船舶配電和推進系統的製作方法

2023-09-19 18:41:20 4

專利名稱：船舶配電和推進系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種船舶配電和推進系統，更加具體地說，涉及一 種能實現最大的功率密度、效率和穩定性，並且通過模塊化方法和標 準接口促進未來技術嵌入的系統。
背景技術：
在採用全電力推進(FEP)的傳統船舶配電和推進系統中，故障 電流幅度-時間辨別被用來使得保護開關裝置能夠中斷特定子電路中 的過電流故障，同時使對所有其它子電路的實際破壞最小。這種FEP 系統被認為利用了 "電廠原理"，其中目的是使在任意特定時間併入 電網的發電能力適應在那個時間正被驅動的總負載。這具有使燃料效 率最大化的效果。這種FEP系統的配置通常通過電力管理系統而進行 了某種程度的自動化，所述電力管理系統有權以優先順序的方式減載 和起動發電機。交流電通過FEP系統以中壓(MV)分配以便與基於地 面的系統保持兼容。
傳統FEP系統的一個例子如圖l所示。 一系列渦輪機T和柴油 機D被用於為各個發電機G提供動力。這些發電機通過中壓(MV)交 流母線系統向FEP系統提供交流電源，該中壓交流母線系統裝備有保 護開關裝置。保護開關裝置包括斷路器和相關的控制，並且在圖1 中由符號X表示。使用電力轉換器PC將MV交流母線系統與驅動螺旋 槳的電力推進馬達PM連接。濾波器F也與MV交流母線系統連接。MV 交流母線系統被劃分成第一 MV交流母線和第二 MV交流母線，它們通 過保護開關裝置互連。第一低壓(LV)交流母線通過第一變壓器而與 第一 MV交流母線連接。第二 LV交流母線通過第二變壓器而與第二 MV交流母線連接。第一和第二 LV交流母線通過保護開關裝置互連。 可將一系列未指定的主負載和次要負載分別與第一和第二 LV交流母線連接。從圖1可以清楚看出次要負載是通過第一和第二次要LV交 流母線與第一和第二 LV交流母線連接的。
沿著圖1的右手側示出了 FEP系統的六個幅度-時間辨別等級。 在每個辨別等級中通過x符號來代表保護開關裝置。例如，在辨別等 級6中，保護開關裝置位於MV交流母線和每個發電機G之間。在辨 別等級5中，保護開關裝置位於MV交流母線和每個濾波器F之間以 及MV交流母線和每個電力轉換器PC之間。保護開關裝置位於MV交 流母線和每個變壓器之間，變壓器用於將第一和第二 MV交流母線分 別與第一和第二LV交流母線連接。在辨別等級4中，保護開關裝置 位於每個變壓器和各自對應的LV交流母線之間。在辨別等級3中， 保護開關裝置位於第一和第二 LV交流母線和每個主負載之間，以及 每個分別饋至次要LV交流母線的線路上。在,別等級2中，另外的 保護開關裝置位於第一、第二LV交流母線和次要LV交流母線的相 關部分之間。在辨別等級l中，保護開關裝置位於次要LV交流母線 和每個次要負載之間。
在FEP系統的任何特定辨別等級中發生的短路必定會切斷那個 等級中的相關保護開關裝置，但不能使任何其它保護開關裝置切斷。 保護故障電流水平完全由電源阻抗確定，而保護開關裝置只有在峰值 故障電流通過之後才能很好地中斷故障電流(即，故障期間在FEP 系統中的電流)。因此通常只有在線路電流反向時或在其後非常短的 時刻才能中斷故障電流。
圖1中所示的傳統FEP系統具有下列技術缺陷。
故障電流的幅度受在特定的公共耦接點上併入電網的發電機G 的數量和類型的影響；組合的發電機阻抗越低，故障電流越大。預期 的故障電流會發生較大變化，並且保護設備設置可能必須是連續可調 節的以便保證故障辨別。
故障電流的幅度隨分配電壓(即，由FEP系統中的各種交流母 線所運送的電壓)的降低而提高。隨著總安裝額定功率的提高和/或 分配電壓的降低，最終的故障電流可能會超過可用保護開關裝置的容 量。中壓配電系統可能必須使用負載降壓變壓器和特殊化的絕緣系統
11以便允許使用足夠高的分配電壓來克服保護開關裝置限制。
發電機G的特性可能按照時間相關性以及交流和直流分量的峰 值幅度發生廣泛的變化以幫助負載分配。(設計自動電壓調節器 (AVR)來幫助負載分配)。另外，這些特性受與發電機耦接的原動
機類型(例如，柴油機D或渦輪機T)的極大影響，並且它們最終耦 接的控制和調整響應可能會有極大的不同。當一組發電機G與一個公 共耦接點連接時，這種不一致通常會產生問題，特別是在無源電路(例 如，濾波器和變壓器)切換期間和在負載瞬變期間。
FEP系統通常被分割成多個公共耦接點，它們被稱之為"島壓 點"。可將所有島壓點並行地連接起來以給出一個單島壓點結構(例 如，用於單引擎運行)，或者可將它們分開以提供冗餘和設備故障後
的適度容量退化。個體島壓點之間的同步和負載轉移是複雜的，尤其 是當它們具有不同的諧波汙染度時以及當存在上述的不一致時。推進 電力通常是從推進分配系統(PDS)中的島壓點汲取的，而其它負載 是通過船舶業務分配系統(SSDS)中的島壓點饋電的，其中船舶業務 分配系統的電源通常是從PDS獲得的。保護辨別和電源品質通常與從 最大發電機G向下延伸至最小電負載的公共層級相關聯。必須提供裝 置來使相對敏感的SSDS免受PDS中的具有相對魯棒性的電力和推進 設備的潛在有害影響。臨界電負載可能需要自身具有專用電力變換和 能量存儲設備的局部高集成度電源，以便維持所需的與PDS去耦的程 度。這些局部電源通常被稱為分區供電單元(ZPSU)，並且它們的能 量存儲通常被稱為分區能量存儲器(ZES)。
因為FEP系統是交流系統，所以許多變量都能影響其設計。這 些變量包括(還可包括其它變量)電壓、頻率、相位角、功率因數、 循環切換事件點、相位不平衡、整數和非整數諧波失真。因為這是復 雜的交流系統，所以能夠認識到很難抑止影響這種配電系統的雜散和 人為阻抗之間的不可避免的諧振模。 一旦已經選擇了交流分配頻率 (即，由FEP系統中的各種交流母線所運送的交流電流的頻率)，那 麼這將大大影響發電機布局並最終限制原動機的軸速。在許多情況 下，這將不利地影響發電機和原動機的尺寸和性能。
12大多數傳統FEP系統分配中壓交流電流(MVAC)，同時還己知 分配低壓直流電流(LVDC)。雖然這些LVDC系統通過限電流電源電 子裝置從MVAC電流源獲得它們的直流電流，但它們依賴直流斷路器 (DCCB)來中斷相當大的故障電流。
例如，SSDS可使用相位受控變壓整流器從傳統的MVAC分配系統 獲得LVDC分配電壓。並聯冗餘饋電線通過配電板來分配LVDC分配電 壓，所述配電板包括故障電流額定的DCCB。每個ZPSU均通過插入調 節電源電子裝置和防反饋二極體而被從這些配電板中的一對冗餘配 電板饋電。
另一種SSDS可使用變壓器隔離的緊接著的一個脈衝寬度調製 (P觀)電壓源轉換器(通常稱為MV/LV線路轉換器)來從傳統的MVAC 分配系統獲得LVDC分配電壓。使用環形電路糴分配LVDC,以便通過 故障電流額定的DCCB向ZPSU和其它電負載提供冗餘。
與傳統交流電流分配系統不同，直流電流分配系統將不會經歷 規律的電流線路反向。因此DCCB必須通過以機電的方式使觸點斷開 來中斷故障電流，由此在觸點之間產生弧電壓。弧電壓與系統電壓相 對，該系統電壓是供電電壓源和感生電壓之和，該供電電壓源引起故 障電流流動，該感生電壓對抗故障電流的任何減小。這允許弧電壓減 小故障電流，並最終完全截斷它。隨著故障電流接近最終的截斷，弧 電壓將經受瞬時增加，其對於與SSDS連接的應力部件是已知的並會 產生電磁幹擾(EMI)。該部件應力通過DCCB瞬變弧電壓和從在供電 電壓源中流動的故障電流的截斷得到的SSDS分配電壓的恢復量 (recovery)之和而被加劇。已知通過對這種配電系統應用電湧放電 器和緩衝器來減小瞬變弧電壓和EMI。
