配電系統的制作方法【專利摘要】本發明提供了一種配電系統，該配電系統不依賴于固定頻率并因此允許原動機通常響應于負荷需求以不同速度運行，使得燃油油耗和/或有害廢氣排放被降到最低。船舶配電和推進系統可以包括適于傳送可變頻率交流配電電壓的交流母線。多個交流發電機連接到母線，每個交流發電機具有相關聯的原動機，例如，柴油機、渦輪等。功率管理控制器適于參照交流母線上的電負荷改變原動機的旋轉速度，使得發電機在配電系統的正常操作期間提供可變頻率輸出。這樣的操作將與具有固定頻率的傳統配電系統形成對照。【專利說明】配電系統【
技術領域：
】[0001]本發明涉及配電系統，具體地，涉及被設計來根據負荷需求以可變系統頻率操作的配電系統。本發明可以可選地被實現為在任何合適的船舶船只(民用或軍用)中可以安裝的船舶配電和推進系統。【
背景技術：
】[0002]配電系統是公知的。在圖1中示出的船舶配電和推進系統的典型布置中，多個交流發電機GP"G4向傳送配電電壓(例如690V)的母線或配電板2供應交流功率。每個發電機GP..G4耦合到原動機，例如柴油機DP.DL[0003]電力推進電機ML...M4借助插入式功率轉換器4連接到母線2。推進電機ΜΡ..Μ4可以具有任何合適的類型和結構并且可以可選地被配置來驅動螺槳軸(propellershaft)或其他推進系統，例如推進器。[0004]在某些布置中，則可以使用有源前端(AFE)功率轉換器。AFE功率轉換器通常包括:第一有源整流器/逆變器6和第二有源整流器/逆變器8，第一有源整流器/逆變器6具有與母線2連接的交流端子；第二有源整流器/逆變器8具有與推進電機ΜΡ..Μ4連接的交流端子。第一有源整流器/逆變器6和第二有源整流器/逆變器8的直流端子通過直流鏈路10連接在一起。諧波濾波器12通常連接到第一有源整流器/逆變器6(即，在網絡側)的交流端子，以確保消除諧波電壓和電流。AFE功率轉換器可以(例如)被實現為由GE能量功率轉換英國有限公司(Boughton路,拉格比鎮,英國)(GEEnergyPowerConversionUKLtdofBoughtonRoad,Rugby,UnitedKingdom)供應的MV3000轉換器。[0005]在正常操作下，第一有源整流器/逆變器6將作為有源整流器操作以向直流鏈路10供電并且第二有源整流器/逆變器8將作為逆變器操作以向相關聯的推進電機ΜΡ..Μ4供電。然而，在特定情況下(例如在推進電機ΜΡ..Μ4再生制動)時，反向操作可以是可能的。[0006]有源整流器/逆變器6、8每個都將通常具有合適的拓撲，其中使用脈寬調制(PWM)策略完全控制和調整半導體功率開關器件。[0007]母線2可以裝配有具有斷路器和相關聯的控件的保護性開關設備。母線2將通常被劃分成通過連接線(tie)14互連的一對母線部分2a、2b(例如，左舷和右舷)。配電系統的實際布置將通常取決于對于船舶船只尤為重要的冗余度(redundancy)。[0008]發電機GP"G4和功率轉換器4可以通過斷路器16、18和相關聯的控件或其他開關部件連接到母線2。[0009]傳統的配電系統可以取決于發電和配電要求具有任何合適數量和類型的發電機和任何合適的母線結構。[0010]在傳統的配電系統中，母線2傳送固定頻率(通常，50或60Hz)的配電電壓。每個發電機GP"G4的輸出電壓的頻率由其軸轉速(shaftspeed)決定并且必須被柴油機DL...D4保持于配電系統的額定頻率。例如，如果四極發電機的輸出電壓分別要具有50或60Hz的頻率以匹配特定的系統頻率，則四極發電機必須被保持在1500rpm或1800rpm。[0011]更一般地，可以使用下面的公式確定針對給定系統頻率的原動機的旋轉速度(并且進而確定該原動機耦合的發電機的轉子的旋轉速度):[0012]N=120XF/P(EQl)[0013]其中:[0014]N是原動機的旋轉速度(或軸轉速)，單位為rpm,[0015]F是系統頻率，單位為Hz，并且[0016]P是發電機的極數量。[0017]因此，將容易理解的是，還可以依據頻率控制功能考慮任何控制原動機旋轉速度的功能，反之亦然。[0018]參照圖2和圖3，每個柴油機DP"D4通常設置有電子速度控制器20(通常被稱為調速器(governor)),用于調整其旋轉速度。通過控制柴油機的燃料輸送系統(例如,通過打開和關閉燃料齒條致動器22或通過改變共軌柴油機上的氣流/噴射器占空比)，速度控制器20響應于檢測到的軸轉速的變化來自動改變柴油機的輸出力矩。[0019]隨著對母線2的負荷需要的改變，對發電機GP"G4的機械力矩要求將相應改變。如下面更詳細描述的，每個發電機GP"G4的軸轉速受到監控并且速度信號與速度參考值或設定值進行比較。相關聯的速度控制器20檢測與速度參考值的任何偏離并且可以相應控制燃料輸送系統22。例如，如果第一發電機Gl的軸轉速降低，則可以輸送更多燃料，使得相關聯的柴油機Dl的輸出力矩增大，以滿足所需的負荷力矩或反之亦然，從而將軸轉速(并且進而將發電機輸出電壓的頻率)恢復到額定值。每個速度控制器20可以因此被視為閉環調整器。[0020]如果只有單個發電機連接到大型供應網絡(例如電網(例如，所謂的“無限網絡”))并且由于高負荷需求導致系統頻率降低，則速度控制器(處于其基本形式)將僅僅增大其速度參考值，以嘗試將系統頻率恢復到額定值。