海洋船舶的电源系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了海洋船舶的电源系统。所述电源系统适于耦合到海洋船舶的电力分配总线，用于为耦合到电力分配总线的多个电气电机供电。所述电源系统包括用于产生电气电力的发电机和耦合到发电机的控制系统，并且该控制系统适于按照电压选点来控制发电机的输出电压。所述控制系统包括用于测量由发电机产生的电气电力的参数的测量单元，和适于根据所测量的参数来针对发电机的输出电压控制电压选点的控制单元。
【专利说明】海洋船舶的电源系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及海洋船舶的电源系统和这种船舶的电力系统。本发明还涉及操作海洋船舶的电源系统的方法。
【背景技术】
[0002]海洋船舶、如海上平台、钻井或生产船舶通常包括具有耦合到机械能量的源、诸如柴油发动机或燃气涡轮机的发电机的独立电力系统。由发电机产生的电气电力通过电力分配总线被分配，多个用户连接到所述电力分配总线。大用户包括推进器驱动器、钻井驱动器或绞车，而较小的用户可以是泵、压缩机，以及设置在此类船舶上的其他电气设备。
[0003]不像岸上电力系统通常从多个源获得电能，海洋船舶的隔离电力系统安装的发电机的数目相对较低，典型为4至6个。由于电缆路线短、使用汇流条以及在路径中没有变压器，发电机之间的阻抗一般都相当低，几乎是微不足道的。如果电力系统中有故障，诸如汇流条故障或发电机互连电缆故障，由于低阻抗，会发生相对高的电压跌落。连接到电力系统的电气电机将因此总体操作在显著减少电流供给的状况下，并且将因此放慢。作为示例，海洋船舶的电力系统可能有几十或几百个连接的小型电气电机，例如直接在线(DOL)感应电机。
[0004]故障被清除后，电气电机将增加他们的速度返回到额定，这将导致显著浪涌电流。在一些系统中，自动电压调节器(AVR)将控制发电机并从而控制主电力分配总线上的电压。在故障后的系统恢复期间，由于AVR将尝试补偿电压降，将一般发生电压过冲，过冲典型地高于150%。如果海洋船舶在运输期间，它将通常在DP2模式(即根据挪威船级社(DNV)的动态定位2规定)操作。在这种操作模式中，电压过冲一般不认为是一个问题。如果过冲应导致另一个部件的停电(blackout)，该部件可以从系统中隔离和修理，根据DP2的操作，这通常不是至关重要的。另一方面，如果船舶操作在DP3模式，例如进行钻井操作时，电力分配总线的汇流排断路器开路，从而使海洋船舶的电力系统本质上划分成若干独立的电力系统。作为示例，可以提供电力分配总线的2，3或4个区段，其中每个区段作为独立的冗余电力系统操作。如果在这些子系统中的一个中存在故障，其它子系统也不会受到影响，因为它们与有故障的子系统在电气上隔离。因此，剩余的子系统将不会经历可能在恢复有故障的子系统的操作之后发生的电压过冲。
[0005]虽然操作带有开路的汇流排断路器的电力系统提供冗余并避免在部件中有故障的情况下完全停电，但其具有这样的缺点，即在每一个区段中，发电机需要被操作，并且发电机的操作一般相当无效，因为有些发电机可能操作在其最大容量，而其他的发电机只能操作在接近空闲。
[0006]因此，期望操作这样的电力系统，其具有闭合的汇流排断路器，而同时确保满足根据DP3规定的要求的抗故障操作。特别地，期望确保在一个部件中的故障不会影响电力系统的剩余区段的剩余部件、例如发电机和驱动器的操作。
【发明内容】
[0007]因此，存在对用于海洋船舶的改进的电源系统的需要，该改进的电源系统减轻至少一些上述的缺点。
[0008]独立权利要求的特征满足了这种需要。从属权利要求描述本发明的实施例。
[0009]实施例提供了一种海洋船舶的电源系统，所述电源系统适于耦合到海洋船舶的电力分配总线，用于为耦合到电力分配总线的多个电气电机供电。所述电源系统包括发电机，用于产生电气电力，所述产生在操作中在所述发电机的输出处提供输出电压，所述输出电压为交流(AC)电压。所述电源系统还包括控制系统，其耦合到所述发电机，并且适于按照电压选点控制所述发电机的输出电压，其中所述电压选点在操作中被设置为操作电压选点。所述控制系统包括测量单元，其适于测量由所述发电机产生的电气电力的参数，其中所述参数能够指示耦合到所述电源系统的部件中的故障，所述故障导致发电机输出上的电压的下降。被测量的参数可以是例如在发电机输出处的输出电压或输出电压的交流频率。所述控制系统还包括控制单元，其适于根据所测量的参数来针对所述发电机的输出电压控制所述电压选点，使得如果所述参数的值下落到低于阈值，则减小所述电压选点。所述控制单元还适于在所述故障从所述电源系统电气隔离后，逐渐增加所述电压选点而回到所述操作电压选点。
[0010]通过在故障后降低电压选点并使它逐渐回到正常，电压过冲可以保持在可接受的限制之内，或者甚至可以被防止。通过限制电压过冲，可以防止耦合到海洋船舶的电力分配总线的其它电气部件的跳闸和/或损坏。因此，即使汇流排断路器闭合并且电力系统中发生故障，也可以确保可靠的操作。因此，可以实现在闭合的汇流排断路器的情况下的根据DP3规定的电力系统的操作。
