配电系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种配电系统，诸如航海配电和推进系统(20)。系统包括ac母线(2)和多个有源前端(AFE)电力转换器(4，22)。每个AFE电力转换器(4，22)包括连接到母线(2)的第一有源整流器/逆变器(6)和连接到诸如电推进马达的电负载(M1…M4)的第二有源整流器/逆变器(8)。电源(PS1…PS3)连接到AFE电力转换器(22)的dc链路(24)，并且可在电力管理控制器或电力管理系统(PMS)的控制下操作。
【专利说明】配电系统【技术领域】
[0001]本发明涉及配电系统，并且特别地，涉及这样的系统，即，可在船舶或近海船上使用该系统，而且该系统结合了额外电源，以在主发电机无法操作时提供电力。这样的系统可集成到传统的航海配电和推进系统中。但将理解的是，本发明不限于在船舶或近海船上使用，而是本发明也可应用于例如陆上配电系统。
[0002]术语“船舶”意于包括船、钻井装置和任何其它在水面前进的船舶或平台或可潜入水中的(潜水艇)船舶。
【背景技术】
[0003]配电系统是众所周知的。在图1a中显示的航海配电和推进系统的典型布置中，多个ac发电机GP..G4对传送定频配电电压(诸如690V、60Hz)的母线或开关板2提供ac电力。每个发电机都稱合到诸如柴油发动机0Ρ..?4的原动机。
[0004]电推进马达ML...Μ4借助于居间电力转换器4而连接到母线2。推进马达ΜΡ..Μ4可为任何适当的类型和结构，并且可以可选地配置成驱动螺旋桨轴或其它推进系统，诸如推进器。
[0005]在一些布置中，居间电力转换器4可为有源前端(AFE)电力转换器。AFE电力转换器典型地包括具有连接到母线2的ac端的第一有源整流器/逆变器6和具有连接到推进马达ΜΡ..Μ4的ac端的第二有源整流器/逆变器8。第一和第二有源整流器/逆变器6、8的dc端通过dc链路10而连接在一起。谐波滤波器12通常连接到第一有源整流器/逆变器6的ac端，即，在网络侧上，以确保谐波电压和电流被消除。例如，AFE电力转换器可实现为由英国拉格比市鲍顿路的GE能源电力转换英国有限公司供应的MV3000转换器。
[0006]在正常操作中，第一有源整流`器/逆变器6将操作为有源整流器，以对dc链路10供应电力，而第二有源整流器/逆变器8将操作为逆变器，以对关联的推进马达ΜΡ..Μ4供应电力。但是，对于推进马达ΜΡ..Μ4，相反的操作在某些情形中是可行的，诸如再生制动。在再生制动期间，推进马达ΜΡ..Μ4产生电力，所述电力可馈送回母线2。在此情形中，第二有源/整流器8将操作为有源整流器，以将产生的电力供应给dc链路10，而第一有源整流器/逆变器6将操作为逆变器，以将电力供应给母线2。
[0007]每个有源整流器/逆变器6、8将典型地具有适当的拓扑，其中，使用脉宽调制(PWM)策略来完全控制和调整半导体电力开关装置。
[0008]母线2可配备有具有断路器和关联的控件的保护开关设备。母线2典型地将分成通过连接件14互连的一对母线段2a、2b (例如，左舷与右舷)。配电系统的实际布置典型地将取决于冗余度，这对船舶是特别重要的。
[0009]发电机GP"G4和电力转换器4可通过断路器16、18和关联的控件或其它开关部件而连接到母线2。
[0010]传统的配电系统可具有任何适当数量和类型的发电机，以及任何适当的母线配置,这取决于电力产生和配电要求。[0011]有时船舶能够在主发电机Gl…G4离线时操作将是更可取的。这可包括当船舶在港内的时候，或者当需要试图并且最小化对环境有害的排气的排放(诸如氮氧化物(N0X)、二氧化碳(CO2),以及与柴油发动机Dl…D4的燃烧过程有关的其它污染物)时。也有时候发电机Gl…G4可能由于关键故障或为了安全原因而离线。因此将容易地理解，在通常由主发电机Gl…G4提供的电力不可用时需要一种备选电源。
