CN113572147B - 直流供配电*** - Google Patents

直流供配电*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种直流供配电***。所述直流供配电***通过采用发电机组提供交流电，经整流器形成三线制的双极性直流电，并根据负载选择相应推进逆变器以连接至不同极性的直流母线，从而实现不同电压等级的用电负荷。此外，通过将双绕组推进电机的两个绕组经相应的推进逆变器连接至双极性直流母线，以实时监测双极性直流母线上的电压信号，当满足双绕组推进电机的输出功率前提下，调节推进逆变器的输出功率，以实现双极性直流母线的用电负荷趋向于均衡。

Description

直流供配电***
技术领域
本发明涉及直流供配电技术领域，具体涉及一种直流供配电***。
背景技术
近年来，直流供配电***得到快速发展和应用，其中根据供配电***极性的不同可分为单极性***和双极性***。相比于单极性直流供电***，双极性直流供电***可提供更丰富的电压等级、更大的功率等级，并且具备冗余供电能力。
例如，专利CN109755934A 提出了一种应用于直流配电***的双极性直流供电装置，实现高压直流配电传输和低压直流配电供电。又例如，专利CN109755955A 提出了一种适用于双极性直流微电网的交直和直直变换器控制策略，根据两种极性直流电源的下垂特性和参考值得到整流器和DC/DC（直流/直流）变换器直流母线侧中性点不平衡度，以此实现对双极性直流微电网中直流电源电压的维持和下垂特性的调节。
但是，经研究发现，像专利CN109755934A所提供的双极性直流供电装置，该装置中的电能变换单元在设计时需要根据功率特性对双极性母线上用电电器进行分配，否则将会出现双极性直流母线功率不平衡的问题，降低电能变换单元效率。同样，像专利CN109755955A所提供的交直和直直变换器控制策略，其控制策略要求直流母线两侧必须具备全控型整流器和DC/DC变换器，成本较高。
有鉴于此，如何实现满足直流电网多种直流电压等级的高效供电需求，并能够解决负荷不平衡条件下的直流母线负荷均衡控制问题成为了相关研究者的重要研究项目。
发明内容
本发明实施例提供一种直流供配电***，其通过采用发电机组提供交流电，经整流器形成三线制的双极性直流电，并根据负载选择相应推进逆变器以连接至不同极性的直流母线，从而实现不同电压等级的用电负荷。此外，通过将双绕组推进电机的两个绕组经相应的推进逆变器连接至不同极性的直流母线，以实时监测双极性直流母线上的电压信号，当满足双绕组推进电机的输出功率前提下，调节推进逆变器的输出功率，以实现双极性直流母线的用电负荷趋向于均衡。
本发明实施例提供一种直流供配电***，其包括：发电机组、整流器和直流母线；所述发电机组为双绕组发电机，每一个绕组连接至相应的整流器，所述发电机组用于提供交流电；所述整流器连接至不同极性的直流母线，所述整流器用于转换交流电为直流电；以及所述直流母线为三线制以上的母线，所述直流母线用于根据不同极性的直流电形成不同电压等级的直流电源，以供电给负载。
可选地，当所述直流母线为三线制时，第一级和第二级之间为第一路整流输出电压，第二级和第三级之间为第二路整流输出电压，第一级和第三级之间为两路整流输出电压。
可选地，所述直流供配电***还包括推进逆变器和推进电机，所述推进电机的两个绕组通过相应的推进逆变器连接至不同极性的直流母线；所述推进逆变器用于实时采集所述直流母线的电压信号，并且当与所述推进电机相连的两个推进逆变器的输出功率之和大于或等于所述推进电机的输出功率时，调节自身的输出功率，以使不同极性的直流母线的用电负荷趋向于均衡。
可选地，所述推进逆变器用于根据所述直流母线的电压信号，并通过电压-功率下垂特性曲线，得到输出功率的调节变化量。
可选地，所述推进逆变器包括推进逆变器控制器，设置于所述推进逆变器内部，用于调节所述推进逆变器的输出功率，以使不同极性的直流母线的用电负荷趋向于均衡。
