CN109565275B - 配电***和方法 - Google Patents

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Abstract

一种DC配电***，包括多个电源(24、25、26、27)以及DC配电总线，该DC配电总线包括多个DC总线部分(20、21、22、23)。该***还包括一个或多个电力开关组件(29、30、31)，用于将DC总线部分中的一个DC总线部分耦合到DC总线部分中的另一DC总线部分，并且***控制器(28)控制电源和电力开关组件。逆变器(32、34、36)连接到电力开关组件(29、30、31)中的一个电力开关组件，以供应用电设备(33、35、37)。组件的第一端子电耦合到第一总线部分(20)，并且第二端子电耦合到第二总线部分(21)。第一半导体器件(114)和第二半导体器件(116)电耦合在端子之间以控制端子之间的电流流动，并且存在从每个端子到电力开关组件控制器(126)的电流连接(124a、124b)，用于提供每个端子处的电流的指示。控制信号线(128、130)连接在电力开关组件控制器(126)和每个半导体器件(114、116)之间，用于向半导体器件提供控制信号以控制通过它们的电流流动，并且逆变器耦合器(40、41)将每个电流连接耦合到逆变器。逆变器耦合器包括从电力开关组件的每一侧上的每个电流连接到逆变器的馈电。

Description

配电***和方法
技术领域
本发明涉及一种操作直流(DC)配电***的方法，特别是用于海上平台或者船舶。
背景技术
在海上平台或者船舶上，许多设备被认为是关键的，并且监管要求规定了在发生故障时电力的可用性。因此，通常的做法是：将船舶设备分隔成具有冗余的多个部分，并且为每个部分提供单独的电力，使得如果一个部分发生故障，则该故障不会转移到其他部分，并且不会丧失所有的运行能力。这种分隔已经通过以下方式来实现，使用多个部分之间的常开的总线联络(bus ties)来运行，并且仅在有限的情况下闭合那些总线联络以使得一侧能够从另一侧接收电力。
US20130187451描述了一种电力开关组件，该电力开关组件可以作为断路器来运行，以在电流流动超过允许值的情况下将该组件的第一端子和第二端子彼此断开。这样的电力开关组件开启了使用常闭总线联络来运行平台配电***或者船舶配电***的可能性。
发明内容
根据本发明的第一方面，一种DC配电***包括多个电源；DC配电总线，包括多个DC总线部分；其中至少一个电源被耦合到DC总线部分中的每个DC总线部分。该***还包括一个或者多个电力开关组件；其中电力开关组件将多个DC总线部分中的一个DC总线部分耦合到多个DC总线部分中的另一DC总线部分；***控制器，用于控制电源和电力开关组件；以及逆变器，被连接到电力开关组件中的一个电力开关组件，以供应用电设备，其中电力开关组件包括第一端子和第二端子，第一端子被电耦合到配电总线的第一总线部分，并且第二端子被电耦合到配电总线的第二总线部分；第一半导体器件和第二半导体器件，被电耦合在第一端子和第二端子之间，以控制第一端子和第二端子之间的电流流动；从每个端子到一个电力开关组件控制器的电流连接，用于提供在第一端子和第二端子处的电流指示；控制信号线，被连接在电力开关组件控制器和每个半导体器件之间，用于向半导体器件提供控制信号，以控制通过半导体器件的电流流动；以及逆变器耦合器，用于将每个电流连接耦合到逆变器，其中逆变器耦合器包括从电力开关组件的每一侧上的每个电流连接到逆变器的馈电。
半导体器件、二极管和隔离开关仍然执行电力开关组件的其他功能，但是二极管和半导体电路使得可以在每一侧上实现单向电流流动并且在每一侧上阻止电流在相反方向上流动。
电力开关组件可以被配置为切换DC配电总线中的电力。
电力开关组件控制器可以被配置为通过该电流连接或者每个电流连接来接收每个端子处的电流指示，并且基于所接收的电流指示来控制第一半导体器件和第二半导体器件。
优选地，半导体器件包括绝缘栅双极晶体管。
优选地，电源包括以下之一：原动机、发电机或者能量存储器。