[0011]该故障从电源系统电气隔离意味着故障被清除，这可例如通过将具有故障的部件从电源系统断开而发生，例如通过将其从电力分配总线断开而发生，或者通过将电力分配总线的其中发生了故障的区段与电力分配总线的其余区段断开而发生，或者如果可能通过简单地移除故障的原因而发生。该断开可以借助于电路断路器、汇流排断路器、继电器、保险丝、电力电子器件等发生。
[0012]在实施例中，控制系统可确定例如当所测量的参数下落到低于阈值时发生了故障，然后可以如上所述那样控制电压选点。也可能不显式确定故障的发生，而是控制单元根据所测量的参数，例如按照预定关系，简单地控制电压选点。故障可以是例如耦合到电力分配总线的部件中或电力分配总线本身中的短接电路，例如汇流条故障或发电机互连电缆故障等等。这样的故障通常导致在故障发生后，发电机输出上的电压的下降。操作电压选点定义了发电机在其正常操作时应该输送的电压。这样，操作电压选点可以在正常操作(即无故障存在的操作)期间按照要求改变。
[0013]在实施例中，执行电压选点的逐渐增加，使得在电压选点返回到操作电压选点后发生的电压过冲小于操作电压的125%，优选小于120%。通过控制系统的这种配置，可以确保操作电源系统的DP3规范可以实现。
[0014]在实施例中，所述参数是在发电机输出处的电压，并且控制单元适于如果发电机输出处的电压下降到低于电压阈值则确定电源系统中或耦合到其的部件中存在故障。由于海洋船舶的电力系统的低阻抗，部件的故障、特别是短接电路将导致相当大的电压降，从而测量所述发电机的输出处的电压是对故障发生的良好指标。
[0015]在另一实施例中，所述参数是发电机输出处的输出电压的交流频率，并且控制单元适于如果发电机输出处的交流频率下降到低于频率阈值则确定电源系统中或耦合到其的部件中存在故障。诸如一个部件中的短接电路的故障将通常会导致从电源系统的发电机汲取大的电流，并且相应地，发电机上的负载将增加。这可能导致发电机的轴的旋转速度的减小，从而导致输出电压的频率的减小。从而发电机输出处的交流频率是对电源系统中故障发生的良好指标。
[0016]在实施例中，所述控制单元适于在检测到故障之后设置所述电压选点为起始电压选点，并且之后将所述电压选点斜升到所述操作电压选点。通过使用斜坡在故障后增加电压选点，可以使电压过冲保持为低。起始电压选点可以例如在操作电压选点的0%至50%的范围内。
[0017]所述电压选点从所述起始电压选点到所述操作电压选点的斜坡可以在一时间段内发生，所述时间段是从约0.1秒到约3秒的范围中选择的，并且优选地是从约0.5秒至约2秒的范围中选择的。
[0018]通过这样的起始电压选点，可以显著降低连接到所述电力分配总线的电气电机的电流浪涌。通过利用这样的斜坡，可以防止由于电压过低而导致的用户的跳闸(即用户自己发起的停机)。特别地，通过使斜坡的持续时间小于3、优选小于2秒，可以防止由于低电压导致的推进器驱动器的频率转换器的跳闸，所述跳闸可能在如果电压降低持续太长时间从而动能恢复不再可能时发生。
[0019]作为示例，可以使用两个斜坡，第一斜坡开始于起始电压选点并延伸至中间电压选点，并且第二斜坡开始于中间电压选点并延伸至操作电压选点。中间电压选点可例如在操作电压选点的约70 %至约90 %的范围内，优选约75 %至约85 %的范围内。因此可以实现快速恢复回到正常操作电压，而同时最小化电压过冲。
[0020]在实施例中，所述控制单元包括保护控制器和自动电压调节器(AVR)，其中，所述保护控制器具有到AVR的接口，并适于生成用于控制所述电压选点的控制信号并且还适于通过所述接口将所述控制信号供应到AVR。AVR适于从所供应的控制信号确定所述电压选点，并根据所确定的电压选点控制所述发电机的励磁电压。作为示例，AVR可具有通常用于电力系统稳定器的输入，并且该输入现在可被保护控制器使用来如上文所概述那样控制电压选点。该输入可以例如是模拟电压或电流输入。保护控制器例如可以提供如上所述那样斜升电压选点的控制信号，从而最小化电压过冲。
[0021 ] 在实施例中，所述控制单元包括自动电压调节器(AVR)，并且所述自动电压调节器包括伏特每赫兹限制器，所述伏特每赫兹限制器根据所述发电机的输出电压的交流频率来限制所述电压选点，使得较低的交流频率导致对所述电压选点的较低的限制。因此，如果交流频率由于故障的发生而下降，伏特每赫兹限制器将因此减小电压选点，并将在故障被清除后逐渐增加电压选点。从而可以防止过度的浪涌电流和电压过冲。
[0022]伏特每赫兹限制器可特别地被配置，使得电压选点与交流频率的比率保持为低于预定限制。如果超过此限制，伏特每赫兹限制器减小电压选点。作为示例，在额定交流频率处，最大电压选点可以被限制为介于所述操作电压选点的105%与120%之间，优选地为所述操作电压选点的约110%。该限制定义了所述电压选点与交流频率的最大比率(例如，比率为1.1)。所述伏特每赫兹限制器可以被配置为限制所述电压选点，使得对于所有的交流频率不超过该最大比率。因此，如果交流频率下降到额定交流频率的50%，电压选点可被限制为最大是操作电压选点的55%。