【发明内容】
[0012]本发明提供一种配电系统，其包括: ac母线；
电力转换器(即，有源前端(AFE)电力转换器)，其包括:具有ac端和dc端的第一有源整流器/逆变器，ac端连接到ac母线；以及具有ac端和dc端的第二有源整流器/逆变器，ac端连接到电负载，第一和第二有源整流器/逆变器的dc端通过dc链路而连接在一起；以及
电源，其连接到dc链路，并且操作来通过第一有源整流器/逆变器选择性地对ac母线提供电力，和/或通过第二有源整流器/逆变器选择性地对电负载提供电力。
[0013]本发明另外提供一种操作配电系统的方法，其包括: ac母线；
电力转换器，其包括具有ac端和dc端的第一有源整流器/逆变器，ac端连接到ac母线；以及具有ac端和dc 端的第二有源整流器/逆变器，ac端连接到电负载，第一和第二有源整流器/逆变器的dc端通过dc链路而连接在一起；以及连接到dc链路的电源；
方法包括以下步骤:控制电源，以通过第一有源整流器/逆变器选择性地对ac母线提供电力，和/或通过第二有源整流器/逆变器选择性地对电负载提供电力。
[0014]电源对配电系统提供额外dc电力供应，或者提供备选地额外ac电力供应，只要电源借助于适当的AC/DC电力转换器而连接到dc链路。当主电力供应(例如对母线提供电力的发电机)不知为何不可用时，这种额外电力供应可用来选择性地对配电系统提供电力。
[0015]在实践中，可使用任何适当的电源。在一个实施例中电源仅能够产生电力，以及将电力输出到配电系统中，而且可为能量产生装置，诸如燃料电池，或者可从诸如风、波或潮汐流、太阳等可再生源中抽取能量的装置。例如，电源可为风力涡轮、海底涡轮、波发生器或光电收集器。电源也可为具有关联的原动机(例如柴油发动机或涡轮)的辅助发电机。这种辅助发电机可提供dc输出或ac输出，要理解的是，在后一种情况下，辅助发电机将借助于适当的AC/DC电力转换器而连接到dc链路。但是，电源能够由配电系统充电，以及将电力放电或输出到配电系统中是大体优选的。例如，电源可为具有非常高的感应电值且能够以高压水平操作的能量存储和输出装置，诸如电池、超电容器或超级电容器。能量存储和输出装置也可为其中机械地存储能量的飞轮。在这种情况下，电源可操作来通过第一有源整流器/逆变器选择性地对ac母线提供电力，和/或通过第二有源整流器/逆变器选择性地对电负载提供电力，以及通过第一有源整流器/逆变器选择性地接收来自ac母线的电力，和/或通过第二有源整流器/逆变器选择性地接收来自电负载的电力，即，为了充电和能量存储目的。[0016]配电系统可进一步包括连接到母线且具有关联的原动机(例如柴油发动机、涡轮等)的ac发电机。配电系统可具有任何适当数量和类型的发电机和关联的原动机，以及任何适当的母线配置，这取决于电力产生和配电要求。发电机(一个或多个)的目的通常是对配电系统提供主电源，并且发电机(一个或多个)将典型地设计成满足期望操作负载要求。
[0017]母线可配备有具有断路器和关联的控件的保护开关设备，而且可分成母线段。
[0018]在航海配电和推进系统的情况下，电负载则可为任何适当类型和结构的推进马达或推进器马达，并且可以可选地配置成驱动螺旋桨轴或推进器系统。AFE电力转换器可用来以传统的方式控制推进马达或推进器马达的速度和扭矩。电负载也可为第二 ac母线，例如借助于AFE电力转换器和可选的变压器而连接到主ac母线且典型地可传送比主ac母线更低的配电电压的母线。在这种情况下，放电到AFE电力转换器的dc链路中的电力可提供给主ac母线和第二 ac母线中的一个或两者，这取决于如何启用AFE电力转换器的第一和第二有源整流器/逆变器。第二 ac母线典型地将传送定频配电电压，以确保诸如泵、马达、风扇等的传统配电装备(以及在合适的情况下，船舶设施)可连接到配电系统。但是，主ac母线可以可选地传送变频配电电压。配电系统可包括适合变频操作的电开关设备。主ac母线和第二 ac母线可通过AFE电力转换器和可选的变压器(例如降压变压器)而连接在一起。换句话说，借助于适于提供定频输出且针对配电装备而额定的AFE电力转换器，定频配电电压可源自主ac母线所传送的变频配电电压。