實際上，系統頻率不受發電機影響并且速度控制器將僅僅達到其最大設定值并且發電機將很可能產生超負荷的失誤。如果由于負荷需求降低而導致系統頻率增大，則燃料輸送系統將很可能降低到零。[0021]當兩個或更多個發電機連接來彼此并行操作時，出現同一情形。在這種情況下，系統特性將介于無限網絡和單個連接的發電機之間。[0022]為了使發電機GP"G4能夠穩定地并行操作，每個速度控制器20包括減速控制功能，該功能的效果是隨著有功功率(kW)或負荷的增大來減小速度參考值,或反之亦然。通過以此方式操作，可以在并聯連接的發電機之間或者用無限網絡實現穩定的負荷分擔(stableloadsharing)。憑借將負荷信號轉換成有功功率反饋信號kWf的母線2中的換能器(transducer),由相關聯的速度控制器20監控每個發電機Gl…G4產生的有功功率。為了針對給定的有功功率改變相關聯的柴油機的軸轉速，由控制器K將有功功率反饋信號kWf轉換成速度信號，然后從初始速度誤差信號δNI(即，直接從軸轉速推導出的速度反饋信號Nf和由功率管理控制器24施加的速度參考值或設定值Ns之差一參見以下內容)中減去速度信號。具體地，速度控制器20使用所得的第二速度誤差信號δΝ2作為速度參考值來控制柴油機的燃料輸送系統22。[0023]常規減速值是3_5%，這意味著，因發電機負荷從零增大到額定負荷，軸轉速將下降介于3-5%之間。憑借控制器中的內部增益K，在速度控制器20設定所應用的減小量。[0024]圖4示出減速控制可以如何應用于單個發電機，其中，速度參考值的增大造成發電機速度對應地增大且反之亦然，并且其中隨著負荷增大，發電機速度下降，或反之亦然。注意的是，如以上簡要提到的，減速(％)=IOOX(無負荷速度-滿負荷速度)/無負荷速度。圖5示出具有相同速度參考值和減速控制的兩個并聯連接的發電機A和B將如何同等地負擔負荷(PA=PB=1/2AB)。這兩個發電機被鎖定在同步狀態并且它們的速度因此相同。共同速度N(并且進而系統頻率)處于兩條減速線的相交點。最后，圖6示出改變并聯連接的發電機之一的速度參考值的效果。發電機B的速度參考值的增大將造成其速度從N增大至N’，其中發電機B負擔較大份額的負荷(P’B)并且發電機A負擔較小份額的負荷(AP’)。可以通過同時減小發電機A和B的速度參考值，將系統頻率恢復回額定值。[0025]功率管理控制器(或功率管理系統(PMS))24可以用于協調柴油機DP..D4的操作，并且具體地，調節速度參考值Ns以確保發電機GP"G4采用與它們的輸出(或“銘牌(nameplate)”)額定值成比例的等量有功功率。[0026]通過確保發電機GP"G4帶有同等負荷，允許功率管理控制器24應用啟動/停止控制功能，在啟動/停止控制功能中，發電機與母線2連接或斷開連接以滿足改變負荷需要。例如，如果所連接的發電機中的任一個上的負荷超過其輸出額定值的預定閾值(例如，90%)，則功率管理控制器24可以開始啟動一個或更多個額外發電機并且將它們連接到母線(即，讓它們聯機(on-line))。如果所連接的發電機中的任一個上的負荷落到其輸出額定值的預定閾值(例如，30%)之下，則功率管理控制器24還可以開始將一個或更多個發電機斷開連接和停機(shutdown)。就船舶配電和推進系統而言，可以參照船舶船只的整體功率要求(例如，其預期目的或職責)來確定閾值，但是任何配電系統應該確保保持備用容量的足夠余量-以其他方式被稱為“運轉備用(spinningreserve)”。這樣允許配電系統滿足負荷需求的任何陡增，并且防止響應于在正常操作期間可能出現的負荷需求的微小變化而不必要地啟動和停止發電機。[0027]功率管理控制器24可以包括發電機專用控制功能(B卩，應用于各個發電機或其相關聯的原動機的那些控制功能)和應用于所有發電機的公共控制功能。在圖2和圖3中，發電機專用控制功能被聚集在發電機專用控制器26中，而公共控制功能被聚集在公共控制器28中。[0028]將容易理解的是，公共控制功能包括上述的啟動/停止控制功能連同其他功能，例如，在超負荷狀況等下自動去除或除去不必要的負荷。然而，為了清晰起見，在圖3中只針對單個發電機Gl及其相關聯的柴油機Dl示出負荷分擔控制功能和操作者控制功能。[0029]負荷分擔控制功能使用指示聯機發電機的數量、其kW額定值、其實際負荷的信息數據來確定總系統負荷連同配電系統的其他操作參數，例如，操作母線部分的數量和斷路器的打開/關閉狀態(“CB狀態”)或保護性開關設備的打開/關閉狀態。該信息數據被提供到負荷分擔功能塊30，負荷分擔功能塊30基于配電系統結構來計算有功功率(kW)參考值或設定值kWs和無功功率(kVAr)參考值或設定值(在圖2和圖3中未示出)。有功功率和無功功率參考值被分配用于功率管理控制器24的發電機專用控制器26。[0030]操作者控制功能使用來自人機界面(HMI)的數據，人機界面可以是工作站32的形式并且允許操作者改變配電系統的操作參數，例如，手動啟動或停止、使發電機同步或斷開連接、修改電壓和頻率參考值或設定值等。圖3中示出的操作者控制功能是頻率控制功能，允許操作者修改系統頻率。頻率參考值Fs正常被設定成50或60Hz，即等于相關聯的發電機的額定速度——參見以上的等式EQl——并且只在配電系統的起動期間或者在由于機器性能降低(例如，瞬態負荷性能的降低)而導致需要改變系統頻率的極端情況下發生改變。