用于海上應(yīng)用的dc電力系統(tǒng)的制作方法
【專利說(shuō)明】用于海上應(yīng)用的DC電力系統(tǒng)
[0001]本申請(qǐng)要求2014年9月22日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)序列號(hào)62/053，400的優(yōu)先權(quán)。
【背景技術(shù)】
[0002]本發(fā)明的實(shí)施例一般涉及直流(DC)電力系統(tǒng)，并且更確切地說(shuō)，涉及用于海上應(yīng)用的DC電力系統(tǒng)。
[0003]在近幾十年中，由于貨物運(yùn)輸船只、軍艦、海上石油船舶、客船等的巨大增長(zhǎng)，海上交通已經(jīng)在全世界大幅增加。這些船只或船舶具有許多船上電氣負(fù)載。用于栗、風(fēng)扇、電子推進(jìn)安裝、照明和空調(diào)的可變速電驅(qū)動(dòng)器是船舶的船上電氣負(fù)載的一些示例。電氣負(fù)載操作在各種不同電壓和頻率，并且從而需要單獨(dú)的電力供應(yīng)。
[0004]大多數(shù)船舶使用交流(AC)電力系統(tǒng)架構(gòu)。然而，最近一些船舶正在使用DC電力系統(tǒng)架構(gòu)，其包含能量存儲(chǔ)裝置或發(fā)電機(jī)以滿足多個(gè)電氣負(fù)載的需求。如果負(fù)載需要交流(AC)電源，則在電力電子轉(zhuǎn)換器的幫助下可將DC電力轉(zhuǎn)換成AC電力。類似地，如果發(fā)電機(jī)是AC，貝lj可經(jīng)由電力電子轉(zhuǎn)換器將AC電力轉(zhuǎn)換成DC電力。一般而言，多個(gè)發(fā)電機(jī)向多個(gè)DC母線供應(yīng)電力，DC母線又向特定電氣負(fù)載供應(yīng)電力。存在單個(gè)DC母線也可向整個(gè)船舶電氣負(fù)載提供電力的示例。
[0005]關(guān)于常規(guī)DC電力系統(tǒng)的挑戰(zhàn)包含:集成具有不同電壓電平的多個(gè)DC母線，在非常短的時(shí)間內(nèi)隔離DC電力系統(tǒng)中的故障，以及集成各種能量存儲(chǔ)裝置和發(fā)電機(jī)。由于這些以及其它原因，存在對(duì)于用于海上應(yīng)用的本DC電力系統(tǒng)的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]按照本技術(shù)的實(shí)施例，提供了用于海上船舶的電力系統(tǒng)。電力系統(tǒng)包含多個(gè)保護(hù)區(qū)，其中每個(gè)保護(hù)區(qū)包括多個(gè)直流(DC)母線和多個(gè)電力轉(zhuǎn)換器。此外，兩個(gè)保護(hù)區(qū)的至少兩個(gè)DC母線經(jīng)由母聯(lián)轉(zhuǎn)換器彼此耦合。提供了控制器來(lái)控制所述多個(gè)電力轉(zhuǎn)換器和所述至少一個(gè)母聯(lián)轉(zhuǎn)換器的操作。母聯(lián)轉(zhuǎn)換器包含通過(guò)至少一個(gè)電感器耦合的至少兩個(gè)轉(zhuǎn)換器臂。每個(gè)轉(zhuǎn)換器臂包括第一分支，第一分支具有兩個(gè)外部開(kāi)關(guān)裝置和連接在所述兩個(gè)外部開(kāi)關(guān)裝置之間的至少一個(gè)內(nèi)部開(kāi)關(guān)裝置。此外，每個(gè)轉(zhuǎn)換器臂包括具有二極管、電阻器和電容器的組合的緩沖電路，其中第一分支和緩沖電路通過(guò)中間開(kāi)關(guān)裝置連接。
[0007]按照本技術(shù)的另一實(shí)施例，公開(kāi)了向海上船舶提供電力的方法。所述方法包含:提供包含多個(gè)電力轉(zhuǎn)換器的多個(gè)保護(hù)區(qū)，并在兩個(gè)保護(hù)區(qū)的至少兩個(gè)DC母線之間連接母聯(lián)轉(zhuǎn)換器。在所提供的方法中，連接母聯(lián)轉(zhuǎn)換器包括提供通過(guò)至少一個(gè)電感器耦合的至少兩個(gè)轉(zhuǎn)換器臂。此外，提供每個(gè)轉(zhuǎn)換器臂包括:通過(guò)在兩個(gè)外部開(kāi)關(guān)裝置之間連接至少一個(gè)內(nèi)部開(kāi)關(guān)裝置來(lái)形成第一分支；以及形成具有二極管、電阻器和電容器的組合的緩沖電路。而且，提供每個(gè)轉(zhuǎn)換器臂包括在第一分支與緩沖電路之間連接中間開(kāi)關(guān)裝置。