可选地，所述推进电机的工作模式包括电动机模式和发电机模式；当所述推进电机的工作模式为电动机模式时，所述推进电机作为直流供配电***的负载；当所述推进电机的工作模式为发电机模式时，所述推进电机作为电源，以供电至所述直流母线。
可选地，当所述推进电机的工作模式为发电机模式时，所述推进电机的两个绕组通过相应的推进逆变器各自供电至不同极性的直流母线。
可选地，所述整流器为全控整流或不控整流。
可选地，所述发电机组为多个，用于冗余供电。
可选地，所述直流供配电***还包括母线开关，用于当所述母线开关为闭合状态时，位于母线开关两侧的直流母线为共同工作；当所述母线开关为断开状态时，位于母线开关两侧的直流母线为各自独立工作。
本发明实施例所述直流供配电***能够实现不同电压等级的双极性直流电源同时供电，进而满足不同电压等级、不同功率等级的负荷供电需求。此外，在不额外增加电力变换装置的前提下，实现双极性直流母线的用电负荷趋向于均衡。进一步，通过双绕组电动机所配置的推进逆变器控制器能够独立地实现用电负荷均衡功能，以避免依赖于集中式控制***。此外，通过双绕组推进电机的各自绕组供电至不同极性的直流母线，以实现与双绕组发电机的双极性供电形成冗余供电。且，双绕组推进电机可以作为船舶轴带电机应用，除了工作于电动机模式，也可以工作于发电机模式，以作为发电机实现双极性供电，从而提高供电的冗余性，而且不同的双绕组推进电机及其两个绕组均可独立控制。
附图说明
下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其它有益效果显而易见。
图1为本发明一实施例所提供的一种直流供配电***的示意图。
图2为本发明一实施例所提供的双极性直流母线的负荷均匀的控制原理框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1为本发明一实施例所提供的一种直流供配电***的示意图。图2为本发明一实施例所提供的双极性直流母线的负荷均匀的控制原理框图。
参阅图1至图2，本发明实施例提供了直流供配电***1000。所述直流供配电***1000包括：发电机组110、整流器120和直流母线130。所述发电机组110为双绕组发电机110（需说明的是，本文双绕组发电机的标号采用发电机组的标号），每一个绕组（图中未标注）连接至相应的整流器120，所述发电机组110用于提供交流电；所述整流器120连接至不同极性的直流母线130，所述整流器120用于转换交流电为直流电；以及所述直流母线130为三线制以上的母线，所述直流母线130用于根据不同极性的直流电形成不同电压等级的直流电源，以供电给负载。此外，所述直流供配电***1000还包括推进逆变器140和推进电机150，所述推进电机150的两个绕组通过相应的推进逆变器140连接至不同极性的直流母线130；所述推进逆变器140用于实时采集所述直流母线130的电压信号，并且当与所述推进电机150相连的两个推进逆变器140的输出功率之和大于或等于所述推进电机150的输出功率时，调节自身的输出功率，以使不同极性的直流母线130的用电负荷趋向于均衡。
本发明实施例所提供的直流供配电***能够实现不同电压等级的双极性直流电源同时供电，进而满足不同电压等级、不同功率等级的负荷供电需求。此外，在不额外增加电力变换装置的前提下，实现双极性直流母线的用电负荷趋向于均衡。进一步，通过双绕组电动机所配置的推进逆变器控制器能够独立地实现用电负荷均衡功能，以避免依赖于集中式控制***。此外，通过双绕组推进电机的各自绕组供电至不同极性的直流母线，以实现与双绕组发电机的双极性供电形成冗余供电。且，双绕组推进电机可以作为船舶轴带电机应用，除了工作于电动机模式，也可以工作于发电机模式，以作为发电机实现双极性供电，从而提高整个电网供电的冗余性，而且不同的双绕组推进电机及其两个绕组均可独立控制。
以下将结合附图进一步详细描述直流供配电***1000的各个部件。