還已知使用混合DCCB，所述混合DCCB使用功率電子開關裝置和 電磁致動電子觸點的串聯連接組合使得功率電子開關裝置快速切斷， 電湧放電器和緩衝器緩和所導致的電壓瞬變，並且在截斷故障電流之 後斷開電子觸點。
線性調節器直流供電單元使用稱作"折返(foldback)"的技 術來限制短路負載條件期間的調節器功率裝置耗散。折返系統典型地
13包括限制輸出電流的調節器，其基準依賴於輸出電壓。如果負載阻抗 降至特定的閾值以下，則限流調節器的初始動作將使輸出電壓減小， 其後是再生動作，該再生動作用於將輸出電流和電壓限制為適當的低 水平，並限制調節器功率裝置耗散。

發明內容
本發明提供一種船舶配電和推進系統，其包括
第一推進驅動系統，第一推進驅動系統包括具有超導繞組的推 進馬達和電力轉換器；
第一推進電力產生系統，其用於向第一推進驅動系統供電，第
一推進電力產生系統包括具有超導繞組的發電機和電力轉換器；以及 第一電力產生系統，其包括用於向第一業務分配系統供電的至
少一個電源，第一業務分配系統包括
用於運送分配電壓和分配電流的至少一個直流分配母線，以及 至少一個配電板。
總的來說，所述配電系統至少包括一個電源，該電源的輸出電 流被整流，或者該電源的輸出電流自然地產生直流電流。優選地根據 電源折返和穩定特性通過快速動作裝置(例如電力轉換器)來限制輸 出電流，所述快速動作裝置最初使最大預期故障電流遠大於傳統的阻 抗限制情況，並且隨後在協調動作中使輸出電流變換方向。電源折返
和穩定特性還通過結合穩態下垂(droop)分量來有助在並聯的電源 之間進行電流分配。而且，電源折返和穩定特性還通過結合適當的瞬 時響應來有助於穩定分配電壓，所述適當的瞬時響應被疊加在穩態下 垂分量上。
當對船舶配電和推進系統應用低阻抗故障時，根據折返方法， 所述至少一個電源的動作最終將使故障電流被中斷。在故障電流中斷 進行的同時，與故障電流路徑相關的配電板中的與保護開關裝置相關 的傳感器和一個相關的電子處理器檢測到了該故障並判斷保護開關 裝置必須被斷開。 一旦故障已經被中斷，則電子處理器判斷確存在情 況並指令保護開關裝置(可選擇的為卸載型開關裝置)斷開。可將大量電負載連接至船舶配電和推進系統，並且根據特定的
減載(load shed)和穩定特性通過快速動作裝置(例如電力轉換器)
對所有這些電負載進行電子調整，所述特定的減載和穩定特性以與所 述至少一個電源的輸出電流的上述換向相協調的方式除去負載電流。
當斷開保護開關裝置時，除去負載電流的結果是允許根據折返方法恢 復所述至少一個電源的輸出電壓。該輸出電壓的恢復根據減載方法起 動電負載的再應用。所述減載和穩定特性還會引起與將要疊加在電負 載的穩態響應上的電源電壓相關的負載電流的特定瞬時響應。
還可通過藉助其它傳感器和電子處理器、或通過特定的電子處 理器命令、通過交互跳閘的方法檢測到的其它故障模式來啟動上面的 方法。所述方法的所有方面優選地是可通過適當的裝置來進行編程 的。所述船舶配電和推進系統並不需要為了操作而在所述至少一個電 源、保護開關裝置和電負載之間進行串行通信，這是因為配電系統本 身提供了分布式智能和有效的通信裝置。所述船舶配電和推進系統的 所有部件都能自動和自主的操作。然而，如果提供串行通信，那麼船 舶配電和推進系統就能受益於智能增加和自動控制。可以為所有部件 提供局部手動控制。
優選地，通過船舶配電和推進系統(尤其是結合有分區能量存 儲器的一個或多個分區配電子系統)來分配電力。更具體地講，每個
分區配電子系統均包括分區供電單元和分區能量存儲器，其中分區供 電單元用於向至少一個電負載供電，分區能量存儲器與第一業務分配
系統中的至少一個配電板連接，用於向分區供電單元供電。這些分區 能量存儲器本質上能夠支持可逆電力流。分區能量存儲器可以自第一 業務分配系統充電，以便向與分區供電單元連接的電負載提供連續的 電力，而不管分配電壓是否中斷。然而，分區能量存儲器還可以反過 來向第一配電系統供電以幫助設立分配電壓。
優選地，利用電力轉換器使所有電源的輸出適應適當的直流分 配電壓並提供對故障電流的限制。這允許更大的設計自由度和發電設 備的最佳化。所有電負載優選地也可通過電力轉換器來調節，這會有 效地幫助設立分配電壓並限制故障電流和切換瞬變。只需要對船舶配
15電和推進系統(尤其是保護開關裝置)的連續運行負載進行最佳化， 這是因為故障電流和切換瞬變通過主動裝置被限制。
所述船舶配電和推進系統優選地具有高度冗餘和可配置的布局 以提供適度退化。如果將船舶配電和推進系統用在海軍船舶或潛艇 上，由於在海軍船舶或潛艇上即使部件被損壞也必須對關鍵系統連續 供電，則這一點特別重要。船舶配電和推進系統的穩定性意味著可提
供髙脈衝負載(類似例如動能(KE)射彈和無人航空器(UAV)發射
臺)。任何電負載所汲取的電力部分可被連續地調整以使效率最佳並 且便於在單個島壓點和多個島壓點結構之間的"無振"過渡。相對於 總安裝發電容量，該分配電壓可以低於傳統配電系統中的分配電壓， 由此降低了絕緣要求並且使功率密度最大化。
所述船舶配電和推進系統的操作本質上是自動的，但也可以結
合手動倒退(reversionary)模式。所有關鍵部件優選地都是智能化 的和自動化的。所述智能可被概述如下。
當起動電源(例如發電機)時，其相關電力轉換器調整輸出電 壓並使它斜向上升至剛好低於期望的輸出電壓。相關保護開關裝置檢 測到這種準備就緒狀態並關閉。電源相對於反饋是安全的，在檢測到 其處於併入電網狀態之後轉變成其特定的輸出特性。
當發生嚴重的過載時，通過電源折返和穩定特性來限制故障電 流。保護開關裝置藉助其傳感器來快速地定位和對故障分類。如果故 障持續，則電源折返和穩定特性將使輸出電壓降低。所有電負載卸掉 或回到分區能量存儲器中。保護開關裝置檢測到斷開受影響的輸出是 安全的。當消除故障時，被卸掉或已經回復至分區能量存儲器的所有 其它電負載蓄積起來，輸出電壓根據電源折返和穩定特性恢復，並且 減載和穩定特性被消除。
根據減載和穩定特性能調節第一推進驅動系統的推進馬達。更 具體地講，第一推進驅動系統的電力轉換器優選地由一個調節器來調 節。該調節器以滿足船舶的推進需要的方式對第一推進驅動系統的推 進馬達和電力轉換器進行控制，但是經常是根據減載和穩定特性的要 求來進行控制的。實際上，例如，除了當分配電壓諸如在保護折返事
16件期間較低或當所請求的負載功率大於可得到的發電能力時，如果包 括螺旋槳、推進馬達和電力轉換器的推進驅動器對操作員命令的響應 將不會使船舶配電和推進系統不穩定，則推進驅動器將響應操作員命 令(例如，直接從船舶的控制級提供的請求信號)。當推進驅動器的 響應將使船舶配電和推進系統不穩定時，則其負載將優選地根據需要 被調節和/或逐步地減少，以穩定分配電壓。
根據電源折返和穩定特性能調節第一推進電力產生系統的電力 轉換器。
優選地，第一推進電力產生系統的電力轉換器連接至第一推進 驅動系統的一個或兩個電力轉換器以及第一業務分配系統的至少一 個配電板。優選地，第一推進驅動系統的電力轉換器連接至第一業務 分配系統的至少一個配電板。
優選地，第一電力產生系統的至少一個電源通過電力轉換器連 接至第一業務分配系統的至少一個配電板。
優選地，分區配電子系統的分區能量存儲器也通過電力轉換器 連接至第一業務分配系統的至少一個配電板。在這兩種情況下，優選 地，電力轉換器是脈寬調製直流/直流轉換器。
當電力從第一業務分配系統流入分區配電子系統的分區能量存 儲器時，分區配電子系統的分區能量存儲器和第一業務分配系統的至 少一個配電板之間的直流/直流轉換器優選地被極化為升壓斬波器， 當電力從分區配電子系統的分區能量存儲器流入第一業務分配系統 時，該直流/直流轉換器被極化為降壓斬波器。
