電力分配系統的製作方法

2023-09-14 22:56:00

專利名稱：電力分配系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電力分配系統，更加具體地說，涉及一種能夠 用於船舶電力和推進系統的"智能"電力分配系統。電力分配系統能夠使船舶電力和推進系統獲得最大的功率密度、效率和穩定性，並且 藉助於模塊化處理方案和標準接口而便於將來進行技術嵌入。
背景技術：
在利用全電力推進(FEP)的傳統船舶電力和推進系統中，故障 電流幅度-時間辨別用於允許保護開關裝置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。假定這種FEP 系統利用"電廠原理"，其中目的是使在任意特定的時間併入電網的 電力產生容量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系統的構成通常通過電力管理系統而被自動 化至一定的程度，所述電力管理系統以優先順序的方式授權減少負荷 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1所示。 一系列渦輪機T和柴油 機D被用於為單獨的發電機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，所述中壓交流母線系統裝備 有保護開關裝置。所述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。使用電力變換器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。所述MV交流母線系統被分割成第一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。所述第一和第二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l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變換器PC之間。保護開關裝置位於MV交流母 線和每個變壓器之間，所述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。在辨別等級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中斷故障電流(即，故障期間在F E P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共同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 的故障電流會發生寬泛變化，並且保護設備設置可能必須是連續可調 節的以保證故障辨別。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。中壓電力分配系統可能必須使用負載降壓變壓器和特殊化的絕緣 系統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依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(例如，柴油機D或渦輪機T)類型的極大影響，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，這種不一致通常會變成有問題的，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"。所有島壓點可被並行的連接起來以給出一個單島壓點結構(例 如，用於單引擎運行)，或者可被分開以提供冗餘和設備故障後的適度功能退化。個體島壓點之間的同步和負載轉移是複雜的，尤其是當 他們具有不同的諧波汙染度時和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，所述船舶業務分配系 統的電源通常是從PDS獲得的。保護辨別和電源品質通常被與從最大 發電機G向下延伸至最小電子負載的共同層級相關聯。必須提供手段 來使相對敏感的SSDS免受PDS中的相對健壯的電力和推進設備的潛 在有害影響。臨界電力載荷可能需要自身具有專用電力變換和能量存 儲設備的局部高完整度電源，以便維持所需的與PDS的去耦度。這些 局部電源通常被稱為區域性電源單元(ZPSU)，並且它們的能量存儲 通常被稱為區域性能量存儲(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。因為這是複雜的交流系統，所以能夠認識到很難抑止影響這種電力分配系統的雜 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。大多數傳統FEP系統分配中壓交流電流(MVAC)，同時還已知 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。另一個SSDS可使用變壓器隔離的連續脈衝寬度調製(PWM)電 壓源變換器(通常稱為MV/LV線路變換器)來從傳統的MVAC分配系 統獲得LVDC分配電壓。使用環形電路來分配LVDC，以便通過故障電 流額定的DCCB向ZPSU和其它電子負載提供冗餘。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打開 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，所述系統電壓是供電電壓源和感生電壓之和，所述供電電壓源引 起故障電流流動，所述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連接的應力部件是己知 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。已知通過對這種電力分配系統應用電 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一系列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減緩合成的電壓瞬變現象，並且在截斷故障 電流之後開啟電子觸點。線性調節器直流電源單元使用稱作"回流"的技術來限制短路