根据本发明的第二方面，提供一种运行DC配电***的方法，该DC配电***包括多个电源；DC配电总线，包括多个DC总线部分；至少一个电源，被耦合到DC总线部分中的每个DC总线部分；一个或者多个电力开关组件，每个电力开关组件被耦合在多个DC总线部分中的一个DC总线部分和多个DC总线部分中的另一DC总线部分之间；***控制器，其控制电源和电力开关组件；以及至少一个用电设备，通过逆变器被连接到电力开关组件中的一个电力开关组件，该逆变器被连接到电力开关组件的第一端子和第二端子中的每个端子。该方法包括：检测电力开关组件的第一端子和第二端子处的电流；基于所检测到的电流，从电力开关组件控制器向被电耦合在第一端子和第二端子之间的第一半导体器件和第二半导体器件提供控制信号，以控制第一端子和第二端子之间的电流流动，以在端子中的一个端子处提供所需的电流水平；以及从被提供所需的电流水平的一个端子通过逆变器耦合器向逆变器供应电流。
通过逆变器耦合器向逆变器供应的电流可以通过来自电流连接的馈电供应，馈电从电力开关组件的每一侧上的每个电流连接提供给逆变器。
优选地，***控制器向电力开关组件控制器提供指令，以向特定用电设备供电。
优选地，该方法还包括：监测电力开关组件的端子处的电压，以确定是否已经校正了故障条件。
优选地，该方法还包括：在从***控制器接收到进一步指令时，停止向该用电设备的电力供应。
优选地，该方法还包括：比较第一端子和第二端子处的电压，以及从电压较高的端子通过逆变器耦合器向逆变器供应电流。
附图说明
现在参考附图对根据本发明的配电***和方法的示例进行描述，其中：
图1图示了传统电力开关组件的示例；
图2图示了连接在配电***的一部分中的图1的电力开关组件，以向用电设备供应电力；
图3示出了用于执行根据本发明的方法的配电***的示例；
图4示出了图3的配电***与用电设备之间的连接的更多细节；
图5是根据本发明的运行方法的流程图。
具体实施方式
在安装在海上平台或者船舶上的传统的DC配电***中，***内的总线之间的常开断路器可以被换成US20130187451中所述并且如图1所示的类型的电力开关组件，使得配电***能够使用常闭断路器来运行。
电力开关组件108包括第一半导体元件114和第二半导体元件116，这些半导体元件电耦合在第一端子110和第二端子112之间，以便提供从第一端子110到第二端子112以及从第二端子112到第一端子110的电流流动的可控性。半导体元件114、116是耦合到端子110、112的绝缘栅双极晶体管，使得第一半导体元件114将电流从第一端子110传导到第二端子112，并且第二半导体元件116将电流从第二端子112传导到第一端子110。为了绕过相应的另一半导体元件，设置续流二极管118、120作为另外的半导体元件。特别地，第一二极管118并联耦合到第一半导体元件114，其中第一半导体元件114的导通方向与相关联的第一二极管118的导通方向相反。同样地，如图1所示，第二二极管120并联耦合到第二半导体元件116，第二半导体元件116的导通方向与相关联的第二二极管120的导通方向相反。第一半导体元件114和第二半导体元件116串联耦合在第一端子110和第二端子112之间。
电力开关组件108还包括电流传感器122，该电流传感器122串联耦合到第一半导体元件114(晶体管)和第二半导体元件116(晶体管)。电流传感器122被配置为用于感测在第一端子110和第二端子112之间流动的电流，并且响应于该感测向控制器126提供电流信号124。电力开关组件108的控制器126被配置为用于接收电流信号124，并且响应于该电流信号124控制第一半导体元件114和第二半导体元件116，例如，通过向第一半导体元件114提供第一电压信号128和向第二半导体元件116提供第二电压信号130。
控制器126可以被配置为用于控制第一半导体元件114和第二半导体元件116，以便依据电流信号124在每个端子处将配电总线部分连接到另一总线部分并且断开该连接，因此电力开关组件108充当断路器。该类型的断路器能够处理在配电总线上发生的功率水平，通常为1000伏(V)。
使用图1的电力开关组件可以显著减少平台上的原动机和发电机的数目和成本，同时仍然为监管机构所需的、用于钻井或者海上生产的关键设备(诸如推进器)提供冗余度。然而，当使用该类型的电力开关组件作为***中的总线联络时，需要连接到用电设备，使得可以向用电设备提供来自DC配电***的电力。通常地，这如图2所示来实现。
