專利名稱：配電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及配電系統(tǒng)，具體地，涉及可用于海洋船舶的配電系統(tǒng)，以用于向一或多 個(gè)推進(jìn)電動(dòng)機(jī)供電。
背景技術(shù)：
圖1示出了傳統(tǒng)船舶配電及推進(jìn)系統(tǒng)的一個(gè)示例。一系列的柴油機(jī)用于驅(qū)動(dòng)單個(gè) 發(fā)電機(jī)G，這些發(fā)電機(jī)向第一中壓配電盤或母線MVACl以及第二中壓配電盤或母線MVAC2提 供交流電。中壓母線配置有保護(hù)開關(guān)裝置，該開關(guān)裝置包括斷路開關(guān)以及相應(yīng)的控制裝置， 開關(guān)設(shè)備在圖2中由符號(hào)X表示。功率轉(zhuǎn)換器PC用于將中壓母線連接到用于驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器 的電推進(jìn)電動(dòng)機(jī)PM。通過保護(hù)開關(guān)裝置使各中壓母線相連。
大部分船舶應(yīng)用需要低壓，并且可以通過使用變壓器從中壓母線方便地得到該低 壓。在圖1所示的傳統(tǒng)船舶配電和推進(jìn)系統(tǒng)中，通過第一變壓器Tl和保護(hù)開關(guān)裝置將第一 低壓配電盤或母線LVACI連接到第一中壓母線MVACI。通過第二變壓器T2和保護(hù)開關(guān)裝置 將第二低壓配電盤或母線LVAC2連接到第二中壓母線MVAC2。通過保護(hù)開關(guān)裝置使這些低 壓母線相連?？梢詫⒁幌盗蟹翘囟ǖ碾娏ω?fù)載(所標(biāo)記的LVAC負(fù)載)連接到這些低壓母 線。
盡管可以方便地將低壓母線連接到中壓母線，然而這種布置通常導(dǎo)致有問題的諧 波失真耦合。換句話說，在中壓母線中由推進(jìn)電動(dòng)機(jī)操作所引起的諧波失真例如會(huì)通過變 壓器Tl和T2傳遞到低壓母線。如果連接到低壓母線的電力負(fù)載需要低諧波失真(即，高 供電質(zhì)量(QPS))，則這會(huì)對其正常操作引起潛在的問題。而且，一些連接到電壓母線的負(fù)載 自身會(huì)在低壓母線中引起諧波失真。這會(huì)通過變壓器Tl和T2傳遞到中壓母線。
為了消除這種諧波失真，通常將大的昂貴的濾波器F連接到中壓母線，濾波器(未 示出)也被連接在低壓母線上。發(fā)明內(nèi)容
在實(shí)施例中，配電系統(tǒng)通過不同配電母線或配電盤提供不同的ac或dc配電電壓， 然后通過對連接在第一配電母線上的功率轉(zhuǎn)換器進(jìn)行控制，以調(diào)節(jié)第一配電母線中的電 量，同時(shí)在第二配電母線中獲得期望的電量(例如，通過使用閉環(huán)控制策略去獲得)。為了達(dá) 到這個(gè)目的，第一和第二配電母線應(yīng)接收來自通用供電系統(tǒng)的功率。在這里使用的術(shù)語“電 量”指的是任一或所有的電壓值、電流值、功率因數(shù)、頻率、諧波電壓失真以及各個(gè)配電電壓 的諧波電流失真。
配電系統(tǒng)可以保留方便的布置，其中，通過變壓器可以通過第一配電母線攜帶的 配電電壓生成第二配電電壓母線攜帶的配電電壓。因此，第一配電母線中的任何諧波失真 可以通過變壓器轉(zhuǎn)移到第二配電母線，反之亦然。在一可選的布置中，不同的配電電壓可以 直接來自一 ac發(fā)電機(jī)，該ac發(fā)電機(jī)為通用供電系統(tǒng)的一部分，其中，通用供電系統(tǒng)包括多 個(gè)電位隔離的定子繞組(即雙或多輸出發(fā)電機(jī))。換句話說，第一和第二配電母線可以電連接到ac發(fā)電機(jī)的各個(gè)定子繞組。這些定子繞組之間具有特別有效的相互耦合，這樣，各個(gè) 定子繞組中的每單位電抗性電壓降非常相關(guān)，甚至可能相同。因此，對于所有實(shí)用目的，第 一和第二配電母線上的供電質(zhì)量(QPS)是相同的。由于雙或多輸出發(fā)電機(jī)中定子繞組之間 的相互耦合，第一配電母線中的任何諧波失真將會(huì)轉(zhuǎn)移到第二配電母線中，反之亦然。
更具體地，本發(fā)明提供了一配電系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括第一和第二配電母線，其中每 個(gè)母線攜帶有各自的配電電壓；通用供電系統(tǒng)，以用于向第一和第二配電母線提供功率; 一連接在第一配電母線上的功率轉(zhuǎn)換器，所述功率轉(zhuǎn)換器具有一 ac端子；以及一控制器， 所述控制器利用反饋信號(hào)來控制所述功率轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)所述功率轉(zhuǎn)換器ac端子的電量，以 獲得期望的、由第二配電母線攜帶的配電電壓電量，其中，所述反饋信號(hào)指示了由第一和第 二配電母線攜帶的配電電壓的電量。
第一和第二配電母線可通過任何合適的布線和母線技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
攜帶ac配電電壓的第一配電母線
在第一布置中，優(yōu)選地，通用供電系統(tǒng)包括ac發(fā)電機(jī)，所述ac發(fā)電機(jī)包括連接在 第一配電母線上的ac端子，所述第一配電母線攜帶有ac配電電壓。
所述第一配電母線可以被劃分為兩個(gè)或多個(gè)部分，這些部分通過一交換連接連接 在一起，所述交換連接可以向各個(gè)相互特定隔離的各個(gè)部分開放。第一配電母線可以接收 來自多個(gè)ac發(fā)電機(jī)的電力，這些ac發(fā)電機(jī)可隨意配置，這樣每個(gè)發(fā)電機(jī)可連接到第一配電 母線的不同部分。所述ac發(fā)電機(jī)可以為任何類型，優(yōu)選地，所述ac發(fā)電機(jī)由原動(dòng)力驅(qū)動(dòng)， 例如柴油機(jī)。容易理解地，根據(jù)生成電力的需要，配電系統(tǒng)可以具有任意數(shù)量和配置的ac 發(fā)電機(jī)以及原動(dòng)力。
所述ac發(fā)電機(jī)的ac端子可以通過交換連接電連接到所述第一母線，所述交換連 接可以向與第一配電母線特定電隔離的ac發(fā)電機(jī)開放。優(yōu)選地，第一配電母線中電量的調(diào) 節(jié)將提高ac發(fā)電機(jī)的QPS，從而最大化增加ac發(fā)電機(jī)的輸出率和運(yùn)行效率。
如果第二配電母線也攜帶一 ac配電電壓，則通用供電系統(tǒng)可進(jìn)一步包括一連接 在第一和第二配電母線之間的變壓器。因此，通過變壓器，用于第二配電母線的ac配電電 壓可方便地由第一配電母線的ac配電電壓得到。所述變壓器可以為任何合適的類型，可選 地，所述變壓器可任意地采用一相移，以在第一和第二配電母線上獲得QPS的折衷。
可選地，ac發(fā)電機(jī)可包括至少一對電位隔離的定子繞組，提供第一 ac電壓的第一 定子繞組連接在第一配電母線上，提供第二 ac電壓的第二定子繞組連接在第二配電母線 上。因此，可以從相同ac發(fā)電機(jī)可以獨(dú)立地獲得兩個(gè)不同的配電電壓。通常情況下每個(gè)定 子繞組包括多個(gè)個(gè)體定子線圈，這些個(gè)體定子線圈以合適的方式連接在一起。第二配電母 線可以攜帶一 ac或dc配電電壓。當(dāng)?shù)诙潆娔妇€攜帶ac配電電壓時(shí)，則第二配電母線直 接連接在第二定子繞組上。當(dāng)?shù)诙潆娔妇€攜帶dc配電電壓時(shí)，則第二配電母線通過第二 功率轉(zhuǎn)換器連接在第二定子繞組上。
典型地，功率轉(zhuǎn)換器用于將電力負(fù)載連接在第一配電母線上，功率轉(zhuǎn)換器的ac端 子連接在第一配電母線上，功率轉(zhuǎn)換器的dc端子連接在電力負(fù)載上。因此，功率轉(zhuǎn)換器的 主要功能是對從第一配電母線流向電力負(fù)載的功率流進(jìn)行調(diào)節(jié)。該功能在這里被稱為“功 率流控制”。