負載條件期間的調節器功率裝置耗散。回流系統典型的包括輸出電流 極限調節器，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，則電流極限調節器的初始動作將使輸出電壓減小，其後是再生 動作，所述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電力分配系統，其包括第一電力產生系統，包括至少一個電源，該電源用於給第一業 務分配系統供電，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；和至少一個配電板，其包括帶有觸點的保護開關裝置； 分區電力分配子系統，包括分區電源單元，用於給至少一個電子負載供電；和分區能量存儲器，其與所述第一業務分配系統的至少一個 配電板連接，用於給所述分區電源單元供電；其中根據電源回流和穩定特性曲線以及電源啟動特性曲線來調 整所述至少一個電源，並且其中根據減載(load shedding)和穩定 特性曲線來調整所述至少一個電子負載；其中只有當已經通過電源回流和穩定特性曲線與下列之一交互 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 關裝置的觸點打開(a)使一個過低的阻抗連接在分配電壓兩端的 故障；(b)在電力分配系統內自動產生的超馳交互跳閘命令；(c) 在電力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；和其中只有當所述觸點兩端的電壓極性使得任何瞬時或突入電流 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 源回流和穩定特性曲線以及電源起動程序；和(b)減載和穩定特性 曲線。
概括地，所述電力分配系統包括至少一個電源，其輸出電流被 整流或自然產生直流電流。優選的根據電源回流和穩定特性曲線通過 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。電源回流和穩定特性曲線還通過結 合穩態下垂度(droop)分量以便於在並聯的電源之間進行電流分配。 另外，電源回流和穩定特性曲線還通過結合適當的瞬時響應以便於設 立分配電壓，所述適當的瞬時響應被疊加在穩態下垂度分量上。當對電力分配系統應用低阻抗故障時，根據回流方法，所述至 少一個電源的動作最終將使故障電流中斷。在故障電流中斷進行的同 時，與相關於故障電流路徑的配電板中的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故障並確定保護開關裝置必須被打開。 一旦故障已經被中斷，則電子處理器確定有情況發生並指令保護開關 裝置(可選擇的為卸載型開關裝置)打開。可將許多電子負載與電力分配系統連接，並且所有這些電子負載根據特定的減載和穩定特性曲線通過快速作用裝置(類似例如電力轉換器)被電子地調整，所述特定的減載和穩定特性曲線以與所述至少一個電源的輸出電流的上述換向協調的方式除去負載電流。當打開保護開關裝置時，除去負載電流的結果是允許根據回流方法恢復所述 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子負載的再應用。所述減載和穩定特性曲線還會引起與將要疊加在電子 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的其它故障模式來啟動上面的方 法。優選的，所述方法的所有方面通過適當的裝置而是可編程的。所 述電力分配系統並不需要為了操作而在所述至少一個電源、保護開關 裝置和電子負載之間進行串行通信，因為分配的情報和有效的通信裝 置都是通過電力分配系統本身提供的。所述電力分配系統的所有部件 都能自動和自主的操作。然而，如果提供串行通信，那麼電力分配系 統就能受益於增加的情報和自動操作。可以為所有部件提供局部手動控制。通過電力分配系統，尤其是結合有分區能量存儲器的一個或多 個分區電力分配子系統來分配電力。這些分區能量存儲器本質上能夠 支持可逆的電力流。分區能量存儲器可以從第一業務分配系統充電以 便對與分區電源單元連接的電子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電力分配系 統供電以幫助設立分配電壓。優選的利用電力轉換器使所有電源的輸出適應適當的直流分配 電壓並提供故障電流極限。這允許更大的設計自由度和電力產生設備 的最佳化。所有電子負載優選的也可通過電力轉換器來調節，這會有 效的幫助設立分配電壓並限制故障電流和切換瞬時值。電力分配系 統，尤其是保護開關裝置只需要對其連續運行負載進行最佳化，因為 故障電流和切換瞬時值通過主動裝置被限制。所述電力分配系統優選的具有高度冗餘和可配置的布局以提供 適度退化。如果將電力分配系統用在海軍船舶或潛艇上，則這一點特 別重要，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。電力分配系統的穩定性意味著可提供高脈衝負載(類似例如動 能(KE)射彈和無人航空器(UAV)發射臺)。任何電子負載所汲取 的電力比率可被連續的調整以使效率最佳並且便於在單個島壓點和 多個島壓點之間的"無振"過渡。關於總安裝電力產生容量，分配電 壓可以低於傳統電力分配系統中的分配電壓，由此降低了絕緣要求並 且使電力密度最大化。所述電力分配系統的操作本質上是自動的，但也可以結合手動 倒退模式。所有關鍵部件優選的都是智能化的和自動操作的。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 壓並使它斜向上至剛好低於期望的輸出電壓。所述相關保護開關裝置 檢測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，通過電源回流和穩定特性來限制故障電
流。保護開關裝置通過參照其傳感器而快速定位和區分故障。如果故 障持續，則電源回流和穩定特性將使輸出電壓降低。所有電子減載或 回復至分區能量存儲器。保護開關裝置在檢測到其是安全的來打開受 影響的輸出。當消除故障時，所有其它電子負載擺脫或已經回復至分 區能量存儲器，輸出電壓根據電源回流和穩定特性恢復，並且減載和 穩定特性被消除。所述電力分配系統還可包括一個第二電力產生系統，其包括用 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。所述分區電力 分配系統的分區能量存儲器可與所述第二業務分配系統的至少一個 配電板連接。以這種方式，可從第一業務分配系統和/或第二業務分 配系統給分區能量存儲器補給。在電力分配系統形成船舶電力和推進系統的一部分的情況下， 那麼它還可以包括第一推進驅動系統；第二推進驅動系統；第一推 進電力產生系統，包括至少一個電源；和第二推進電力產生系統，包 括至少一個電源。