【附圖說(shuō)明】
[0008]圖1是根據(jù)本公開(kāi)的方面用于海上船舶的電力系統(tǒng)的圖解表示；
圖2是根據(jù)本公開(kāi)的方面圖1的母聯(lián)轉(zhuǎn)換器的詳細(xì)視圖的圖解表示；
圖3是根據(jù)本公開(kāi)的方面圖2的母聯(lián)轉(zhuǎn)換器的正常操作的示意圖表示；以及圖4a和4b是根據(jù)本公開(kāi)的方面圖2的母聯(lián)轉(zhuǎn)換器的故障條件操作的示意圖表示。
【具體實(shí)施方式】
[0009]除非另有定義，否則本文使用的技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)具有與本公開(kāi)所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同意思。本文所使用的術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”等不表示任何次序、量或重要性，而是用于區(qū)分一個(gè)元件與另一個(gè)元件。術(shù)語(yǔ)“一”也不表示量的限制，而是表示存在至少一個(gè)所提到的項(xiàng)目。術(shù)語(yǔ)“或”意思是包含的，并且意味著一個(gè)、一些或所有的列出項(xiàng)目。使用“包含”、“包括”或“具有”以及它們的變型在本文中意思是包含下文所列出的項(xiàng)目及其等同物以及附加項(xiàng)目。此外，術(shù)語(yǔ)“電路”和“線路”以及“控制器”可包含單個(gè)組件或多個(gè)組件，它們是有源和/或無(wú)源的，并且連接或以其他方式耦合在一起以提供所描述的功能。
[0010]現(xiàn)在轉(zhuǎn)到附圖，通過(guò)圖1中的示例，描繪了用于海上船舶的電力系統(tǒng)100。在一個(gè)實(shí)施例中，電力系統(tǒng)100可包含經(jīng)由母聯(lián)轉(zhuǎn)換器106和188耦合的兩個(gè)保護(hù)區(qū)102和104。然而，在其它實(shí)施例中，可能存在許多此類保護(hù)區(qū)，它們經(jīng)由多個(gè)母聯(lián)轉(zhuǎn)換器彼此連接。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到的，創(chuàng)建保護(hù)區(qū)以限制在故障期間可斷開(kāi)電力系統(tǒng)的程度。海上船舶中的保護(hù)區(qū)可包含能量源、DC母線以及多個(gè)轉(zhuǎn)換器以向各種負(fù)載饋送電力。能量源可以是AC或DC發(fā)電機(jī)、能量存儲(chǔ)裝置，并且負(fù)載例如可包含照明負(fù)載或可變頻率驅(qū)動(dòng)器。在所示出的實(shí)施例中，保護(hù)區(qū)域102包含諸如AC發(fā)電機(jī)108、110和能量存儲(chǔ)裝置112的能量源，并且保護(hù)區(qū)104包含諸如AC發(fā)電機(jī)114、116和能量存儲(chǔ)裝置118的能量源。
[0011]此外，在保護(hù)區(qū)102中，AC發(fā)電機(jī)108、110分別經(jīng)由電力電子轉(zhuǎn)換器122和124向DC母線120饋送電力，并且能量存儲(chǔ)裝置112經(jīng)由電力電子轉(zhuǎn)換器128向DC母線126饋送電力。電力電子轉(zhuǎn)換器122、124是AC到DC轉(zhuǎn)換器，因?yàn)樗鼈儽仨殞㈦娏腁C發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換到DC母線，而電力電子轉(zhuǎn)換器128是DC到DC轉(zhuǎn)換器，因?yàn)樗鼘C能量存儲(chǔ)裝置耦合到DC母線。