在實(shí)施例中，當(dāng)本發(fā)明的配電系統(tǒng)為一船舶配電和推進(jìn)系統(tǒng)時(shí)，通常情況下電力負(fù)載包括一電推進(jìn)電動(dòng)機(jī)。所述電推進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以為dc或ac電動(dòng)機(jī)。當(dāng)所述推進(jìn)電動(dòng)機(jī) 為dc電動(dòng)機(jī)時(shí)，該電動(dòng)機(jī)可以通過功率轉(zhuǎn)換器連接在第一配電母線上，通常情況下，其中 的功率轉(zhuǎn)換器可作為一整流器使用(例如，ac/dc功率轉(zhuǎn)換器)。當(dāng)所述推進(jìn)電動(dòng)機(jī)為ac電 動(dòng)機(jī)時(shí)，該電動(dòng)機(jī)可以通過通常作為一整流器使用的功率轉(zhuǎn)換器(例如，ac/dc功率轉(zhuǎn)換器) 和額外的通常作為有源逆變器(例如，dc/ac功率轉(zhuǎn)換器)的功率轉(zhuǎn)換器連接在第一配電母 線上，該額外的功率轉(zhuǎn)換器可通過一個(gè)dc環(huán)節(jié)連接到功率轉(zhuǎn)換器上。功率轉(zhuǎn)換器的控制決 定于dc環(huán)節(jié)電流的出現(xiàn),該dc環(huán)節(jié)電流是指流經(jīng)功率轉(zhuǎn)換器和dc電動(dòng)機(jī)之間的電流,或 流經(jīng)功率轉(zhuǎn)換器和連接在ac電動(dòng)機(jī)上的額外功率轉(zhuǎn)換器之間的電流。容易理解地，功率轉(zhuǎn) 換器的主要功能是調(diào)節(jié)來自第一配電母線的ac輸入電壓，并提供調(diào)節(jié)后的dc輸出電壓。在 這里應(yīng)對該調(diào)節(jié)后的dc輸出電壓進(jìn)行控制以與推進(jìn)電動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)，這樣，在任何特定軸輸出 功率下，dc環(huán)節(jié)電壓都可以用dc環(huán)節(jié)電流來替換。通過通頻類型的功率轉(zhuǎn)換器(例如，ac/ ac功率轉(zhuǎn)換器)，也可以將一 ac電動(dòng)機(jī)連接到第一配電母線上，其中，整流器和逆變器功能 被整合在一起，從而在沒出dc環(huán)節(jié)出現(xiàn)的情況下獲得與前述整流器和額外功率轉(zhuǎn)換器相 同的功能。由此可見，必須將用于功率轉(zhuǎn)換器的控制器以及用于電動(dòng)機(jī)或ac電動(dòng)機(jī)以及額 外功率轉(zhuǎn)換器的控制器連接或協(xié)調(diào)起來。同樣地，當(dāng)使用通頻轉(zhuǎn)換器時(shí)，必須將等同的整流 器和電動(dòng)機(jī)控制功能連接或協(xié)調(diào)起來。
配電系統(tǒng)可以包括任何合適數(shù)量的電力負(fù)載，每個(gè)電力負(fù)載通過各自的功率轉(zhuǎn)換 器連接在第一配電母線上。根據(jù)需要，與電力負(fù)載關(guān)聯(lián)的功率轉(zhuǎn)換器可以獨(dú)立地被控制，或 作為功率轉(zhuǎn)換器協(xié)同陣列或系列的一部分被一起進(jìn)行控制。
攜帶有dc配電電壓的第一配電母線
在第二布置中，優(yōu)選地，通用供電系統(tǒng)可以包括一 ac發(fā)電機(jī)，功率轉(zhuǎn)換器連接在 ac發(fā)電機(jī)和第一配電母線之間，第一配電母線攜帶有一 dc配電電壓。
在這里，可以將第一配電母線劃分為兩個(gè)或多個(gè)部分，這些部分可通過交換連接 連接在一起，該交換連接可以向相互特定隔離的部分開放。第一配電母線可以接收來自多 個(gè)ac發(fā)電機(jī)的電力，可以對這些發(fā)電機(jī)進(jìn)行任意配置，這樣可以將每個(gè)發(fā)電機(jī)連接到第一 配電母線的不同部分，其中，在每個(gè)ac發(fā)電機(jī)和各自的第一配電母線部分之間設(shè)置有獨(dú)立 的功率轉(zhuǎn)換器。根據(jù)需要，與ac發(fā)電機(jī)關(guān)聯(lián)的功率轉(zhuǎn)換器可以被獨(dú)立地控制，或作為功率 轉(zhuǎn)換器協(xié)同陣列或系列的一部分被一起控制。ac發(fā)電機(jī)可以為任何合適的類型，優(yōu)選地，ac 發(fā)電機(jī)可通過原動(dòng)力例如柴油機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。容易理解地，根據(jù)電力生成需要，配電系統(tǒng)可以 具有任何數(shù)量和配置的ac發(fā)電機(jī)和原動(dòng)力。
通過交換連接可以將ac發(fā)電機(jī)的ac端子電連接到功率轉(zhuǎn)換器，其中，該交換連接 可以向與功率轉(zhuǎn)換器特定電分離的ac發(fā)電機(jī)開放。第一配電母線中的電量調(diào)節(jié)將更好地 提高ac發(fā)電機(jī)的QPS，從而最大化ac發(fā)電機(jī)的輸出率和運(yùn)行效率。
優(yōu)選地，ac發(fā)電機(jī)可包括至少一對電位隔離的定子繞組，提供第一 ac電壓的第一 定子繞組通過功率轉(zhuǎn)換器連接在第一配電母線上，提供第二 ac電壓的第二定子繞組連接 在第二配電母線上。因此，從相同ac發(fā)電機(jī)可以獨(dú)立地獲得兩個(gè)不同的配電電壓。通常情 況下每個(gè)定子繞組包括多個(gè)個(gè)體定子線圈，這些個(gè)體定子線圈以合適的方式連接在一起。 功率轉(zhuǎn)換器的ac端子連接在第一定子繞組的ac端子上，功率轉(zhuǎn)換器的dc端子連接在第一 配電母線上。因此，由第一配電母線攜帶的dc端子電壓可通過對第一 ac電壓進(jìn)行整流獲得，而第一 ac電壓由雙輸出發(fā)電機(jī)的第一定子繞組提供。
第二配電母線可以攜帶ac或dc配電電壓。當(dāng)?shù)诙潆娔妇€攜帶ac配電電壓時(shí)， 則第二配電母線直接連接在第二定子繞組上。當(dāng)?shù)诙潆娔妇€攜帶dc配電電壓時(shí)，則第二 配電母線通過第二功率轉(zhuǎn)換器連接在第二定子繞組上。換句話說，由第二配電母線攜帶的 dc配電電壓可以由第二 ac電壓進(jìn)行整流獲得，第二 ac電壓可以由雙輸出發(fā)電機(jī)的第二定 子繞組提供。
功率轉(zhuǎn)換器的主要功能是調(diào)整從ac發(fā)電機(jī)到第一配電母線的功率流。該功能在 這里被稱為“功率流控制”。
電力負(fù)載可以連接在第一配電母線上。在實(shí)施例中，當(dāng)本發(fā)明的配電系統(tǒng)為船舶 配電和推進(jìn)系統(tǒng)時(shí)，通常情況下電力負(fù)載將包括一電推進(jìn)電動(dòng)機(jī)。該推進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以為一 dc或ac電動(dòng)機(jī)。當(dāng)推進(jìn)電動(dòng)機(jī)為dc電動(dòng)機(jī)時(shí),該推進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以直接或通過插入的dc/ dc轉(zhuǎn)換器連接到第一配電母線上。盡管如此，該推進(jìn)電動(dòng)機(jī)極有可能為ac電動(dòng)機(jī)，該ac電 動(dòng)機(jī)通過額外的功率轉(zhuǎn)換器連接到第一配電母線上，通常情況下，額外的功率轉(zhuǎn)換器將作 為一有源逆變器進(jìn)行運(yùn)行。功率轉(zhuǎn)換器的控制依賴于流經(jīng)第一配電母線和連接在ac電動(dòng) 機(jī)上的額外功率轉(zhuǎn)換器之間的dc環(huán)節(jié)電流的出現(xiàn)。
推進(jìn)電動(dòng)機(jī)和其它電力負(fù)載
