用于海上應用的dc電力系統的制作方法
【專利說明】用于海上應用的DC電力系統
[0001]本申請要求2014年7月31日提交的美國臨時專利申請序列號62/031，402和2014年9月22日提交的美國臨時專利申請序列號62/053,400的優先權。
【背景技術】
[0002]本發明的實施例一般涉及直流(DC)電力系統，并且更確切地說，涉及用于海上應用的DC電力系統。
[0003]在近幾十年中，由于貨物運輸船只、軍艦、海上石油船舶、客船等的巨大增長，海上交通已經在全世界大幅增加。這些船只或船舶具有許多船上電氣負載。用于栗、風扇、電子推進安裝、照明和空調的可變速電驅動器是船舶的船上電氣負載的一些示例。電氣負載操作在各種不同電壓和頻率，并且從而需要單獨的電力供應。
[0004]大多數船舶使用交流(AC)電力系統架構。然而，最近一些船舶正在使用DC電力系統架構，其包含能量存儲裝置或發電機以滿足多個電氣負載的需求。如果負載需要交流(AC)電源，則在電力電子轉換器的幫助下可將DC電力轉換成AC電力。類似地，如果發電機是AC，貝lj可經由電力電子轉換器將AC電力轉換成DC電力。一般而言，多個發電機向多個DC母線供應電力，DC母線又向特定電氣負載供應電力。存在單個DC母線也可向整個船舶電氣負載提供電力的示例。
[0005]關于常規DC電力系統的挑戰包含:集成具有不同電壓電平的多個DC母線，在非常短的時間內隔離DC電力系統中的故障，以及集成各種能量存儲裝置和發電機。由于這些以及其它原因，存在對于用于海上應用的本DC電力系統的需要。

【發明內容】

[0006]按照本技術的實施例，提供了用于海上船舶的電力系統。電力系統包含多個保護區，其中每個保護區包括多個直流(DC)母線和多個電力轉換器。此外，兩個保護區的至少兩個DC母線經由母聯轉換器彼此耦合。提供了控制器來控制所述多個電力轉換器和所述至少一個母聯轉換器的操作。母聯轉換器包含通過至少一個電感器耦合的至少兩個轉換器臂。每個轉換器臂包括第一分支，第一分支具有兩個外部開關裝置和連接在所述兩個外部開關裝置之間的至少一個內部開關裝置。第一分支還包含耦合在所述兩個外部開關裝置之間的阻尼電阻器以耗散故障電流。此外，每個轉換器臂包括具有二極管、電阻器和電容器的組合的緩沖電路(snubber circuit)。
[0007]按照本技術的另一實施例，公開了向海上船舶提供電力的方法。所述方法包含:提供包含多個電力轉換器的多個保護區，并在兩個保護區的至少兩個DC母線之間連接母聯轉換器。在所提供的方法中，連接母聯轉換器包括提供通過至少一個電感器耦合的至少兩個轉換器臂。此外，提供每個轉換器臂包括:通過在兩個外部開關裝置之間連接至少一個內部開關裝置來形成第一分支；將阻尼電阻器與至少一個內部開關裝置串聯連接以耗散故障電流；以及形成具有二極管、電阻器和電容器的組合的緩沖電路。
【附圖說明】
[0008]圖1是根據本公開的方面用于海上船舶的電力系統的圖解表示；
圖2是根據本公開的方面圖1的母聯轉換器的詳細視圖的圖解表示；
圖3a和3b是根據本公開的方面的母聯轉換器的操作的示意圖表示；
圖4是根據本公開的方面圖1的母聯轉換器的詳細視圖的另一圖解表示；以及圖5是根據本公開的方面圖1的母聯轉換器的詳細視圖的又一圖解表示。
【具體實施方式】
[0009]除非另有定義，否則本文使用的技術和科學術語具有與本公開所屬領域的普通技術人員通常理解的相同意思。本文所使用的術語“第一”、“第二”等不表示任何次序、量或重要性，而是用于區分一個元件與另一個元件。術語“一”也不表示量的限制，而是表示存在至少一個所提到的項目。術語“或”意思是包含的，并且意味著一個、一些或所有的列出項目。使用“包含”、“包括”或“具有”以及它們的變型在本文中意思是包含下文所列出的項目及其等同物以及附加項目。此外，術語“電路”和“線路”以及“控制器”可包含單個組件或多個組件，它們是有源和/或無源的，并且連接或以其他方式耦合在一起以提供所描述的功能。
[0010]現在轉到附圖，通過圖1中的示例，描繪了用于海上船舶的電力系統100。在一個實施例中，電力系統100可包含經由母聯轉換器106和188耦合的兩個保護區102和104。然而，在其它實施例中，可能存在許多此類保護區，它們經由多個母聯轉換器彼此連接。如本領域技術人員將認識到的，創建保護區以限制在故障期間可斷開電力系統的程度。海上船舶中的保護區可包含能量源、DC母線以及多個轉換器以向各種負載饋送電力。能量源可以是AC或DC發電機、能量存儲裝置，并且負載例如可包含照明負載或可變頻率驅動器。在所示出的實施例中，保護區域102包含諸如AC發電機108、110和能量存儲裝置112的能量源，并且保護區104包含諸如AC發電機114、116和能量存儲裝置118的能量源。