[0019]配电系统可具有任何适当数量的电负载，每个通过关联的AFE电力转换器而连接到母线。因此整体配电系统可包括两个或更多电源，每个电源连接到相应的AFE电力转换器的dc链路。这对配电系统提供冗余，其对船舶往往是特别重要的。两个或更多额外的电源也可直接或者借助于适当的居间电力转换器而连接到特定的AFE电力转换器的同一 dc链路。配电系统可包括多个不同的电源，包括额外dc和ac电力供应两者的组合。电源典型地被控制，以采用协同方式操作。控制每个电源的控件可集成到整体配电系统的电力管理控制器或电力管理系统(PMS)中，或者与其协同。将每个电源集成到PMS中可对电力中断预防提供另一层保护，并且可用来对配电系统进行自行起动。电力管理控制器或PMS可以可选地控制配电系统的任何构件，除其它之外，包括电源(一个或多个)、居间电力转换器(一个或多个)、隔离开关(一个或多个)、控制器(一个或多个)等。可使用任何适当的控制策略。
[0020]每个发电机和/或每个AFE电力转换器可通过断路器和关联的控件或其它开关部件而连接到母线上。
[0021]限定额外的dc电力供应的电源可直接连接到关联的AFE电力转换器的dc链路，但典型地将借助于在dc链路电压和电源的dc端电压之间提供相容性的居间DC/AC电力转换器而连接。这允许dc端电压不依赖于dc链路电压达整体设计所容许的程度，并且允许使用不同类型的电源。如果电源是电池、超电容器或超级电容器，其中，电压输出与存储能量有关，则可最大化电池容量的可用性，不管其充电状态(SoC)电压如何。DC/DC电力转换器可为任何适当的类型，并且具有任何适当的结构，例如降压/升压转换器。如果电源仅能够将电力输出到配电系统中，则DC/DC电力转换器可配置用于单向电力流。但如果电源能够充电和放电，则DC/DC电力转换器必须配置用于双向电力流。限定额外的ac电力供应的电源必须借助于在dc链路电压和电源的ac端电压之间提供相容性的居间AC/DC电力转换器，来连接到关联的AFE电力转换器的dc链路。AC/DC电力转换器可为任何适当的类型，并且具有任何适当的结构。
[0022]将电源连接到AFE电力转换器的dc链路避免到主ac母线或开关板中的任何直接连接-无需额外的开关板机壳。这特别可用于其中电源及其关联的构件集成到现有配电系统中的改型应用。它还意味着应用于母线的保护和故障清除策略不受影响或约束。预期与发电机相比，电源及其关联的构件(诸如居间电力转换器)在短路故障条件期间将具有高阻抗。
[0023]每个AFE电力转换器典型地将包括其本身的控制器，以控制有源整流器/逆变器的操作。用来将电源连接到AFE电力转换器的dc链路的任何居间电力DC/AC或AC/DC电力转换器典型地也将包括其本身的控制器。
[0024]每个电源典型地也将包括其本身的控制器。除了控制电源的充电/放电之外，控制器有时也可控制或监测其它操作参数，诸如温度、存储容量等，以及提供安全超驰能力，以在例如有故障的情况下断开或关闭电源。控制器可以可选地与外部装备对接，以达到监测目的，或者远程地控制电源。所有控制器都可借助于例如局域网(LAN)或内部以太网协议而对接到整体电力管理控制器或PMS，并且可选地对接到用于协同控制策略的一个或多个其它控制器。换句话说，单独的控制器(包括整体电力管理控制器或PMS)中的两个或更多可对接或连接在一起，以提供协同响应来满足配电要求。将单独的控制器中的两个或更多的功能性集成到一个物理控制器上也是可能的，如果这提供实际好处的话。