推進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以作為推進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一部分，并設(shè)置在例如船舶船體(即通過帶 有尾軸管壓蓋的軸線驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器的船內(nèi)推進(jìn)電動(dòng)機(jī))、吊艙以及同軸的外部潛艇的船體中， 其中，吊艙懸掛在船舶船體的下文以提供推進(jìn)力和轉(zhuǎn)向功能?？梢詫ν七M(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行配置， 從而將推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子同軸地設(shè)置于其定子的內(nèi)部或外部。
推進(jìn)電動(dòng)機(jī)可用于驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器，或與第二推進(jìn)發(fā)動(dòng)器一起驅(qū)動(dòng)通用推進(jìn)器(即所 謂的串聯(lián)式推進(jìn)驅(qū)動(dòng))。形成串聯(lián)式推進(jìn)驅(qū)動(dòng)的推進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以為一整體，也可以為獨(dú)立 體，但必須擁有相同的傳動(dòng)軸系統(tǒng)。容易理解地，根據(jù)推進(jìn)要求，單體船舶可以使用任何數(shù) 量和配置的推進(jìn)電動(dòng)機(jī)。推進(jìn)器可以為任何方便的類型，例如傳統(tǒng)多刀片螺旋槳或涵道噴 水式推進(jìn)器。
在實(shí)施例中，當(dāng)功率轉(zhuǎn)換器用于將推進(jìn)電動(dòng)機(jī)連接到第一配電母線時(shí)，用于功率 轉(zhuǎn)換器的動(dòng)力電子設(shè)備可以完全與推進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行集成。例如，推進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以為無刷dc 電動(dòng)機(jī)，該dc電動(dòng)機(jī)包括一使用靜態(tài)動(dòng)力電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)的電子轉(zhuǎn)換器電路，歐洲專利申請 文獻(xiàn)EP 1798847對該實(shí)現(xiàn)進(jìn)行描述。電子轉(zhuǎn)換器電路可以包括一定子繞組，該定子繞組具 有多個(gè)線圈，這些線圈通過與其數(shù)量相同的通用耦合點(diǎn)進(jìn)行連接，一個(gè)電子轉(zhuǎn)換器電路包 括與線圈相同數(shù)量的交換級(jí)。每個(gè)交換級(jí)連接在通用耦合點(diǎn)各個(gè)點(diǎn)和第一、第二 dc端子之 間，每個(gè)交換級(jí)包括第一反向阻斷半導(dǎo)體功率器件以及第二反向阻斷半導(dǎo)體功率器件，第 一反向阻斷半導(dǎo)體功率器件可以通過門控制進(jìn)行打開或關(guān)閉，其中，門控制的陽極連接在 第一 dc端子上。第二反向阻斷半導(dǎo)體功率器件可以通過門控制進(jìn)行打開或關(guān)閉，其中，門 控制的陰極連接在第二 dc端子上。使用電子轉(zhuǎn)換器電路的優(yōu)點(diǎn)在于，允許通過電子裝置對 電動(dòng)機(jī)的dc端子電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，而勵(lì)磁固定。另外，電動(dòng)機(jī)的dc端子電壓可以通過傳統(tǒng)的 場控制裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)。
一個(gè)或多個(gè)電力負(fù)載也可以電連接在第二配電母線上。當(dāng)配電系統(tǒng)為船舶配電和 推進(jìn)系統(tǒng)時(shí)，第二配電母線可以為低壓(LV)母線，以向?qū)χC波失真特別敏感的船上應(yīng)用提供電力。
功率轉(zhuǎn)換器
優(yōu)選地，可以根據(jù)PWM策略對功率轉(zhuǎn)換器進(jìn)行操作，該P(yáng)WM策略可根據(jù)反饋信號(hào)由 控制器進(jìn)行選擇或改變，典型地，以獲得第二配電母線攜帶的配電電壓的期望電量。
在這里可以通過交換連接將功率轉(zhuǎn)換器連接到第一配電母線，該交換連接可向與 第一配電母線特定電隔離的功率轉(zhuǎn)換器開放。也可以在功率轉(zhuǎn)換器和作為通用電源的ac 發(fā)電機(jī)之間(即功率轉(zhuǎn)換器的ac端子和第一定子繞組的ac端子之間)向與ac發(fā)電機(jī)特 定隔離的功率轉(zhuǎn)換器提供一交換連接。
功率轉(zhuǎn)換器可以為任何合適的整流器類型(例如，矩陣轉(zhuǎn)換器、電流源整流器、電 壓源整流器或晶閘整流器)。最優(yōu)選地，功率轉(zhuǎn)換器在一定程度上具有獨(dú)立于后續(xù)更詳細(xì)描 述的控制策略三個(gè)主要方面的能力，三個(gè)主要方面即為功率流控制、功率因數(shù)控制以及諧 波控制。
在國際專利申請文獻(xiàn)WO 2006/064279中揭露了一特別適合功率轉(zhuǎn)換器的矩陣轉(zhuǎn) 換器式的拓?fù)?。該矩陣轉(zhuǎn)換器包括三條ac電壓線路以及兩條dc電壓線路。在第一布置的 情形下，當(dāng)?shù)谝慌潆娔妇€攜帶有ac配電電壓時(shí)，所述三條ac電壓線路將與第一配電母線連 接，兩條dc電壓線路將通過dc環(huán)節(jié)與電力負(fù)載連接。在第二布置的情形下，當(dāng)?shù)谝慌潆娔?線攜帶有dc配電電壓時(shí)，三條ac電壓線路將與作為通用供電系統(tǒng)一部分的ac發(fā)電機(jī)的ac 端子連接，兩條dc電壓線路將與第一配電母線連接。由半導(dǎo)體功率器件實(shí)現(xiàn)的六個(gè)開關(guān)組 合連接在三個(gè)ac電壓線路和兩個(gè)dc電壓線路之間。根據(jù)PWM策略依次打開和關(guān)閉這些開 關(guān)，這樣，當(dāng)關(guān)閉相應(yīng)的開關(guān)時(shí)，三個(gè)ac電壓線路中的每一條可以與兩個(gè)dc電壓線路中的 一條連接。在dc電壓線路之間提供了一續(xù)流路徑。出現(xiàn)的續(xù)流路徑提供了一個(gè)額外的零 態(tài)，在該零態(tài)中，矩陣轉(zhuǎn)換器的所有開關(guān)被打開，這樣，dc電壓線路不會(huì)與任何ac電壓線路 連接，在零態(tài)下的電感電流負(fù)載允許流經(jīng)續(xù)流路徑，而不會(huì)導(dǎo)致大的過電壓。
來自第一配電母線或ac發(fā)電機(jī)第一定子繞組ac端子的ac輸入電壓被提供給三 條ac電壓線路，還可以通過矩陣轉(zhuǎn)換器將該ac輸入電壓進(jìn)行整流，以提供給兩條dc電壓 線路。在實(shí)施例中，當(dāng)矩陣轉(zhuǎn)換器被用于將推進(jìn)發(fā)電機(jī)連接到第一配電母線時(shí)，必須對推進(jìn) 電動(dòng)機(jī)以及任何額外的功率轉(zhuǎn)換器進(jìn)行控制、調(diào)節(jié)，以使得矩陣轉(zhuǎn)換器輸出滿足其ac輸入 電壓要求的任何dc輸出電壓值。例如，在任何特定軸功率以及當(dāng)功率轉(zhuǎn)換器非常高效時(shí)， 如果必須減少期望的功率轉(zhuǎn)換器，則必須增加dc輸出電流，并減少dc輸出電壓，以滿足ac 輸入電壓和軸功率之間的功率平衡。容易理解地，在實(shí)踐中任何功率轉(zhuǎn)換器都會(huì)產(chǎn)生小的 功率損耗，而這些損耗將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)效率的降低，這樣就會(huì)影響到該功率平衡。