[0023]在实施例中，AVR可耦合到保护控制器，并可以包括伏特每赫兹限制器(例如，它可以组合两种上述的实施例)。AVR可适于根据所供应的控制信号来控制所述电压选点，并且同时借助于所述伏特每赫兹限制器根据所述发电机的输出电压的交流频率来限制所述电压选点。针对电压过冲的双重保护可因此而实现。作为示例，如果保护控制器可能失效，则伏特每赫兹限制器将仍然减小电压过冲至可接受的水平。
[0024]本发明的另一实施例提供了一种海洋船舶的、特别是海上平台或者钻井或生产船舶的电力系统。所述电力系统包括以上文提及的配置中的任何一种配置的多个电源系统，和划分为若干区段的电力分配总线，每个区段耦合到至少一个电源系统。区段是通过汇流排断路器可连接的，并且所述电力分配总线适于向耦合到所述电力分配总线的多个电气电机供应由电源系统产生的电气电力。通过利用如上所述的电源系统，在电力分配总线的区段被断开并且系统再次上电之后，可以防止电压过冲。
[0025]在实施例中，每个电源系统适于将在电源系统、分配总线或耦合到其的部件之一中的故障后发生的电压过冲限制为小于相应的电源系统的额定操作电压的125%，优选地小于120%。该限制通过在从电源系统电气隔离所述故障之后所述电压选点的上述逐渐增加来发生。
[0026]所述电力系统可以适于在检测到故障后使所述电力分配总线的其中发生了故障的区段的汇流排断路器开路，从而将故障从耦合到所述电力分配总线的其余区段的电源系统隔离。通过上述手段，其余的电源系统可以返回到正常操作，而不会造成过度的电压过冲。
[0027]所述电力分配总线的区段可以以环形配置来连接。因此，即使一区段从所述电力分配总线断开，其余的区段保持彼此连接。借助于具有闭合的汇流排断路器的环形配置，仅如所需一样多的发电机需要上线，即向电力分配总线输送电力。此外，当操作若干发电机时，负载可以在这些发电机之间共享，使得即使发电机连接到不同的总线区段，发电机也可以在有效率的操作范围内操作。
[0028]在实施例中，海上船舶是动态定位的船舶。
[0029]所述电力系统可以是具有类3操作模式的动态定位设备类3电力系统。作为示例，所述电力系统可以划分成若干物理上分离的隔室(例如每个包括电力分配总线的一个区段)，电力系统被配置成使得不会由任何单个故障而发生位置丢失，所述单个故障包括任何这样的隔室燃烧或浸水。类3操作模式意指其中该要求得到满足的操作模式(电力系统可以是在对故障保护具有较不严格的要求的其它模式中可操作的)。
[0030]在实施例中，所述电力系统适于在所述电力分配总线的区段之间汇流排断路器闭合的情况下在类3操作模式中操作。通过利用如上文所概述那样配置的电源系统，电压过冲可以减小到使能在闭合的汇流排断路器的情况下的类3操作模式的水平。特别地，故障从一个隔室到另一个的传播被防止，从而，即使在汇流排断路器闭合时，也能够满足对故障安全操作的严格要求。
[0031]本发明的进一步的实施例提供了一种操作海洋船舶的电源系统的方法。所述电源系统耦合到海洋船舶的电力分配总线，用于为耦合到所述电力分配总线的多个电气电机供电。所述电源系统包括发电机和控制系统，所述控制系统适于根据电压选点来控制所述发电机的输出电压。所述方法包括操作所述电源系统，其中所述电压选点被设置为操作电压选点；测量由所述发电机产生的电气电力的参数，其中所述参数能够指示稱合到所述电源系统的部件中的故障，所述故障导致发电机输出上的电压的下降。所述方法还包括:如果所述参数的值下落到低于阈值，则针对所述发电机的输出电压减小所述电压选点，并且在所述故障从所述电源系统电气隔离后，逐渐增加所述电压选点而回到所述操作电压选点。通过该方法，与上文关于电源系统所进一步概述的那些优点类似的优点可被实现。
[0032]在该方法的实施例中，所述方法还包括通过检测发电机的输出电压下降到低于电压阈值，或通过检测发电机的输出电压的交流频率下降到低于频率阈值，来检测耦合到所述电源系统的部件中的故障。其可进一步包括通过使电力分配总线的其中发生了故障的区段的汇流排断路器开路来隔离故障，从而使故障从电源系统电气隔离。电气隔离故障也可通过例如借助于相应的电路断路器、继电器等从电力分配总线断开导致故障的部件来发生。
[0033]该方法的实施例可以在按上述配置中的任何一种配置的电源系统上实行。特别地，上面关于电源系统的实施例所描述的任何方法步骤可以在操作海洋船舶的电源系统的方法中实现。
[0034]除非进行相反的指出，否则上面提及的本发明的实施例的特征和下面还要解释的那些特征可以彼此组合。
【专利附图】
【附图说明】
[0035]本发明的前述的和其它的特征和优点将从结合附图阅读以下详细描述而变得进一步清楚。在附图中，相同的附图标记指代相同的元件。
[0036]图1是示意性框图，示出了根据本发明的实施例的电源系统。
[0037]图2是示意性框图，示出了图1的电源系统的可能的配置。