如图1所示，在本实施例中，所述直流供配电***1000包括：发电机组110、整流器120、直流母线130、母线开关180、推进逆变器140、推进电机150和日用逆变器170。需说明的是，下文中所描述的电网是指直流母线130和/或推进逆变器140，用于配电。电源装置是指双绕组发电机110和整流器120，用于供电。推进逆变器140和整流器120（限于全控型）均具有下垂特性控制功能。因此，可以根据下垂特性曲线由电网电压反映出电网负荷水平。
具体地，发电机组110为双绕组发电机110，并且由原动机160驱动发电机组110工作。发电机组110的两个绕组分别连接于整流器120。发电机组110为两个或两个以上，用于冗余供电。在本实施例中，发电机组110为两个，可以为主备用工作模式或负荷分担工作模式。
整流器120连接至不同极性的直流母线130，并且用于将发电机组110所提供的交流电转换为直流电，并传输至不同极性的直流母线130。其中，整流器120可以为二极管、晶闸管及绝缘栅双极型晶体管的其中一种。根据负载的电压要求相应地选择不同的整流方式。例如，通过二极管整流方式，可以节省成本。又例如，通过晶闸管（或称晶体闸流管）或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)整流方式，可以使得直流母线的电压等级范围更宽。若采用二极管整流方式，仅提供正负极。若采用绝缘栅双极型晶体管整流方式，可以提供正、负和中性，以实现双极性三线制。此外，整流器120可以为全控整流或不控整流。全控整流可调电压范围广、成本高；不控整流的电压值为恒定、成本低。在本实施例中，所述整流器120采用全控整流的方式。
每一个双绕组发电机110的输出端连接至两个整流器120。也就是说，每一个双绕组发电机110的两个绕组各自与一个整流器120相连。在本实施例中，两个双绕组发电机110与四个整流器120相连。每一个整流器120将流经双绕组发电机110的相应绕组的交流电转换为直流电，并传送至不同极性的直流母线130。
在本实施例中，所述直流母线130为三线制，其包括第一级、第二级和第三级。其中，第一级即P级为正极，第二级即O级为中性极（或称公共地），第三级即N级为负极。因此，本文所述的双极性是指P-O、O-N两个极性。如图1所示，双绕组发电机110的两个绕组分别连接一个整流器120，第一个整流器120的正极输出端连接直流母线130的正极，第二个整流器120的负极输出端连接直流母线130的负极，第一个整流器120的负极输出端和第二个整流器120的正极输出端连接至直流母线130的中性极，即两个整流器120串联形成三线制的双极性直流母线。
三线制的双极性直流母线的第一级和第二级之间为第一路整流输出电压，第二级和第三级之间为第二路整流输出电压，第一级和第三级之间为两路整流输出电压。亦即，P-O级之间为第一路整流输出电压，O-N级之间为第二路整流输出电压，P-N级之间为两路整流输出电压。通过不同级之间（两两之间）的组合可以形成不同的电压等级。例如可以组合成双极性高低电压、或双极性同等电压。
所述直流母线130用于根据不同极性的直流电形成不同电压等级的直流电源，以供电给负载。其中负载可以为图1中所示的推进电机150，也可以为其他风机、泵、日用负载。
本发明双绕组发电机110的不同绕组连接至整流器120，以连接至不同极性的三线制直流母线，从而实现不同电压等级的双极性直流电源同时供电，并且能够满足不同电压等级、不同功率等级的负荷供电需求。需说明的是，若是提供常规动力，本发明所述直流供配电***1000可以通过发电机组110、整流器120和直流母线130的配合使用，便可以为负载供电，而不一定需要设置如下文所述的推进逆变器140和推进电机150。当然，所述直流供配电***1000也可以通过发电机组110、整流器120、直流母线130、推进逆变器140和推进电机150来供电，具体如下文所述。
