電力配電系統及其方法

2023-06-17 11:50:46 3

專利名稱：電力配電系統及其方法
技術領域：
本發明涉及電力配電系統，尤其是在推進中和為了鑽探應用所使用的那些電力配電(power distribution)系統。
背景技術：
電力系統，例如在推進中使用的那些電力系統，把燃料燃燒驅動的原動機(prime mover)例如柴油內燃機作為主電力源。在傳統的柴油發動機(diesel engine)例如在船舶推進中使用的那些柴油發動機中，在發動機和驅動推進器的電動機(motor)之間存在直接連接。根據船舶的尺寸通常使用一個或者兩個這樣的發動機。這裡問題在於，這些發動機與船舶的速度無關地在恆定的旋轉速度下操作。因此，在低速度下，與實際輸出相比，能量消耗是高的，從而導致高水平的CO2排放、高能量消耗和高維護成本。另外，一個構件的故障可能非常經常地引起總體發動機損壞。在柴油-電動(diesel-electric)推進系統的情形中排除了以上問題。在這裡， 一個或者兩個大型主發動機可以被更多和更小的柴油發動機替代，每一個柴油發動機均連接到向主配電盤輸送電力的發電機，主配電盤是被斷路器(disconnector)或者匯流排(bus tie)分為二的AC配電母線(AC 交流)。主配電盤經由各個整流器和逆變器向多個推進器電動機供應電力。這種系統的優點是使用充足數目的、更小的柴油發動機，即，避免了一直使用所有的發動機。如果發動機怠速工作或者船舶以降低的速度移動，則連接僅僅一個發電機可以是足夠的，該發電機作為回報可以以最佳容量和效率操作。在另一方面，更高的電力需求可能要求高的速度和所有發電機的運行。這個靈活性給出了相當大的能量節約，同時確保了最佳輸出效果。然而，這種柴油電力系統遭受幾個缺陷。例如，是AC配電母線的主配電盤額定地用於高電流水平並且代表高成本元件。而且，為了最佳的操作，在每一條母線上至少一個發電機必須在操作中。這導致燃料消耗的顯著降低。在非關鍵性操作中，利用閉合的(closed) 匯流排的操作是可能的。在這些情形中，僅僅一個發電機可以在低負載下操作。然而，在需要更高容量的情形中，必須向主配電盤接通另一發電機。為此，必須跟隨正常的同步化過程，這增加了發電機組的起動時間。進而，在很多應用中，在故障情形中在發電機之間的選擇性是困難的。

發明內容
本發明的目的在於提供一種改進的電力配電系統。通過一種電力配電系統實現了以上目的，該電力配電系統包括 -多個發電機系統，每一個發電機系統均包括
-以旋轉方式耦合到原動機的交流發電機，其中，在所述原動機操作時，所述交流發電機產生交流輸出，以及
-整流器，直接地連接到所述交流發電機並且適於將所述交流發電機的所述交流輸出轉換成直流輸出，
-耦合到來自每一個整流器的直流輸出的直流配電母線，以及 -多個逆變器，適於從所述直流配電母線接收電力，每一個逆變器的輸出均適於驅動交流電動機。還通過一種用於電力配電的方法實現了以上目的，該方法包括
-將交流發電機耦合到原動機，其中，在所述原動機操作時，所述交流發電機產生交流輸出，
-將整流器直接地連接到所述交流發電機，所述整流器適於將所述交流發電機的所述交流輸出轉換成直流輸出，
-將來自每一個整流器的直流輸出耦合到直流配電母線，以及 -將多個逆變器連接到直流配電母線，每一個逆變器的輸出均適於驅動交流電動機。本發明的基本思想是將一個或者多個整流器直接地連接到每一個發電機。因此整流器被視為發電機系統的一部分。這個布置排除了對AC主配電盤的需要，如早先述及地， AC主配電盤是一種高成本元件。相反，本發明使用將無論如何是轉換器系統的一部分的DC 配電母線(DC 直流)。此外，因為整流器直接地連接到發電機，所以在起動時不需要同步，並且在更高電力要求的情形中，另外的發電機的快速連接是可能的。因為來自每一個發電機系統的輸出是DC電流，所以對在發電機的內部AC輸出上的固定頻率輸出的需要是多餘的。 因此在低負載條件下，可以降低原動機的速度(每分鐘的轉數)以便節約燃料成本。在一個實施例中，在所述發電機系統中的所述整流器是二極體整流器。在可替代的實施例中，在所述發電機系統中的所述整流器是可控矽(thyristor)整流器。