兩個(gè)DC母線120和126沒(méi)有相同DC電壓，并且因此經(jīng)由DC到DC轉(zhuǎn)換器130彼此耦合。DC到DC轉(zhuǎn)換器130可以是雙向DC到DC轉(zhuǎn)換器或單向DC到DC轉(zhuǎn)換器。此外，負(fù)載132和134分別經(jīng)由電力電子轉(zhuǎn)換器136和138連接到DC母線120，并且負(fù)載140和142分別經(jīng)由電力電子轉(zhuǎn)換器144和146連接到DC母線122。取決于負(fù)載是AC負(fù)載還是DC負(fù)載，電力電子轉(zhuǎn)換器136、138、144和146可以是AC到DC轉(zhuǎn)換器或DC到DC轉(zhuǎn)換器。
[0012]以類似方式，在保護(hù)區(qū)104中，AC發(fā)電機(jī)114、116分別經(jīng)由電力電子轉(zhuǎn)換器152和154向DC母線150饋送電力，并且能量存儲(chǔ)裝置118經(jīng)由電力電子轉(zhuǎn)換器158向DC母線156饋送電力。兩個(gè)DC母線150和156經(jīng)由DC到DC轉(zhuǎn)換器160彼此耦合。DC此外，負(fù)載162和164分別經(jīng)由電力電子轉(zhuǎn)換器166和168連接到DC母線150，并且負(fù)載170和172分別經(jīng)由電力電子轉(zhuǎn)換器174和176連接到DC母線152?；谪?fù)載的類型，即AC負(fù)載或DC負(fù)載，電力電子轉(zhuǎn)換器166、168、174和176可以是AC到DC轉(zhuǎn)換器或DC到DC轉(zhuǎn)換器。應(yīng)該注意到，在所示的實(shí)施例中，為了便于說(shuō)明，所有轉(zhuǎn)換器都已經(jīng)被示出為僅具有一個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。然而，在每一個(gè)轉(zhuǎn)換器的輸入端和輸出端，負(fù)端子或參考端子總是在那兒。
[0013]電力系統(tǒng)100進(jìn)一步包含控制器180以控制保護(hù)區(qū)102和104中的母聯(lián)轉(zhuǎn)換器106,188以及其它轉(zhuǎn)換器的操作。應(yīng)該注意到，即使在圖1的實(shí)施例中示出了單個(gè)控制器180，但在其它實(shí)施例中，控制器180可被分成多個(gè)控制器，并且每個(gè)單獨(dú)控制器可控制電力系統(tǒng)180的一部分。電力系統(tǒng)100還可包含無(wú)源裝置，諸如保險(xiǎn)絲和/或斷路器(未示出)，在故障(例如短路故障)期間保護(hù)電力系統(tǒng)100的第二個(gè)。在一個(gè)實(shí)施例中，控制器180基于母聯(lián)轉(zhuǎn)換器、無(wú)源裝置和其它電力電子和/或DC到DC轉(zhuǎn)換器之間的協(xié)調(diào)，阻止故障從一個(gè)DC母線到另一 DC母線的傳播。
[0014]例如，如果在DC母線126或連接到它的后續(xù)分支(例如圖1中的分支182、184、186)上存在故障，則控制器180將阻止那個(gè)故障從DC母線126到DC母線120的傳播(即，一個(gè)故障產(chǎn)生另一故障)。應(yīng)該注意到，如果轉(zhuǎn)換器130的輸出電流超過(guò)故障電流幅度閾值，或者如果轉(zhuǎn)換器130的輸出電壓突破了故障電壓幅度閾值，則控制器180可檢測(cè)到故障。在DC母線126上的故障期間，控制器180將操作DC到DC轉(zhuǎn)換器130，其正在電流控制模式下將電力饋送到DC母線126，并且從而限制由DC母線120供應(yīng)到DC母線126的故障電流。一旦無(wú)源裝置(例如保險(xiǎn)絲或斷路器)在控制器180的幫助下或者以其他方式清除了故障，控制器180將把DC母線126充電到額定電平。一旦DC母線126被充電到額定電平，控制器180將把DC到DC轉(zhuǎn)換器130的操作切換回正常模式。在一個(gè)實(shí)施例中，DC到DC轉(zhuǎn)換器130的正常模式指電壓控制模式。然而，如果故障持續(xù)了某個(gè)時(shí)間量，其指示母線上的永久故障而不是暫時(shí)故障，則控制器180將停止DC/DC轉(zhuǎn)換器130的操作，并通知上游系統(tǒng)?？刂破?80將類似地控制其它轉(zhuǎn)換器以便阻止故障從一個(gè)母線到另一母線的傳播。