所述第一和第二推進驅動系統中的每一個可以包括 一個由推進馬達驅動的螺旋槳，所述推進馬達的電力流通過電力轉換 器來調整。所述第一和第二推進電力產生系統中的每一個可包括一個 原動機(類似例如，渦輪機)，其用於驅動發電機給電力轉換器供電。所述第一推進驅動系統優選的具有三個電源輸入端，每個輸入 端是可選擇的(例如，藉助於手動連接的線路或其它適當絕緣的裝置 的系統)。所述第一電源輸入端可與第一推進電力產生系統連接，所 述第二電源輸入端可與第二推進電力產生系統連接，以及所述第三電 源輸入端可與所述第一業務分配產生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 果在再生模式下操作第一推進驅動系統，那麼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，藉助於手動連接的線路或其它適當絕緣的裝 置的系統)。所述第一電源輸入端可與第一推進電力產生系統連接， 所述第二電源輸入端可與第二推進電力產生系統連接，並且所述第三 電源輸入端可與所述第二業務電力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，那麼還能用於給第二業務 分配系統供電。如果所述第一和第二業務分配系統的配電板被互連或交叉鏈 接，那麼還能在電力分配系統的兩側之間提供進一步的冗餘。所述第一推進電力產生系統優選的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(例如，藉助於手動連接的線路或 其它適當絕緣的裝置的系統)。所述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的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(例如，藉助於手動連接的線路或 其它適當絕緣的裝置的系統)。所述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，所述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，那麼還可以給第二業務分配系統供電。
所述電力分配系統可以被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；所述分區電力分配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的是下述中的一個 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；閉合循環(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。優選的，所述第一電力產生系統的至少一個電源通過一個電力 轉換器與所述第一業務分配系統的至少一個配電板連接。所述分區電力分配子系統的分區能量存儲器還優選的通過一個 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。在上述 兩種情況中，所述電力轉換器優選的是脈寬調製直流/直流轉換器。當電力從第一業務分配系統流到分區電力分配子系統的分區能 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 力從分區電力分配子系統的分區能量存儲器流到第一業務分配系統 中時，所述直流/直流轉換器被極化為降壓斷路器。優選的，所述第一電力產生系統的至少一個電源的輸出電壓和 輸出電流被調整使得電流是單向的。進一步的調整使得穩態輸出 電壓可以是卸載總線電壓調整點和穩態下垂度分量之和，所述穩態下 垂度與負載電流成比例使得穩態輸出電壓與穩態負載線一致。關於穩 態加載點的瞬時負載電流變化優選地使得輸出電壓沿瞬時負載線而 行，所述瞬時負載線的梯度小於穩態負載線的梯度。穩態電流優選的 被限制為特定的水平。如果負載電流瞬時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，則輸出電壓將關於穩態負載線 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，則優選的應用回流使得輸出電壓和輸出電流根據再 生處理而降為零，並且輸出電壓和電流保持為零直到負載阻抗已經增 加超過一個特定的水平。如果負載阻抗增加超過所述特定的水平，那 麼負載電壓初始地部分恢復，然後優選的斜向上升至一個期望的操作 佔。八、、o可根據一個時間變化斜坡率將負載電壓斜向上升至所述期望的 操作點，所述時間變化斜坡率被指定為使得電力分配系統內的總電壓 瞬時值最小化。優選的通過電源回流和穩定特性曲線的瞬時負載線函數和通過 限制減載和穩定特性曲線的負載電流函數的變化率而使分配電壓穩 定。所述第一電力產生系統可包括用於給第一業務分配系統供電的 多個並聯電源。在這種情況下，所述多個電源的穩態電流分配可通過 每個電源的電源回流和穩定特性曲線的穩態下垂度函數而被協調。所 述多個電源的瞬時電流分配可通過每個電源的電源回流和穩定特性 曲線的瞬時負載線函數而被協調。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的與所述分配母線連接。所述 至少一個開關裝置優選的通過一個電子控制系統來控制，所述電子控 制系統包括電子處理器，在全部分配母線、輸入母線和輸出母線上的 電流傳感器，全部分配母線、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。所述 電子控制系統還可以包括局部操作者接口和遙控接口。本發明還提供一種控制電力分配系統的方法，所述電力分配系統包括第一電力產生系統，包括至少一個電源，該電源用於給第一業 務分配系統供電，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；和至少一個配電板，其包括帶有觸點的保護開關裝置；22