[0038]图3是示意性框图，示出了根据本发明的实施例的包括图1或图2的电源系统的电源系统。
[0039]图4是根据本发明的实施例的操作海洋船舶的电源系统的方法的流程图。
[0040]图5是示意性框图，示出了可以用在电源系统的实施例中的伏特每赫兹(Voltsper Hertz)限制器的可能实现。
[0041]图6是示出了根据本发明的实施例的、取决于伏特每赫兹限制器的AC频率的电压选点限制的图。
[0042]图7是500毫秒的故障发生后的电压过冲的图。
[0043]图8是当采用伏特每赫兹限制器降低电压选点时在500毫秒的故障后的电压过冲的图。
[0044]图9是当利用保护控制器的控制信号降低电压选点时在500毫秒的故障后的电压过冲的图。
【具体实施方式】[0045]在下文中，本发明的实施例将参照附图来进行详细描述。应当理解，对实施例的以下描述仅出于说明的目的而给出并且不应以限制性意义来领会。
[0046]应当注意的是，附图被视为仅是示意性表示，并且附图中的元件不一定按彼此比例绘制。相反，各种元件的表示被选择为使得它们的功能和一般目对本领域技术人员变得清楚。还应该理解的是，在附图中所示和后文中描述的物理或功能单元的耦合并不一定需要是直接连接的耦合，而也可以是间接的连接或耦合，即具有一个或多个附加的中间元件的连接或耦合，所述中间元件诸如保险丝、电路断路器、变压器等。技术人员将进一步了解，本文针对不同实施例所示和描述的物理或功能单元不一定需要被实现为物理上分离的单元。一个或多个物理或功能块或单元可以在一个共同的电路、芯片、电路元件或单元中实现，而示出的其他物理或功能块或单元可以在分离的电路、芯片、电路元件或单元中实现。
[0047]图1示意性地示出了海洋船舶的电力系统10。电力系统10包括电源系统20，其为操作海洋船舶提供电气电力。电源系统20通过电路断路器14耦合到海洋船舶的电力分配总线11。电力分配总线11包括若干区段，其中两个区段示于图1中。在操作中，电力分配总线11的不同区段通过汇流排断路器13耦合。经由电力分配总线11供应电气电力的负载包括电气电机12。电气电机12可以是诸如钻井驱动器、推进器驱动器或绞车的驱动器的一部分，它们还包括用于操作例如泵、压缩机等的辅助电气电机。具体地，它们可以包括直接在线(DOL)感应电机。
[0048]海洋船舶的电源系统10适于在若干不同的操作模式下操作，所述操作模式包括DP2 (动态定位2)模式和DP3 (动态定位3)模式。这些模式的要求是由DNV (挪威船级社)定义的。满足DP3的要求可以导致海洋船舶的“DYNP0SAUTR0”分类。
[0049]DP2模式可以例如在运输期间使用，其中关于用户跳闸(即用户从电力系统断开)的要求不是那么严格。船舶可能需要例如在钻井操作期间操作在DP3模式，这需要保持在钻井地点上方的非常稳定的位置。因此，对于操作的DP3模式，关于电力系统的完整性的要求是非常严格的。特别地，为了满足DP3的规定，通常需要将电力分配总线划分成若干区段，其中的每个区段由它自己的电源系统20供电。这可以通过使所有的汇流排断路器13开路来实现。当故障发生时，它会被隔离在电力分配总线11的子区段中，并且将不会影响到其余的区段，从而实现了海洋船舶的安全操作。可以提供2、3或4个冗余子区段，从而提供高冗余度。在DP2模式下，完整性和可靠性的要求没有那么高，从而可以在汇流排断路器13闭合的情况下操作电力分配总线11。
[0050]当汇流排断路器13闭合并且故障发生时，例如由于电力分配总线11上的故障、汇流条故障或发电机互连电缆故障，电力分配总线11上的电压将下降。在电压下降期间，可通过变压器连接到低压馈线的包括DOL电机的电机12松动电力，并且可以相应地在显著减少的电流供应下操作。取决于负载转矩曲线和电机惯量，它们将因此开始降低它们的速度。电力系统10可包括数十或数百个这样的小DOL电机。这使得在故障情况下难以做出对电力系统10的整体系统行为的预测。
[0051]例如通过从电力系统10断开造成故障的部件或者通过隔离电力分配总线11的区段(例如，通过使相应的汇流排断路器13开路)来清除故障后，电机12将增加他们的速度返回到额定，这导致可能显著的浪涌电流。
[0052]为了提供电力分配总线11上的操作电压，电源系统20包括发电机21，其例如耦合到柴油发动机或燃气涡轮机，并且其由与发电机21交接的控制系统30控制。控制系统30将尝试使电力分配总线11上的电压返回到正常操作电压，即额定电压的100%。为此目的，控制系统30可以包括自动电压调节器(AVR)。在常规的海洋船舶电源系统中，故障将导致电压过冲的发生，其通常比额定操作电压高约140至150%。因为这种高电压过冲可能引起连接到海洋船舶的电力分配总线11的其他电气部件的跳闸和/或损坏，汇流排断路器13在DP3模式操作期间开路，从而，如果这样的电压过冲发生在电力分配总线11的一个区段中，则其他区段不受影响。因此，可避免诸如导航设备的关键用户的跳闸。作为示例，如果150%的电压过冲发生，在额定230伏交流电操作的用户可感测350伏交流电若干秒，这导致保险丝或断路器的分断或开路，或损坏设备。