頻率反饋信號Ff在發電機輸出處獲得并且被簡單一階濾波器34過濾以去除噪聲并且被移動平均濾波器36求平均。將操作者設定的頻率參考值Fs與平均的頻率反饋信號Ffav進行比較并且將所得的頻率誤差信號Sf施加到通常被設定為約0.2Hz的死區功能塊(deadbandfunctionblock)38。死區功能塊38的輸出是頻率控制信號δΠ，頻率控制信號δΠ被分配用于功率管理控制器24的發電機專用控制器26。[0031]現在，將描述發電機專用控制功能。盡管圖3只示出第一發電機Gl的發電機專用控制器，但將容易理解的是，對應的控制功能將針對剩余發電機G2…G4中的每個來提供并且將使用如圖2中所示的各個發電機的輸出處獲得的反饋信號。[0032]有功功率反饋信號kWf是在各個發電機的輸出處獲得的并且被簡單一階濾波器40過濾以去除噪聲并且被移動平均濾波器42求平均。(將容易理解的是，對有功功率kWf和頻率反饋信號Ff求平均是重要的，因為這樣允許忽略瞬態值)。[0033]平均的有功功率反饋信號kWfav與功能塊30提供的有功功率參考值kWs進行比較，并且將所得的有功功率誤差信號Skff施加到功能塊44，功能塊44參照速度控制器20的減速特性(ekw)將誤差信號轉換成第二頻率誤差信號Sf2。對第一頻率誤差信號δΠ和第二頻率誤差信號Sf2進行求和，以得到組合頻率誤差信號Sfc,在功能塊46中將組合頻率誤差信號δfc乘以速度控制器20的減速特性(ekw)以將其轉換成有功功率誤差信號。應當注意，第一頻率誤差信號δfl還被分配到其他發電機專用控制器26，以確保實現所需的系統頻率，而不影響并聯連接的發電機GP"G4之間的kW負荷平衡。[0034]然后，將來自功能塊46的功功率誤差信號在被功能塊50轉換成升速或減速命令信號之前施加到死區功能塊48。這些命令信號被提供到各個柴油機的速度控制器20，該速度控制器20包括圖3中示出的內斜坡函數R，內斜坡函數R將數字脈沖轉換成模擬速度參考值或設定值Ns。應當注意，來自每個發電機專用控制器26的升速或減速命令信號的持續時間匹配速度控制器20的加速或減速速率，而速度控制器20的加速或減速速率本身匹配各自柴油機的實際加速或減速速率。這樣確保了柴油機的實際速度和功率控制(出于保持各個發電機的正確有功功率負荷分擔的目的)以及跨公共母線或配電板的頻率控制，從而使速度控制器的減速效應失效。[0035]如圖7中所示，固定速度柴油機的效有率隨著負荷而改變。更具體地，負荷越高，柴油機的具體燃油消耗(SFOC)(或任何其他類型的原動機的對應量度)越低。這突出了傳統功率管理控制器中特有的弱點，即，因連接額外發電機來滿足增大的負荷要求，聯機發電機的操作效率降低，從而配電系統的整體效率降低。[0036]圖7還示出對于特定操作負荷存在用于將燃油消耗降到最低的最佳速度設定。極端的例子將是在20%的負荷下以100%的額定速度運行柴油機。在這種情形下，SFOC將在270g/kffh的范圍內。因對于相同負荷以50%的額定速度運行柴油機，SFOC將減少至約230g/kWh——從而導致燃油消耗減少15%。SFOC的減少還對應于對環境有害的廢氣(如氮氧化物(N0X)、二氧化碳(CO2))和與燃燒過程相關的其他污染物的減少。然而，在以固定額定頻率操作的傳統配電系統的正常操作期間，這樣的減速是不可能的。[0037]因此，可見需要更有效的配電系統。【
發明內容】[0038]本發明提供了一種配電系統，該配電系統不依賴于固定頻率并因此允許原動機(一個或多個)通常響應于負荷需求以不同速度運行，使得燃料消耗和/或有害廢氣排放被降到最低。[0039]更具體地，所述配電系統包括:[0040]交流母線，其適于傳送可變頻率交流配電電壓；[0041]交流發電機，其連接到所述交流母線并且具有相關聯的原動機(例如，柴油機、渦輪等)；以及[0042]功率管理控制器，其適于參照所述交流母線上的電負荷改變所述原動機的旋轉速度，使得所述交流發電機在所述配電系統的正常操作期間提供可變頻率輸出。[0043]本發明還提供了一種操作配電系統的方法，所述配電系統包括適于傳送可變頻率交流配電電壓的交流母線和與所述交流母線連接并且具有相關聯的原動機的交流發電機(例如，柴油機、渦輪等)；[0044]所述方法包括以下步驟:[0045]參照所述交流母線上的電負荷改變所述原動機的旋轉速度，使得所述交流發電機在所述配電系統的正常操作期間提供可變頻率輸出。[0046]以下闡述配電系統及其操作方法的進一步細節。[0047]根據發電和配電要求，配電系統可以具有任何合適數量和類型的發電機和相關聯的原動機以及任何合適的母線結構。母線可以裝配有具有斷路器和相關聯的控件的保護性開關設備。母線可以被劃分成母線部分。[0048]配電系統可以傳送任何合適的配電電壓，例如，440V和15kV之間的配電電壓。[0049]如以上提到的，將容易理解的是，通過控制原動機的速度，也控制相關聯的發電機的輸出頻率，相關聯的發電機的輸出頻率實際上必須匹配交流配電電壓的頻率(即，系統頻率)。因此還可以憑借功率管理控制器表達本發明，該功率管理控制器被調適來參照母線或配電板上的電負荷改變系統頻率。如以下更詳細描述的，如果母線上的負荷改變，則選擇新的系統頻率并且由功率管理控制器自動改變每個原動機的速度，使得相關聯的發電機的輸出電壓的頻率匹配新的系統頻率。