第一業務分配系統的至少一個配電板優選地包括具有觸點的保 護開關裝置。優選地，根據電源折返和穩定特性來調節將第一電力產 生系統的至少一個電源連接至第一業務分配系統的至少一個配電板 的電力轉換器，以及優選地，根據減載和穩定特性來調節至少一個電 負載。只有當已經通過電源折返和穩定特性與下列之一交互作用而將 分配電壓和分配電流降至可接受的水平時才使所述保護開關裝置的 觸點斷開(a)使一個過低的阻抗連接在分配電壓兩端的故障，(b) 在船舶配電和推進系統內自動產生的超馳(overriding)交互跳閘命令，(C)在船舶配電和分配系統內手動產生的超馳交互跳閘命令， 和(d)遠程產生的超馳交互跳閘命令。而且，只有當所述觸點兩端 的電壓極性使得任何瞬時或浪湧電流受到下列之一的限制時才使所 述保護開關裝置的觸點閉合(a)電源折返和穩定特性以及電源起 動程序；和(b)減載和穩定特性。
優選地，通過電源折返和穩定特性的瞬時負載線函數和通過減 載和穩定特性的負載電流函數的變化率的限制來使分配電壓穩定。
第一電力產生系統可包括多個並聯連接的電源，這些電源用於 向第一業務分配系統供電，其中每個電源的電源折返和穩定特性的穩 態下垂函數可協調所述多個電源的穩態電流分配，以及其中每個電源 的電源折返和穩定特性的瞬時負載線函數可協調所述多個電源的瞬 時電流分配。
第一電力產生系統的至少一個電源的輸出電壓和輸出電流可被 調整為電流是單向的。穩態輸出電壓是卸載總線電壓調整點和穩態下 垂分量之和，所述穩態下垂分量與負載電流成比例以使得穩態輸出電 壓與穩態負載線一致。與穩態加載點有關的瞬時負載電流變化使得輸 出電壓跟隨瞬時負載線，所述瞬時負載線的梯度小於穩態負載線的梯 度。穩態電流被限制為特定的水平。如果負載電流瞬時地超過穩態電 流極限並接近但沒有超過一個特定的瞬時電流極限水平，則輸出電壓 將相對於穩態負載線瞬時減小，並且當穩態電流降低至穩態電流極限 以下時，輸出電壓將恢復至穩態負載線。如果負載電流連續超過穩態 電流極限或者超過所述特定的瞬時電流極限水平，則應用折返使得輸 出電壓和輸出電流根據再生過程而基本上降為零(在某些情況下，輸 出電流降低至一個非常低的水平(例如，關於2A)可能是有利的，
以便於對負載阻抗的感測)，並且輸出電壓和電流基本上保持為零， 直到負載阻抗已經增大到超過一個特定的水平。如果負載阻抗增大到 超過所述特定的水平，那麼負載電壓開始部分恢復，然後斜向上升至 一個期望的操作點。
可根據一個時變斜坡率將負載電壓斜向上升至所述期望的工作 點，所述時變斜坡率被指定為使得船舶配電和推進系統內的得到的電壓瞬變最小化。
配電系統還可包括第二電力產生系統，第二電力產生系統包括 用於給第二業務分配系統供電的至少一個電源。所述第二業務分配系
統優選的包括至少一個直流分配母線，用於運送分配電壓和分配電 流；和至少一個配電板，其包括帶有觸點的保護開關裝置。分區配電 系統的分區能量存儲器可連接至所述第二業務分配系統的至少一個 配電板。以這種方式，可從第一業務分配系統和/或第二業務分配系 統向分區能量存儲器供電。
船舶配電和推進系統還可包括第二推進驅動系統，第二推進驅 動系統包括推進馬達和電力轉換器。用於向第二推進驅動系統供電的 第二推進電力產生系統優選地包括發電機和電力轉換器。
所述第一和第二推進驅動系統中的每一個均可以包括一個由各 自的推進馬達驅動的螺旋槳。作為選擇，可使用第一和第二推進驅動 系統的推進馬達來驅動公共的螺旋槳(所謂的級聯推進驅動器)。形 成級聯推進驅動器的推進馬達可以是集成在一起的或者是分開的，但 是它們將共用同一個螺旋槳軸系統。易於理解的是，單獨的船舶可根 據其推進要求使用任何特定數量和結構的推進驅動器。螺旋槳可以是 任何方便的類型，例如傳統的多葉螺旋槳或導向式螺旋槳。
所述第一和第二推進電力產生系統中的每一個均可以包括一個 原動機(類似例如，渦輪機)，該原動機用於驅動各個發電機。
所述第一和第二推進驅動系統的推進馬達優選地具有高溫超導 (HTS)繞組。更具體地講，勵磁繞組和電樞繞組中的一個或者兩個 都可以由形成於或者包括任何適合的HTS材料(即，通常在大約25K 以上時具有超導特性(零電阻以及運送非常高的電流密度的能力)的 一種材料)的電纜、磁帶或電線製成。
勵磁繞組通常位於推進馬達的轉子上，電樞繞組通常位於推進 馬達的定子上，但是相反布置也是可行的。推進馬達的轉子和定子中 的一個或兩個還可以包括塊狀HTS材料，易於理解的是，在此使用的 術語"繞組"應該被認為包括在傳統的繞組模式中並不配置的塊狀 HTS材料。例如，塊狀HTS材料可形成如英國專利申請2431519中所
1述的超導磁系統的一部分，在英國專利申請2431519中，布置了可使 用熱手段來在兩個磁化狀態(例如抗磁性、鐵磁性)之間進行切換的 磁性材料，以重複地磁通泵送(flux pump)磁場來使塊狀HTS材料 磁化或消磁。在轉子和定子中只有一個具有超導繞組的情況下，另一 個可具有傳統的例如銅繞組或永久磁鐵。
在正常的操作中，期望的是HTS繞組將保持在30K和77K之間， 這是因為這樣能消除使用液氦作為冷卻劑的必要，並且這是因為HTS 導體能承受的電流密度是與溫度有關的(當溫度降低時可承受的電流 密度增加)。因此，所設計的HTS繞組的工作溫度是期望電流密度和 相關低溫冷卻裝置的實用性能限制之間折衷的結果。使用HTS繞組使 得推進馬達以比傳統馬達高出很多的空氣隙切應力來操作。其主要優 點是顯著地提高了功率密度和效率。
推進馬達可以由所述第一和第二推進驅動系統的相關電力轉換 器單獨地或雙重地饋電。
有利地，用於所述第一和第二推進驅動系統的電力轉換器的電 力電子設備與推進馬達完全集成在一起。優選地，將電力轉換器設計 為使得相關的推進馬達的性能最大化並且有助於配電系統穩定性。所 述第一和第二推進驅動系統的推進馬達還可具有使用靜態電源電子 設備的電子換向器電路。
所述第一和第二推進驅動系統的推進馬達一般將包括轉子和定 子，所述轉子同軸地位於定子內部或外部。
可使用超導電纜或母線來實現所述至少一個直流分配母線。這 種超導電纜可以由形成於任何適合的HTS材料或包括任何適合的HTS 材料的電纜、磁帶或電線製成。
所述第一和第二推進電力產生系統的發電機優選地具有HTS繞 組。更具體地講，勵磁繞組和電樞繞組中的一個或兩個可以由形成於 任何適合的HTS材料或包括任何適合的HTS材料的電纜、磁帶或電線 製成。勵磁繞組通常位於發電機的轉子上，電樞繞組通常位於發電機 的定子上，但是相反的布置也是可行的。發電機的轉子和定子中的一 個或兩個還可包括塊狀HTS材料。在轉子和定子中只有一個具有超導繞組的情況下，則另一個可以具有傳統的例如銅繞組或永久磁鐵。
使用HTS繞組使得發電機能以比傳統發電機高出很多的空氣隙 切應力來操作。其主要優點是顯著地提高了功率密度和效率。
有利地，所述第一和第二推進驅動系統的電力轉換器的電力電 子設備與推進馬達完全集成在一起。所述第一和第二推進驅動系統的 推進馬達還可具有使用靜態電源電子設備的電子換向器電路。採用 HTS繞組的發電機所存在的一個問題是它們預期的故障電流相對較 高。這可以通過使用電力轉換器來克服，該電力轉換器能限制配電系 統中的故障電流，而同時又能保持高質量的供電以及有助於配電系統 穩定性。
易於理解的是，採用HTS繞組的發電機和推進馬達體積極小並
且重量輕，並提供了最高的電效率，並且與無槽電te繞組結合能產生 低水平的噪聲和振動。這使得它們尤其適於在船舶上使用。優選地， 發電機、推進馬達和相關的電力轉換器能通過編程的電源管理和適度 退化來有助於配電穩定性和可用性。
所述第二推進電力產生系統的電力轉換器優選地與所述第二推 進驅動系統的功率轉換器中的一個或兩個連接，以及與所述第二業務 分配系統的至少一個配電板連接。所述第二推進驅動系統的電力轉換 器優選地與所述第二業務分配系統的至少一個配電板連接。
所述第一推進電力產生系統的電力轉換器優選地與所述第二推 進驅動系統的電力轉換器連接。所述第二推進電力產生系統的電力轉 換器優選地與所述第一推進驅動系統的電力轉換器連接。