[0025]在电源仅能够将电力输出到配电系统中的情况下，则电源可被控制，以提供以下电力流模式中的一个或多个:
(i)电力仅从电源流到ac母线，
(ii)电力仅从电源流到电负载，
(iii)电力从ac母线和电源两者流到电负载，
(iv)电力从电源和电负载两者流到ac母线，以及
(v)电力从电源流到ac母线和电负载两者。
[0026]优选地，将能够在合适的时候提供对配电系统的操作有益的所有电力流模式。
[0027]当将电力输出到配电系统时，存在电源的两个主要操作模式。或者可在独立模式中操作，其中，其是对配电系统的唯一电源(例如，发电机是离线的)，或者在组合模式中操作，其中，电力还由例如发电机或船到岸供应提供。独立模式将包括其中另一个电源通过其关联的AFE电力转换器来将电力供应给母线的情形，即，两个或更多电源同时在独立模式中操作，以支持其它连接的电负载。
[0028]在独立模式中，电力则可通过AFE电力转换器的第一有源整流器/逆变器而提供给母线(模式(i))，使得电力可提供给可连接到母线的任何其它电负载。这可包括例如连接到第二 ac母线的任何电负载，第二 ac母线借助于变压器和/或电力转换器而连接到主ac母线。在模式(i)中，AFE电力转换器的第二有源整流器/逆变器将不操作。
[0029]电力也可通过AFE电力转换器的第二有源整流器/逆变器而提供给电负载(模式
(ii))。在模式(ii)中，AFE电力转换器的第一有源整流器/逆变器将不操作。在航海配电和推进系统的情况下，模式(ii)则可用于使用动态定位(DP)系统的船舶，其中，船舶在关键情形下保持在特定的目标区域内，或者其中，要求仅对关联的推进马达或推进器马达使用由电源供应的电力。在一些布置中，推进电力可单独由消除对操作发电机和关联的原动机的需要的电源提供-从而允许在船舶接近港口，或者在某些控制区域(例如征收NOx税的区域)内时，安静地操作，或者最小化废气排放。
[0030]在组合模式中，电力则可从母线和电源两者提供给电负载(模式(iii))。这可为有用的，如果存在提高的负载要求的话，因为这可避免需要发起额外的发电机的起动、同步和加载，或者在可使额外的发电机上线之前，这可暂时对电负载提供额外电力。还可允许配电系统满足提高的负载要求，同时允许原动机以最佳输出效率操作。在航海配电和推进系统的情况下，则模式(iii)可用于电力要求大但短期的船舶，例如起抛锚设备。在起抛锚操作下，电源可提供“峰值斩(lopping)”，以满足短期电力要求，而主发电机仅需要满足船舶的稳态电力要求。
[0031]电力也可从电源和电负载两者提供给母线(模式(iv))。将容易地理解，此模式需要电力由电负载提供。在其中电负载是推进马达或推进器马达的航海配电和推进系统的情况下，则在制动时，电力可从推进马达或推进器马达再生回到母线。额外的电力可从电源提供给母线，如果可连接到母线的任何其它电负载需要这样的话。
[0032]电力也可从电源提供给母线和电负载两者(模式(V))。
[0033]在电源也能够由配电系统充电的情况下，则电源被控制，以提供以下电力流模式中的一个或多个:
(i)电力仅从电源流到ac母线，
(ii)电力仅从电源流到电负载，
(iii)电力从ac母线和电源两者流到电负载，
(iv)电力从电源和电负载两者流到ac母线，
(v)电力从电源流到ac母线和电负载两者，
(vi)电力仅从ac母线流到电源，
(vii)电力仅从电负载流到电源，
(viii)电力从ac母线流到电负载和电源两者，
(ix)电力从电负载流到ac母线和电源两者，以及
(x)电力从ac母线和电负载两者流到电源。
[0034]优选地，将能够在合适的时候提供有益于配电系统的操作的所有电力流模式。