可控矽整流器保證了軟起動器功能，因為它以受控方式對DC配電母線充電，從而在起動期間避免高電流峰值。在對在發生故障的情形中斷開發電機和在發生故障或者短路的情形中斷開負載進行過電流監視時，可控矽整流器是另外有利的。在本發明的一個實施例中，在所述發電機系統中的所述整流器是適於感測直流輸出的受控整流器，進一步地，其中所述整流器適於在所述配電母線過載或者短路的情形中被阻斷(block)以從所述發電機系統斷開所述直流配電母線。在進一步的實施例中，在所述發電機系統中的所述整流器適於在所述發電機發生故障的情形中從所述直流配電母線隔離(isolate)所述發電機。以上實施例提供具有增加的可靠性的、安全的電力配電系統。在再進一步的實施例中，每一個交流發電機均直接地連接到多個整流器，所述多個整流器中的每一個的直流輸出均耦合到多條直流配電母線，所述多條直流配電母線中的每一條均被電耦合到一個或者多個逆變器，所述一個或者多個逆變器中的每一個的輸出均適於驅動交流電動機。這個實施例允許每一個發電機到每一條DC配電母線上的靈活連接。 原則上，用於每一條必要的母線系統的一個整流器可以連接到每一個發電機，從而允許在發電機和DC配電母線之間的充分靈活性。在一種實現方式中，所提出的系統進一步包括被電耦合到所述直流配電母線的一個或者多個輔助電力逆變器，所述一個或者多個輔助電力逆變器適於向輔助電力消耗單元提供電力。在可替代的實施例中，所提出的系統進一步包括用於直接地從一個或者多個交流發電機的輸出向輔助電力消耗單元饋送電力的裝置。根據一種操作模式，連接到所述整流器的所述發電機的輸出負載通過控制該發電機的輸出電壓而受到控制。在這種模式中，對於該系統而言關鍵性的唯一發電機故障是過電壓。然而，這可以通過切斷激勵電壓而容易地受到控制。進一步的操作模式包括響應於該發電機的負載的降低而降低所述發電機的輸出頻率。這導致降低的燃料成本和降低的排放，因為發電機可以在最經濟的速度下操作。在示例性操作模式中，所述發電機被異步地起動。這降低了發電機的起動時間，因為不需要同步。這還使得在增加的負載要求的情形中將另外的發電機快速地連接到該系統成為可能。


在下文中參考附圖中示出的所圖示的實施例進一步描述了本發明，其中 圖1是根據本發明的一個實施例的電力配電系統的示意圖，
圖2是具有連接到每一個發電機的雙整流器(dual rectifier)的多母線電力配電系統的示意圖，
圖3是具有連接到DC母線的輔助電力逆變器的電力配電系統的示意圖，並且圖4是其中直接地從發電機的輸出向輔助電力消耗單元饋送電力的電力配電系統的示意圖。
具體實施例方式本發明提供用於將一個或者多個整流器直接地連接到每一個發電機的一種新穎的方案。因此整流器被視為發電機系統的一部分。如上所述，這種布置通過消除對額定用於高電流水平的AC主配電盤的需要而降低了成本。作為替代，本發明使用可以無論如何作為轉換器系統的一部分而需要的DC配電母線。將結合在下文中圖示的各種實施例來討論本發明的進一步的優點。可以在各種應用中(例如在推進系統或者鑽探系統中等等)實現在下文中描述的電力配電系統的實施例。參考圖1，電力配電系統10包括多個原動機單元13、15、17和19。在所圖示的實施例中，原動機13、15、17和19包括柴油發動機。然而，原動機可以可替代地包括任何其它種類的內燃機、氣輪機或者微型燃氣輪機等。柴油發動機13、15、17和19分別地以旋轉方式耦合到AC發電機20、22、對和26。在柴油發動機13、15、17和19中的一個或者多個的操作下，各個發電機20、22、M和沈分別地產生AC輸出38、40、42和44。根據本發明，發電機20、22、對和沈中的每一個均直接地連接到各個整流器觀、30、32和34，發電機和整流器一起地分別地形成發電機系統12、14、16和18的一部分。整流器觀、30、32和34將發電機 20、22、對和洸的AC輸出分別地轉換成DC輸出46、48、50和52。整流器沘、30、32和；34 的DC輸出46、48、50和52被輸送到DC配電母線36，DC配電母線36替代當前地在現有技術實施中使用的AC配電盤。DC配電母線可以被斷路器或者匯流排M分為二。從DC配電母線36，電力分別地經由逆變器56、58、60、62而被供應到一個或者多個AC電動機64、66、 68,70 (與發電機的數目無關)。在推進系統的情形中，這些電動機可以直接地耦合到推進器、方位推進器(azimuth thruster)等。在任何時間點操作的發電機系統的數目依賴於電力要求。例如，在低負載下，僅僅一個發電機系統可以是操作的。可以在更高電力要求的情形中激發(energize)另外的發電機系統。