所述第一推進驅動系統優選地具有三個電源輸入端，每個輸入 端均是可選擇的(例如，藉助於手動連接的鏈路系統或其它適當的絕 緣裝置)。第一電源輸入端可與第一推進電力產生系統連接，第二電 源輸入端可與第二推進電力產生系統連接，以及第三電源輸入端可與 第一業務分配系統的至少一個配電板連接。因此可由第一推進電力產 生系統通過第一電源輸入端和/或由第二推進電力產生系統通過第二 電源輸入端給第一推進驅動系統供電。還可從第一業務分配系統通過 第三電源輸入端給第一推進驅動系統供電。如果第一推進驅動系統是在再生模式下操作的，那麼其還能用於給第一業務分配系統供電。
所述第二推進驅動系統優選的具有三個電源輸入端，每個輸入 端都是可選擇的(例如，藉助於手動連接的鏈路系統或其它適當的絕 緣裝置)。第一電源輸入端可與第一推進電力產生系統連接，第二電 源輸入端可與第二推進電力產生系統連接，並且第三電源輸入端可與 所述第二業務分配系統的至少一個配電板連接。因此可由第一推進電
力產生系統通過第一電源輸入端和/或由第二推進電力產生系統通過 第二電源輸入端給第二推進驅動系統供電。還可從第二業務分配系統 通過第三電源輸入端給第二推進驅動系統供電。如果在再生模式下操 作第二推進驅動系統，那麼還能將第二推進驅動系統用於給第二業務 分配系統供電。
女口果所述第一和第二業務分配系統的配電板被互連或交叉連 接，那麼還能提供配電系統的兩側之間的進一步冗餘。
所述第一推進電力產生系統優選地具有第一和第二電源輸出 端，每個電源輸出端均是可選擇的(例如，藉助於手動連接線路的系 統或其它適當的絕緣裝置)。第一電源輸出端可與第一推進驅動系統 的第一電源輸入端連接，並且第二電源輸出端可與所述第二推進驅動 系統的第一電源輸入端連接。因此第一推進電力產生系統可通過第一 電源輸出端給第一推進驅動系統供電和/或通過第二電源輸出端給第 二推進驅動系統供電。如果第一推進電力產生系統具有一個可選擇的 並且與第一業務分配系統的至少一個配電板連接的第三電源輸出端， 那麼它還可以給第一業務分配系統供電。
所述第二推進電力產生系統優選地具有第一和第二電源輸出 端，每個電源輸出端均是可選擇的(例如，藉助於手動連接線路的系 統或其它適當的絕緣裝置)。第一電源輸出端可與第一推進驅動系統 的第二電源輸入端連接，第二電源輸出端可與所述第二推進驅動系統 的第二電源輸入端連接。因此第二推進電力產生系統可通過第一電源 輸出端給第一推進驅動系統供電和/或通過第二電源輸出端給第二推 進驅動系統供電。如果第二推進電力產生系統具有一個可選擇的並且 與第二業務分配系統的至少一個配電板連接的第三電源輸出端，那麼它還可以給第二業務分配系統供電。
可對所述船舶配電和推進系統進行配置，使得可由下述中的一 個或多個通過所述至少一個配電板向所述第一業務分配系統供電第 一電力產生系統；分區配電子系統的分區能量存儲器；在再生模式下 操作的推進驅動系統；推進電力產生系統；和遠程電源系統(例如岸 基電源)。這提供了相當可觀的冗餘度。
所述第一電力產生系統的至少一個電源優選地是下述中的一個 或多個柴油發電機；燃氣渦輪發電機；蒸汽渦輪發電機；組合循環 燃氣和蒸汽渦輪發電機；閉式循環(非通氣)柴油發電機；電池；燃
料電池；流通池；飛輪發電機；超電容(即具有極高容量和電容容量 密度的電容器)和超導磁能存儲器。這不應被看作是窮盡列表，將容 易理解也可以使用其它電源。在所述第一電力產生系統的至少一個電 源是發電機的情況下，則該電源可選擇採用HTS繞組。任何相關的電 力轉換器的電力電子設備還可與發電機完全集成在一起。
所述至少一個開關裝置包括分配母線、輸入母線、輸出母線。 至少一個機電致動的卸載雙極開關優選地與所述分配母線連接。所述 至少一個開關裝置優選地由一個電子控制系統來控制，該電子控制系 統包括電子處理器，所有分配母線、輸入母線和輸出母線上的電流 傳感器，所有分配母線、輸入母線和輸出母線的電壓傳感器，交互跳 閘輸入端，交互跳閘輸出端，和用於開關致動器的驅動器。該電子控 制系統還可以包括局部操作者接口和遠程控制接口。


圖1是採用全電力推進(FEP)的傳統船舶配電和推進系統的示
意圖2是根據本發明的船舶配電和推進系統的示意圖3是表示形成圖2的船舶配電和推進系統的一部分的電源的
輸出電壓相對輸出電流特性的示圖4為表示形成圖2的船舶配電和推進系統的一部分的電負載
的負載電流相對供電電壓特性的示23圖5為形成圖2的船舶配電和推進系統的一部分的保護開關裝
置的示意圖；以及
圖6為表示形成圖2的船舶配電和推進系統的一部分的電源的 輸出電壓相對輸出電流特性的示圖，其中示出了不完全減載的效果。
具體實施例方式
現在將參照圖2說明根據本發明的船舶配電和推進系統的基本 布局。應該理解的是，圖2的所有輸入、輸出、終端和互連都是雙極 直流型的。
第一推進電力產生系統(PPGS)包括渦輪機1，該渦輪機1驅動 發電機2向輸出轉換器3供電。類似地，第二PPGS包括渦輪機10， 渦輪機IO驅動發電機11向輸出轉換器12供電。第一推進驅動系統 (PDS)包括由推進馬達5驅動的螺旋槳6，推進轉換器4對推進馬 達5的電力流進行調整。類似地，第二 PDS包括由推進馬達8驅動的 螺旋槳9，推進轉換器7對推進馬達8的電力流進行調整。輸出轉換 器3和12每個都具有三組輸出端，推進轉換器4和7每個都具有三 組輸入端，所有這些端子都具有將在下面更詳細說明的連接配置。
發電機2和ll採用了高溫超導(HTS)轉子繞組，輸出轉換器3 和12與電機完全集成在一起。換句話說，發電機2和11具有集成的 電力電子設備。採用HTS轉子繞組的發電機將會具有非常低的電抗， 正常情況下，如果將它們與傳統的交流配電系統連接，那麼將使問題 複雜化。這些複雜包括高的預期短路故障電流、高的預期短路轉矩、 和高的輸出電壓失真導納，所有這些都將嚴重地制約這種發電機的設 計。然而，集成的電力電子設備有效地去除了發電機2和ll與船舶 配電和推進系統的其它部分之間的耦合，從而消除了上述的複雜問題 並且給予了發電機設計者擺脫與那些複雜問題相關的設計制約的更 大自由。考慮到低溫系統的安全工作方式，在運轉效率和穩定性上， 可優化發電機2和11的勵磁。
發電機2和ll可採用具有使用靜態電力電子設備的電子換向器 電路的"主動"定子，這種"主動"定子使設計者具有更大彈性來提高性能。該電力電子設備是模塊化的，且完全集成在電機內，以共用 冷卻系統、輔助系統、結構和外殼，從而能獲得高的功率密度。
根據以下將詳細描述的電源折返和穩定特性來調整輸出轉換器
3和12。發電機2和11的低故障電抗和存儲在HTS轉子繞組中的大
量能量意味著在嚴重故障模式發生時，發電機的輸出電壓不大可能快
速降低到足以保護相關輸出轉換器3和12的電力電子設備。這意味 著幾乎所有的嚴重故障模式都將在相關輸出轉換器內導致永久的損 壞，除非採用另外的保護裝置。因此，例如每個輸出轉換器3和12 可包括許多並聯的通道，每個通道均由快溶保險絲進行保護。換句話 說，可對輸出轉換器3和12進行設計，使其在連續的故障模式後能 提供適度退化。
例如，渦輪機l和IO可以是以簡單循環或組合循環方式運行的 蒸汽或燃氣渦輪機。燃氣渦輪機可以是在簡單或互冷卻和/或復原循 環方式中運行的單個或多個轉子類型。易於理解的是，根據特定的情 況，可以使用柴油內燃機和熱氣機來代替渦輪機。
推進馬達5和8採用HTS轉子繞組，以及推進轉換器4和7與 電機完全集成在一起。換句話說，推進馬達5和8具有集成的電力電 子設備。推進馬達5和8可位於船舶的船體內(即，船內推進馬達經 由與尾軸壓蓋對齊的軸來驅動螺旋漿)，或者處於懸掛在船舶的船體 下方的船艙中來提供推進和方向操縱，或者同軸地位於潛艇船體的外 部。推進馬達5和8可被配置為它們轉子同軸地處於它們定子的內部 或外部。考慮到低溫系統的安全工作方式，在運轉效率和穩定性上， 可優化推進馬達5和8的激勵。