與其中母線傳送固定頻率配電電壓的傳統配電系統完全不同，本發明的配電系統的每個發電機在正常操作期間提供可變頻率輸出。重要的是要強調，在本發明中，在功率管理系統的控制下發生的每個原動機速度的自動變化是其額定速度的變化，而不只是可能由于其他操作因素引起的瞬態速度變化。[0050]每個原動機可以具有速度控制器，速度控制器基于速度參考值或設定值控制其旋轉速度。功率管理控制器可以因此通過調節或改變其速度參考值來確定原動機的速度(并且進而確定相關聯的發電機的輸出頻率)。[0051]功率管理控制器可以用與以上參照傳統配電系統描述的方式類似的方式，調節每個速度控制器所使用的速度參考值，但是預期將能夠在更廣的范圍內調節或改變每個原動機的速度。例如，大多數傳統速度控制器將具有額定速度的±10%的速度調節范圍，對于固定頻率應用，該速度調節范圍用于將系統頻率恢復回額定值，即，用于使在相關聯的發電機加負荷時將出現的減速效應失效。這在圖4、圖5和圖6中示出。就本發明而言，每個速度控制器將通常在更廣的速度范圍(例如，在額定速度的-25%和+10%之間)內操作。為了升高或降低速度參考值或設定值，與依賴傳統升速或減速命令信號相反地，通過實現額外速度輸入到每個速度控制器，甚至更廣的速度范圍或許也是可能的。如上所述，這種升速或減速命令信號通常是從功率管理控制器提供到每個速度控制器的數字脈沖并且按通常形成速度控制器的部分的諧波函數被轉換成模擬速度參考值或設定值。[0052]如果兩個或更多個發電機并聯連接到母線，則功率管理控制器可以具有兩種控制功能，即，速度控制功能和可選的負荷分擔功能。[0053]速度控制功能用于基于母線上的電負荷選擇并保持每個原動機的速度，并且進而選擇并保持相關聯的發電機的輸出頻率。換句話說，由功率管理控制器響應于檢測到的負荷需求的改變來自動變化每個原動機的速度。如上所述，這還可以憑借頻率控制功能來表達。[0054]如果兩個或更多個發電機并聯連接到母線，則相關聯的原動機將以相同速度運行，使得每個發電機的輸出電壓的頻率是相同的并且匹配系統頻率。在具有并聯連接的發電機的這種布置中，功率管理控制器的負荷分擔功能用于針對所選速度確定發電機之間的負荷分擔。可以針對所選速度參照每個原動機的額定值，確定負荷分擔。[0055]功率管理控制器通常將只控制與母線連接的發電機(即，聯機的發電機)的原動機的速度。這通常是發電機自動同步器在開始關閉相關聯的斷路器之前將發電機輸出的電壓、速度以及進而相位匹配供電網絡的責任。自動同步器可以是母線或配電板的標準組件形成部分。[0056]速度控制功能可以使用負荷分布(loadprofile)(例如，使輸出功率與速度或頻率相關的分布)選擇每個原動機的速度。配電系統的每個原動機的負荷分布可以被儲存在功率管理控制器內。[0057]功率管理控制器將通常把每個原動機的速度保持為盡可能的低，以最大化效率，例如，將具體燃油消耗(SFOC)降到最低，同時滿足電流負荷需求并且保持合適的運轉備用。如果需要額外的發電能力來滿足增大的負荷需求，則只要增大每個原動機的速度。[0058]控制每個原動機的速度來滿足變化的負荷需求意味著，配電系統不再以固定頻率操作。任何與母線連接的電負荷必須因此被調適來以可變頻率配電電壓操作。每個電負荷可以通過居間的功率轉換器(可選地，有源前端(AFE)功率轉換器)連接到母線。就船舶推進和配電而言，電負荷可以是具有任何合適類型和結構的推進電機并且可以可選地被配置用于驅動螺旋軸。配電系統可以具有任何合適數量的推進電機或其他電負荷。[0059]通常，將優選的是，每個電負荷和任何相關聯的功率轉換器將在可能的情況下使用傳統的功率系統組件。這可能包括電子配電板，根據配電板的特定應用，特別針對固定頻率操作(例如，50或60Hz)確定配電板的額定值。為了保持任何功率系統組件在它們設計的額定值內，可能必要的是，將每個原動機的速度限制于特定極限內。例如，如果配電系統使用傳統的功率系統組件，則功率管理控制器可以利用額定系統頻率的75%-110%的頻率范圍。對于船舶配電和推進系統，穩態和瞬態操作狀況下的額定頻率的分別95%-105%和90%-110%的可能頻率范圍可能是合適的。每個原動機的速度的即使小的變化可以提供配電系統整體效率的有益提高。母線或配電板和相關聯的斷路器通常針對50或60Hz的操作被確定額定值，所以在60Hz系統上以50Hz操作實現了操作頻率降低17%，而不用考慮母線組件的任何重新確定額定值。[0060]每個發電機和功率轉換器可以通過斷路器和相關聯的控件或其他開關部件連接到母線。[0061]通常只有當穩態負荷已經保持預定時間段(例如，2分鐘)時，功率管理控制器才會改變每個原動機的速度。這確保了功率管理控制器對于系統負荷改變時可能出現的任何瞬態速度改變不敏感。可以由每個原動機的速度控制器的閉環速度控制功能而不由功率管理控制器校正任何瞬態速度改變。當功率管理控制器沒有請求每個原動機的速度改變時，它被加速或減速成新選擇的速度。對于每個原動機，緩變率(ramprate)可以是相同的。柴油機的典型緩變率是約l%rpm/s并且在實現本發明所需的更廣速度范圍內該緩變率是一致的。功率管理控制器通常將(例如)憑借傳統的升速或減速命令信號向每個速度控制器提供新的速度參考值或設定值，并且隨后在發出任何后續的升速或減速命令信號之前，將針對每個原動機等待預定時間段，以實現新的速度。