电力开关组件或者智能负载控制器ILC 108经由其端子110、112而被连接在DC分配总线的两个部分10、11之间。断路器12、13被设置在每个端子110、112和其相应的总线部分10、11之间。ILC断路器在正常运行中可以保持打开，或者如关于US20130187451所描述的那样保持闭合。在一个总线部分10和ILC 108的另一侧上的端子112之间设置冗余电源。为了将DC总线部分10、11连接到用电设备，诸如可伸缩方位推进器14或者用于连接到其他用电设备(未示出)的本地总线15，需要到推进器14或者局部总线15的单独馈电线。每个馈电线包括单独的汇流条18和断路器19，以及串联到新开关柜的二极管16和熔断器17。实际上，这可能相当于几米的开关柜和许多电气部件，其价格昂贵并且占据船舶或者平台上额外的空间。
该问题通过将ILC直接用作到用电设备的馈电线而非具有单独的馈电线来解决。这在图3和图4中更详细地示出。DC配电***包括多个电源24、25、26、27；DC配电总线，包括多个DC总线部分20、21、22、23；以及耦合到每个DC总线部分的至少一个电源。一个或者多个电力开关组件29、30、31将DC总线部分中的一个DC总线部分耦合到DC总线部分中的另一DC总线部分，并且设置***控制器28。电力开关组件29、30、31和诸如原动机、发电机、电池或者电容器之类的电源24、25、26、27由***控制器28控制，并且电力开关组件被配置为切换DC配电总线中的电力。每个总线部分可能有两个或者更多个电源。在一些情况下，电源中的一些电源可能是能量存储器，当存在可从正在运行的发电机获得的过剩电力时该能量存储器充电。每个总线部分通过电力开关组件29、30、31而被连接到其相邻的总线部分，使得一个总线部分上的负载可以在正常运行中由另一总线部分上的发电机驱动，其中断路器闭合并且电力开关组件电气连接DC总线部分。因此，并非所有电源都将始终处于运行状态，从而为发电机节省燃料，或者为任何类型的电源减少损耗。电流流动可以由电力开关组件29、30、31来控制，以限制从一个总线部分传播到另一总线部分的故障电流，例如，在负载故障或者总线故障的情况下。用电设备33、35、37通过逆变器32、34、36而被耦合到DC总线部分。用电设备可以是推进器或者其他关键设备。
在图4中可以更详细地看到电力开关组件与其用电设备的连接。电力开关组件包括第一端子和第二端子，第一端子电耦合到配电总线的第一总线部分，而第二端子电耦合到配电总线的第二总线部分。第一半导体器件和第二半导体器件电耦合在第一端子和第二端子之间，以控制第一端子和第二端子之间的电流流动。半导体器件可以是绝缘栅双极晶体管。从每个端子向电力开关组件控制器提供电流连接，并且向控制器提供第一端子和第二端子处的电流指示。电力开关组件控制器可以被配置为通过该电流连接或者每个电流连接来接收每个端子处的电流指示，并且基于所接收的电流指示来控制第一半导体器件和第二半导体器件。
连接在电力开关组件控制器和每个半导体器件之间的控制信号线被用来向半导体器件中的每个半导体器件提供控制信号，以控制通过它们的电流流动。逆变器耦合器将每个电流连接耦合到逆变器，从而向与逆变器相关联的用电设备供应电力。***控制器可以向电力开关组件控制器发送信号，以使电力被以这种方式供应到特定的用电设备，或者(例如，如果要求特定的用电设备开始运行的故障已经被排除，并且遭遇该故障的设备现在再次运行)使向特定的用电设备的供电终止。
电力开关组件29类似于图1的电力开关组件，并且还图示了电路中的自然电感。然而，该电路具有不同的实现方式，并且以不同方式使用。在图2的示例中，通过逆变器向电机14的馈送来自DC总线部分，通过单独的汇流条18和断路器19，以及串联到新开关柜的二极管16和熔断器17。相比之下，如图4所示，本发明在电力开关组件108内建立连接。电流连接124a、124b使得ILC控制器126能够检测ILC的两个端子处的电流，从而允许控制晶体管，使得端子之间的任一方向上的电流流动是可能的。因此，来自电机逆变器32的连接44将逆变器连接到电力开关组件29内的线路45，该电力开关组件29具有在两侧包括逆变器连接40、41的ILC缓冲器电路。从电力开关组件控制器126和端子之间的电流连接124a、124b中的每个电流连接上引出逆变器连接40、41。这使得从两侧向逆变器32和电机33的冗余供应成为可能，并且避免在与电机逆变器32的连接中需要单独的隔离开关和单独的二极管。可以在每个电流连接124a、124b中设置二极管42、43以控制电流流动方向，并且可以在二极管和控制器126之间引出逆变器连接40、41。每个线路124a、124b中的电流流动量通过ILC控制器126修改对晶体管114、116的控制信号128、130来控制。