分區電子分配子系統，包括分區電源單元，用於給至少一個電子負載供電；和 與所述第一業務分配系統的至少一個配電板連接的分區能 量存儲器，用於給所述分區電源單元供電；所述方法包括步驟根據電源回流和穩定特性曲線以及電源啟動特性曲線來調整所 述至少一個電源；和根據減載和穩定特性曲線來調整所述至少一個電子負載；其中只有當已經通過電源回流和穩定特性曲線與下列之一交互 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打開(a)使一個過低的阻抗連接在分配電壓兩端的 故障；(b)在電力分配系統內自動產生的超馳交互跳閘命令；(c) 在電力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；和其中只有當所述觸點兩端的電壓極性使得任何瞬時或突入電流 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 源回流和穩定特性曲線以及電源起動程序；和(b)減載和穩定特性 曲線。優選的，通過電源回流和穩定特性曲線的瞬時負載線函數和通 過限制減載和穩定特性曲線的負載電流函數的變化率來使分配電壓 穩定。所述電力分配系統優選的具有電源起動程序，其中 所述電源回流和穩定特性曲線的卸載總線電壓調整點初始被設 置為零；所述第一電力產生系統的至少一個電源通過檢測下述之一來檢 測開始供電的需要(a)從第一業務分配系統的至少一個配電板的 關閉獲得的分配電壓的存在情況；(b)在電力分配系統內自動產生 的超馳開始命令；(c)在電力分配系統內手動產生的超馳開始命令； 和(d)遠程產生的超馳開始命令；一旦檢測到需要開始供電，則起動所述至少一個電源，並且所
述電源回流和穩定特性曲線的卸載總線電壓調整點被斜向上升至一 個期望的操作點。可根據一個時間變化斜坡率將負載電壓斜向上升至所述期望的 操作點，所述時間變化斜坡率根據所述至少一個電源的動態容量和允 許所述至少一個電源在電力分配系統中漸進地提供漸增比例的總負 載電流的需要而被指定以使電力分配系統內的總電壓瞬時值最小化。所述減載和穩定特性曲線優選的包括下列根據電流極限調整負 載電流以使得負載電流被允許達到任何期望的值但總是服從超馳調 節器功能的步驟限制從分配電壓瞬時值得到的負載電流變化率；和阻止將使負載電流超過所述電流極限的任何動作；並且其中電流極限可上調至電流極限的一個特定值並且不會超過它； 當電源電壓超過減載閾值時被保持恆定；隨著電源電壓被降低至減載閾值以下並處在絕對最小加載電壓以上的任何供電電壓水平時而漸進地減小；當電源電壓小於絕對最小加載電壓時被設置為零； 當電源電壓從小於絕對最小加載電壓的值增加並上升至一個特定的值時被設置為零；和隨著電源電壓的增加而漸進地提高。可通過任何方便的裝置對所述電源回流和穩定特性曲線、減載 和穩定特性曲線以及電源起動程序的所有參數進行編程。優選的，在電力分配系統中發生低阻抗故障的情形下，所述電 力分配系統具有一個過電流保護程序，所述過電流保護程序包括下列 步驟在電力分配系統內定位低阻抗故障；通過應用電源回流和穩定特性曲線來限制故障電流和分配電壓；通過應用減載和穩定特性曲線來限制負載電流； 檢測負載電流中斷；
打開保護開關裝置的觸點；等待通過打開保護開關裝置的觸點而引發的分配電壓的部分恢復；等待通過應用電源回流和穩定特性曲線而引發的分配電壓的全 部恢復；和等待通過應用減載和穩定特性曲線所引發的負載電流的重新應用。優選的，所述電力分配系統具有一個通用保護或電力管理程序， 所述程序包括下列步驟檢測故障條件或任何要求打開保護開關裝置的觸點的電力管理 條件的設立；產生超馳交互跳閘命令；通過應用電源回流和穩定特性曲線來限制分配電壓；通過應用減載和穩定特性曲線來限制負載電流；檢測負載電流中斷；打開保護開關裝置的觸點；等待通過打開保護開關裝置的觸點而引發的分配電壓的部分恢復；等待通過應用電源回流和穩定特性曲線而引發的分配電壓的全 部恢復；等待通過應用減載和穩定特性曲線所引發的負載電流的重新應用。所述分區電力分配子系統的分區能量存儲器可從第一業務分配 系統接收電力，或者向其供電。優選的，出於下述目的對電力進行調 整對分區能量存儲器進行再充電；對分區電力分配子系統的分區電 源供電；對第一業務分配系統供電；提供大型能量存儲器；用於任意 目的的連續供電；短暫供電以幫助穩定分配電壓；短暫供電以支持具 有差的瞬時響應的其它電源；在分區能量存儲器和第一業務分配系統 之間提供隔離以在第一業務分配系統發生故障時允許分區電源單獨 操作；或者當分區能量存儲器或分區電源發生故障時，允許第一業務
分配系統獨立於分區能量存儲器操作。


圖1為利用全電力推進(FEP)的傳統船舶電力和推進系統的示意圖；圖2為根據本發明的電力分配系統的示意圖；圖3為表示形成圖2的電力分配系統的一部分的電源的輸出電 壓對輸出電流特性曲線的示圖；圖4為表示形成圖2的電力分配系統的一部分的電子負載的負 載電流對供電電壓特性曲線的示圖；圖5為形成圖2的電力分配系統的一部分的保護開關裝置的示意圖；圖6為表示形成圖2的電力分配系統的一部分的電源的輸出電 壓對輸出電流特性曲線的示圖，其中示出了不完全減載的效果。
具體實施方式
雖然下述說明涉及一種用於海洋應用的電力分配系統，並且特 別涉及一種非常適用於海軍船舶和潛艇的電力分配系統，但將很容易 理解可將類似的布局技術和控制方法用於其它類型的電力分配系統， 例如基於地面或基於航空器的系統。現在將參照圖2說明根據本發明的電力分配系統的基本布局。 應該理解圖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)包括驅動發電機2給輸出轉換 器3供電的渦輪機1。類似的，所述PPGS包括驅動發電機11給輸出 轉換器12供電的發電機11。第一推進驅動系統(PDS)包括由推進 馬達5驅動的螺旋槳6，所述推進馬達5的功率流通過推進轉換器4 來調整。類似的，第二PDS包括由推進馬達8驅動的螺旋槳9，所述 推進馬達8的功率流通過推進轉換器7來調整。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，所有這種端子都具有將在下面更詳細說明的連接配置。 可使用任意數量不同的部件來實現發電機2和11，並且其選擇 通常將受原動機類型的影響。例如，對於傳統的氣體渦輪機來說，可 通過Boughton Road, Rugby, Warwickshire, CD21 1BU， United Kingdom 的Converteam公司(此後稱為"Converteam")提供的實心磁極同 步發電機的雙極渦輪列來實現所述發電機。對於更高速度的渦輪機， 可使用由Converteam提供的Motor Grand Vitesse (感應發電機變 體)來實現發電機。最後，對於較低速度的渦輪機和柴油機，可使用 Converteam提供的凸極式同步發電機的ALPHA、 BETA和GAMMA系列 來實現所述發電機。可使用Converteam提供的脈寬調製(P麗)電壓源反相器的 VDM2500、 MV7000和MV3000系列來實現推進轉換器4和7。可使用Converteam提供的先進感應馬達來實現推進馬達5和8。第一船舶業務電力產生系統(SSPGS)包括驅動發電機14給輸 出轉換器15供電的柴油機13。類似的，第二 SSPGS包括驅動發電機 18給輸出轉換器19供電的柴油機17。