[0062]功率管理控制器可以在速度改變時顧及每個原動機的慣性。例如，按照計算，功率管理控制器發出的升速或減速命令信號可以限于額定速度的約5%的最大典型值。在功率管理控制器內通常將能夠配置對于一組升速或減速命令信號的最大頻率變化，以適應配電系統的整體設計。[0063]如果負荷需求增加，則功率管理控制器可以針對每個原動機選擇更高速度以滿足增大的負荷需求，或者反之亦然。功率管理控制器的負荷分擔功能可以基于新選擇的速度確定負荷分擔。換句話說，每當功率管理控制器改變每個原動機的速度時，可以選擇各個發電機負荷分擔參考值。將容易理解的是，這些負荷分擔參考值通常將只在存在兩個或更多個具有不同負荷分布的發電機聯機時才改變。[0064]如果無法通過提高所連接或聯機的發電機(一個或多個)的速度來滿足增大的負荷要求，則功率管理控制器可以開始啟動一個或更多個額外發電機并且將它們連接到母線。換句話說，功率管理控制器還可以包括傳統的啟動/停止控制功能。一旦任何額外的發電機聯機并且已經連接到母線，則功率管理控制器就可以(如果必要的話)改變每個原動機的速度。例如，一個或更多個額外發電機的連接可以允許通過以較低速度操作每個原動機來滿足增大的負荷需求。[0065]功率管理控制器還可以開始一個或更多個聯機發電機的去負荷(un-loading)、斷開連接和停機。一旦任何發電機已經與母線斷開連接，功率管理控制器就可以(如果必要的話)改變每個原動機的速度以滿足當前負荷需求并且保持所需的運轉備用。例如，一個或更多個發電機的斷開連接可能要求通過以較高速度操作剩余的原動機(一個或多個)來滿足負荷需求。將容易理解的是，因為一個或更多個發電機已經停機，所以即使剩余的原動機(一個或多個)必須以較高速度(并且進而具有較高的燃油消耗)操作，配電系統的整體效率也仍然被降到最低。[0066]通常，與母線連接的所有發電機將被配置用于啟動并且在聯機之前達到它們各自的額定速度。只有當發電機正確連接到配電系統時，才將應用功率管理系統的控制功能并且選擇所需的速度。[0067]在特定情形下，功率管理控制器可以將每個原動機保持在其當前速度，即使當前負荷將允許降低速度。例如，如果減速操作導致配電電壓低于額定電壓水平，則可以要求功率轉換器以超過其功率電子器件的電流額定值的負荷操作。功率轉換器將因此處于電流極限并且將通過功率管理控制器請求升壓以滿足功率要求。功率管理控制器可以使用來自功率轉換器的升壓請求信號來增大配電電壓，使得功率轉換器可以按所需的較高負荷操作。如果從兩個或更多個功率轉換器接收到升壓請求信號，則當確定應該如何改變或調節每個原動機的速度時，功率管理控制器將通常使用最高的升壓請求值。AFE功率轉換器的重要益處在于，直流鏈電壓(linkvoltage)(S卩，第一和第二有源整流器/逆變器之間的直流鏈中的電壓)以及進而負荷側的輸出電壓可以被升壓(如果需要的話)以滿足負荷要求，前提是輸入至功率轉換器的輸入電流沒有超過其額定值。即使配電系統以減小的配電電壓操作，也是這樣的。[0068]AFE功率轉換器可以使每個發電機能夠以恒定通量操作，而不管相關聯的原動機的速度如何。這意味著，標準的發電機設計可以與本發明的配電系統一起使用。通過以恒定通量操作，每個發電機的輸出電壓將與相關聯的原動機的速度成比例地減小，以確保發電機轉子中的安阻數(ampereturn)保持恒定。[0069]每個發電機將通常具有可以適于恒定通量(v/f)控制的相關聯的自動電壓調節器(AVR)。這確保了，每個發電機的輸出電壓與速度成比例地減小。[0070]每個AVR可以按下降控制進行操作，使得相關聯的發電機的輸出電壓具有與發電機上的無功(kVA)負荷成比例的下降特性(通常，2%)。這確保了發電機之間的無功負荷分擔。[0071]傳統的功率管理控制器將通常包括電壓控制功能。然而，因為由于相關聯的原動機的所選速度變化將導致在配電系統的正常操作期間每個發電機的輸出電壓改變，所以不需要傳統的電壓控制功能。功率管理控制器將只負責用于確定每個發電機的無功負荷分擔參考值。無功負荷分擔控制功能將類似于以上針對速度控制器描述的傳統負荷分擔控制功能。然而，功率管理系統將使用母線或配電板中的傳感器(transducer)監控無功功率(與有功功率相對)并且將通過相關聯的AVR控制每個發電機(一個或多個)的激勵(excitation)。[0072]功率管理控制器可以在功率因素恒定的情況下基于其操作速度和輸出電壓，確定每個發電機的無功負荷，并且進而確定無功kVA能力。[0073]配電系統可以包括適于可變頻率操作的電子開關設備。[0074]配電系統可以包括適于傳送固定頻率交流配電電壓的第二交流母線。這確保了，傳統的配電設備(例如，泵、電機、扇等以及在合適情況下的船舶船只服務)可以連接到配電系統。第一和第二交流母線可以通過至少一個功率轉換器和可選的變壓器(例如，降壓變壓器)連接在一起。換句話說，可以憑借插入的功率轉換器，從第一交流母線傳送的可變頻率交流配電電壓推導出固定頻率交流配電電壓。每個功率轉換器可以是適于提供固定頻率輸出并額定用于配電設備的AFE功率轉換器。