根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)中已知的關(guān)系，晶閘整流器的相位控制可以用于調(diào)節(jié)輸出，從而改 變功率因數(shù)?？梢詫⒃撛頂U(kuò)展到由PWM策略控制的功率轉(zhuǎn)換器，從而改變流經(jīng)功率轉(zhuǎn)換 器的功率流以及功率因數(shù)。將功率轉(zhuǎn)換器的相位控制與推進(jìn)電動(dòng)機(jī)和任何額外功率轉(zhuǎn)換器 的控制和調(diào)節(jié)結(jié)合起來，可以獲得任何合理的功率因數(shù)，同時(shí)使得可以獨(dú)立地對軸功率進(jìn) 行控制和調(diào)節(jié)。在推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的情形下，這種結(jié)合為功率因數(shù)的控制提供了第一自由度。
減少調(diào)制深度的PWM策略將會(huì)減少功率轉(zhuǎn)換器的dc輸出電壓。通過這種方式可 以在不影響功率因數(shù)的情況下改變功率轉(zhuǎn)換器的dc輸出電壓。使用空間矢量調(diào)制可以優(yōu) 化線電壓的開關(guān)順序以及最小開關(guān)損耗方式的零態(tài)。國際專利申請文獻(xiàn)WO 2006/064279揭露了一種矩陣轉(zhuǎn)換器。有益地，該矩陣轉(zhuǎn)換器提供了一額外的零態(tài)，以允許進(jìn)一步優(yōu)化開關(guān)順序。PWM策略可以相對于ac輸入電壓進(jìn)行相移，從而改變第一配電母線中的功率因數(shù)， 同時(shí)調(diào)制深度可以被獨(dú)立地控制，例如以用于維持推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的軸功率或第一配電母線攜帶的配電電壓。為PWM策略選擇合適的調(diào)制角度為功率因數(shù)的控制提供了第二自由度。
PWM策略可以使用同步調(diào)制，以對ac輸入電壓的諧波結(jié)構(gòu)產(chǎn)生特定效果。該特定效果使得僅整次諧波(即頻率為ac輸入電壓基波頻率整數(shù)倍的諧波)才會(huì)被生成，并使得諧波頻譜成為關(guān)于個(gè)體PWM脈沖寬度以及ac輸入電壓基波頻率每周期中PWM脈沖數(shù)量的一個(gè)函數(shù)。該效果可用于對諧波進(jìn)行選擇性消除，但消除過程中，PWM策略的調(diào)制深度、PWM脈沖寬度以及每周期PWM脈沖的數(shù)量之間缺乏獨(dú)立性。例如，當(dāng)使用預(yù)設(shè)的每周期PWM脈沖數(shù)量，通過改變PWM脈沖寬度對調(diào)制寬度進(jìn)行調(diào)整時(shí)，諧波結(jié)構(gòu)也會(huì)受到影響。當(dāng)還對PWM 相位進(jìn)行考慮時(shí)，諧波選擇消除變得非常復(fù)雜且并不完全有效。即使如此，選擇性諧波消除還是為調(diào)整諧波失真提供了一種可行方法，該方法可用于選擇一種合適的PWM策略。
盡管在WO 2006/064279中揭露的矩陣轉(zhuǎn)換器只具有某些優(yōu)點(diǎn)，然而相同的控制原理可以應(yīng)用到任何強(qiáng)制轉(zhuǎn)換電壓源整流器。該相同的控制原理還可以應(yīng)用到晶閘整流器，但在功率因數(shù)的控制中只能獲得第一自由度。也可以認(rèn)為在第一配電母線中晶閘整流器不能用于調(diào)整諧波失真。
雖然電流源整流器可以在低dc輸出電壓甚至零dc輸出電壓下運(yùn)行，同時(shí)可以提供較高的功率因數(shù)和諧波控制，但是當(dāng)電流源整流器的dc輸出電壓明顯超過ac輸入電壓 (即電壓遞增模式)的峰值時(shí)，電壓源整流器的適用性必須進(jìn)行限制，這是因?yàn)殡妷涸凑髌髦荒芴峁┰摴β室驍?shù)和諧波失真調(diào)整。盡管如此，當(dāng)運(yùn)行在電壓遞增模式時(shí)，相同控制原理可以應(yīng)用到根據(jù)PWM策略控制的電壓源整流器。電壓源整流器的全部有益效果可以在一些情形下使用，在這些情形下，電壓源整流器通過dc環(huán)節(jié)連接在一可運(yùn)行在電壓遞增模式下的合適逆變器上(例如，電壓源逆變器)。這樣的功率轉(zhuǎn)換器布置可被用于將ac電力負(fù)載連接到第一配電母線上。
綜上所述
·流經(jīng)功率轉(zhuǎn)換器到電力負(fù)載或第一配電母線的功率流可以通過選擇或改變PWM 策略的調(diào)制深度進(jìn)行調(diào)整。
·功率轉(zhuǎn)換器ac端子的功率因數(shù)可以通過選擇或改變PWM策略的調(diào)制角度進(jìn)行調(diào)整(例如，調(diào)整為單位功率因數(shù)或其它功率因數(shù))。值得感激的是，該調(diào)整可用于預(yù)設(shè)的用途，以用于調(diào)整第二配電母線攜帶的配電電壓的功率因數(shù)，以將其調(diào)整為單位或其它任意的期望值。功率轉(zhuǎn)換器ac端子的功率因數(shù)調(diào)整也可以通過變壓器耦合、或雙或多個(gè)輸出發(fā)電機(jī)定子繞組的相互耦合來實(shí)現(xiàn)，其中的發(fā)電機(jī)形成了通用供電系統(tǒng)的部分。
功率轉(zhuǎn)換器ac端子的諧波失真(或QPS)可以通過選擇或改變PWM策略的諧波結(jié)構(gòu)來進(jìn)行調(diào)整令人欣慰的是，該調(diào)整可以用于調(diào)節(jié)第二配電母線攜帶的配電電壓的諧波失真(或QPS)，第二配電母線攜帶的配電電壓的諧波失真(或QPS)的調(diào)節(jié)也可以通過變壓器耦合、或雙或多個(gè)輸出發(fā)電機(jī)定子繞組的相互耦合來實(shí)現(xiàn)，其中的發(fā)電機(jī)形成了通用供電系統(tǒng)的部分。
·當(dāng)功率轉(zhuǎn)換器的ac端子連接在第一配電母線上時(shí)，對功率轉(zhuǎn)換器ac端子處的任何功率因數(shù)調(diào)整和/或諧波控制都會(huì)對ac配電電壓中的功率因數(shù)和/或諧波失真產(chǎn)生對應(yīng)的調(diào)整，其中，ac配電電壓由第一配電母線攜帶，并流經(jīng)形成通用供電系統(tǒng)部分的ac發(fā)電機(jī)。
當(dāng)功率轉(zhuǎn)換器的ac端子連接在作為通用供電系統(tǒng)一部分的ac發(fā)電機(jī)的ac端子上時(shí)，對功率轉(zhuǎn)換器ac端子處任何功率因數(shù)和/或諧波失真的調(diào)整都會(huì)對ac輸入電壓中的功率因數(shù)和/或諧波失真產(chǎn)生對應(yīng)的調(diào)整，其中，ac輸入電壓流經(jīng)形成通用供電系統(tǒng)一部分的雙或多輸出發(fā)電機(jī)。
功率轉(zhuǎn)換器的控制
當(dāng)功率轉(zhuǎn)換器連接在第一配電電壓和電力負(fù)載之間時(shí)，第一配電母線會(huì)攜帶ac 配電電壓，功率轉(zhuǎn)換器的ac端子連接在第一配電母線上，dc端子連接在電力負(fù)載上?？蛇x地，可通過作為有源逆變器功能使用的額外功率轉(zhuǎn)換器將dc端子連接到電力負(fù)載上。因此，功率轉(zhuǎn)換器ac端子的電量將與ac發(fā)電機(jī)ac端子處的第一配電母線攜帶的ac配電電壓中的電量相當(dāng)，其中，ac發(fā)電機(jī)為通用供電系統(tǒng)的一部分。容易理解地，在實(shí)施例中，當(dāng) ac發(fā)電機(jī)為雙或多輸出發(fā)電機(jī)時(shí)，ac發(fā)電機(jī)的ac端子將會(huì)與連接在第一配電母線上的第一定子繞組連接，而不會(huì)與連接在第二配電母線上的第二定子繞組連接，具體地，可直接連接或通過第二功率轉(zhuǎn)換器連接到第一定子繞組。
當(dāng)功率轉(zhuǎn)換器連接在第一配電電壓和作為通用供電系統(tǒng)的ac發(fā)電機(jī)之間時(shí)，第一配電母線會(huì)攜帶dc配電電壓，功率轉(zhuǎn)換器的ac端子連接在作為通用供電系統(tǒng)一部分的 ac發(fā)電機(jī)的ac端子上，dc端子連接在第一配電母線上。因此，功率轉(zhuǎn)換器ac端子的電量將與連接在雙或多輸出發(fā)電機(jī)第一定子繞組ac端子處的電量相當(dāng)。