推進馬達5和8可採用具有使用靜態電力電子設備的電子換向 器電路的"主動"定子，這種"主動"定子使設計者具有更大彈性來 提高性能。該電力電子設備是模塊化的，且完全集成在電機內，以共 用冷卻系統、輔助系統、結構和外殼，從而能獲得高的功率密度。
根據以下將詳細描述的減載和穩定特性來調整推進馬達5和8。
第一船舶業務電力產生系統(SSPGS)包括柴油機13，其驅動發 電機14給輸出轉換器15供電。類似地，第二 SSPGS包括柴油機17，其驅動發電機18給輸出轉換器19供電。多個分區配電子系統中的每
個均包括一個分區供電單元(ZPSU) 23，其將電力饋送到傳統的低壓 (LV)分配系統並從與第一直流/直流轉換器21和第二直流/直流轉 換器24連接的分區能量存儲器(ZES) 22汲取電力。在圖2中，示 出了三個分區配電子系統，但實際上可以使用更多或更少的分區配電 子系統。
可使用Boughton Road， Rugby， Warwickshire, CV21 1BU， United Kingdom的Converteam公司(此後稱、為"Converteam，，)提供的凸 極式同步發電機的ALTOA、BETA和GAMMA系列來實現發電機14和18。 易於理解的是，根據船舶配電和推進系統的特定要求，還可使用具有 HTS轉子繞組和/或HTS定子繞組的電機來實現發電機14和18。
可梗用Converteam提供的脈寬調製(PWM)電壓源倒相器的 VDM2500、 MV7000和MV300系列來實現輸出轉換器15和19。易於理 解的是，還可以使其與發電機14和18完全集成在一起的方式來實現 輸出轉換器15和19。
可使用Converteam公司提供的DELTA模塊來實現直流/直流轉 換器21和24與ZPSU 23。
第一船舶業務分配系統(SSDS)包括直流分配母線25、 27和29 (可選擇性地使用HTS電纜或母線來實現)，其間插入有配電板16、 26和28，下面將進行更加詳細的說明。類似地，第二SSDS包括直流 分配母線30、 32和34 (可選擇性地使用HTS電纜或母線來實現)， 其間插入有配電板20、 31和33。在圖2中，第一和第二 SSDS中的 每個均包括三個配電板，該數量與所示出的分區配電子系統的數量相 關，但實際上該數量可以更多或更少。岸基電源39與岸基電源輸出 轉換器38連接。
船舶配電和推進系統的各個部件以如下方式進行互連
推進轉換器4的第一輸入端通過互連41與輸出轉換器3的第一 輸出端連接。
推進轉換器4的第二輸入端通過互連43與輸出轉換器12的第 一輸出端連接。推進轉換器4的第三輸入端通過互連42與配電板16的第一輸 出端連接。
推進轉換器7的第一輸入端通過互連46與輸出轉換器3的第二 輸出端連接。
推進轉換器7的第二輸入端通過互連44與輸出轉換器12的第 二輸出端連接。
推進轉換器7的第三輸入端通過互連45與配電板20的第一輸 出端連接。
輸出轉換器15的輸出端與配電板16的第一輸入端連接。 輸出轉換器19的輸出端與配電板20的第一輸入端連接。 輸出轉換器3的第三輸出端通過互連47與配電板16的第二輸
入端連接。 :
輸出轉換器12的第三輸出端通過互連48與配電板20的第二輸
入端連接。
直流/直流轉換器21的供給端與配電板16的第二輸出端連接。 直流/直流轉換器24的供給端與配電板20的第二輸出端連接。 配電板16的交聯端通過交叉線路35與配電板20的交聯端連接。 配電板26的交聯端通過交叉線路36與配電板31的交聯端連接， 並通過岸電線路37與輸出轉換器38的輸出端連接。
類似地，配電板26、 28、 31和33與附加的分區配電子系統連接。
類似地，配電板28和33通過交叉線路40連接。 將易於理解的是，術語"輸入"和"輸出"指的是電力流的正 常方向，但在某些情形中也可以是將從輸入端流出和流入到輸出端中 的情況。例如，電力將通常從配電板16的第一輸出端到推進轉換器 4的第三輸入端流過互連線路42。然而，如果假設推進馬達5是在再 生模式下操作，則電力將從推進轉換器4的第三輸入端通過互連42 流入配電板16的第一輸出端。
現在將參照圖3說明在短路或低阻抗故障情況下流動的電流被 截斷的處理。為了說明，故障被認為發生在直流/直流轉換器21內。
27在故障之前有可變負載電流流動，以及包括柴油機13、發電機14和 輸出轉換器15的電源的保護動作被認為用來中斷故障。然而，應該 注意下述說明可同樣應用於可在船舶配電和推進系統中的任何地方 發生的故障和向船舶配電和推進系統饋電的任何電源。
圖3表示用於包括柴油機13、發電機14和輸出轉換器15的電 源的輸出電壓相對可變輸出電流的特性曲線。通過傳統的調速器 (governor)來控制柴油機13並將其設置為在任何方便的旋轉速度 下運行。通過傳統的自動電壓調節器(AVR)來調整發電機14，並將 發電機輸出電壓設置為任何方便的水平。調節器(未示出)根據圖3 所示的折返和穩定特性來調整輸出轉換器15;該特性基本上不依賴 於傳統調速器和AVR的動作。任何方便類型的調節器都可用於調整輸 出轉換器15，但可編程數字調節器將是優選類型。
向輸出轉換器15的調節器提供卸載總線電壓調整點("調整 點")，並且所述折返和穩定特性曲線的所有其它區域都是從此導出 的。在正常操作中，隨著直流/直流轉換器21中的負載電流逐漸增加， 輸出轉換器15的輸出電流也逐漸增加，並且輸出轉換器15的輸出電 壓根據穩態負載線降低，所述穩態負載線根據穩態下垂而相對於調整 點下降。所述穩態下垂可與輸出電流成比例或者它也可以與任何其它 適當的特性曲線相符。通過快速的啟動調節器動作，負載電流中會發 生瞬變現象，並且等價的輸出電流將會使輸出電壓偏離穩態負載線。 如果輸出電流和電壓的穩態平均值處於圖3中所示的穩態荷載點，並 且輸出電流的瞬時擾動發生在穩態荷載點附近，則輸出電壓將與關於 所述示例穩態荷載點的瞬時負載線相符。所述瞬時負載線在圖3中由 在穩態荷載點兩側上延伸的虛線箭頭表示，並且它可以偏離所述穩態 負載點一個程度，所述程度可與輸出電流瞬時擾動成比例，或者它可 與任何其它適當的特性曲線相符。
輸出電流受快速動作超馳瞬時電流極限控制，使得輸出電壓降 低以防止輸出電流的瞬時電平超過所述瞬時電流極限。負載電流也受 穩態電流限制控制，使得輸出電壓降低以防止輸出電流的穩態平均電 平超過穩態電流極限。如果負載阻抗降至穩態折返特性曲線的梯度以下，那麼就應用折返。這意味著瞬時輸出電流限度將被降低至依賴於 輸出電壓的一個水平，該相依性造成了輸出電流和輸出電壓的再生減 小。再生動作集中在輸出電流和輸出電壓已經被降低至近似為零的 點。實際上，當在穩態輸出電流正接近穩態電流限度的時間出現故障 時，輸出電流將快速增加直到瞬時電流限制動作使輸出電壓衰減。然 後應用折返並且認為在輸出電流和輸出電壓接近零時截斷所述故障。 由於將要解釋的原因，所述實際的折返特性使得瞬時電流極限的最小 水平是較小的、非零水平。
在故障電流實際上已經被截斷的點，較小、非零水平的輸出電 流將通過配電板16中的保護開關裝置流到由直流/直流轉換器21表 示的負載中。如果該開關裝置被斷開並且能夠截斷所述較小、非零電 平，那麼倘若不存在其它負載，則分配電壓將升高。
在不存在其它負載的情況下，已知將在分配電壓升高時清除所
述故障。因為當分配電壓增加時，負載阻抗已經增加超過穩態折返特 性曲線的梯度的阻抗，所以折返的再生動作被釋放，並且分配電壓返 回至由調整點設置的水平。
在與直流/直流轉換器21並聯有額外負載的情況下，如果通過 該負載呈現的阻抗小於穩態折返特性曲線的梯度的阻抗，則將不釋放 折返。當多個負載並聯並且必須將它們返回到故障階段和清除之後的 操作、並且分配電壓減小至低於正常工作水平以便允許釋放折返時， 對於它們來說需要減少負載。