逆变器连接40、41向逆变器32提供已经由ILC控制器设定的电流的馈电。逆变器将DC转换为交流电(AC)以驱动用电设备33，这里被示为推进器的电机。在故障导致来自总线部分20的供应失效的情况下，推进器可以继续从总线部分21接收电力，反之亦然。如果两个总线部分20、21都正在运行，则ILC控制器126通过以下方式来控制电流供应在哪一侧上：比较端子110、112处的可用电压，并且调整通过半导体器件114、116的电流流动以使电压较高的端子侧上的电流达到所需值，并且防止电流从另一侧上的端子流向逆变器。
在本发明中，ILC可以使用任一常闭侧上的断路器来运行。如从图3的***图中可以看出，***控制器可以控制多个ILC 29、30、31，与它们相关联的用电设备33、35、37以及电源24、25、26、27的运行。从多个ILC中的一个ILC到其用电设备33(例如，推进器)的逆变器32的直接连接40、41意味着当船舶或者平台上的控制器28指令用电设备33(诸如冗余推进器)开始运行时，推进器就从总线部分20、21在具有最高可用电压的一侧上通过ILC 29吸取电流。因此，即使一侧供应出现故障，推进器也会从另一侧吸取电流。所给出的示例是针对推进器，但是该益处适用于其中存在冗余并且可以由控制器18指令启动的任何部件。
本发明通过更改电力开关组件以使得其能够直接馈送用电设备而不需要针对每个用电设备的单独的馈电线来降低向用电设备提供DC供应的体积、尺寸、成本和复杂性。这在包含冗余(即，包含多余的关键部件，以便允许出现故障)的海上***中尤为重要，诸如在主推进器出现故障的情况下使用的冗余推进器，因为尽管必须符合监管标准，但是该冗余部件可能不会经常被使用。对于很少使用的东西，冗余部件也需要的相关联的设备越多，成本就越高，因此需要完全排除相关联的设备中的一些设备的设计。利用现有冗余***可以根据本发明来改装电力开关组件，以释放更多空间并且降低维护要求。
运行根据本发明的DC配电***可以包括：检测电力开关组件的第一端子和第二端子处的电流，以及基于所检测到的电流，从电力开关组件控制器向第一半导体器件和第二半导体器件提供控制信号，该第一半导体器件和第二半导体器件电耦合在端子之间。控制信号然后使半导体器件运行，使得它们控制端子之间的电流流动并且在一个端子处提供所需的电流水平。电流从提供所需的电流水平的端子通过逆变器耦合器被供应到用电设备的逆变器。***控制器或者电力开关组件控制器可以监测电力开关组件的端子处的电压，以确定是否已经校正了故障条件。
图5的流程图图示了使用本发明的电力开关组件在平台或者船舶上的冗余***的运行的示例。在冗余***中，在任何特定的时间，并非所有安装的设备都运行。可以设置一些冗余设备，这些设备仅在主设备不能使用时才开始运行。例如，船舶可以设有额外的推进器，该额外的推进器仅在主推进器发生故障时运行；或者备用发电机，该备用发电机仅在主发电机发生故障时运行。***控制器28监测50***的故障，或者设备故障，并且如果检测到这种故障条件，***控制器28向ILC控制器126发送信号，以使ILC控制器126启动适当的冗余设备，以下称为冗余用电设备。ILC控制器126确定51ILC的每个端子110、112处的可用电压，实际上ILC 108的任一侧的两个不同总线部分20、21处的可用电压。ILC控制器可以比较第一端子和第二端子处的电压，并且从电压较高的端子通过逆变器耦合器连接40、41向逆变器供应电流。ILC控制器可以通过修改52ILC控制器发送到每个晶体管114、116的控制信号128、130来完成上述步骤。电流124a、124b从较高电压侧通过ILC被吸取53并且沿着适当的连接40、41被馈送到逆变器32。逆变器将DC供应转换54为AC，以便供应用电设备33。
尽管冗余设备实际上是备用的，但是它可能必须长时间运行，直到设备的原始部件能够被更换为止(例如，发动机因火灾而发生故障)，或者冗余设备可能只开启几秒钟或者几分钟以确保设备不间断运行(诸如向动态定位或者钻井设备的供应中的尖峰)，并且当故障被清除时，冗余设备恢复为可用但不运行。因此，在指令启动冗余设备之后，***控制器28继续监测55***内的任何改变，诸如故障已被清除的指示；并且如果改变56使得59冗余用电设备应当被关闭以有利于另一用电设备，无论是被更换的原始设备，还是由于发生与冗余用电设备相关联的故障，则***控制器都会指令ILC控制器再次调节60电流流动，以便不再供应该用电设备。此后，***控制器恢复监测50故障条件。如果所检测到的改变56不是57需要关闭冗余用电设备的改变，则经由ILC继续供应58冗余用电设备，并且***控制器继续监测55改变。