[0015]在本技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例中，第二母聯(lián)轉(zhuǎn)換器188可用于連接低壓母線126和156。換句話說(shuō)，保護(hù)區(qū)102和104可經(jīng)由兩個(gè)母聯(lián)轉(zhuǎn)換器106和188彼此耦合。母聯(lián)轉(zhuǎn)換器106耦合中壓母線120和150，并且母聯(lián)轉(zhuǎn)換器188耦合低壓母線126和156。應(yīng)該注意到，低壓母線126和156分別相對(duì)于中壓母線120和150在低壓操作。這個(gè)實(shí)施例允許低壓母線126和156及其對(duì)應(yīng)分支正常操作，即使中壓母線120或150之一有故障并且不能供應(yīng)任何電力。
[0016]圖2示出了按照本技術(shù)的實(shí)施例圖1的母聯(lián)轉(zhuǎn)換器200 (諸如母聯(lián)轉(zhuǎn)換器106和188)的詳細(xì)視圖。在一個(gè)實(shí)施例中，母聯(lián)轉(zhuǎn)換器200分別耦合在兩個(gè)保護(hù)區(qū)102和104的兩個(gè)母線A與B之間。換句話說(shuō)，母聯(lián)轉(zhuǎn)換器200直接連接在母線A與B之間。母聯(lián)轉(zhuǎn)換器200在正常條件期間促進(jìn)了兩個(gè)區(qū)102、104之間的電力傳輸，并且在故障情況下還隔離了兩個(gè)保護(hù)區(qū)102、104。母聯(lián)轉(zhuǎn)換器200包含通過(guò)至少一個(gè)電感器206、208耦合的第一轉(zhuǎn)換器臂202和第二轉(zhuǎn)換器臂204。
[0017]第一轉(zhuǎn)換器臂202包含具有兩個(gè)外部開(kāi)關(guān)裝置212、214和一個(gè)內(nèi)部開(kāi)關(guān)裝置216的第一分支210。內(nèi)部開(kāi)關(guān)裝置216連接在兩個(gè)外部開(kāi)關(guān)裝置212、214之間。第一轉(zhuǎn)換器臂202進(jìn)一步包含具有并聯(lián)連接的電阻器220和電容器222的緩沖電路218。緩沖電路218進(jìn)一步包含與電阻器220和電容器222的并聯(lián)電路串聯(lián)連接的二極管224。緩沖電路218和第一分支202通過(guò)中間開(kāi)關(guān)裝置232彼此連接。在一個(gè)實(shí)施例中，中間開(kāi)關(guān)裝置232相對(duì)于外部開(kāi)關(guān)裝置212、214和內(nèi)部開(kāi)關(guān)裝置216具有相反極性。換句話說(shuō)，中間開(kāi)關(guān)裝置232以相反方式連接到外部開(kāi)關(guān)裝置212。第一轉(zhuǎn)換器臂202還包含具有串聯(lián)連接的第二二極管228和阻尼電阻器230的第二分支226。第二分支226與緩沖電路218并聯(lián)連接。
[0018]類似地，第二轉(zhuǎn)換器臂204包含具有連接在兩個(gè)外部開(kāi)關(guān)裝置236、238之間的一個(gè)內(nèi)部開(kāi)關(guān)裝置240的第一分支234。第二轉(zhuǎn)換器臂204進(jìn)一步包含緩沖電路242，緩沖電路242具有并聯(lián)連接的電阻器244和電容器246并且進(jìn)一步具有與二極管248串聯(lián)連接的組合。緩沖電路242和第一分支234通過(guò)相反極性的中間開(kāi)關(guān)裝置256彼此連接。第二轉(zhuǎn)換器臂2