2項的電力系統，其中該電容器系統包括一或更多個雙層電容器。
  9. 根據申請專利範圍第1或2項的電力系統，其中該等第一和第二過電流保護器中的至少一者是熔絲。
  10. 一種船舶，其包括根據申請專利範圍第1或2項的電力系統。
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