[0035]在上面描述了模式(i)至(V)，并且当电源在独立模式或组合模式中将电力放电到或输出到配电系统中时，使用模式(i)至(V)。当配电系统正对电源充电时，使用模式
(vi)至(X)。
[0036]电力可通过AFE电力转换器的第一有源整流器/逆变器来仅从母线流到电源，以对电源充电(模式(vi))。在模式(vi)中，AFE电力转换器的第二有源整流器/逆变器将不操作。用于对电源充电的电力可来自发电机、船到岸供应，或者甚至例如连接到另一个AFE电力转换器的dc链路的另一个电源。电力也可从母线流到电负载和电源两者(模式
(viii))，使得电源在电力提供给电负载的同时充电。
[0037]如果电力正由电负载提供(例如在制动时，电力正由推进马达或推进器马达再生)，则电力可仅用来通过AFE电力转换器的第二有源整流器逆变器对电源充电(模式(vii))。在模式(vii)中，AFE电力转换器的第一有源整流器/逆变器将不操作。电源可由电负载充电，同时电力再生回到母线(模式(ix))，或者同时电力从母线流出(模式X)，即，其中电源同时由母线和电负载两者充电。
[0038]将容易地理解，电源也可与dc链路断开，或者被禁用，使得电力通过AFE电力转换器，以传统的方式，在母线和电负载之间流动(模式(xi)和(xii))。
[0039]各种操作模式和/或电力流模式可由电力管理控制器或PMS选择，以及由单独的控制器实现。例如，AFE电力转换器的控制器可启用和禁用AFE电力转换器的第一和第二有源整流器/逆变器，以及控制流过它们的电力的方向。电源和任何居间DC/DC或AC/DC电力转换器的控制器可在合适的情况下在放电或充电模式期间控制电力流。AFE电力转换器的合适的有源整流器/逆变器可在电力中断的情况下启用。也可以可选地基于手动输入(例如通过操作者接口)来选择操作和/或电力流模式。
[0040]在表I至3中概括了关于其中电负载是推进马达或推进器马达的航海配电和推进系统的各种模式。NB是第一有源整流器/逆变器或网络桥，MB是第二有源整流器/逆变器或马达桥，PS是电源，而PC是居间电力转换器。当启用时，网络桥的正(+ve)模式表示电力从母线流到dc链路，以及网络桥操作为有源整流器，而负(_ve)模式则表示电力从dc链路流到母线，以及网络桥操作为逆变器。马达桥的正模式表示电力从dc链路流到推进马达或推进器马达，以及马达桥操作为逆变器，而负模式则表示电力从马达流到dc链路，以及马达桥操作为有源整流器。
[0041]因此将容易地理解，对于传统的推进操作(模式(Xi))，网络桥和马达桥两者都必须启用，以及在正模式中操作，以使电力从母线供应到推进马达或推进器马达。类似地，对于传统的再生操作(模式(xii))，则网络桥和马达桥两者都必须启用，以及在负模式中操作，以使电力从推进马达或推进器马达供应到母线。当启用时，居间电力转换器的正模式表示电力从电源流到dc链路(放电或输出)，而负模式则表示电力从dc链路流到电源(充电)。
【权利要求】
1.一种配电系统(20 ;50),包括: ac母线⑵； 电力转换器(22 ;52a)，其包括:具有ac端和dc端的第一有源整流器/逆变器(6)，所述ac端连接到所述ac母线(2);以及具有ac端和dc端的第二有源整流器/逆变器(8)，所述ac端连接到电负载(Ml ;26)，所述第一和第二有源整流器/逆变器的所述dc端通过dc链路(24)连接在一起；以及 电源(PS1，PS2 ;PS4)，其连接到所述dc链路(24)，并且操作来通过所述第一有源整流器/逆变器(6)选择性地对所述ac母线(2)提供电力，和/或通过所述第二有源整流器/逆变器(8)选择性地对所述电负载(Ml ；26)提供电力。
2.根据权利要求1所述的配电系统(20)，其中，所述电源(PS2)是能量产生装置。