在上述兩種情形下，功率轉(zhuǎn)換器的主要功能是控制流經(jīng)的功率流。
在這里也可以對功率轉(zhuǎn)換器進(jìn)行控制以提供“有源濾波”以及“靜態(tài)補(bǔ)償”，這將有益于各個(gè)配電電壓。在這里這些 功能分別被稱為“諧波控制”和“功率因數(shù)控制”。使用功率轉(zhuǎn)換器來提供有源濾波和靜態(tài)補(bǔ)償消除了對大、高成本的濾波器的需求，在傳統(tǒng)船舶配電和推進(jìn)系統(tǒng)中需要使用這些濾波器，現(xiàn)在可以通過較小的濾波電容進(jìn)行替代。在功率因數(shù)控制的第一示例中，如果濾波電容連接在功率轉(zhuǎn)換器的ac端子上、吸取超前VAr時(shí)，可以對功率轉(zhuǎn)換器進(jìn)行控制以根據(jù)需要在功率轉(zhuǎn)換器的ac端子通過吸取滯后VAr實(shí)現(xiàn)對功率因數(shù)的調(diào)整，這樣，由濾波電容吸取的超前VAr至少可以部分地被抵消，從而減少濾波器和功率轉(zhuǎn)換器結(jié)合所吸取的ac輸入電流。如果功率轉(zhuǎn)換器的ac端子連接在第一配電母線上， 則ac配電電流和電壓的功率因數(shù)相應(yīng)地被調(diào)整，其中，配電電壓由第一配電母線和關(guān)聯(lián)的 ac發(fā)電機(jī)攜帶。在實(shí)踐中，功率轉(zhuǎn)換器的功率因數(shù)控制可以被用于許多用途。在第二示例中，可以對功率因數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)以調(diào)整流經(jīng)ac發(fā)電機(jī)電抗電阻的VAr，從而改變第一和第二配電母線攜帶的配電電壓。在第三示例中，可以對功率因數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)以調(diào)整流經(jīng)ac發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)，從而最小化從ac發(fā)電機(jī)吸取的ac輸入電流。
在實(shí)施例中，當(dāng)電力負(fù)載為推進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)，即使當(dāng)推進(jìn)負(fù)載為零，功率因數(shù)也可以被調(diào)整。
在這里也可以對功率轉(zhuǎn)換器進(jìn)行控制以調(diào)節(jié)第一和第二配電母線攜帶的配電電壓的諧波失真。正常情況下，任何對諧波失真的調(diào)整的目的都是為了減少、或可能地消除各個(gè)配電電壓中不必要的諧波失真或諧波污染，其中不必要的諧波失真或諧波污染例如可能產(chǎn)生于推進(jìn)電動(dòng)機(jī)或電力負(fù)載的操作過程中。低水平的諧波失真意味著高QPS，反之亦然。在諧波控制的第一示例中，可以對功率轉(zhuǎn)換器吸取的諧波電流分量進(jìn)行調(diào)整，以最小化功 率轉(zhuǎn)換器ac線路上電流的總諧波失真(THD)，從而最小化功率轉(zhuǎn)換器的均方根電流消耗。 在實(shí)踐中，功率轉(zhuǎn)換器的諧波控制可用于多種目的。在第二示例中，當(dāng)考慮在第一配電母線 中出現(xiàn)的任何諧波電流時(shí)，由于不同于功率轉(zhuǎn)換器的諧波污染源例如其它連接到第一配電 母線的電力負(fù)載，可以對功率轉(zhuǎn)換器進(jìn)行調(diào)整以減少ac發(fā)電機(jī)ac線路中的電流THD，從而 可以最小化從ac發(fā)電機(jī)吸取的均方根電流。在第三示例中，功率轉(zhuǎn)換器可以被調(diào)整以最小 化第一和第二配電母線上的電壓THD。
因此，通過控制功率轉(zhuǎn)換器以獲得配電系統(tǒng)穩(wěn)定的頻率和電壓，從而實(shí)現(xiàn)對流經(jīng) 功率轉(zhuǎn)換的功率流進(jìn)行同步調(diào)整(功率流控制)、對功率因數(shù)進(jìn)行同步調(diào)整(功率因數(shù)控制) 以及對第一和/或第二配電母線攜帶的配電電壓中的諧波失真進(jìn)行同步調(diào)整(諧波控制)。 盡管穩(wěn)定第一母線更有效，這是因?yàn)楫?dāng)?shù)谝慌潆娔妇€向推進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供功率、第二配電 母線向船舶應(yīng)用提供功率時(shí)，第二配電母線具有更大的額定功率，但是第二配電母線中配 電電壓的頻率穩(wěn)定可以源自于第一配電母線中配電電壓的頻率穩(wěn)定，反之亦然，或者是由 于變壓器耦合或雙或多輸出發(fā)電機(jī)中定子繞組之間的相互耦合。在傳統(tǒng)配電系統(tǒng)中由于變 壓器耦合，對第一配電母線攜帶的配電電壓的任何合適的調(diào)整都自動(dòng)地會(huì)對第二配電母線 攜帶的配電電壓的電量產(chǎn)生影響。因此，應(yīng)注意，本發(fā)明中的配電系統(tǒng)的目的在于使用一個(gè) 重要的電功率器件(功率轉(zhuǎn)換器)以影響作為通用供電系統(tǒng)一部分的ac發(fā)電機(jī)的運(yùn)行，從而 允許對第一配電母線中的電量進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)在第二配電母線中獲得期望的電量。該調(diào)整 允許通過功率轉(zhuǎn)換器的操作對第二配電母線上的QPS進(jìn)行有計(jì)劃有目的地調(diào)整。
功率轉(zhuǎn)換器的控制依賴于提供給控制器的反饋信號(hào)的使用。該反饋信號(hào)可以包括 指示第一配電母線攜帶電壓的第一電壓反饋信號(hào)以及指示第二配電母線攜帶電壓的第二 反饋信號(hào)。該反饋信號(hào)還可以包括電流反饋信號(hào)，電流反饋信號(hào)指示了 ac發(fā)電機(jī)ac端子 的電流。在實(shí)施例中，當(dāng)ac發(fā)電機(jī)為雙或多輸出發(fā)電機(jī)時(shí)，電流反饋信號(hào)將用于指示與相 應(yīng)定子繞組連接的ac端子的電流，該相應(yīng)定子繞組向功率轉(zhuǎn)換器連接的配電母線或向功 率轉(zhuǎn)換器自身進(jìn)行供電。
本發(fā)明進(jìn)一步提供了一種控制配電系統(tǒng)的方法，所述配電系統(tǒng)包括各自攜帶配 電電壓的第一和第二配電母線、向第一和第二配電母線提供電力的通用供電系統(tǒng)，以及連 接在第一配電母線上的功率轉(zhuǎn)換器，所述功率轉(zhuǎn)換器包括ac端子，所述方法包括以下步 驟使用指示第一和第二配電母線攜帶的配電電壓電量的反饋信號(hào)對功率轉(zhuǎn)換器進(jìn)行控 制，以調(diào)整功率轉(zhuǎn)換器ac端子的電量和/或第二配電母線攜帶的配電電壓的電量。
根據(jù)折衷可以對功率轉(zhuǎn)換器進(jìn)行控制以調(diào)整功能轉(zhuǎn)換器ac端子的電量以及第二 配電母線的配電電壓的電量。在這里可以使用一整流器整流或混頻功能。
PWM策略可以為場定向PWM策略，從而可以對第一配電母線攜帶的配電電壓中的 功率因數(shù)和諧波失真進(jìn)行獨(dú)立的控制，并同時(shí)控制功率轉(zhuǎn)換器的dc輸出電壓。PWM策略可 以不斷地改變以使得功率轉(zhuǎn)換器可以根據(jù)需要提供合適的控制、功率調(diào)整以及頻率、電壓 穩(wěn)定和支持。
當(dāng)推進(jìn)電動(dòng)機(jī)連接在功率轉(zhuǎn)換器上時(shí)，本發(fā)明方法進(jìn)一步還包括控制推進(jìn)電動(dòng) 機(jī)以允許一 dc環(huán)節(jié)電流獨(dú)立于所述推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的軸速度和轉(zhuǎn)矩被獨(dú)立地調(diào)整。
配電系統(tǒng)進(jìn)一步的技術(shù)特征將在后續(xù)進(jìn)行描述。