在本实施例中，所述直流供配电***1000还包括推进逆变器140和推进电机150。推进逆变器140和推进电机150可视为一个整体，并作为电力推进船舶动力***中的直流供配电***的核心器件。其中，所述推进逆变器140是根据负载的供电电压和功率而作相应的选择。例如以高低压的双极性直流母线为例，若负载是额定电压690V的推进电机，则选择大功率的逆变器连接至直流母线的P-O级；若负载是额定电压380V的日用负载（例如照明、加热等设备）,则选择小功率的逆变器连接至直流母线的O-N级。
所述推进电机150为双绕组推进电机150（需说明的是，本文双绕组推进电机的标号采用推进电机的标号）。双绕组推进电机150的两个绕组通过相应的推进逆变器140连接至不同极性的直流母线130。具体地，双绕组推进电机150的两个定子绕组连接至推进逆变器140的交流端，推进逆变器140的直流端连接至不同极性的直流母线130。在本实施例中，双绕组推进电机150的数量为两个，每一个双绕组推进电机150分别两个推进逆变器140相连。
双绕组推进电机150的工作模式包括电动机模式和发电机模式。根据直流供配电***1000的需求，设置了多个双绕组推进电机150，每一个双绕组推进电机150可以根据具体的运行要求，选择工作在电动机模式或发电机模式。
当双绕组推进电机150的工作模式为电动机模式时，双绕组推进电机150作为直流供配电***1000的负载。当双绕组推进电机150的工作模式为发电机模式时，双绕组推进电机150作为电源，以供电至不同极性的直流母线130。也就是说，双绕组推进电机150作为电动机时，推进逆变器140为逆变功能，正向输出。船舶制动，双绕组推进电机150作为发电机时，推进逆变器140反向工作在整流状态，反向输出。进一步地，当双绕组推进电机150的工作模式为发电机模式时，双绕组推进电机150的两个绕组通过相应的推进逆变器140各自供电至不同极性的直流母线130。
在一些实施例中，当双绕组推进电机150工作于电动机模式，与双绕组推进电机150相连的两个推进逆变器140实时采集直流母线130的电压信号，并且当所述两个推进逆变器140的输出功率之和大于或等于双绕组推进电机150的输出功率时，所述两个推进逆变器140可以各自调节其自身的输出功率，以使不同极性的直流母线130的用电负荷趋向于均衡。也就是说，当双绕组推进电机150工作于电动机模式时，双绕组推进电机150的动力等于通过双绕组推进电机150的两个定子绕组所得到的两路电能之和。在保持双绕组推进电机150的输出动力不变的前提下，两个定子绕组所产生的两个功率中的其中一个功率为增加时，则另一个功率为相应的减小，以此来调节相应直流母线130的负荷均衡。
进一步，所述推进逆变器140用于根据直流母线130的电压信号，并通过电压-功率下垂特性曲线和相应的预设算法，得到输出功率的调节变化量，进而相应地调节自身的输出功率，以使不同极性的直流母线130的用电负荷趋向于均衡。其中，电压-功率下垂特性指的是推进逆变器本身的特性，其输出功率和输出电压呈一个下垂趋势，推进逆变器检测自身的输出电压，通过下垂特性可以得到输出功率，进而得到三线制直流母线的不同极性上的负荷电量。
推进逆变器的输出电压频率和幅值的下垂特性为：
ω- ω0= -kp(P-P0)
U- U0= -kq(Q-Q0)
其中ω0，U0分别为推进逆变器输出的额定角频率、额定电压。kp，kq为逆变器下垂系数。P, Q分别为推进逆变器实际输出的有功功率和无功功率。P0，Q0分别为推进逆变器额定有功和无功功率。
因此，本发明所述直流供配电***1000通过双绕组推进电机150的两个绕组各自经相应的推进逆变器140连接至不同极性的直流母线130，以实时监测双极性直流母线的电压信号，当满足双绕组推进电机150的输出功率前提下，调节推进逆变器140的输出功率，从而在不额外增加电力变换装置的前提下，实现双极性直流母线的用电负荷趋向于均衡。
以下将结合图2所示，进一步说明双极性直流母线的负荷均衡控制。