[0053]在图1的实施例中，电源系统20适于将在这种故障后发生的电压过冲最小化至小于额定操作电压的125%，优选地甚至小于标称操作电压的120%。为此目的，控制系统30包括测量单元31，其测量由发电机21产生的电气电力的参数，例如发电机21的输出电压或输出电压的交流频率。故障的发生将导致发电机21的输出上的电压下降。通过测量参数，该电压降可被感测，或者，由于发电机在使电压回到额定的尝试中将放慢，所以输出电压的交流电频率的下降可以指示故障。
[0054]控制系统30包括控制单元33，其按照电压选点，通过控制发电机21的励磁线圈的电压/电流来调整发电机21的输出电压。在正常操作中，电压选点被设置为操作电压选点，从而，发电机21在其输出处提供额定操作电压。
[0055]控制单元33现在适于根据测量单元31测量的参数来针对发电机21的输出电压控制电压选点，使得如果参数的值下落至阈值以下从而指示故障的发生，则电压选点减小。控制单元33可以检测故障，并将电压选点设置为预定的低值，或者它可以提供所测量的参数和电压选点之间的预定关系，从而，参数的下降自动导致电压选点的下降。
[0056]在故障从电源系统电气隔离后，控制单元30还适于逐渐增加电压选点而回到操作电压选点。同样，控制单元33可以根据预定的程序来增加电压选点，或者它可以提供所测量的参数和电压阈值之间的关系，从而，如果所测量的参数返回到正常时，电压选点也返回到操作电压选点。
[0057]因此，由于电压选点首先降低，然后逐渐增加回到操作电压选点，电压过冲可以显著降低。特别地，可以选择逐渐增加，使得电压过冲被限制为小于额定操作电压的125%，优选小于120%。在这样的配置中，由于电源系统20将防止电压过冲超过DP3的规定，即使在DP3的操作模式下，也有可能在汇流排断路器13闭合的情况下操作电力系统10。
[0058]图2示出了电源系统20的实施例，其可在图1的电力系统10中使用。电源系统20的控制系统30借助于自动电压调节器(AVR) 35和保护控制器34来实现。AVR35可实现在本领域中已知的任何自动电压调节器的功能，并根据发电机21的类型和电源系统20的电力要求选择其特定配置。AVR35与测量单元31交接，其可以例如以电压和/或电力感测电路的形式来实现。测量单元31还可以包括频率感测电路，用于测量由发电机21产生的交流电压的交流频率。注意测量单元31本身并不需要确定交流电压或输出电压的交流频率。它可以例如简单地用于在发电机输出上的测量点处随时间推移对电压值进行采样，并根据测量值的序列，可以确定输出电压的RMS值，并且可以确定输出电压的频率(例如,通过使用傅立叶变换)。这可在AVR35中执行。发电机21的输出电压可例如在定子绕组处测量，或者可以在辅助绕组中测量。
[0059]AVR35包括电压控制器37，其使用测量单元31感测到的发电机21的输出处的电压，以用于电压控制的目的。特别地，电压控制单元37控制馈送到发电机21励磁机磁场(exciter field)的电压或电力，并且从而控制发电机的输出电压。在一般的操作中，操作电压选点在AVR35中定义，并且电压控制器37调整励磁电压以使得发电机21的电压输出对应于操作电压选点。因此可以实现发电机21的输出电压的闭环控制，以及AVR35可以补偿发电机21的负载、速度、温度、功率因数等。
[0060]在图2的实施例中，AVR35设置有伏特每赫兹限制器36。伏特每赫兹限制器36根据发电机21的输出电压的交流频率限制AVR35的电压选点。这种限制可根据定义在伏特每赫兹限制器36中的特性曲线发生。
[0061]这样的特性曲线的示例示于图6中。图6的图中的X轴示出以Hz计的发电机输出处的交流频率，而Y轴示出了发电机的输出电压。在正常操作条件下，输出电压将具有额定的交流频率(100%)和额定输出电压值(100%)。线600示出了固定的电压/频率比，这根据输出电压的实际交流频率限制了最大电压选点(此处为固定的比率11)。因此，如果AC频率下降例如到50%时，最大电压选点被限制为55%。除了使用导致图6的图中的直线600的固定的比率以外，也可使用随发电机频率而变化的比率，这将相应地导致图6的图中的特性曲线。
[0062]最大伏特每赫兹，即线600，有效地造成了输出电压的交流频率的频率阈值。如果交流频率下降到低于此阈值，即线600负X方向交叉，则减小电压选点，使得系统的操作在线600下面的区域继续进行。类似地，如果交流频率增加，电压选点可以增加至通过伏特每赫兹的比率、即线600给定的限制。
[0063]回到图2，测量单元31包括频率测量电路(其可以如上所述那样实现)，并且从而提供了至伏特每赫兹限制器36的输出电压的频率。伏特每赫兹限制器36然后将最大允许电压选点提供到电压控制器37，电压控制器37根据所述限制减小它的电压选点并相应地控制励磁电压。