本發明的折返和穩定特性曲線的益處是在以近似零電流-零電 壓條件下操作時調用保護開關裝置，由此就不需要利用使用複雜弧控 制裝置來阻止直流電的傳統開關裝置。折返和穩定特性曲線還便於使 多個完全不同類型的電源進行並聯，因為可通過快速動作的調節器功 能和功率電子裝置來控制各個電源輸出特性。這樣不同發電機類型的 特性阻抗和響應特性就能被去耦。
現在將參照圖4更詳細地說明所述相關的減載和穩定特性曲線。 為了該說明的目的，與先前參照圖3說明的相同故障被考慮發生在直 流/直流轉換器21內，而通過包括螺旋槳6、推進馬達5和推進轉換器4的推進驅動器呈現出一個額外負載。這意味著直流/直流轉換器 21和所述額外負載被並聯。可變負載電流在故障之前流動，以及包
括柴油機13、發電機14和輸出轉換器15的電源的保護動作可考慮
用於截斷所述故障。
在直流/直流轉換器21中發生故障之前，輸出轉換器15的輸出 電流是從直流/直流轉換器21和推進器汲取的負載電流之和。通過控 制推進轉換器4的調節器來調整推進驅動器負載。推進驅動器負載可 被調整以獲得恆定的推進功率或滿足任何其它的操作要求，但恆定功 率情況能更好地說明減載和穩定特性曲線。如果從推進轉換器4汲取
恆定推進功率，那麼其負載電流將與其電源電壓近似成反比。(將電
源電壓的減小與負載電流的增加相關聯以保持恆定功率。)已知推進 轉換器具有電源電流限制功能，當推進轉換器負載處於額定功率並且
電源電壓被降低至額定最小值以下時，所述電源電流限制功能會防止 其超過所述額定電流極限。圖4表示當處於恆定功率時的電源電壓和 負載電流的三條曲線。最上側恆定功率曲線對於"恆定額定功率"是 特定的，並且該曲線與用於額定負載的額定電流極限和最小電壓的線 交叉。如果電源電壓被減小至低於該交點，那麼負載電流初始被恆定 的保持在額定電流極限水平處，並且推進負載功率與電源電壓成比例 的減小。如果將電源電壓減小至低於減載閾值，那麼就認為實施了減 載，並且負載電流從已知的額定電流極限偏離，並根據依賴於第一電 源電壓的電流極限對其進行調整。這意味著按照比與電源電壓成比例 的序律更高的序律來減小推進負載功率。減載被施加，直到電源電壓 被降至一個特定的絕對最小加載電壓，考慮在所述特定的絕對最小加 載電壓下，作為故障的結果，分配電壓已經衰減，並且會發生欠電壓 跳閘。
當發生欠電壓跳閘時，推進驅動器呈現出一個受控的狀態，在 所述受控狀態下其電源電流通過推進轉換器4被切斷，並且保持對推 進驅動器的控制以便故障條件一旦被清除就能夠快速重啟。推進驅動 器保持在這種受控狀態下直到電源電壓已經被提高至一個特定的水 平，在該特定的水平減載被釋放並且允許根據依賴於第二電源電壓的
30電流極限來提高負載電流直到恢復正常(非電流限制)的工作。
倘若電源電壓在規定的極限內，上述的減載特性的益處在於允 許推進驅動器或任何其它負載有效地從電源汲取電力。所述"恆定減 小功率曲線"顯示出電源電流將如何解除限制，直到電源電壓被降至 負載電流的曲線與額定電流極限和減載閾值的線交叉的點。"處於允 許低電源電壓的恆定減小功率"曲線顯示出當通過遠低於"用於額定 負載的電壓"的範圍的電源電壓以相對低的輸出功率操作推進驅動器 時，電源電流將如何解除限制。本發明允許具有例如5kV正常電源額 定值的中壓驅動器能夠從具有例如750V的正常電源電壓額定值的
SSDS電源進行操作，並且能夠提供相比於傳統配電系統明顯不同的
技術優點。另外，倘若保護開關裝置被指令打開以便清除故障，則本 發明中的低於"絕對最小加載電壓"的減載特性的益處在於允許釋放 電源折返。
減載和穩定特性的另一個方面是調整負載以使可能響應電源電 壓或驅動系統中的其它擾動而出現的負載電流的變化率最小化。在這 種情況下，如果負載正操作在所述"示例穩態加載點"處(在最小和 正常電平之間的電源電壓處)並發生電源電壓波動，則負載電流將偏 離恆定功率曲線並將採用"關於示例穩態加載點的瞬時負載線"。本 領域的讀者將會意識到在沒有引發不穩定的情況下能夠應用於具有
特定動態源阻抗的電源的最小動態負載阻抗是動態源阻抗的函數， (即，如果動態負載阻抗太低，則不能使分配電壓穩定)。因此本發 明的減載和穩定特性提供了確保動態負載阻抗相對於動態源阻抗足 夠大以保證獲得穩定分配電壓的必要手段。應該注意術語"動態源阻 抗"和"動態負載阻抗"並不意味著必須利用實際的物理阻抗和間接 功耗以便使分配電壓穩定。相反，所述涉及的是模仿等效無源元件的 效果和傳遞函數的經典控制函數。減載和穩定特性還便於將一個以上 的負載並聯到一個公共耦接點，並且負載分配在一個寬範圍的電源電 壓上都是有效的。當負載和電源組並聯時，所述電源組所經受的總動 態負載阻抗是負載特性的並聯組合，並且這些電源組可被編程以通過 被設計為最大的動態源阻抗實現穩定的操作。隨著將並聯電源加入到分配網絡上，動態源阻抗被減小並且穩定邊際將擴大。
在圖2的配電布局中，可常規地調用直流/直流轉換器21和24，
一部分時間將其作為負載操作並且在剩餘的時間將其作為電源操作。
當對ZES 22充電和/或給ZPSU 23饋電時，直流/直流轉換器21和 24的調節器必須遵照上述的減載和穩定特性曲線。當ZES 22正在通 過直流/直流轉換器21和24給SSDS饋電時，直流/直流轉換器21 和24的調節器必須遵照上述的折返和穩定特性曲線。在這些特性曲 線之間需要無級雙向轉移。還可以賦予推進驅動器用於雙向電力流的 能力。
當不要求或不允許電源從另一個電源接收電力時，採用如圖3 中所示的折返和穩定特性曲線的防反饋區域。藉助這種手段，先前存 在的電源電壓可與電源的輸出端連接，並且其輸出電壓可被斜向上傾 斜直到穿過所述特性曲線的防反饋區域，並且電源輸出電力。防反饋 功能的一個益處是用於SSDS的開關裝置可被閉合到電源輸出端上， 而不會遭受浪湧電流，也不會要求電源具有與交流電分配系統通常相 關的複雜同步裝置。
現在將參照圖5說明配電板16、 26、 28、 20、 31和33內的保 護開關裝置的操作。應該注意由於下面將要更加詳細說明的原因，圖 5中示出的是全雙極格式，而不是圖1中使用的單線格式。配電板16、 26、 28、 30、 31和33的功能性與一般處理一致，並且將在不詳細參 照任何特定配電板內的確切電路的情況下來說明該一般功能性。特定 配電板的詳細電路與圖5中所示的一般配電板的不同之處僅在於切 換輸入和輸出的數量。應該理解可通過任何方便數量的輸入和輸出來 產生配電板。
圖5的一般配電板包括多個電力端。所述電力端的一半(即標 記101、 105、 108、 110和112的那些)與直流系統的正(+)極相關 聯。所述電力端的另一半(即標記102、 106、 107、 109和111的那 些)與直流系統的負(-)極相關聯。
還提供有兩個分配母線。第一母線103與直流系統的正極相關 聯，而第二母線104與直流系統的負極相關聯。許多單獨的線路將電
32力端與第一和第二母線103和104連接。所述線路的一半(即標記
113、 117和116的那些)與直流系統的正極相關聯。所述線路的另 一半(即標記114、 118和115)的那些與直流系統的負極相關聯。
所述配電板包括兩個雙極馬達驅動開關119和120與一個控制 系統。所述控制系統包括電子處理器139、與直流系統的正極相關的 第一系列電流傳感器129、 137、 132、 134和136、與直流系統的負 極相關的第二系列電流傳感器130、 138、 131、 133和135、與直流 系統的正極相關的第一系列電壓傳感器128、 121、 123和125、與直 流系統的負極相關的第二系列電壓傳感器127、 122、 124和126、局 部操作者接口 140、遙控接口 143、和分別與開關119和120相關的 兩個交互跳閘接口 141和142。