多個分區電力分配子系統每個 都包括一個分區電源單元(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 分區電力分配子系統，但實際上可以使用更多或更少的分區電力分配 子系統。可使用Converteam提供的凸極式同步發電機的ALPHA、 BETA和 GA醒A系列來實現發電機14和18。可使用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。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， 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 的，第二 SSDS包括直流分配母線30、 32和34，其間插入有配電板 20、 31和33。在圖2中，第一和第二 SSDS每個都包括三個配電板， 該數量與所示出的分區電力分配子系統的數量相關，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。 電力分配系統的各個部件如下所述的互連推進轉換器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。類似的，配邊板26、 28、 31和33與附加的分區電力分配子系統連接。類似的，配電板28和33通過交叉線路40連接。 將容易理解術語"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，如果推進馬達5將是在再生模式下 操作，則電力將從推進轉換器4的第三輸入端至配電板16的第一輸 出端流過互連線路42。現在將參照圖3說明在短路或低阻抗中流動的電流被截斷的處 理。為了該說明，考慮故障發生在直流/直流轉換器21內。可獲得的 負載電流在包括柴油機13的電源的故障和保護動作之前流動，考慮 發電機14和輸出轉換器15來中斷故障。然而，應該注意下述說明可 同樣應用於可在電力分配系統中的任何地方發生的故障和通向電力 分配系統的任何電源。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 源的輸出電壓對可變輸出電流的特性曲線。通過傳統的調速器來控制 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。通過根據圖3所示的回流和穩定特性曲線的調節 器(未示出)來調整輸出轉換器15;該特性曲線基本上不依賴於傳 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的目的，但可編程數字調節器將是優選類型。對輸出轉換器15的調節器提供卸載總線電壓調整點("調整 點")，並且所述回流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 的，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度而下 降。所述穩態下垂度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。輸出電流受快速作用的超馳瞬時電流限制，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限度。負載電流也受穩 態電流限制，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回流特性曲線的梯度以下，那 麼就應用回流。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，該相依性使輸出電流和輸出電壓再生減小。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。然後應用回流並且 假定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，所述實際的回流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。如果該開關裝置被打開並且能夠截斷所述較小、非零電 平，那麼倘若沒有其它負載，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回流特 性曲線的梯度的阻抗，所以回流的再生動作被釋放，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回流特性曲線的梯度的阻抗，則將不釋放 回流。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 操作時，當分配電壓減小至低於正常工作水平以便允許釋放回流時， 對於它們來說需要擺脫負載。本發明的回流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，由此就不需要利用通過使用複雜30 弧控制裝置來阻止直流電的傳統開關裝置。回流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更詳細的說明所述相關的負載減小和穩定特性 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，同時通過包括螺旋槳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。在包括柴油機13、發電機14 和輸出轉換器15的電源的故障和保護動作之前流動的可變負載電流 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 率情況適用於解釋負載擺脫和穩定特性曲線的目的。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。(電源電壓的減小被與負載電流的增加相關聯以保持恆定功率。) 己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，並且推進負載功率被與電源電 壓成比例的減小。如果將電源電壓減小至低於負載減小閾值，那麼就 假定施加負載減小，並且負載電流從己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 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電力分配系統明顯不 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 釋放電力源回流。