[0064]如果故障现在发生在电力系统中，从电源系统20汲取的电流将增加，从而导致在发电机21的输出处的电压降，并导致发电机21的减小的旋转频率，并且因此导致输出电压的减小的交流频率。这由伏特每赫兹限制器36检测，其相应地减小电压选点。当故障从系统中清除时，发电机将再次拾取速度，导致输出电压的交流频率增加，从而导致相应地增加最大允许电压选点。电压选点从而逐渐增加回到正常操作电压选点，从而电压过冲可以保持为小。
[0065]附加于或作为操作伏特每赫兹限制器36的替代，电源系统20的控制系统30可以包括保护控制器34。保护控制器34与自动电压调节器35的输入38交接，其通过输入38来控制AVR的电压选点。保护控制器34与测量单元32交接，测定单元32包括电压感测电路，用于感测发电机21的输出电压。注意，提供单个测量单元(即代替测量单元31和32)是足够的，其为AVR35和保护控制器34 二者提供了指示故障的参数的测量。
[0066]输入38可以是模拟输入，并且保护控制器34可以向AVR35提供指示电压选点的变化的模拟控制信号。作为示例，介于-10至+10伏直流电之间的范围中的模拟电压或者例如在4至20毫安范围内的电流可以用作控制信号。保护控制器34监视所测量的输出电压，并且如果输出电压下降到低于电压阈值，则保护控制器34识别发生了故障。借助于控制信号，保护控制器34控制电压选点到起始电压选点，该电压选点可以例如在介于操作电压选点的约0%到50%之间的范围内。故障被清除后，保护控制器34将电压选点斜升回到操作电压选点。斜坡可具有介于约0.1至约3秒之间的持续时间，优选地介于约0.5至2秒之间。这样，耦合到电力系统的电机12的浪涌电流可以减小，同时可以防止耦合到电力系统的其他部件将由于太低的电压而跳闸，例如当电压增加得太慢时而跳闸。示例是推进器频率转换器，其可能会断开，因为如果电压降低的持续时间太长，动能恢复可能不再是可能的。
[0067]除了使用从起始电压选点到操作电压选点的单个斜坡，可以使斜坡更复杂，以减少返回到操作电压选点所需的时间量，而同时最小化电压过冲。作为示例，第一斜坡可以被用于将电压选点斜升至介于操作电压选点的约75%和85%之间，并且第二斜坡可用于将电压选点从该中间电压选点返回到操作电压选点。第一斜坡被配置成具有比第二斜坡的斜面更陡的斜面，从而最小化用于恢复的时间，并同时减小电压过冲。
[0068]在特定的实现中，如果输出电压下降到低于20%或低于10%，保护控制器检测到故障的发生。故障清除后，它将然后开始2秒内从10%到100%的电压选点的软斜升。这种配置被用于获得图9的结果，这会在下面进一步描述。由于故障的持续时间相对短(例如，低于0.5秒)，斜坡可在检测到故障后直接开始，从而导致斜坡的大部分发生在故障清除后，或者它可以仅在检测到故障清除后开始(例如，输出电压再次上升，或上升到高于阈值电压)。
[0069]在图2所示的配置中，同时使用伏特每赫兹限制器36和保护控制器34。故障后，如上所述，电压选点由保护控制器34控制。如果保护控制器失效，伏特每赫兹限制器36将仍然提供电压选点的限制，从而，即使在这种情况下，电压过冲也会显著降低。在其它实施例中，可以仅使用伏特每赫兹限制器36和保护控制器34中的一个。仅用伏特每赫兹限制器36具有仅需要AVR采用电压测量/频率测量的优点，并且不需要实现额外的控制器。另一方面，利用保护控制器34具有以下优点:可以实现甚至更低的电压过冲，以及电压选点的斜升可以被优化以实现快速恢复和最小的电压过冲。同时使用两者具有的优点是提供了冗余，即使两者中的一个失效也可保持系统可操作。
[0070]在图3中，电力系统10的特定的实现被示意性示出。图3的电力系统10可实现如上面所概述的电源系统20的任何配置。因此，任何上述给出的解释同样适用于图3的电力系统10。电源系统20通过电路断路器被耦合到电力分配总线11，从而在各自的电源系统中发生故障的情况下，可以使电源系统20从电力分配总线11电气隔离。电力分配总线11包括三个区段15、16、17，两个电源系统20耦合到其中的每个区段。各区段通过汇流排断路器13互连。电力分配总线11因而具有环形配置。此外，包括电气电机12的负载/用户通过电路断路器耦合到电力分配总线11，以使得在发生故障的情况下，它们能够被从电力分配总线11电气隔离。
[0071]如虚线所指示的，耦合到电力分配总线的每个区段的发电机在其自己的单独的机舱中操作，通过防火墙和水密分离与其它机舱分开。如果电力分配总线的一个区段中有故障，例如主电力系统汇流条或汇流排电缆上有故障，电力分配总线11的整个该区段可以从其余区段解耦合，从而对电力分配总线11的其余区段电气隔离该故障。通过使用根据本发明的实施例配置的电源系统20，汇流排断路器13可以在DP3的操作期间闭合，因为故障发生后，电力系统恢复正常操作时发生的电压过冲被最小化。
[0072]图4的流程图中示出的方法可以在任何上述的电源系统或电力系统上执行。在第一步骤401中，电源系统20操作于操作电压选点。在步骤402中，输出电压和/或输出电压的交流频率被测量，例如如上文提及的，通过电压和频率测量电路、通过在时间点处对电压进行采样并分析经采样的信号等来测量。在步骤403中，故障在电力系统中发生。如上面所解释的，这将被识别为监视的参数的下降，即在发电机的输出处电压或频率的下降。在步骤405中，控制系统的电压选点降低，即根据保护控制器的控制信号或根据伏特每赫兹限制器的电压选点限制来降低。如上所提及的，这两种类型的过冲保护可同时操作，其中一个用作另一个的后援。