可使用由Converteam所提供的PEC微控制器來實現電子處理器 139。可使用與PEC微控制器適當接口的專利馬達驅動模製殼體和機 架型高速直流電路斷路器來實現開關119和120。
線路113、 117、 116、 114、 118和115是手動栓接線路，其能 夠使用戶隔離船舶配電和推進系統的各個部分，但應該理解如果需 要，可通過附加的雙極馬達驅動開關來代替這些線路。
為了說明，電力端111和U2被認為連接至電源，而電力端109 和IIO被認為連接至負載。
現在將在沒有詳細參照控制系統的情況下說明開關裝置的操作 處理。下面將對其進行更詳細的說明。
當在負載中發生低阻抗故障時，故障電流流入電力端112、通過 分配母線103、流出電力端IIO、回到電力端109中、通過分配母線 104並流出電力端111。所述電路是通過雙極開關119和120完成的。 所述控制系統能夠確定在負載中己經發生故障，並且只有當零電流流 入該開關時才打開雙極開關119而易化保護程序。將認識到當零電流 流過該開關時也可以打開雙極開關120，但當其它負載通過分配母線 103和104與電源連接時，這並不是優選的，因為這些負載可能依賴 於在中斷和清除上述的故障之後來自電源的電力流的恢復。
現在將說明通過所述控制系統提供的一些益處。電子處理器139以足夠快的響應對由電流傳感器129至138和 電壓傳感器121至128產生的信號重複採樣以能夠確定故障特性。已 經對低阻抗故障進行了說明，而該故障的存在情況及其確切特性將通 過電流傳感器136、 134、 133和135聯合電壓傳感器123和124來識 別。只要在折返處理變成再生之前執行故障電流的感測和檢測，並中 斷故障電流，則電流感測足以識別故障的開始和位置。 一旦折返己經 變成再生的，故障電流已經被中斷並且分配電壓己經衰減為近似零， 則電子處理器139確定打開開關是安全的並打開開關119。如上面簡 要說明的，如果電子處理器139知道其它負載在故障開始之前就被提 供有電力，則開關119通常將優先於開關120被打開。其它負載的存 在情況將通過使用檢測器129、 132、 137、 130、 131和138檢測負載 電流來檢測。
很明顯，.這樣一個電子處理器139和檢測器的綜合陣列將能夠 檢測寬範圍的其它類型的故障，並且這些故障可使直流系統的正負極 中的電流不對稱。例如，己知接地故障將使電流只在一個極中流動。 類似的，在接地故障期間將發生電壓不對稱。因此控制系統需要在電 源輸出電流不過量的任意時間都能夠使折返特性曲線可使用，該過程 是通過交互跳閘處理執行的。如果電子處理器139確定需要當正在運 送電流並且存在分配電壓時打開任何特定的開關，則必須首先觸發交 互跳閘。在圖5中，交互跳閘信號141和142專用於這種分別與連接 端子112和111的電源以及連接端子110和109的負載通信。如果將 交互跳閘信號輸出給接口 142，則與端子112和lll連接的電源必會 使其折返特性曲線受影響，並且必須通過接收超馳交互跳閘信號來啟 動折返。在另一種情況中，負載中的一個嚴重故障條件可以是例如授 權交互跳閘。在這種情況下，交互跳閘信號141的接收將被電子處理 器139使用交互跳閘輸出142解釋為是使電源交互跳閘的需要。
在其它情況下，電子處理器139可響應其它命令(例如包括通 過局部操作人員接口 140產生的局部操作人員命令和通過遙控接口 143傳來的外部產生的命令)產生交互跳閘程序。應該意識到這種電 子處理器139還可裝備有全局交互跳閘接口 ，其將使船舶配電和推進系統中的所有電源交互跳閘。還應該理解，開關119和120不可虛假
地斷開，它們也必須通過電子處理器139被交互跳閘和互鎖。這種開
關可具有手動回復的操作模式，和可以藉助早先斷開的觸點、機械互 鎖和與電子處理器的適當連接來啟動交互跳閘。
應該理解，根據本發明的大的船舶配電和推進系統可併入許多 這種類型的配電板。所述船舶配電和推進系統可進行物理擴展並且在 正負極之間具有相當大的容量。實際負載在正負極之間也可以具有容
量並且它們的減載可能是不完美的。應該意識到參照圖3所述的折返 和穩定特性曲線並不會考慮這些問題，在圖6中示出了實際的特性曲 線。在該實際特性曲線中，釋放折返時的電壓和電流的地方指示存在 由清除故障之後分配電壓的恢復所得到的電流。
權利要求
1. 一種船舶配電和推進系統，其包括第一推進驅動系統，其包括具有超導繞組的推進馬達和電力轉換器；第一推進電力產生系統，其用於向所述第一推進驅動系統供電，所述第一推進電力產生系統包括具有超導繞組的發電機和電力轉換器；以及第一電力產生系統，其包括用於向第一業務分配系統供電的至少一個電源，所述第一業務分配系統包括至少一個直流分配母線，用於運送分配電壓和分配電流，以及至少一個配電板。
2. 根據權利要求l所述的系統，其中根據減載和穩定特性來調整所述第一推進驅動系統的推進馬達。
3. 根據權利要求1或權利要求2所述的系統，其中根據電源折 返和穩定特性來調整所述第一推進電力產生系統的電力轉換器。
4. 根據前述權利要求中的任一權利要求所述的系統，其中所述 第一推進電力產生系統的電力轉換器與所述第一推進驅動系統的電 力轉換器連接。
5. 根據前述權利要求中的任一權利要求所述的系統，其中所述 第一推進電力產生系統的電力轉換器與所述第一業務分配系統的至 少一個配電板連接。
6. 根據前述權利要求中的任一權利要求所述的系統，其中所述 第一推進驅動系統的電力轉換器與所述第一業務分配系統的至少一個配電板連接。
7. 根據前述權利要求中的任一權利要求所述的系統，還包括分 區配電子系統，該分區配電子系統包括分區供電單元，其用於向至少一個電負載供電，以及 分區能量存儲器，其與所述第一業務分配系統的至少一個配電 板連接，用於向所述分區供電單元供電。
8. 根據權利要求7所述的系統，其中所述分區配電子系統的分 區能量存儲器通過電力轉換器與所述第一業務分配系統的至少一個 配電板連接。
9. 根據權利要求8所述的系統，其中所述電力轉換器是脈寬調 制直流/直流轉換器。
10. 根據權利要求9所述的系統，其中當電力從所述第一業務 分配系統流入所述分區配電子系統的分區能量存儲器中時，所述直流 /直流轉換器被極化為升壓斷路器，而當電力從所述分區配電子系統 的分區能量存儲器流入所述第一業務分配系統中時，所述直流/直流 轉換器被極化為降壓斷路器。
11. 根據權利要求7至10中的任一權利要求所述的系統，其中 所述第一電力產生系統的至少一個電源通過電力轉換器與所述第一 業務分配系統的至少一個配電板連接。
12. 根據權利要求ll所述的系統，其中所述電力轉換器是脈寬 調製直流/直流轉換器。
13. 根據權利要求11或權利要求12所述的系統，其中所述第 一業務分配系統的至少一個配電板包括具有觸點的保護開關裝置，其中根據電源折返和穩定特性來調整將所述第一電力產生系統的至少 一個電源連接至所述第一業務分配系統的至少一個配電板的電力轉 換器，以及其中根據減載和穩定特性來調整至少一個電負載；其中，僅當己經通過電源折返和穩定特性與下列之一交互作用 而將分配電壓和分配電流降至可接受的水平時才使所述保護開關裝 置的觸點斷開(a)過低的阻抗連接至分配電壓兩端的故障，(b) 在船舶配電和推進系統內自動產生的超馳交互跳閘命令，(C)在船 舶配電和推進系統內手動產生的超馳交互跳閘命令，和(d)遠程產 生的超馳交互跳閘命令；以及其中，僅當所述觸點兩端的電壓極性使得任何瞬時或浪湧電流都受到下列之一的限制時才使所述保護開關裝置的觸點閉合(a) 電源折返和穩定特性以及電源起動程序；和(b)減載和穩定特性。
14. 根據前述權利要求中的任一權利要求所述的系統，其中通 過電源折返和穩定特性的瞬時負載線函數和通過減載和穩定特性的 負載電流函數的變化率的限制來穩定分配電壓。