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他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(即在最小 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"。 熟悉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的電力分配布局中，可常規的調用直流/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ZES22充電和/或給ZPSU23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ZES22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回流和穩定特性曲線。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，利用圖3中 所示的回流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 不會遭受突入電流或者要求電源具有正常與交流電分配系統相關的 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，而圖1中使用的是非單線格式。配電板16、 26、 28、 30、 31和33的功能性與普通處理一致，並且將在沒有詳細 參照任何特定配電板內的確切電路的情況下來說明該普通的功能性。 特定配電板的詳細電路與圖5中所示的普通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的普通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 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 夠使用戶隔離電力分配系統的各個部分，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。為了該說明的目的，認為電力端111和112與電源連接，而電 力端109和IIO與負載連接。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幵關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。只要在回流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。 一旦回流己經 變成再生的，故障電流已經被中斷並且分配電壓已經衰減為近似零， 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，已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回流特性曲線可使用，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專用於這種分別和與端 子112和lll連接的電源和與端子110和109連接的負載通信。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 會使其回流特性曲線受影響，並且必須通過接收超馳交互跳閘信號來
啟動回流。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，其將使電力分配系統中 的所有電源交互跳閘。還應該理解開關119和120不可虛假的打開和 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電力分配系統可併入許多這種類型的 配電板。所述電力分配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所述的回流和穩定特性曲線並 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，釋放回流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
1.一種電力分配系統，包括第一電力產生系統，包括至少一個電源，該電源用於給第一業務分配系統供電，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；和至少一個配電板，其包括帶有觸點的保護開關裝置；分區電力分配子系統，包括分區電源單元，用於給至少一個電子負載供電；和分區能量存儲器，其與所述第一業務分配系統的至少一個配電板連接，用於給所述分區電源單元供電；其中根據電源回流和穩定特性曲線以及電源啟動特性曲線來調整所述至少一個電源，並且其中根據減載和穩定特性曲線來調整所述至少一個電子負載；其中只有當已經通過電源回流和穩定特性曲線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打開(a)使一個過低的阻抗連接在分配電壓兩端的故障；(b)在電力分配系統內自動產生的超馳交互跳閘命令；(c)在電力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；和其中只有當所述觸點兩端的電壓極性使得任何瞬時或突入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)電源回流和穩定特性曲線以及電源起動程序；和(b)減載和穩定特性曲線。
2. 根據權利要求l所述的電力分配系統，還包括一個第二電力 產生系統，其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； 其中所述分區電力分配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。
3. 根據權利要求2所述的電力分配系統，還包括 第一推進驅動系統；第二推進驅動系統；第一推進電力產生系統，包括至少一個電源；和 第二推進電力產生系統，包括至少一個電源；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 是可選擇的，所述第一電源輸入端與第一推進電力產生系統連接，所 述第二電源輸入端與第二推進電力產生系統連接，以及所述第三電源 輸入端與所述第一業務分配產生系統的至少一個配電板連接。