[0073]故障清除后，电压选点要么按照来自保护控制器的控制信号，要么按照伏特每赫兹限制器的增加的电压选点限制而逐渐增加(步骤406)。当电压选点达到操作电压选点时，恢复正常操作(步骤407)，在所述操作电压选点，电源系统20在正常条件下操作。这意味着电压选点不再受伏特每赫兹限制器或保护控制器限制，而是由AVR按照操作条件来控制。
[0074]图5是方框图，示意性地示出了伏特每赫兹限制器的实现。注意，这只是示意图，并且该实现是用于仿真伏特每赫兹限制器的输出。它可以但的确并不需要反映伏特每赫兹限制器36的实际设置。
[0075]图7至图9包括示出了不同配置的电源系统20对电力系统中发生故障的反应的仿真结果的图。其中，通过使用Matlab?的Simulink?:来获得仿真。图8的伏特每赫兹限制器配置的仿真是用与图5中所示的配置类似的配置得到的。
[0076]在图7中，示出了针对不使用任何电压选点限制的系统对于500毫秒的持续时间的故障(短接电路)的反应。如可以看到的，在故障发生时，发电机的输出处的端子电压显著下降。在500毫秒后移除故障之后，电压再次开始增加(上部图)。该电压是在没有伏特每赫兹限制器并且没有保护控制器的情况下由AVR控制的。端子电压是在发电机的输出处测量的电压。中间的图示出了励磁电压，这是受AVR控制的参数，并且其是对馈送到发电机的励磁机磁场的电力的测量。如可以看到的，在故障发生后，AVR试图使端子电压回到额定，从而增加了励磁电压。这导致相当大的过冲(参见上部图)，在目前的情况下超过操作电压的140%。下部图示出了发电机的轴速，其在故障发生后下降，但是由于励磁电压增加，其增加到约其额定操作速度的值。
[0077]在图8的图中，伏特每赫兹限制器被实现并且在AVR中操作，类似于图2的配置。从上数第二幅图示出了 500毫秒的故障之后，由于伏特每赫兹限制器限制电压选点，励磁电压的增加比图7中慢。因此，过冲减小，由可以在上部图中看到的，过冲小于额定操作电压的130%。
[0078]类似于图7和图8，图9示出了电源系统对持续时间为500毫秒的故障的响应。在图9中，控制系统实现了保护控制器，在故障发生和清除之后，其缓慢斜升电压选点。如从励磁电压图可以看到的，励磁电压不像图7的系统配置的情况那样过度增加。相反，故障发生后，励磁电压降低并缓慢地增加。因此，电压过冲最小化。在目前的情况下小于额定操作电压的120%。[0079]总之，通过配置控制系统在故障发生后逐渐增加电压选点，可以减小电压过冲，为海洋船舶上的电压稳定性提供增强。实现伏特每赫兹限制器和保护控制器二者提供了在一个系统停电情况下的冗余。增强的电压稳定性降低了船舶停电和位置丢失的风险。因为故障后电压瞬变减小，耦合到电力系统的部件可以进一步受益于延长的寿命。
[0080]虽然本文中公开了具体的实施例，可以做出各种变化和修改而不脱离本发明的范围。本文的实施例在所有方面被认为是说明性的而非限制性的，并且落入所附权利要求的含义和等同范围内的所有改变都意图被涵盖于其中。
【权利要求】
1.一种海洋船舶的电源系统，所述电源系统(20)适于耦合到海洋船舶的电力分配总线(11)，用于为耦合到所述电力分配总线的多个电气电机(12)供电，其中所述电源系统包括: -发电机(21)，用于产生电气电力，所述发电机在操作中在所述发电机的输出处提供输出电压，所述输出电压为交流电压； -控制系统(30)，其耦合到所述发电机，并且适于按照电压选点控制所述发电机(21)的输出电压，其中所述电压选点在操作中被设置为操作电压选点； 其中所述控制系统包括: -测量单元(31)，其适于测量由所述发电机(21)产生的电气电力的参数，其中所述参数能够指示耦合到所述电源系统的部件中的故障，所述故障导致发电机输出上的电压的下降；以及 -控制单元(33)，其适于根据所测量的参数来针对所述发电机(21)的输出电压控制所述电压选点，使得如果所述参数的值下落到低于阈值，则减小所述电压选点， 其中，所述控制单元(33)还适于在所述故障从所述电源系统电气隔离后，逐渐增加所述电压选点而回到 所述操作电压选点。
2.根据权利要求1所述的电源系统，其中所述参数是发电机输出处的电压，并且其中所述控制单元(33) 适于如果发电机输出处的电压下降到低于电压阈值，则确定在所述电源系统中或耦合到其的部件中存在故障。
3.根据权利要求1所述的电源系统，其中，所述参数是发电机输出处的输出电压的交流频率，并且其中所述控制单元(33)适于如果发电机输出处的交流频率下降到低于频率阈值，则确定在所述电源系统中或耦合到其的部件中存在故障。
4.根据前述权利要求中的任何一项所述的电源系统，其中，所述控制单元(33)适于在检测到故障之后设置所述电压选点为起始电压选点，并且之后将所述电压选点斜升到所述操作电压选点。