【專利附圖】【附圖說明】[0075]圖1是示出傳統船舶配電和推進系統的示意圖；[0076]圖2是示出用于傳統船舶配電和推進系統的功率管理控制器的示意圖；[0077]圖3是示出圖2的功率管理控制器的控制功能的示意圖；[0078]圖4是示出單個發電機的減速特性的示圖；[0079]圖5是示出以相同速度參考值或設定值并行操作的兩個發電機的減速特性的示圖；[0080]圖6是示出以不同速度參考值或設定值并行操作的兩個發電機的減速特性的示圖；[0081]圖7是示出柴油機的典型專用燃油消耗(SFOC)的曲線圖；[0082]圖8是示出根據本發明的船舶配電和推進系統的示意圖；[0083]圖9是示出有源前端(AFE)功率轉換器如何向本發明的功率管理控制器發出升壓請求信號的示意圖；[0084]圖10是示出圖9的功率管理控制器的控制功能的示意圖；[0085]圖11是示出固定頻率系統的SFOC和可變頻率系統的SFOC的比較的曲線圖；[0086]圖12是示出固定頻率系統的總燃料消耗和可變頻率系統的總燃料消耗的比較的曲線圖。【具體實施方式】[0087]在圖8中示出根據本發明的船舶配電和推進系統100。盡管下面的說明集中于用于船舶船只的系統，但將容易理解的是，可以用類似方式實現其他配電系統。[0088]整體的船舶配電和推進系統100類似于圖1中示出的船舶配電和推進系統,并且將理解的是，可以使用任何合適數量和類型的交流發電機、推進電機等。相似的組件被賦予相同的標號或參考數字。[0089]多個交流發電機GP"G4向傳送可變頻率配電電壓(例如，690V，但是可以使用其他系統電壓)的母線52提供交流功率。發電機GP"G4與柴油機DP"D4相關聯，但是可以使用其他類型的原動機。[0090]電子推進電機ML...M4和母線52憑借插入式有源前端(AFE)功率轉換器4連接。推進電機ΜΡ..Μ4可以具有任何合適的類型和結構并且可以可選地被配置用于驅動螺旋軸或其他推進系統，例如推進器。在可供選擇的配電系統中，其他電負荷可以連接到AFE功率轉換器。[0091]如上面結合圖1的船舶配電和推進系統所描述的那樣配置每個AFE功率轉換器4。[0092]母線52被裝配有具有斷路器和相關聯的控件的保護性開關設備。母線52被劃分成通過連接線14互連的一對母線部分52a、52b(例如，左舷和右舷)。配電系統的實際布置將通常取決于對于船舶船只尤為重要的冗余度。[0093]發電機GP"G4和功率轉換器4可以通過斷路器16、18和相關聯的控件或其他開關部件連接到母線2。[0094]第二母線54傳送固定頻率配電電壓(例如，480V、60Hz，但是可以使用其他系統電壓和頻率)。第二母線54被裝配有具有斷路器和相關聯的控件的保護性開關設備。第二母線54被劃分成通過連接線56互連的一對母線部分54a、54b(例如，左舷和右舷)。第一母線部分52a、54a通過第一AFE功率轉換器58a和第一降壓變壓器60a連接在一起，并且第二母線部分52b、54b通過第二AFE功率轉換器58b和第二降壓變壓器60b連接在一起。AFE功率轉換器58a、58b和降壓變壓器60a、60b通過斷路器62和相關聯的控件或其他開關部件連接各自的母線。[0095]參照圖9，如以下更詳細描述的，每個AFE功率轉換器4包括控制器64，控制器64可以向改進的功率管理控制器66提供升壓請求信號。[0096]參照圖10，每個柴油機DP"D4設置有電子速度控制器20，電子速度控制器20如上所述地結合圖1至圖3的船舶配電和推進系統操作。[0097]改進的功率管理控制器66(或功率管理系統(PMS))可以執行上面結合圖1至圖3的船舶配電和推進系統所描述的所有控制功能，并且具體地，具有被聚集在發電機專用控制器26中的相同發電機專用控制功能。然而，被聚集在公共控制器68中的公共控制功能被改變，以適應可變速度，并且進而適應可變頻率操作。發電機專用和公共控制器26、68可以被實現為兩個獨立的控制器，但是有可能將這些控制器的功能集成到一個實體控制器。類似地，功能可以被分布于不止兩個控制器，如果這樣方便功率管理控制器66的實際實現的話。[0098]將容易理解的是，公共控制功能包括上述的啟動/停止控制功能以及其他功能，例如，在超負荷狀況等下自動去除或除去不必要的負荷。然而，為了清晰起見，在圖10中只示出改進的負荷分擔控制功能和頻率(或速度)控制功能，因為這些是與本發明最相關的。[0099]盡管依據頻率控制描述了功率管理控制器66的各種控制功能，但將理解的是，出于上述原因，對系統頻率的控制與每個柴油機的速度控制直接相關。實際上，發電機專用控制功能之一是將任何頻率誤差(無論是由于對應的負荷分擔誤差推導出的頻率誤差還是系統頻率誤差)轉換成對應柴油機DP"D4的速度控制器20的速度誤差。[0100]改進的負荷分擔控制功能使用指示聯機的發電機數量、它們的實際負荷的信息數據來確定總系統負荷以及配電系統的其他操作參數，例如，操作母線部分的數量和斷路器的打開/關閉狀態(“CB狀態”)或保護性開關設備的打開/關閉狀態。它還通過每個發電機的kW/Hz分布使用有關各個發電機額定值的信息數據，kW/Hz分布使負荷能力與頻率(或速度)相關。來自每個發電機的發電機專用控制器26的平均頻率反饋信號Ffav被用作kW/Hz分布70的指示。換句話講，第一發電機Gl的平均頻率反饋信號Ffav被用作第一發電機Gl的kW/Hz分布的指示，第二發電機G2的平均頻率反饋信號Ffav被用作第二發電機G2的kff/Hz分布的指示，依此類推。每個發電機GP..G4的kW/Hz分布70具有0.75pu至1.0pu的頻率范圍，并且進而具有對應的速度范圍。