4. 根據權利要求3所述的電力分配系統，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，其中所述第一電源輸入端與第一推進電力產生系統連接， 所述第二電源輸入端與第二推進電力產生系統連接，並且所述第三電 源輸入端與所述第二業務電力分配系統的至少一個配電板連接。
5. 根據權利要求3或4所述的電力分配系統，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，其中所述第一電源輸出端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與所述第二推進驅動系統的第一電源 輸入端連接。
6. 根據權利要求5所述的電力分配系統，其中所述第一推進電 力產生系統具有一個第三電源輸出端，其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。
7. 根據權利要求3到6中的任何一個所述的電力分配系統，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，其中所述第一電源輸出端與第一推進驅動系統 的第二電源輸入端連接，所述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。
8. 根據權利要求7所述的電力分配系統，其中所述第二推進電 力產生系統具有一個第三電源輸出端，其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。
9. 根據任何一個前述權利要求所述的電力分配系統，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；所述分區電力分配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。
10. 根據任何一個前述權利要求所述的電力分配系統，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； 閉合循環(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；和超導磁能存儲器。
11. 根據任何一個前述權利要求所述的電力分配系統，其中所 述第一電力產生系統的至少一個電源通過一個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所述的電力分配系統，其中所述電力轉換 器是脈寬調製直流/直流轉換器。
13. 根據任何一個前述權利要求所述的電力分配系統，其中所 述分區電力分配子系統的分區能量存儲器通過一個電力轉換器與所 述第一業務分配系統的至少一個配電板連接。
14. 根據權利要求13所述的電力分配系統，其中所述電力轉換器是脈寬調製直流/直流轉換器。
15. 根據權利要求14所述的電力分配系統，其中當電力從第一 業務分配系統流到分區電力分配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，而當電力從分區電力分配子 系統的分區能量存儲器流到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。
16. 根據任何一個前述權利要求所述的電力分配系統，其中所 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被調整使得電流是單向的；穩態輸出電壓是卸載總線電壓調整點和穩態下垂度分量之和， 所述穩態下垂度與負載電流成比例使得穩態輸出電壓與穩態負載線 一致；關於穩態加載點的瞬時負載電流變化使得輸出電壓沿瞬時負載線而行，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，則輸出電壓將關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，則應用回流使得輸出電壓和輸出電流根據再生處理而降為零，並且輸出電壓和電流保持為零直到負載阻抗己經增加超過一個特定的水平；和如果負載阻抗增加超過所述特定的水平，那麼負載電壓初始地部分恢復，然後斜向上升至一個期望的操作點。
17. 根據權利要求16所述的電力分配系統，其中根據一個時間變化斜坡率將負載電壓斜向上升至所述期望的操作點，所述時間變化 斜坡率被指定為使得電力分配系統內的總電壓瞬時值最小化。
18. 根據任何一個前述權利要求所述的電力分配系統，其中通 過電源回流和穩定特性曲線的瞬時負載線函數和通過減載和穩定特 性曲線的負載電流函數的變化率的限制而使分配電壓穩定。
19. 根據任何一個前述權利要求所述的電力分配系統，其中所述第一電力產生系統包括用於給第一業務分配系統供電的多個並聯 電源，其中所述多個電源的穩態電流分配通過每個電源的電源回流和穩定特性曲線的穩態下垂度函數而被協調，並且其中所述多個電源的 瞬時電流分配通過每個電源的電源回流和穩定特性曲線的瞬時負載 線函數而被協調。
20. —種控制電力分配系統的方法，所述電力分配系統包括 第一電力產生系統，包括至少一個電源，該電源用於給第一業務分配系統供電，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；和至少一個配電板，其包括帶有觸點的保護開關裝置；分區電子分配子系統，包括.-分區電源單元，用於給至少一個電子負載供電；和 與所述第一業務分配系統的至少一個配電板連接的分區能 量存儲器，用於給所述分區電源單元供電；所述方法包括步驟根據電源回流和穩定特性曲線以及電源啟動特性曲線來調整所 述至少一個電源；和根據減載和穩定特性曲線來調整所述至少一個電子負載；其中只有當已經通過電源回流和穩定特性曲線與下列之一交互 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 關裝置的觸點打開(a)使一個過低的阻抗連接在分配電壓兩端的 故障；(b)在電力分配系統內自動產生的超馳交互跳閘命令；(C) 在電力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；和其中只有當所述觸點兩端的電壓極性使得任何瞬時或突入電流 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 源回流和穩定特性曲線以及電源起動程序；和(b)減載和穩定特性 曲線。