圖1為傳統(tǒng)船舶配電和推進(jìn)系統(tǒng)的示意圖2為本發(fā)明實(shí)施例帶有dc電動(dòng)機(jī)和變壓器反饋輔助供電的船舶配電和推進(jìn)系 統(tǒng)的示意圖，其中，第一配電母線攜帶ac配電電壓；
圖3為本發(fā)明實(shí)施例帶有ac電動(dòng)機(jī)和變壓器反饋輔助供電的船舶配電和推進(jìn)系 統(tǒng)的示意圖，其中，第一配電母線攜帶ac配電電壓；
圖4為本發(fā)明實(shí)施例帶有無變壓雙輸出發(fā)電機(jī)的船舶配電和推進(jìn)系統(tǒng)的示意圖， 其中，第一配電母線攜帶ac配電電壓；
圖5為本發(fā)明實(shí)施例帶有無變壓雙輸出發(fā)電機(jī)的船舶配電和推進(jìn)系統(tǒng)的示意圖， 其中，第一配電母線攜帶dc配電電壓；
圖6為本發(fā)明實(shí)施例帶有無變壓雙輸出發(fā)電機(jī)的船舶配電和推進(jìn)系統(tǒng)的示意圖， 其中，第一配電母線攜帶dc配電電壓，功率轉(zhuǎn)換器通過一交換連接連接在ac發(fā)電機(jī)上；
圖7為多個(gè)適用的功率轉(zhuǎn)換器以及推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的布置示意圖8為本發(fā)明控制變量的簡化示意圖9示出了為達(dá)到有源濾波目的，提供選擇性諧波消除(SHE)功能的一系列PWM脈 沖序列。
具體實(shí)施方式
船舶配電和推進(jìn)系統(tǒng)布置，其中第一配電母線攜帶一 ac配電電壓
圖2示出了本發(fā)明船舶配電和推進(jìn)系統(tǒng)的第一示例。主柴油機(jī)Gl以及輔助柴油 沒G2可用于向第一中壓配電盤或母線MVACl提供ac電。通過類似的方式，主柴油機(jī)G3以 及輔助柴油沒G4可用于向第二中壓配電盤或母線MVAC2提供ac電。這些中壓母線攜帶有 一中壓(MV)配電電壓(例如，6. 6kV, 60Hz)，并配置有保護(hù)開關(guān)裝置。保護(hù)開關(guān)裝置包括多個(gè) 斷路開關(guān)以及相應(yīng)的控制裝置，在圖2中由符號(hào)X表示。這些中壓母線MVACl以及MVAC2 通過保護(hù)開關(guān)相互連接。
第一中壓母線MVACl分為兩個(gè)獨(dú)立的部分，這兩個(gè)部分通過保護(hù)開關(guān)連接。主柴 油機(jī)Gl通過保護(hù)開關(guān)連接在兩個(gè)部分中的一個(gè)上，輔助柴油機(jī)G2通過保護(hù)開關(guān)連接在另 一部分上。類似地，第二中壓母線MVAC2分為兩個(gè)獨(dú)立的部分，這兩個(gè)部分通過保護(hù)開關(guān)連 接。主柴油機(jī)G3通過保護(hù)開關(guān)連接在兩個(gè)部分中的一個(gè)上，輔助柴油機(jī)G4通過保護(hù)開關(guān) 連接在另一部分上。因此，在一些操作條件下，可以對每個(gè)中壓母線的獨(dú)立部分，以及第一、 第二中壓母線自身進(jìn)行獨(dú)立地選擇。因此，船舶配電和推進(jìn)系統(tǒng)的單個(gè)或多個(gè)孤立的操作 可以使用合適數(shù)量的發(fā)電機(jī)、中壓母線以及母線部件。
第一和第二推進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)每一個(gè)包括一整流器(或電力轉(zhuǎn)換器)SC，以用于將中壓 母線MVACl以及MVAC2連接到用于驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器的無刷dc推進(jìn)電動(dòng)機(jī)PM。第一和第二推進(jìn) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還包括ac電壓線路濾波電容C1、C2，以向中壓母線MVAC1、MVAC2以及關(guān)聯(lián)的整流 器SC提供無源濾波。
第一低壓配電盤或母線LVACl可以通過第一變壓器Tl連接在第一中壓母線MVACl 上，第二低壓配電盤或母線LVAC2可以通過第二變壓器T2連接在第二中壓母線MVAC2上。低壓母線LVACl和LVAC2可以通過保護(hù)開關(guān)相互連接。
低壓母線LVACl和LVAC2攜帶有低壓(LV)配電電壓(例如，440V，60Hz)，多個(gè)非特 定負(fù)載例如船舶應(yīng)用配電系統(tǒng)(標(biāo)記為LVAC負(fù)載)可以連接在低壓母線上。通過這種方式， 通過使用合適的變壓器Tl和T2可以由MV配電電壓方便地得到LV配電電壓。
整流器SC可以為后續(xù)圖7描述中的任意類型。
第一和第二推進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的整流器SC可以根據(jù)控制策略進(jìn)行運(yùn)行，從而除了對 流向dc推進(jìn)電動(dòng)機(jī)PM的功率流進(jìn)行調(diào)整外，還使得整流器SC可以提供有源濾波以及靜態(tài) 補(bǔ)償。在實(shí)際中，每個(gè)推進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(例如，左舷和右舷)都可以包括一 PWM控制器Co，以用 于同步地調(diào)整各個(gè)整流器SC功能，從而滿足功率流控制的主要需求以及功率因數(shù)和諧波 控制的額外需求。PWM控制器Co可以獨(dú)立地運(yùn)行或以協(xié)調(diào)的方式進(jìn)行運(yùn)行。在圖2到圖4 所示的配電系統(tǒng)中，每個(gè)PWM控制器Co接收三相ac輸入信號(hào)，即MV電壓反饋信號(hào)MVvfb、 MV電流反饋信號(hào)MVifb以及LV電壓反饋信號(hào)LVvfb，這些信號(hào)可用于選擇或修改PWM策略 的調(diào)制深度、PWM策略的調(diào)制角度以及PWM策略的諧波結(jié)構(gòu)，其中，PWM策略用于整流器SC。 在每種情況下，MV電壓反饋信號(hào)MVvfb僅由單個(gè)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生，當(dāng)然，也可能存在其它配置。 其中，每個(gè)PWM控制器Co使用的控制策略將會(huì)結(jié)合圖8在后續(xù)進(jìn)行詳細(xì)描述。
圖3示出了本發(fā)明船舶配電和推進(jìn)系統(tǒng)的第二示例。該系統(tǒng)與圖2中所示的系統(tǒng) 類似，區(qū)別在于，圖3系統(tǒng)中第一和第二推進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)每一個(gè)包括一整流器SC以及一有源 轉(zhuǎn)換器(或機(jī)械轉(zhuǎn)換器)MC，以用于將中壓母線MVAC1、MVAC2連接到用于驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器的ac推 進(jìn)電動(dòng)機(jī)PM。每個(gè)整流器SC通過dc環(huán)節(jié)與關(guān)聯(lián)的有源逆變器MC連接，整流器SC可以是 后續(xù)結(jié)合圖7的描述中的任何合適類型。逆變器MC可以為一可變速驅(qū)動(dòng)。
整流器SC以及逆變器MC可依據(jù)控制策略進(jìn)行運(yùn)行，這樣，除了調(diào)整流向ac推進(jìn) 電動(dòng)機(jī)PM的功率流之外，整流器SC以及逆變器MC還可以提供有源濾波以及靜態(tài)補(bǔ)償。PWM 控制器Co用于調(diào)整各個(gè)的整流器和逆變器功能。
圖4示出本發(fā)明船舶配電和推進(jìn)系統(tǒng)的第三示例。在圖2和圖3所示的系統(tǒng)中， 通過使用合適的變壓器Tl和T2，LV配電電壓可以由MV配電電壓生成。與此相比，圖4中 的系統(tǒng)使用了雙輸出發(fā)電機(jī)(DOGs),該雙輸出發(fā)電機(jī)具有多個(gè)電位隔尚的多相定子繞組， 每個(gè)定子繞組與一個(gè)獨(dú)立負(fù)載連接。