参阅图2，两个推进逆变器140采集双极性直流母线的电压信号，分别得到第一电压Vdc1和第二电压Vdc2；接着，通过电压-功率下垂曲线和相应的预设算法分别得到第一功率P1和第二功率P2；然后通过差值计算（如图2所示的S/2），可以得到第一调节变化量ΔP1和第二调节变化量ΔP2，其中第一调节变化量ΔP1和第二调节变化量ΔP2分别为两个推进逆变器140的目标输出功率值；再将第一调节变化量ΔP1和第二调节变化量ΔP2与双绕组推进电机150的转速反馈一起作为电流环控制的输入参数，以调节两个推进逆变器140的输出功率值，直至双极性直流母线的用电负荷趋向于均衡。
继续参阅图1所示，在该实施例中，直流供配电***1000包括两个双绕组推进电机150，每一个双绕组推进电机150具有两个绕组。同一个双绕组推进电机150的两个绕组是可独立调节的，两个双绕组推进电机150也是可独立控制。若当电网的直流母线130出现不平衡时，连接于两个双绕组推进电机150的所有推进逆变器140（此处为四个推进逆变器）均会自动调节输出功率，以使直流母线130的负荷趋于平衡。
进一步地，上述负荷均衡功能可以通过设置于所述推进逆变器140内部的逆变器控制器(图中未示)来实现。该逆变器控制器可以为一个PCB控制电路板，能够独立地实现用电负荷均衡功能，以避免依赖于集中式控制***。
当然在其他部分实施例中，也可以在电网设计初期配平各路使用功率，或使用电力变化装置（如双向DC）和储能单元转移各极性的电能。相较于该些方式，通过使用推进逆变器140和推进电机150，能够实时动态地配平各极性负载，而且不需要额外使用电力变换装置，从而节省设备成本。
在一些实施例中，当双绕组推进电机150工作于发电机模式，双绕组推进电机150可以作为主电源，以供电至所述直流母线130。进一步地，双绕组推进电机150的两个绕组通过相应的推进逆变器140各自供电至不同极性的直流母线130，以实现由双绕组推进电机向直流母线反向供电。与双绕组推进电机150相连的两个推进逆变器140通过实时监测直流母线130的电压信号，实现与直流母线130的并网供电。如此设计，可以实现双绕组推进电机为发电机模式下的双极性供电，从而提高整个电网供电的冗余性。进一步而言，正常情况下，双绕组发电机持续发电，双绕组推进电机作为发电机使用时，仅是额外提供给直流母线部分电力；当双绕组发电机发生故障，船舶减速制动，双绕组推进电机作为发电机时，双绕组推进电机可以短时间单独为整个电网提供电力。
此外，上述两个推进逆变器140可以根据预先设置的功率-电压下垂特性曲线，各自调节自身的反向输出功率。进一步地，推进逆变器140根据功率-电压下垂特性曲线和预设的算法，通过检测自身的输出功率，以得到输出电压幅值和频率，然后反相微调其输出电压幅值和频率，以达到输出有功和无功功率的合理分配。
继续参阅图1，在本实施例中，所述直流供配电***1000还包括母线开关180，用于当所述母线开关180为闭合状态时，位于母线开关180两侧的直流母线130为共同工作；当所述母线开关180为断开状态时，位于母线开关180两侧的直流母线130为各自独立工作。即位于母线开关180一侧的双绕组发电机110带动相应的双绕组推进电机150，位于母线开关180另一侧的双绕组发电机110带动相应的双绕组推进电机150，各自独立工作。
当位于母线开关180两侧中其中一侧对应的直流母线130或该直流母线130对应的配电装置或电源装置发生故障时，可以将母线开关180设置为断开，从而将故障电路从电网中隔离，便于维护检修。
如图1所示，在本实施例中，所述直流供配电***1000还包括日用逆变器170、LCL滤波器191和隔离变压器192。其中，日用逆变器170提供交流电给船舶电网应用（简称船用）的负载，并且根据负载的供电电压等级而连接至相应极性的直流母线130。LCL滤波器191为电感-电容-电感型滤波器。隔离变压器192为输入绕组与输出绕组带电气隔离的变压器，用以隔离危险电压。