[0101]信息數據被提供到負荷分擔功能塊30，負荷分擔功能塊30基于如上所述的配電系統結構，計算有功功率(kW)參考值或設定值kWs和無功功率(kVAr)參考值或設定值(圖10中未示出)。[0102]頻率控制功能使用來自每個發電機(或者單個發電機，如果額定值和特性相同的話)的發電機專用控制器26的平均有用功率反饋信號Ffav作為kW/Hz分布72(頻率范圍為0.75pu至1.0pu)的指示。kW/Hz分布72的輸出是最小系統頻率參考值或設定值SFSP。對于不相同的發電機結構，kW/Hz分布72將被選擇來顧及到具有最小頻率減小能力的發電機。實際上，最小系統頻率參考值SFSP指示滿足母線2上的負荷需求并且最小值為0.75pu的最小系統頻率。[0103]如上所述，每個AFE功率轉換器4可以發起升壓信號請求。升壓請求信號被供應到選擇了最高的最小/最大功能塊74。由最小/最大功能塊74選擇的最高升壓信號Vvb被用作V/Hz分布76(頻率范圍為0.75pu至1.0pu)的指示，來推導最小系統頻率參考值或設定值SFSPvb并且進而推導最小升壓，需要最小升壓來允許AFE功率轉換器(一個或多個)4實現所需的功率。[0104]各個系統頻率參考值SFSP和SFSPvb被供應到選擇了參考值中最高那個的最小/最大功能塊78。實際上，這意味著，除非需要升壓，否則將使用系統頻率參考值SFSP控制系統頻率。[0105]最小/最大功能塊78的輸出代表最小所需系統頻率，然后將最小所需系統頻率與限制功能塊80中的下限值進行比較，下限值是由功率管理控制器66推導的，用于確保最小運轉備用。可以由操作者設定下限值。由此得出結論，系統頻率減小導致發電機負荷能力減小。這是由功率管理控制器66識別的并且設定頻率下限以確保在船舶配電和推進系統100操作期間一直保持最小運轉備用。[0106]限制功能塊80的輸出被供應到轉換功能塊82，轉換功能塊82允許選擇固定或可變頻率控制。轉換功能可以由功率管理控制器66控制并且如果任何發電機沒有加負荷或者去負荷，則通常只選擇可變頻率操作。這確保了，當公共母線上的所有發電機正分擔負荷時，只有可變頻率控制是被使能的。轉換功能塊82的輸出是頻率參考值Fsc，頻率參考值Fsc是通過工作站32要么按照限制功能塊的輸出確定(對于可變頻率操作)要么按照操作者設定的頻率參考值Fs確定(對于固定頻率操作)的。換句話說，如果發電機正在被加負荷或者去負荷(即，處于“加負荷”狀況)，則可變頻率控制臨時暫停(temporarilysuspend)并且系統頻率由頻率參考值Fs確定。例如，在其他情況下，比如在發生故障狀況期間,可變頻率操作也可以暫停。[0107]將頻率參考值Fsc與平均頻率反饋信號Ffav進行比較并且將所得的頻率誤差信號δf施加到通常被設定為0.2Hz的死區功能塊84。死區功能塊84的輸出是頻率控制信號δΠ，頻率控制信號δfl被分配用于如以上結合圖1至圖3中示出的船舶配電和推進系統描述的功率管理控制器66的發電機專用控制器26。唯一的差別在于，每個發電機專用控制器26所使用的有功功率參考值kWs通過上述的kW/Hz分布70考慮到各個發電機額定值。換句話講，被提供到相關聯的速度控制器20并且被轉換為模擬速度參考值或設定值Ns的升速或減速命令信號的推導考慮到由功率管理控制器66的公共控制器68施加的頻率控制。[0108]因為升速或減速命令信號是由發電機專用控制器26提供的，所以有可能每個速度控制器20將接收不同的速度參考值或設定值Ns。然而，與每個柴油機DP"D4相關聯的發電機專用控制器26將一直工作，以實現通過功率管理控制器66的公共控制功能設定和保持的整體目的。[0109]下面是功率管理控制器66在實踐中可能如何操作的可能實施例。[0110]船舶電力和推進系統100正在“運輸”模式(即，在各個位置之間行進)下操作。整體負荷需求需要單個發電機Gl聯機。推進負荷一直增大，直到發電機Gl以超過其額定功率的90%操作并且系統的運轉備用落到預先設定的最小值以下為止。[0111]因此，功率管理控制器66開始第二發電機G3的啟動、同步和加負荷。一旦第二發電機G3被設置成聯機，功率管理控制器66就重新計算每個發電機的負荷分擔參考值或設定值。因為第二發電機G3現在處于“加負荷”狀況，所以船舶配電和推進系統的可變頻率操作被功率管理控制器66臨時暫停并且系統頻率由操作者設定的頻率參考值Fs確定。[0112]公共控制器68將新頻率控制信號(或第一頻率誤差信號)δfl和新有功功率參考值kWs分配給第一發電機Gl和第二發電機G3的發電機專用控制器26，從而導致在每個發電機專用控制器中計算第二頻率誤差信號Sf2。[0113]因此，將同時發生眾多控制功能。例如，在被施加到第一發電機Gl的速度控制器20的速度參考值將減小的同時，被施加到第二發電機G3的第二控制器的速度參考值將增大。因此，由發電機專用控制器26提供到各個速度控制器20的升速和減速命令信號將是頻率誤差和有功功率負荷分擔誤差的組合。[0114]一旦這兩個發電機已經實現了穩定的負荷分擔(B卩，平均有功功率反饋信號kWfav基本上等于來自公共控制器68的有功功率參考值kWs)，就將由功率管理控制器66重新建立可變頻率操作，因為沒有一個發電機正加負荷或去負荷。