主柴油機(jī)雙輸出發(fā)電機(jī)DOGl以及輔助柴油機(jī)雙輸出發(fā)電機(jī)D0G2可以從他們的定 子繞組中的一個(gè)向第一中壓配電盤或母線MVACl提供ac電，從他們其它定子繞組向第一低 壓配電盤LVACl提供ac電。類似地，主柴油機(jī)雙輸出發(fā)電機(jī)D0G3以及輔助柴油機(jī)雙輸出 發(fā)電機(jī)D0G4可以從他們的定子繞組中的一個(gè)向第二中壓配電盤或母線MVAC2提供ac電， 從他們其它定子繞組向第二低壓配電盤LVAC2提供ac電。如果額外的中壓或低壓母線被 提供，則典型地，每個(gè)母線(或母線中的部分)可以連接在多輸出發(fā)電機(jī)的一個(gè)定子繞組上。
雙輸出發(fā)電機(jī)可以在他們的MV和LV輸出之間提供電位隔尚。與圖2和圖3所不 的基于變壓器的系統(tǒng)相比，雙輸出發(fā)電機(jī)定子繞組之間的極端有效的相互耦合可帶來一些 性能上的好處。該相互耦合可以使得每個(gè)雙輸出發(fā)電機(jī)中經(jīng)歷的電抗性電壓降幾乎一樣。 這樣，可以減少中壓母線調(diào)整和低壓母線調(diào)整之間的折衷，這同樣適應(yīng)于諧波頻率。對于所 有實(shí)用目的，中壓以及低壓母線的單位諧波電壓范圍幾乎是一樣的。因此，有源濾波并不嚴(yán) 格需要優(yōu)先提供任何中壓和低壓母線反饋，僅正常地需要單一的電壓反饋。盡管如此，在這里，描述的整流和混頻功能允許優(yōu)先母線電壓反饋，以允許閉環(huán)控制，從而對各自的定子繞 組的電抗性電位降之間的任何不一致進(jìn)行反轉(zhuǎn)。除了簡化控制策略，中壓和低壓母線之間 也不再需要一變壓器，從而在降低噪聲、振動(dòng)、機(jī)器體積和個(gè)頭的同時(shí)，提高整個(gè)船舶配電 和推進(jìn)系統(tǒng)的效率。
盡管圖4中第一和第二推進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)每個(gè)包括一個(gè)整流器SC，且整流器用于將中 壓母線連接到驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器的無刷dc推進(jìn)電動(dòng)機(jī)PM，然而，容易理解地，第一和第二推進(jìn)驅(qū) 動(dòng)系統(tǒng)中的每一個(gè)都可以包括一整流器和一逆變器，以用于將中壓母線連接到ac推進(jìn)電 動(dòng)機(jī)。其中，整流器可以為后續(xù)關(guān)于圖7的描述中的任何合適類型。
盡管圖2到圖4所示的配電系統(tǒng)只有兩個(gè)推進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，然而，容易理解地，對于 具體的配電系統(tǒng)，任意數(shù)量的推進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以被提供，相應(yīng)地可以采用各種調(diào)整和控制 流程。
船舶配電和推進(jìn)系統(tǒng)布置，其中第一配電母線攜帶dc配電電壓
圖5示出了本發(fā)明船舶配電和推進(jìn)系統(tǒng)的第四示例。在圖2到圖4所示的系統(tǒng) 中，第一和第二中壓母線MVACl和MVAC2攜帶ac配電電壓。第一和第二低壓母線LVACl和 LVAC2攜帶ac配電電壓，該ac配電電壓通過使用合適的變壓器TI和T2 (如圖2和圖3所 示)或通過雙輸出發(fā)電機(jī)(如圖4所示)的定子繞組之間的相互耦合從MV配電電壓獲得。圖 5所示的系統(tǒng)也使用了雙輸出發(fā)電機(jī)，但第二中壓配電盤或母線MVDCl和MVDC2攜帶dc配 電電壓(例如，5. OkV) ο
主柴油雙輸出發(fā)電機(jī)DOGl以及輔助柴油機(jī)雙輸出發(fā)電機(jī)D0G2從他們的定子繞組 中一組向第一低壓配電盤或母線LVACl提供ac電。他們的其它定子繞組可以通過整流器 (功率轉(zhuǎn)換器)SC連接在第一中壓配電盤或母線MVDCl。類似地，主柴油雙輸出發(fā)電機(jī)D0G3 以及輔助柴油機(jī)雙輸出發(fā)電機(jī)D0G4從他們的定子繞組中一組向第二低壓配電盤或母線 LVAC2提供ac電。他們的其它定子繞組可以通過整流器(功率轉(zhuǎn)換器)SC連接在第二中壓 配電盤或母線MVDC2。盡管第一和第二低壓母線LVACl和LVAC2攜帶ac配電電壓，然而，容 易理解地，當(dāng)需要第一和第二低壓母線LVACl和LVAC2攜帶dc配電電壓時(shí)，可以使用一整 流器，將每個(gè)雙輸出發(fā)電機(jī)的相應(yīng)定子繞組連接到第一和第二低壓母線上。
AC電壓線路濾波電容器C1-C4可以為關(guān)聯(lián)的整流器SC提供無源濾波。
第一和第二推進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)每一個(gè)包括一個(gè)有源逆變器(或機(jī)械轉(zhuǎn)換器)MC,以用于 將中壓母線MVDC1、MVDC2連接到驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器的ac推進(jìn)發(fā)電機(jī)PM。逆變器MC可以為一可 變速的驅(qū)動(dòng)器。
整流器SC可依據(jù)一控制策略進(jìn)行操作，這樣，除了調(diào)整流向第一和第二中壓母線 MVDCl和MVDC2的功率流之外，整流器SC還可以提供有源濾波和靜態(tài)補(bǔ)償。PWM控制器Co 可以被用來調(diào)整中壓母線各自的整流器和逆變器功能。
其中，功率轉(zhuǎn)換器可以為后續(xù)圖7詳細(xì)描述中的任意合適類型。
圖6示出了本發(fā)明船舶配電和推進(jìn)系統(tǒng)的第五示例。在圖5所示的系統(tǒng)中，整流 器SC直接連接在雙輸出發(fā)電機(jī)的相應(yīng)定子繞組上。在圖6所示的系統(tǒng)中整流器通過保護(hù) 開關(guān)裝置連接在雙輸出發(fā)電機(jī)的相應(yīng)定子繞組上，其中保護(hù)開關(guān)裝置包括斷路開關(guān)以及關(guān) 聯(lián)的控制器。該額外保護(hù)開關(guān)裝置的目的在于，例如當(dāng)整流器或關(guān)聯(lián)控制器發(fā)生功能故障 時(shí)阻斷故障電流，這些故障電流可能流入第一和第二中壓母線MVDCl和MVDC2。應(yīng)注意，為了便于清楚描述，在圖6中，省略了 PWM控制器Co、濾波電容器以及控制電路。
功率轉(zhuǎn)換器布置
圖7示出了用于圖2至圖4中推進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一些可能的布置。在圖7a)到f)示出的六個(gè)示例電力電路的每一個(gè)中，dc環(huán)節(jié)濾波電感或電容連接在整流器(濾波電感或電容的左邊)和關(guān)聯(lián)的推進(jìn)電動(dòng)機(jī)(濾波電感或電容的右邊)之間。表I和表2分別對用于多個(gè)功率轉(zhuǎn)換器/dc推進(jìn)電動(dòng)機(jī)布置以及功率轉(zhuǎn)換器/ac推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的整流器性能屬性進(jìn)行了總結(jié)。
權(quán)利要求
1.一種配電系統(tǒng)，包括第一和第二配電母線(MVAC1，LVACl [圖1到圖4] ；MVDCl, LVACl [圖5以及圖6])，所述第一和第二配電母線每一條攜帶有各自的配電電壓；一通用供電系統(tǒng)(Gl [圖2和圖3] ；D0G1 [圖4到圖6]),用于向所述第一和第二配電母線提供功率；一功率轉(zhuǎn)換器(SC)，所述功率轉(zhuǎn)換器(SC)連接在所述第一配電母線(MVAC1[圖1到圖4]；MVDC1 [圖5以及圖6])上，所述功率轉(zhuǎn)換器具有ac端子；以及一控制器(Co)，所述控制器(Co)用于使用指示所述第一和第二配電母線攜帶的配電電壓電量的反饋信號(hào)(MVvfb,LVvfb)對所述功率轉(zhuǎn)換器(SC)進(jìn)行控制，以調(diào)整所述功率轉(zhuǎn)換器ac端子的電量，以獲得期望的第二配電母線(LVACl)攜帶的配電電壓的電量。