因此，如能夠看到地，通過將一個或者多個整流器直接地連接到每一個發電機，排除了對AC主配電盤的需要。在優選的實施例中，整流器觀、30、32、34是可控矽整流器，但是還可以使用二極體整流器。以多種方式在發電機系統中使用可控矽整流器是有利的。首先，使用可控矽整流器提供軟起動器功能，其中，在發電機單元的起動期間，DC配電母線36 被以受控方式充電，從而在起動期間避免高電流峰值。連接到發電機的可控矽整流器還便於通過監視可控矽整流器的輸出電流(DC)而進行過電流監視。在短路電流超過閥值設定點水平的情形中，觸發脈衝將被暫時地阻斷，從而使得過載電流在大致10毫秒之後俘獲 (seize).,此後可控矽整流器將執行新的軟起動，以允許預設最大過載電流在永久關斷之前流動預設的時間。在這個時間期間，可能接著進一步的系統故障清除(clearance)。此外，所提出的、直接地連接到發電機的可控矽整流器的使用還提供更快的發電機起動。這是因為由於來自發電機系統的輸出是直流，所以在另外的發電機的起動期間不需要相位角的同步。因此，在發電機發生故障或者電力需求突然增加的情形中，可以通過起動柴油發動機、激發相應發電機並且釋放可控矽整流器而容易地起動另外的發電機。一旦發電機開始產生足夠高的輸出電壓，它將在無任何進一步的同步的情況下開始向負載饋電。因此與傳統的操作相比，起動時間被顯著降低。在發電機系統中使用可控矽整流器還保證了電力系統的增加的可靠性。例如，可控矽整流器防止將電力返回到發電機中。進而，可控矽整流器提供在發生故障的情形中發電機的斷開和在發生故障或者短路的情形中負載的斷開。所提出的布置排除了對斷路器的需要。而且，可控矽橋的使用提供容易的對缺陷性構件的探測和斷開。所提出的系統通過調節輸出電壓設定點而在發電機之間提供並行操作和負載共享。還能夠安裝電壓的下降(droop)控制，從而在總電壓控制故障的情形中確保每一個發電機的獨立性。這些特徵將依賴於總體系統布局和要求。在並行操作中，發動機每一個均可以在最經濟的速度下操作。發電機的輸出頻率是不重要的。在並行操作中在每一個發電機上的負載由輸出電壓控制。對於該系統而言關鍵性的唯一發電機故障是過電壓。然而， 這可以容易地通過切斷激勵電壓而受到控制。所提出的系統的另一個優點在於，發電機的恆定的速度和因此恆定的頻率不是必要的。在低負載操作中，發動機的速度可以被降低至低於正常速度。這將進一步降低燃料消耗並且因此降低排放。本發明還可以被擴展至多母線系統，其中每一個發電機系統均具有多個整流器， 每一個整流器均向多條DC配電母線之一輸送DC輸出。參考圖2，電力配電系統80被圖示為具有多個發電機82、84、86、88，每一個發電機均連接到雙整流器，優選地可控矽整流器。 要理解，每一個發電機均被合理地耦合到原動機(未示出)。系統80還包括兩條DC配電母線120和122。如所示那樣，發電機82連接到整流器90和92，其中整流器90的輸出106 被輸送到DC配電母線122，而整流器92的輸出108被輸送DC配電母線120。類似地，整流器94的輸出109、整流器98的輸出112和整流器102的輸出116被輸送到DC配電母線 122，而整流器96的輸出110、整流器100的輸出114和整流器104的輸出118被輸送到DC 配電母線120。DC配電母線122經由逆變器124和126向電動機132和1；34供應電力。DC 配電母線120經由逆變器1 和130向電動機136和138供應電力。所提出的多母線系統提供增強的安全性並且允許每一個發電機到每一條DC配電母線上的靈活連接。原則上用於每一個必要的母線系統的一個整流器可以連接到每一個發電機，從而允許在發電機和DC配電母線之間的充分靈活性。