5.根据权利要求4所述的电源系统，其中所述电压选点从所述起始电压选点到所述操作电压选点的斜坡在一时间段内发生，所述时间段是从约0.1秒到约3秒的范围中选择的，优选地是从约0.5秒至约2秒的范围中选择的。
6.根据前述权利要求中的任何一项所述的电源系统，其中，所述控制单元(33)包括保护控制器(34)和自动电压调节器(35)，其中，所述保护控制器(34)具有到所述自动电压调节器(35)的接口(38)，并适于生成用于控制所述电压选点的控制信号并且通过所述接口(38)将所述控制信号供应到所述自动电压调节器(35)，并且其中所述自动电压调节器(35)适于从所供应的控制信号确定所述电压选点，并根据所确定的电压选点控制所述发电机(21)的励磁电压。
7.根据前述权利要求中的任何一项所述的电源系统，其中所述控制单元(33)包括自动电压调节器(35)，所述自动电压调节器(35)包括伏特每赫兹限制器(36)，所述伏特每赫兹限制器(36)根据所述发电机的输出电压的交流频率来限制所述电压选点，使得较低的交流频率导致对所述电压选点的较低的限制。
8.根据权利要求6和7所述的电源系统，其中，所述自动电压调节器(35)耦合到所述保护控制器(34)并包括所述伏特每赫兹限制器(36)，所述自动电压调节器(35)适于根据所供应的控制信号来控制所述电压选点，并且同时借助于所述伏特每赫兹限制器根据所述发电机的输出电压的交流频率来限制所述电压选点。
9.根据权利要求7或8所述的电源系统，其中在额定交流频率处，所述电压选点被限制为介于所述操作电压选点的105%与120%之间，优选地为所述操作电压选点的约110%，这定义了所述电压选点与交流频率的最大比率，其中，所述伏特每赫兹限制器(36)被配置为限制所述电压选点，使得对于所有的交流频率不超过所述最大比率。
10.根据前述权利要求中的任何一项所述的电源系统，其中所述控制系统(30)适于通过控制所述发电机(21)的励磁电压根据所述电压选点来控制所述发电机(21)的输出电压。
11.一种海洋船舶的、特别是海上平台或者钻井或生产船舶的电力系统，包括: -根据前述权利要求中的任何一项的多个电源系统(20)， -划分为若干区段(15，16，17)的电力分配总线(11)，每个区段耦合到至少一个电源系统(20)，其中，所述区段(15，16，17)是通过汇流排断路器(13)可连接的，所述电力分配总线(11)适于向耦合到所述电力分配总线(11)的多个电气电机(12)供应由电源系统(20)产生的电气电力。
12.根据权利要求11所述的电力系统，其中每个电源系统(20)适于通过隔离在电源系统、分配总线或耦合到其的部件之一中的故障后所述电压选点的所述逐渐增加来将所述故障后发生的电压过冲限制为小于相应的电源系统(20)的额定操作电压的125%，优选地小于 120%。
13.根据权利要求11或12所述的电力系统，其中，所述电力系统(10)适于在检测到故障后使所述电力分配总线(11)的其中发生了故障的区段(15，16，17)的汇流排断路器(13)开路，从而将故障从耦合到所述电力分配总线(11)的其余区段的电源系统(20)隔离。
14.根据权利要求11-13中的任何一项所述的电力系统，其中所述电力分配总线(11)的区段(15，16，17)以环形配置来连接。
15.根据权利要求11-14中的任何一项所述的电力系统，其中海洋船舶是动态定位的船舶，并且其中所述电力系统(10)是具有类3操作模式的动态定位设备类3电力系统，其中所述电力系统(10)适于在所述电力分配总线(11)的区段(15，16，17)之间汇流排断路器(13)闭合的情况下在类3操作模式中操作。
16.一种操作海洋船舶的电源系统(20)的方法，所述电源系统(20)耦合到海洋船舶的电力分配总线(11)，用于为耦合到所述电力分配总线的多个电气电机(12)供电，所述电源系统(20)包括发电机(21)和控制系统(30)，所述控制系统(30)适于根据电压选点来控制所述发电机的输出电压，所述方法包括如下步骤: -操作所述电源系统(20)，其中所述电压选点被设置为操作电压选点； -测量由所述发电机(21)产生的电气电力的参数，其中所述参数能够指示耦合到所述电源系统(20)的部件中的故障，所述故障导致发电机输出上的电压的下降；和 -如果所述参数的值下落到低于阈值，则针对所述发电机(21)的输出电压减小所述电压选点，并且在所述故障从所述电源系统(20)电气隔离后，逐渐增加所述电压选点而回到所述操作电压选点。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述电源系统(20)是根据权利要求1-10中的任何一项 而配置的。
【文档编号】H02J3/38GK104011958SQ201280056719
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2012年11月7日 优先权日:2011年11月17日
【发明者】D·拉丹 申请人:西门子公司