公共控制器68將憑借kW/Hz分布72監控系統頻率，并且，只要頻率下限不到位(notinplace)，就將要求新的系統頻率參考值或設定值SFSP。公共控制器68將把新頻率控制信號δΠ分配給發電機專用控制器26。隨后,將控制與第一發電機Gl和第二發電機G3相關聯的柴油機D1、D3,憑借由各個發電機專用控制器26施加的減速命令信號使其減速，以匹配新系統頻率。[0115]在第一發電機Gl和第二發電機G3以匹配新系統頻率的較低輸出頻率操作時，負荷分擔功能塊30將重新計算這兩個發電機的有功功率參考值一要理解，這一點只在發電機具有不同kW/Hz分布70的情況下才會改變。還重新計算較低系統頻率下的系統容量并且進而重新計算運轉備用。[0116]從圖7中示出的SFOC曲線，可以看到對于這個特定實施例，當在可變頻率(或速度)控制下操作時，每個柴油機Dl、D3的SFOC將從約215g/kWh減小至約205g/kWh——燃油消耗降低5%。[0117]如果請求功率轉換器負荷(例如，推進電機或推進器)增大，但因為船舶配電和推進系統正在以降低的頻率操作，并且進而在降低的電壓下操作，所以超過了功率轉換器電流額定值，則功率轉換器4將請求升壓。公共控制器66將通過增大系統頻率以及進而增大母線2傳送的配電電壓以滿足增加的負荷需求來做出響應。[0118]圖11示出基于配電系統的燃料消耗曲線圖，其中，四個交流發電機每個都具有2MW額定值并且發電機負荷相關啟動閾值被設定為90%的發電機額定值。可以看到，在某些負荷狀況下，可以實現高達15%的SFOC的減小。然而，預期的是，約5%的減小對于大多數系統是理想的。[0119]圖12比較固定頻率系統和可變頻率系統的總燃料消耗。可以看到，配電系統以可變頻率操作進行操作導致總消耗減小。【權利要求】1.一種配電系統，所述配電系統包括:交流母線，所述交流母線適于傳送可變頻率交流配電電壓；交流發電機，所述交流發電機連接到所述交流母線并且具有相關聯的原動機；以及功率管理控制器，所述功率管理控制器適于參照所述交流母線上的電負荷改變所述原動機的旋轉速度，使得所述交流發電機在所述配電系統的正常操作期間提供可變頻率輸出。2.根據權利要求1所述的配電系統，還包括與所述原動機相關聯的速度控制器并且其中所述功率管理控制器使用所述速度控制器來改變和保持所述原動機的速度。3.根據權利要求1所述的配電系統，其中所述功率管理控制器包括速度控制功能來基于所述母線上的電負荷選擇和保持所述原動機的速度，并且進而選擇和保持所述發電機的輸出頻率，使得所述功率管理控制器響應于檢測到的負荷需求的變化來自動改變所述原動機的速度。4.根據權利要求3所述的配電系統，其中所述速度控制功能使用負荷分布來選擇所述原動機的速度，所述負荷分布使輸出功率與速度或頻率相關。5.根據權利要求3所述的配電系統，其中所述速度控制功能只有在穩態負荷已保持預定時間段時才改變所述原動機的速度。6.根據權利要求1所述的配電系統，還包括與所述母線連接的兩個或更多個交流發電機，每個交流發電機具有相關聯的原動機，并且其中所述功率管理控制器包括負荷分擔控制功能，使得由所述功率管理控制器參照所述原動機的速度自動改變所述發電機之間的負荷分擔。7.根據權利要求1所述的配電系統，其中所述功率管理控制器還適于開始啟動一個或更多個額外的交流發電機并且將它們連接到所述母線。8.根據權利要求7所述的配電系統，其中所述功率管理控制器還適于開始對一個或更多個聯機發電機的去負荷、斷開連接和停機。9.根據權利要求7所述的配電系統，其中所述功率管理控制器還適于一旦任何額外的發電機聯機并且連接到所述母線或者一旦任何發電機已經與所述母線斷開連接，就改變每個原動機的速度。10.根據權利要求1所述的配電系統，其中所述功率管理控制器還適于當所述發電機被加負荷或去負荷時臨時暫停所述可變頻率操作，使得所述原動機的速度保持在所選的速度。11.根據權利要求1所述的配電系統，還包括憑借功率轉換器與所述母線連接的電負荷。12.根據權利要求11所述的配電系統，其中所述功率轉換器是有源前端功率轉換器。13.根據權利要求11所述的配電系統，其中所述功率管理控制器還適于響應于來自所述功率轉換器的升壓請求信號改變每個原動機的速度。14.根據權利要求11所述的配電系統，其中所述電負荷是推進電機或推進器電機。15.根據權利要求1所述的配電系統，還包括適于傳送固定頻率交流配電電壓的第二交流母線，第一母線和第二母線通過至少一個功率轉換器和可選的變壓器連接在一起。16.根據權利要求15所述的配電系統，其中所述至少一個功率轉換器是適于提供固定頻率輸出的有源前端功率轉換器。17.根據權利要求1所述的配電系統，其中每個發電機的輸出電壓參照其相關聯的原動機的速度而改變，使得其通量在操作期間保持基本上恒定。18.—種操作配電系統的方法,所述配電系統包括適于傳送可變頻率交流配電電壓的交流母線和與所述交流母線連接并且具有相關聯的原動機的交流發電機；所述方法包括以下步驟:參照所述交流母線上的電負荷改變所述原動機的旋轉速度，使得所述交流發電機在所述配電系統的正常操作期間提`供可變頻率輸出。【文檔編號】H02J3/38GK103532165SQ201310284573【公開日】2014年1月22日申請日期:2013年7月8日優先權日:2012年7月6日【發明者】N·J·克拉爾克,J·蔡爾茲申請人:Ge能源動力科孚德技術有限公司