在以上圖示的實施例中，DC配電母線未被匯流排相互連接， 從而允許母線系統的更好隔離。在雙或者多母線系統的情形中，如果存在發電機故障或者電力需求突然增加，則可以從向另一母線饋電的一個或者多個發電機釋放整流器，從而使得(一個或者多個)發電機向需要更多電力的母線饋電。圖3和圖4圖示用於根據所提出的技術向輔助電力消耗單元提供電力供應的實施例。在圖3中，電力系統150包括被分別地連接到向DC配電母線160輸送DC電力的整流器156和158的發電機152和154 (未示出原動機)。輔助電力消耗單元164從連接到DC 配電母線160的一個或者多個輔助逆變器162接收電力。可替代地，可以直接地從一個或者多個發電機接收輔助電力。如在圖4中所示，電力系統170包括分別地連接到整流器176 和178的發電機172和174。在這裡，如所示那樣，電力直接地從發電機174饋送到輔助電力消耗單元180。然而，在此情形中，有必要以固定的速度操作發電機174。第三種替代是具有用於向輔助電力消耗單元饋送電力的專用發電機。至少對於起初的兩個實施例而言，濾波器的使用可以是有利的。總之，本發明涉及一種用於電力配電的系統和方法。所提出的系統包括多個發電機系統，每一個發電機系統均包括直接地連接到整流器的交流發電機。交流發電機以旋轉方式耦合到原動機，其中，在所述原動機操作時，所述交流發電機產生交流輸出。直接地連接到交流發電機的整流器適於將所述交流發電機的所述交流輸出轉換成直流輸出。直流配電母線耦合到來自每一個整流器的直流輸出。該系統進一步包括適於從所述直流配電母線接收電力的多個逆變器，每一個逆變器的輸出均適於驅動交流電動機。雖然已經參考具體實施例描述了本發明，但是該描述並非意在以限制性的意義理解。在參考本發明的說明時，所公開的實施例的各種修改以及本發明的可替代的實施例將對於本領域技術人員而言變得明顯。因此預期能夠在不偏離如所限定的本發明的精神或者範圍的情況下作出這種修改。
權利要求
1.一種電力配電系統(10、80、150、170)，包括-多個發電機系統(12、14、16、18)，每一個發電機系統均包括—以旋轉方式耦合到原動機(13、15、17、19)的交流發電機(20、22、24、洸)， 其中，在所述原動機(13、15、17、19)操作時，所述交流發電機(20、22、24、沈)產生交流輸出 (38、40、42、44)，被與所述多個發電機系統(12、14、16、18)中的其它發電機系統去同步並且具有可變發電機速度，以及-整流器(28、30、32、；34 )，直接地連接到所述交流發電機(20、22、24、26 )並且適於將所述交流發電機(20、22、24、沈)的所述交流輸出(38、40、42、44 )轉換成直流輸出 (46、48、50、52)，-直流配電母線(36)，耦合到來自每一個整流器(28、30、32、34)的直流輸出(46、48、 50,52),以及-多個逆變器(56、58、60、62)，適於從所述直流配電母線(36)接收電力，每一個逆變器 (56、58、60、62 )的輸出均適於驅動交流電動機(64、66、68、70 )。
2.根據權利要求1的系統(10)，其中所述發電機系統(12、14、16、18)中的所述整流器 (28、30、32、34)是可控矽整流器。
3.根據權利要求1的系統(10)，其中所述發電機系統(12、14、16、18)中的所述整流器 (28、30、32、34)是二極體整流器。
4.根據前面權利要求中任何一項的系統(10)，其中所述發電機系統(12、14、16、18) 中的所述整流器(28、30、32、34)是適於感測直流輸出(46、48、50、52)的受控整流器，進一步其中所述整流器(28、30、32、34)適於在所述配電母線(36)過載或者短路的情形中被阻斷以從所述發電機系統(12、14、16、18)斷開所述直流配電母線(36)。
5.根據前面權利要求中任何一項的系統(10)，其中所述發電機系統(12、14、16、18) 中的所述整流器(28、30、32、34)適於在所述發電機(20、22、24、沈)的故障的情形中從所述直流配電母線(36 )隔離所述發電機(20、22、24、沈)。