2.如權(quán)利要求1所述的配電系統(tǒng)，其特征在于，所述功率轉(zhuǎn)換(SC)根據(jù)選擇的或由控制器(Co)改變的一 PWM策略進(jìn)行運(yùn)行。
3.如權(quán)利要求1或2所述的配電系統(tǒng)，其特征在于，所述通用供電系統(tǒng)包括一連接在所述第一配電母線(MVACl)上的ac發(fā)電機(jī)(Gl [圖2和圖3] ；D0G1 [圖4])，所述第一配電母線攜帶有一配電電壓。
4.如權(quán)利要求3所述的配電系統(tǒng)，其特征在于，所述第二配電母線(LVACl)攜帶有一ac 配電電壓，所述通用供電系統(tǒng)還包括一變壓器(Tl)，所述變壓器(Tl)連接在所述第一和第二配電母線(MVAC1，LVAC1)之間。
5.如權(quán)利要求3所述的配電系統(tǒng)，其特征在于，所述ac發(fā)電機(jī)(DOGl)包括至少一對電位隔離的定子繞組，第一定子繞組連接在所述第一配電母線(MVACl)上，用于提供第一 ac 電壓，第二定子繞組連接在所述第二配電母線(LVAC1)上，用于提供第二 ac電壓，所述第二配電母線攜帶一 ac或dc配電電壓。
6.如權(quán)利要求5所述的配電系統(tǒng)，其特征在于，所述第二定子繞組通過第二功率轉(zhuǎn)換器連接在所述第二配電母線上，所述第二配電母線攜帶一 dc配電電壓。
7.如權(quán)利要求3-6任一所述的配電系統(tǒng)，其特征在于，所述功率轉(zhuǎn)換器(SC)連接在所述第一配電母線(MVACl)和一電力負(fù)載之間，所述電力負(fù)載可選地包括一推進(jìn)電動(dòng)機(jī) (PM)。
8.如權(quán)利要求1或2所述的配電系統(tǒng)，其特征在于，所述通用供電系統(tǒng)包括一ac發(fā)電機(jī)(D0G1 [圖5和圖6])，所述功率轉(zhuǎn)換器(SC)連接在所述ac發(fā)電機(jī)和所述第一配電母線 (MVDCl)之間，所述第一配電母線攜帶一 dc配電電壓。
9.如權(quán)利要求8所述的配電系統(tǒng)，其特征在于，所述ac發(fā)電機(jī)(DOGl)包括至少一對電位隔離的定子繞組，一第一定子繞組通過所述功率轉(zhuǎn)換器(SC)連接在所述第一配電母線 (MVDCl)上，所述第一定子繞組用于提供一第一 ac電壓，一第二定子繞組連接在所述第二配電母線(LVDCl)上，所述第二定子繞組用于提供一第二 ac電壓，所述第二配電母線攜帶一 ac或dc配電電壓。
10.如權(quán)利要求9所述的配電系統(tǒng)，其特征在于，所述第二定子繞組通過一第二功率轉(zhuǎn)換器連接在所述第二配電母線上，所述第二配電母線攜帶一 dc配電電壓。
11.如權(quán)利要求7-10任一所述的配電系統(tǒng)，其特征在于，一電力負(fù)載連接在所述第一配電母線(MVDC1)上，所述電力負(fù)載可選地包括一推進(jìn)電動(dòng)機(jī)(PM)。
12.如前述任一權(quán)利要求所述的配電系統(tǒng)，其特征在于，所述反饋信號(hào)包括一第一電壓反饋信號(hào)(MVvfb)以及一第二電壓反饋信號(hào)(LVvfb),所述第一電壓反饋信號(hào)(MVvfb)用于指示所述第一配電母線攜帶的一電壓，所述第二電壓反饋信號(hào)(LVvfb)用于指示所述第二配電母線攜帶的一電壓。
13.如權(quán)利要求3或8所述的配電系統(tǒng)，其特征在于，所述反饋信號(hào)包括一電流反饋信號(hào)(MVifb)，所述電流反饋信號(hào)(MVifb)用于指示所述ac發(fā)電機(jī)(Gl [圖2和圖3] ;D0G1 [圖 4到圖6]) ac端子的電流。
14.如前述任一權(quán)利要求所述的配電系統(tǒng)，其特征在于，對所述功率轉(zhuǎn)換器(SC)進(jìn)行控制以調(diào)整(i)流經(jīng)所述功率轉(zhuǎn)換器的功率流；(ii)所述功率轉(zhuǎn)換器ac端子的功率因數(shù)和/或諧波失真。
15.一種控制一配電系統(tǒng)的方法，所述配電系統(tǒng)包括第一和第二配電母線(MVAC1， LVACl [圖1到圖4] ；MVDC1, LVACl [圖5以及圖6])，所述第一和第二配電母線每一條攜帶有各自的配電電壓；一通用供電系統(tǒng)(Gl [圖2和圖3] ;D0G1[圖4到圖6])，用于向所述第一和第二配電母線提供功率；以及一功率轉(zhuǎn)換器(SC)，所述功率轉(zhuǎn)換器(SC)連接在所述第一配電母線，所述功率轉(zhuǎn)換器具有ac端子，所述方法包括下述步驟使用指示所述第一和第二配電母線攜帶的配電電壓電量的反饋信號(hào)(MVvfb，LVvfb)對所述功率轉(zhuǎn)換器(SC)進(jìn)行控制，以調(diào)節(jié)功率轉(zhuǎn)換器ac端子的電量和/或所述第二配電母線(LVACl)攜帶的配電電壓的電量。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，根據(jù)折衷對所述功率轉(zhuǎn)換器(SC)進(jìn)行控制，以調(diào)節(jié)所述功率轉(zhuǎn)換器ac端子的電量以及所述第二配電母線(LVACl)攜帶的配電電壓的電量。
17.如權(quán)利要求15或16所述的方法，其特征在于，根據(jù)一調(diào)節(jié)器整流和混頻功能，對所述功率轉(zhuǎn)換器(SC)進(jìn)行控制，以調(diào)節(jié)所述功率轉(zhuǎn)換器ac端子的電量以及所述第二配電母線(LVACl)攜帶的配電電壓的電量。
18.如權(quán)利要求15-17任一所述的方法，其特征在于，根據(jù)一PWM策略對所述功率轉(zhuǎn)換器(SC)進(jìn)行控制。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，通過選擇或改變下述一種或多種參數(shù)對所述功率轉(zhuǎn)換器(SC)進(jìn)行控制(i)所述PWM策略的調(diào)制深度；(ii)所述PWM策略的調(diào)制角度；(iii)所述PWM策略的諧波結(jié)構(gòu)；(iv)所述PWM策略，從而為所述配電系統(tǒng)獲取一期望的功率因數(shù)；(V)所述PWM策略，以使得所述功率轉(zhuǎn)換器吸取滯后VAr ；(vi)所述PWM策略，以減少諧波失真或?yàn)樗雠潆娤到y(tǒng)獲取選擇性諧波消除(SHE);以及(vii)所述PWM策略，以獲取用于所述配電系統(tǒng)的一期望的供電質(zhì)量(QPS)。
20.如權(quán)利要求15-19任一所述的方法，其特征在于，所述第一配電母線(MVAC1[圖1 到圖4] ；MVDC1 [圖5和圖6])攜帶一 dc或ac配電電壓，以及/或所述第二配電母線(LVACl) 攜帶一 dc或ac配電電壓。
全文摘要
在一船舶配電和推進(jìn)系統(tǒng)中，包括一中壓配電母線(MVAC1)以及一低壓配電母線(LVAC1)，可選地，對一整流器(SC)進(jìn)行控制以提供有源濾波和靜態(tài)補(bǔ)償。一包括有ac發(fā)電機(jī)(G1-G4)的通用供電系統(tǒng)可向中壓和低壓配電母線提供電力。所述整流器(SC)連接在中壓配電母線(MVAC1)上。一控制器(Co)使用指示中壓和低壓配電母線(MVAC1，LVAC1)配電電壓的電量的反饋信號(hào)對整流器(SC)進(jìn)行控制，以調(diào)整整流器(SC)ac端子的電量，從而獲取期望的、低壓配電母線(LVAC1)攜帶的配電電壓電量。
文檔編號(hào)B63H23/24GK103003145SQ201180028555
公開日2013年3月27日 申請日期2011年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月8日
發(fā)明者艾倫·大衛(wèi)·凱倫恩, 拉爾夫·愛德溫·馬爾特比, 尼古拉斯·西蒙·斯密 申請人:通用電氣能源電力轉(zhuǎn)化技術(shù)有限公司