Claims (11)

1.一种DC配电***，包括：多个电源；一个DC配电总线，包括多个DC总线部分；其中至少一个电源被耦合到所述DC总线部分中的每一个；所述***还包括：一个或多个电力开关组件；其中一个电力开关组件将所述多个DC总线部分中的一个DC总线部分耦合到所述多个DC总线部分中的另一DC总线部分；一个***控制器，用于控制所述电源和所述电力开关组件；以及一个逆变器，被连接到所述电力开关组件中的一个电力开关组件，以供应一个用电设备；其中所述电力开关组件包括一个第一端子和一个第二端子，所述第一端子被电耦合到所述配电总线的一个第一总线部分，并且所述第二端子被电耦合到所述配电总线的一个第二总线部分；一个第一半导体器件和一个第二半导体器件，被电耦合在所述第一端子和所述第二端子之间，以控制所述第一端子和所述第二端子之间的电流流动；从每个端子到一个电力开关组件控制器的一个电流连接，用于提供在所述第一端子和所述第二端子处的电流的一个指示；一条控制信号线，被连接在所述电力开关组件控制器和每个半导体器件之间，用于向多个所述半导体器件提供一个控制信号，以控制通过多个所述半导体器件的电流流动；以及一个逆变器耦合器，用于将每个电流连接耦合到所述逆变器；其中所述逆变器耦合器包括从所述电力开关组件的每一侧上的每个电流连接到所述逆变器的馈电。
2.根据权利要求1所述的***，其中所述电力开关组件被配置为切换所述DC配电总线中的电力。
3.根据权利要求1或2所述的***，其中所述电力开关组件控制器被配置为通过所述电流连接或者每个电流连接来接收每个端子处的电流的一个指示，并且基于所接收的电流的指示来控制所述第一半导体器件和所述第二半导体器件。
4.根据权利要求1或2所述的***，其中所述半导体器件包括一个绝缘栅双极晶体管。
5.根据权利要求1或2所述的***，其中所述电源包括以下之一：一个原动机、一个发电机或者一个能量存储器。
6.一种运行DC配电***的方法，所述DC配电***包括：多个电源；一个DC配电总线，包括多个DC总线部分；至少一个电源，被耦合到所述DC总线部分中的每一个；一个或多个电力开关组件，每个电力开关组件被耦合在所述多个DC总线部分中的一个DC总线部分和所述多个DC总线部分中的另一DC总线部分之间；一个***控制器，用于控制所述电源和所述电力开关组件；以及至少一个用电设备，通过一个逆变器被连接到所述多个电力开关组件中的一个电力开关组件，所述逆变器被连接到所述电力开关组件的一个第一端子和一个第二端子中的每个端子；所述方法包括：检测所述电力开关组件的所述第一端子和所述第二端子处的电流；基于所检测到的电流，从一个电力开关组件控制器向被电耦合在所述第一端子和所述第二端子之间的一个第一半导体器件和一个第二半导体器件提供一个控制信号，用以控制所述第一端子和所述第二端子之间的电流流动，以在所述多个端子中的一个端子处提供所需的一个电流水平；以及从被提供所需的电流水平的所述一个端子，通过一个逆变器耦合器向所述逆变器供应电流。
7.根据权利要求6所述的方法，其中通过所述逆变器耦合器向所述逆变器供应的电流通过从所述电力开关组件的每一侧上的每个电流连接到所述逆变器的馈电被供应。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其中所述***控制器向所述电力开关组件控制器提供一条指令，以向特定用电设备供电。
9.根据权利要求6或7所述的方法，其中所述方法还包括：监测所述电力开关组件的所述多个端子处的电压，以确定一个故障条件是否已经被校正。
10.根据权利要求6或7所述的方法，其中所述方法还包括：在从所述***控制器接收到一条进一步的指令时，停止向所述用电设备的电力供应。
11.根据权利要求6或7所述的方法，其中所述方法还包括：比较所述第一端子和所述第二端子处的电压，以及从电压较高的所述端子，通过所述逆变器耦合器向所述逆变器供应电流。
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