15. 根據權利要求13或權利要求14所述的系統，其中所述第一電力產生系統包括用於給所述第一業務分配系統供電的多個並聯 的電源，其中通過每個電源的電源折返和穩定特性的穩態下垂函數來協調所述多個電源的穩態電流分配，並且其中通過每個電源的電源折 返和穩定特性的瞬時負載線函數來協調所述多個電源的瞬時電流分 配。
16. 根據前述權利要求中的任一權利要求所述的系統，其中對所述第一電力產生系統的至少一個電源的輸出電壓和輸出電流進行調整，使得電流為單向；穩態輸出電壓是卸載總線電壓調整點和穩態下垂分量之和，所 述穩態下垂分量與負載電流成比例以便穩態輸出電壓與穩態負載線一致；與穩態加載點有關的瞬時負載電流變化使得輸出電壓跟隨瞬時 負載線，所述瞬時負載線的梯度小於穩態負載線的梯度； 穩態電流被限制為特定的水平；如果負載電流瞬時地超過穩態電流極限並接近但不超過一個特 定的瞬時電流極限水平，則輸出電壓將相對於穩態負載線瞬時地減 小，並且當穩態電流降低至穩態電流極限以下時，輸出電壓將恢復至 穩態負載線；如果負載電流連續地超過穩態電流極限或者超過所述特定的瞬 時電流極限水平，則應用折返來使得輸出電壓和輸出電流根據再生處 理而實質上降為零，並且輸出電壓和輸出電流保持實質為零直到負載 阻抗已經增大到超過一個特定的水平；和:如果負載阻抗增大到超過所述特定的水平，那麼負載電壓開始 部分恢復，然後斜向上升至一個期望的操作點。
17. 根據權利要求16所述的系統，其中根據一個時變斜坡率將 負載電壓斜向上升至所述期望的操作點，所述時變斜坡率被指定為使 得所述船舶配電和推進系統內的得到的電壓瞬變最小化。
18. 根據權利要求7至13中的任一權利要求所述的系統，其還 包括第二電力產生系統，第二電力產生系統包括用來向第二業務分配 系統供電的至少一個電源，所述第二業務分配系統包括至少一個直流分配母線，其用於運送分配電壓和分配電流，以及至少一個配電板，其包括具有觸點的保護開關； 其中所述分區配電系統的分區能量存儲器與所述第二業務分配 系統的至少一個配電板連接。
19. 根據權利要求18所述的系統，其還包括 第二推進驅動系統，其包括推進馬達和電力轉換器；以及第二推進電力產生系統，其用於向所述第二推進驅動系統供電， 所述第二推進電力產生系統包括發電機和電力轉換器。
20. 根據權利要求19所述的系統，其中所述第二推進電力產生系統的電力轉換器與所述第二推進驅動系統的電力轉換器連接。
21. 根據權利要求19或權利要求20所述的系統，其中所述第 二推進電力產生系統的電力轉換器與所述第二業務分配系統的至少 一個配電板連接。
22. 根據權利要求19至21中的任一權利要求所述的系統，其 中所述第二推進驅動系統的電力轉換器與所述第二業務分配系統的 至少一個配電板連接。
23. 根據權利要求19至22中的任一權利要求所述的系統，其 中所述第一推進電力產生系統的電力轉換器與所述第二推進驅動系 統的電力轉換器連接。
24. 根據權利要求19至23中的任一權利要求所述的系統，其 中所述第二推進電力產生系統的電力轉換器與所述第一推進驅動系 統的電力轉換器連接。
25. 根據權利要求19所述的系統，其中所述第一推進驅動系統具有三個電源輸入端，每個輸入端都是可選擇的，其中第一電源輸入端與所述第一推進電力產生系統連接，第二電源輸入端與所述第二推進電力產生系統連接，以及第三電源輸入端與所述第一業務分配系統 的至少一個配電板連接。
26. 根據權利要求25所述的系統，其中所述第二推進驅動系統 具有三個電源輸入端，每個輸入端都是可選擇的，其中第一電源輸入端與所述第一推進電力產生系統連接，第二電源輸入端與所述第二推 進電力產生系統連接，以及第三電源輸入端與所述第二業務分配系統 的至少一個配電板連接。
27. 根據權利要求25或權利要求26所述的系統，其中所述第 一推進電力產生系統具有第一和第二電源輸出端，每個電源輸出端都 是可選擇的，其中第一電源輸出端與所述第一推進驅動系統的第一電 源輸入端連接，並且第二電源輸出端與所述第二推進驅動系統的第一 電源輸入端連接。
28. 根據權利要求27所述的系統，其中所述第一推進電力產生 系統具有第三電源輸出端，該第三電源輸出端是可選擇的並與所述第一業務分配系統的至少一個配電板連接。
29. 根據權利要求25至28中的任一權利要求所述的系統，其 中所述第二推進電力產生系統具有第一和第二電源輸出端，每個電源 輸出端都是可選擇的，其中第一電源輸出端與所述第一推進驅動系統 的第二電源輸入端連接，第二電源輸出端與所述第二推進驅動系統的 第二電源輸入端連接。
30. 根據權利要求29所述的系統，其中所述第二推進電力產生 系統具有第三電源輸出端，該第三電源輸出端是可選擇的並且與所述第二業務分配系統的至少一個配電板連接。
31. 根據前述權利要求中的任一權利要求所述的系統，其中由 下述中的一個或多個通過所述至少一個配電板對所述第一業務分配 系統供電-所述第一電力產生系統；所述分區配電子系統的分區能量存儲器；在再生模式下操作的推進驅動系統；推進電力產生系統；和 遠程電源系統。
32. 根據前述權利要求中的任一權利要求所述的系統，其中所 述第一電力產生系統的至少一個電源是下述中的一個或多個柴油發電機；燃氣渦輪發電機；蒸汽渦輪發電機；組合循環燃氣和蒸汽渦輪發電機；閉式循環非通氣柴油發電機；電池；燃料電池；流通池；飛輪發電機；超電容器；和超導磁能存儲器。
33. 根據前述權利要求中的任一權利要求所述的系統，其中所 述第一推進驅動系統的推進馬達具有高溫超導繞組。
34. 根據前述權利要求中的任一權利要求所述的系統，其中用 於所述第一推進驅動系統的電力轉換器的電力電子設備與所述推進 馬達集成在一起。
35. 根據前述權利要求中的任一權利要求所述的系統，其中所 述第一推進驅動系統的推進馬達具有使用靜態電力電子設備的電子 換向器電路。
36. 根據前述權利要求中的任一權利要求所述的系統，其中所 述第一推進驅動系統的推進馬達被安裝在船舶的船體內。
37. 根據權利要求1至35中的任一權利要求所述的系統，其中所述第一推進驅動系統的推進馬達被安裝在船舶的船艙中。
38. 根據權利要求1至35中的任一權利要求所述的系統，其中 所述第一推進驅動系統的推進馬達被同軸地安裝在船舶的船體外部。
39. 根據前述權利要求中的任一權利要求所述的系統，其中所 述推進馬達包括轉子和定子，其中轉子同軸地位於定子的內部或外 部。
40. 根據前述權利要求中的任一權利姜求所述的系統，其中使 用超導電纜或母線來實現所述的至少一個直流分配母線。
41. 根據前述權利要求中的任一權利要求所述的系統，其中所 述第一推進電力產生系統的發電機具有高溫超導繞組。
42. 根據前述權利要求中的任一權利要求所述的系統，其中用 於所述第一推進電力產生系統的電力轉換器的電力電子設備與所述 發電機集成在一起。
43. 根據前述權利要求中的任一權利要求所述的系統，其中所 述第一推進電力產生系統的發電機具有使用靜態電力電子設備的電 子換向器電路。
全文摘要
本發明提供一種船舶配電和推進系統，可將其用於海軍船舶和潛艇。該配電和推進系統包括第一推進驅動系統，第一推進驅動系統包括具有超導(優選為高溫超導(HTS))轉子繞組的推進馬達(5)和電力轉換器(4)。第一推進電力產生系統給第一推進驅動系統供電並且包括發電機(2)，發電機(2)具有超導(優選為HTS)轉子繞組和電力轉換器(3)。第一電力產生系統包括用於給第一業務分配系統供電的電源(14)，第一業務分配系統包括直流分配母線(25)(有選擇地使用HTS電纜或母線來實現)，其用於運送分配電壓和分配電流；和配電板(16)，其包括帶有觸點的保護開關裝置。
文檔編號H02J1/00GK101519116SQ20091000191
公開日2009年9月2日 申請日期2009年1月7日 優先權日2008年1月7日
發明者克萊夫·劉易斯, 艾倫·戴維·克蘭 申請人:康弗蒂姆技術有限公司