3.根据权利要求1或2所述的配电系统(20)，其中，所述电源(PS2)被控制，以提供以下电力流模式中的一个或多个: (i)电力仅从所述电源(PS2)流到所述ac母线(2)， (ii)电力仅从所述电源(PS2)流到所述电负载(M1)， (iii)电力从所述ac母线⑵和所述电源(PS2)两者流到所述电负载(Ml)， (iv)电力从所述电 源(PS2)和所述电负载(Ml)两者流到所述ac母线(2)，以及 (v)电力从所述电源(PS2)流到所述ac母线⑵和所述电负载(Ml)两者。
4.根据权利要求1所述的配电系统(20;50)，其中，所述电源(PSl ；PS4)是能量存储和输出装置，其操作来通过所述第一有源整流器/逆变器(6)选择性地对所述ac母线(2)提供电力，和/或通过所述第二有源整流器/逆变器(8)选择性地对所述电负载(Ml ；26)提供电力，以及通过所述第一有源整流器/逆变器(6)选择性地接收来自所述ac母线(2)的电力，和/或通过所述第二有源整流器/逆变器(8)选择性地接收来自所述电负载(Ml ；26)的电力。
5.根据权利要求4所述的配电系统(20;50)，其中，所述电源(PSl ；PS4)被控制，以提供以下电力流模式中的一个或多个: (i)电力仅从所述电源(PSl；PS4)流到所述ac母线(2)， (ii)电力仅从所述电源(PSl；PS4)流到所述电负载(Ml ;26)， (iii)电力从所述ac母线⑵和所述电源(PSl；PS4)两者流到所述电负载(Ml ;26)， (iv)电力从所述电源(PSl；PS4)和所述电负载(Ml ；26)两者流到所述ac母线(2)， (v)电力从所述电源(PSl；PS4)流到所述ac母线⑵和所述电负载(Ml ；26)两者， (vi)电力仅从所述ac母线(2)流到所述电源(PSl；PS4), (vii)电力仅从所述电负载(Ml；26)流到所述电源(PSl ；PS4), (viii)电力从所述ac母线⑵流到所述电负载(Ml；26)和所述电源(PSl ；PS4)两者， (ix)电力从所述电负载(Ml；26)流到所述ac母线⑵和所述电源(PSl ；PS4)两者，以及 (x)电力从所述ac母线⑵和所述电负载(Ml；26)两者流到所述电源(PSl ;PS4)。
6.根据权利要求4或5所述的配电系统(20)，其中，所述电源(PS3)可选地借助于电力转换器(42)而连接到另一个电源(40)。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的配电系统(20;50)，进一步包括连接在所述电源(PSI ；PS4)和所述dc链路(24)之间的电力转换器(34 ；58)。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的配电系统(20;50)，其中，所述dc链路(22)不包括电抗器。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的配电系统(20;50)，其中，在所述第一有源整流器/逆变器出)的所述ac端和所述ac母线(2)之间的连接不包括变压器。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的配电系统(20;50)，进一步包括连接到所述ac母线(2)的ac发 电机(Gl)，并且具有关联的原动机(Dl)。
【文档编号】H02J3/38GK103762613SQ201310423679
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2013年9月17日 优先权日:2012年9月17日
【发明者】S.P.哈森, N.J.克拉克 申请人:通用电气能源能量变换技术有限公司