本发明实施例所述直流供配电***通过采用发电机组提供交流电，经整流器形成三线制的双极性直流电，并根据负载选择相应推进逆变器以连接至不同极性母线，从而实现不同电压等级的双极性直流电源同时供电，进而满足不同电压等级、不同功率等级的负荷供电需求。此外，通过双绕组推进电机的两个绕组各自经相应的推进逆变器连接至不同极性的直流母线，以实时监测双极性直流母线的电压信号，当满足双绕组推进电机的输出功率前提下，调节推进逆变器的输出功率，从而在不额外增加电力变换装置的前提下，实现双极性直流母线的用电负荷趋向于均衡。进一步地，通过双绕组电动机所配置的推进逆变器控制器能够独立地实现用电负荷均衡功能，以避免依赖于集中式控制***。此外，通过双绕组推进电机的各自绕组供电至不同极性的直流母线，以实现与双绕组发电机的双极性供电形成冗余供电。且，双绕组推进电机可以作为船舶轴带电机应用，除了工作于电动机模式，也可以工作于发电机模式，以作为发电机实现双极性供电，从而提高整个电网供电的冗余性，而且不同的双绕组推进电机及其两个绕组均可独立控制。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
以上对本发明实施例所提供的一种直流供配电***进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的技术方案及其核心思想；本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例的技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种直流供配电***，其特征在于，包括：发电机组、整流器和直流母线；所述发电机组为双绕组发电机，每一个绕组连接至相应的整流器，所述发电机组用于提供交流电；所述整流器连接至不同极性的直流母线，所述整流器用于转换交流电为直流电；所述直流母线为三线制以上的母线，所述直流母线用于根据不同极性的直流电形成不同电压等级的直流电源，以供电给负载；
还包括推进逆变器和推进电机，所述推进电机的两个绕组通过相应的推进逆变器连接至不同极性的直流母线；所述推进逆变器用于实时采集所述直流母线的电压信号；并且当与所述推进电机相连的两个推进逆变器的输出功率之和大于或等于所述推进电机的输出功率时，两个所述推进逆变器根据实时采集的电压信号，通过电压-功率下垂特性曲线得到相应的功率，再通过差值计算得到对应输出功率的调节变化量，所述调节变化量与所述推进电机的转速反馈一起作为电流环控制的输入参数，进而相应地调节所述推进逆变器自身的输出功率，以使不同极性的直流母线的用电负荷趋向于均衡。
2.根据权利要求1所述的直流供配电***，其特征在于，当所述直流母线为三线制时，第一级和第二级之间为第一路整流输出电压，第二级和第三级之间为第二路整流输出电压，第一级和第三级之间为两路整流输出电压。
3.根据权利要求1所述的直流供配电***，其特征在于，所述推进逆变器包括推进逆变器控制器，设置于所述推进逆变器内部，用于调节所述推进逆变器的输出功率，以使不同极性的直流母线的用电负荷趋向于均衡。
4.根据权利要求1所述的直流供配电***，其特征在于，所述推进电机的工作模式包括电动机模式和发电机模式；当所述推进电机的工作模式为电动机模式时，所述推进电机作为直流供配电***的负载；当所述推进电机的工作模式为发电机模式时，所述推进电机作为电源，以供电至所述直流母线。
5.根据权利要求1所述的直流供配电***，其特征在于，所述整流器为全控整流或不控整流。
6.根据权利要求1所述的直流供配电***，其特征在于，所述发电机组为多个，用于冗余供电。
7.根据权利要求1所述的直流供配电***，其特征在于，还包括母线开关，用于当所述母线开关为闭合状态时，位于母线开关两侧的直流母线为共同工作；当所述母线开关为断开状态时，位于母线开关两侧的直流母线为各自独立工作。
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