6.根據前面權利要求中任何一項的系統(80)，其中每一個交流發電機(82、84、86、 88)均直接地連接到多個整流器(90、92、94、96、98、100、102、104)，所述多個整流器(90、 92、94、96、98、100、102、104)中的每一個的直流輸出(106、108、109、110、112、114、116、 118)均耦合到多條直流配電母線(120、122)，所述多條直流配電母線(120、122)中的每一條均適於向一個或者多個逆變器(124、126、128、130)供應電力，所述一個或者多個逆變器 (124、126、128、130)中的每一個的輸出均適於驅動交流電動機(132、134、136、138)。
7.根據前面權利要求中任何一項的系統(150)，進一步包括電耦合到所述直流配電母線(160)的一個或者多個輔助電力逆變器(162)，所述一個或者多個輔助電力逆變器(162) 適於向輔助電力消耗單元(164)提供電力。
8.根據前面權利要求中任何一項的系統(170)，進一步包括用於直接地從一個或者多個交流發電機(178 )的輸出向輔助電力消耗單元(180 )饋送電力的裝置。
9.一種用於電力配電的方法，包括-將交流發電機(20、22、24J6)耦合到原動機(13、15、17、19)，其中，在所述原動機 (13、15、17、19)操作時，所述交流發電機(20、22、24、沈)產生交流輸出(38，40、42、44)，被與其它交流發電機(20、22、24、26)去同步並且具有可變發電機速度，-將整流器(28、30、32、34)直接地連接到所述交流發電機(20、22、24、沈)，所述整流器 (28、30、32、34)適於將所述交流發電機(20、22、24J6)的所述交流輸出(38、40、42、44)轉換成直流輸出(46、48、50、52)，-將來自每一個整流器(28、30、32、34)的直流輸出(46、48、50、52)耦合到直流配電母線(36)，以及-將多個逆變器(56、58、60、62)連接到直流配電母線(36)，每一個逆變器(56、58、60、 62 )的輸出均適於驅動交流電動機(64、66、68、70 )。
10.根據權利要求9的方法，包括通過控制連接到所述整流器(28、30、32、34)的所述發電機(20、22、24J6)的輸出電壓而控制該發電機(20、22、24、沈)的輸出負載。
11.根據權利要求9和10中任何一項的方法，包括響應於該發電機(20、22、24、沈)的負載的降低而降低所述發電機(20、22、24、沈)的輸出頻率。
12.根據權利要求9到11中任何一項的方法，包括異步地起動所述發電機(20、22、24、26)。
全文摘要
本發明涉及一種用於電力配電的系統(10)和方法。所提出的系統(10)包括多個發電機系統(12、14、16、18)，每一個發電機系統(12、14、16、18)均包括直接地連接到整流器(28、30、32、34)的交流發電機(20、22、24、26)。交流發電機(20、22、24、26)以旋轉方式耦合到原動機(13、15、17、19)，其中，在所述原動機(13、15、17、19)操作時，所述交流發電機(20、22、24、26)產生交流輸出(38、40、42、44)，被與所述多個發電機系統(12、14、16、18)中的其它發電機系統去同步並且具有可變發電機速度。直接地連接到交流發電機(20、22、24、26)的整流器(28、30、32、34)適於將所述交流發電機(20、22、24、26)的所述交流輸出(38、40、42、44)轉換成直流輸出(46、48、50、52)。直流配電母線(36)耦合到來自每一個整流器(28、30、32、34)的直流輸出(46、48、50、52)。系統(10)進一步包括適於從所述直流配電母線(36)接收電力的多個逆變器(56、58、60、62)，每一個逆變器(56、58、60、62)的輸出均適於驅動交流電動機(64、66、68、70)。
文檔編號H02P5/46GK102227870SQ200980147211
公開日2011年10月26日 申請日期2009年11月9日 優先權日2008年11月26日
發明者O·博 申請人:西門子公司