21.根據權利要求20所述的方法，還包括下列步驟調整所述 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使得 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度分量之和， 所述穩態下垂度與負載電流成比例使得穩態輸出電壓與穩態負載線 一致；關於穩態加載點的瞬時負載電流變化使得輸出電壓沿瞬時負載 線而行，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，則輸出電壓將關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，則應用回流使得輸出電壓和輸出電流根據再生處理而 降為零，並且輸出電壓和輸出電流保持為零直到負載阻抗已經增加超 過一個特定的水平；和如果負載阻抗增加超過所述特定的水平，那麼負載電壓初始地 部分恢復，然後斜向上升至一個期望的操作點。
22. 根據權利要求21所述的方法，其中根據一個時間變化斜坡 率將負載電壓斜向上升至所述期望的操作點，所述時間變化斜坡率被 指定為使得電力分配系統內的總電壓瞬時值最小化。
23. 根據權利要求21或22所述的方法，其中所述電源回流和 穩定特性曲線的所有參數都是可編程的。
24. 根據權利要求20至23中的任何一個所述的方法，其中通 過電源回流和穩定特性曲線的瞬時負載線函數和通過限制減載和穩 定特性曲線的負載電流函數的變化率而使分配電壓穩定。
25. 根據權利要求20至24中的任何一個所述的方法，其中所 述第一電力產生系統包括用於給第一業務分配系統供電的多個並聯 電源，其中所述多個電源的穩態電流分配通過每個電源的電源回流和 穩定特性曲線的穩態下垂度函數而被協調，並且其中所述多個電源的 瞬時電流分配通過每個電源的電源回流和穩定特性曲線的瞬時負載 線函數而被協調。
26. 根據權利要求20至25中的任何一個所述的方法，其中所述電力分配系統具有電源起動程序，其中所述電源回流和穩定特性曲線的卸載總線電壓調整點初始被設 置為零；所述第一電力產生系統的至少一個電源通過檢測下述之一來檢 測開始供電的需要(a)從第一業務分配系統的至少一個配電板的 關閉獲得的分配電壓的存在情況；(b)在電力分配系統內自動產生 的超馳開始命令；(c)在電力分配系統內手動產生的超馳開始命令； 和(d)遠程產生的超馳開始命令；一旦檢測到需要開始供電，則起動所述至少一個電源，並且所 述電源回流和穩定特性曲線的卸載總線電壓調整點被斜向上升至一 個期望的操作點。
27. 根據權利要求26所述的方法，其中根據一個時間變化斜坡 率將負載電壓斜向上升至所述期望的操作點，所述時間變化斜坡率根 據所述至少一個電源的動態容量和允許所述至少一個電源在電力分 配系統中漸進地提供漸增比例的總負載電流的需要而被指定以使電 力分配系統內的總電壓瞬時值最小化。
28. 根據權利要求26或27所述的方法，其中所述電源起動程 序的所有參數都是可編程的。
29. 根據權利要求20至28中的任何一個所述的方法，其中所 述減載和穩定特性曲線包括下列根據電流極限調整負載電流的步驟， 以使得負載電流被允許達到任何期望的值但總是服從超馳調節器功 能，所述步驟包括限制從分配電壓瞬時值得到的負載電流變化率；和阻止將使負載電流超過所述電流極限的任何動作；並且其中電流極限可上調至電流極限的一個特定值並且不會超過它； 當電源電壓超過減載閾值時被保持恆定； 隨著電源電壓被降低至減載閾值以下並處在絕對最小加載電壓 以上的任何供電電壓水平時而漸進地減小；當電源電壓小於絕對最小加載電壓時被設置為零；當電源電壓從小於絕對最小加載電壓的值增加並上升至一個特 定的值時被設置為零；和隨著電源電壓的增加而漸進地提高。
30. 根據權利要求29所述的方法，其中所述減載和穩定特性曲 線的所有參數都是可編程的。
31. 根據權利要求20至30中的任何一個所述的方法，其中在 電力分配系統中發生低阻抗故障的情形下，所述電力分配系統具有一 個過電流保護程序，所述過電流保護程序包括下列步驟在電力分配系統內定位低阻抗故障；通過應用電源回流和穩定特性曲線來限制故障電流和分配電壓；通過應用減載和穩定特性曲線來限制負載電流；檢測故障中斷；打開保護開關裝置的觸點；等待通過打開保護開關裝置得觸點而引發的分配電壓的部分恢復；等待通過應用電源回流和穩定特性曲線而引發的分配電壓的全 部恢復；等待通過應用減載和穩定特性曲線所引發的負載電流的重新應用。
32. 根據權利要求20至31中的任何一個所述的方法，其中所 述電力分配系統具有一個通用保護或電力管理程序，所述程序包括下 列步驟檢測故障條件或任何要求打開保護開關裝置的觸點的電力管理 條件的設立；產生超馳交互跳閘命令；通過應用電源回流和穩定特性曲線來限制分配電壓；通過應用減載和穩定特性曲線來限制負載電流；檢測負載電流中斷；打開保護開關裝置的觸點；等待通過打開保護開關裝置的觸點而引發的分配電壓的部分恢復；等待通過應用電源回流和穩定特性曲線而引發的分配電壓的全 部恢復；和等待通過應用減載和穩定特性曲線所引發的負載電流的重新應用。
33.根據權利要求20至32中的任何一個所述的方法，其中所 述分區電力分配子系統的分區能量存儲器從第一業務分配系統接收 電力，或者向其供電，出於下述目的對電力進行調整對分區能量存儲器進行再充電；對分區電力分配子系統的分區電源供電；對第一業務分配系統供電；提供大型能量存儲器-,用於任意目的的連續供電；短暫供電以幫助穩定分配電壓 ，短暫供電以支持具有差的瞬時響應的其它電源-，在分區能量存儲器和第一分配系統之間提供隔離以在第一業務 分配系統發生故障時允許分區電源單獨操作；或者當分區能量存儲器或分區電源發生故障時，允許第一業務分配 系統獨立於分區能量存儲器操作。
全文摘要
本發明提供一種能夠用在海軍船舶和潛艇的電力分配系統。所述電力分配系統包括第一電力產生系統，包括至少一個電源(13、14、15)，用於給第一業務分配系統供電。所述第一業務分配系統包括至少一個直流分配母線(25)，用於運送分配電壓和分配電流；和至少一個配電板(16)，其包括帶有觸點的保護開關裝置。還提供有一個分區電力分配子系統，其包括分區電源單元(23)，用於給至少一個電子負載供電；和與所述第一業務分配系統的至少一個配電板(16)連接的分區能量存儲器(22)，用於給所述分區電源單元(23)供電。根據電源回流和穩定特性曲線以及電源啟動特性曲線來調整所述至少一個電源(13、14、15)。根據減載和穩定特性曲線來調整所述至少一個電子負載。
文檔編號H02J1/00GK101165988SQ20071016317
公開日2008年4月23日 申請日期2007年10月16日 優先權日2006年10月16日
發明者艾倫·戴維·克蘭 申請人:康弗蒂姆有限公司