[0011]此外，在保護區102中，AC發電機108、110分別經由電力電子轉換器122和124向DC母線120饋送電力，并且能量存儲裝置112經由電力電子轉換器128向DC母線126饋送電力。電力電子轉換器122、124是AC到DC轉換器，因為它們必須將電力從AC發電機轉換到DC母線，而電力電子轉換器128是DC到DC轉換器，因為它將DC能量存儲裝置耦合到DC母線。兩個DC母線120和126沒有相同DC電壓，并且因此經由DC到DC轉換器130彼此耦合。DC到DC轉換器130可以是雙向DC到DC轉換器或單向DC到DC轉換器。此外，負載132和134分別經由電力電子轉換器136和138連接到DC母線120，并且負載140和142分別經由電力電子轉換器144和146連接到DC母線122。取決于負載是AC負載還是DC負載，電力電子轉換器136、138、144和146可以是AC到DC轉換器或DC到DC轉換器。
[0012]以類似方式，在保護區104中，AC發電機114、116分別經由電力電子轉換器152和154向DC母線150饋送電力，并且能量存儲裝置118經由電力電子轉換器158向DC母線156饋送電力。兩個DC母線150和156經由DC到DC轉換器160彼此耦合。DC此外，負載162和164分別經由電力電子轉換器166和168連接到DC母線150，并且負載170和172分別經由電力電子轉換器174和176連接到DC母線152。基于負載的類型，即AC負載或DC負載，電力電子轉換器166、168、174和176可以是AC到DC轉換器或DC到DC轉換器。應該注意到，在所示的實施例中，為了便于說明，所有轉換器都已經被示出為僅具有一個輸入端和一個輸出端。然而，在每一個轉換器的輸入端和輸出端，負端子或參考端子總是在那兒。
[0013]電力系統100進一步包含控制器180以控制保護區102和104中的母聯轉換器106,188以及其它轉換器的操作。應該注意到，即使在圖1的實施例中示出了單個控制器180，但在其它實施例中，控制器180可被分成多個控制器，并且每個單獨控制器可控制電力系統180的一部分。電力系統100還可包含無源裝置，諸如保險絲和/或斷路器(未示出)，在故障(例如短路故障)期間保護電力系統100的第二個。在一個實施例中，控制器180基于母聯轉換器、無源裝置和其它電力電子和/或DC到DC轉換器之間的協調，阻止故障從一個DC母線到另一 DC母線的傳播。
[0014]例如，如果在DC母線126或連接到它的后續分支(例如圖1中的分支182、184、186)上存在故障，則控制器180將阻止那個故障從DC母線126到DC母線120的傳播(即，一個故障產生另一故障)。應該注意到，如果轉換器130的輸出電流超過故障電流幅度閾值，或者如果轉換器130的輸出電壓突破了故障電壓幅度閾值，則控制器180可檢測到故障。在DC母線126上的故障期間，控制器180將操作DC到DC轉換器130，其正在電流控制模式下將電力饋送到DC母線126，并且從而限制由DC母線120供應到DC母線126的故障電流。一旦無源裝置(例如保險絲或斷路器)在控制器180的幫助下或者以其他方式清除了故障，控制器180將把DC母線126充電到額定電平。一旦DC母線126被充電到額定電平，控制器180將把DC到DC轉換器130的操作切換回正常模式。在一個實施例中，DC到DC轉換器130的正常模式指電壓控制模式。然而，如果故障持續了某個時間量，其指示母線上的永久故障而不是暫時故障，則控制器180將停止DC/DC轉換器130的操作，并通知上游系統。控制器180將類似地控制其它轉換器以便阻止故障從一個母線到另一母線的傳播。
[0015]在本技術的一個實施例中，第二母聯轉換器188可用于連接低壓母線126和156。換句話說，保護區102和104可經由兩個母聯轉換器106和188彼此耦合。母聯轉換器106耦合中壓母線120和150，并且母聯轉換器188耦合低壓母線126和156。應該注意到，低壓母線126和156分別相對于中壓母線120和150在低壓操作。這個實施例允許低壓母線126和156及其對應分支正常操作，即使中壓母線120或150之一有故障并且不能供應任何電力。
[0016]圖2示出了按照本技術的實施例圖1的母聯轉換器200 (諸如母聯轉換器106和188)的詳細視圖。在一個實施例中，母聯轉換器200分別耦合在兩個保護區102和104的兩個母線A與B之間。換句話說，母聯轉換器200直接連接在母線A與B之間。母聯轉換器200包含通過至少一個電感器206、208耦合的第一轉換器臂202和第二轉換器臂204。
[0017]第一轉換器臂202包含具有兩個外部開關裝置212、214和一個內部開關裝置216的第一分支210。內部開關裝置216連接在兩個外部開關裝置212、214之間。阻尼電阻器217也連接在兩個外部開關裝置212與214之間。阻尼電阻器217與內部開關裝置216串聯連接。第一轉換器臂202進一步包含具有并聯連接的電阻器220和電容器222的緩沖電路218。緩沖電路218進一步包含與電阻器220和電容器222的并聯電路串聯連接的二極管 224。
[0018]類似地，第二轉換器臂204包含具有連接在兩個外部開關裝置236、238之間的一個內部開關裝置240的第一分支234。第二轉換器臂204還包含與內部開關裝置240串聯連接的阻尼電阻器239。阻尼電阻器239連接在外部開關裝置236、238之間。第二轉換器臂204進一步包含緩沖電路242，緩沖電路242具有并聯連接的電阻器244和電容器246并且進一步具有與二極管248串聯連接的組合。
[0019]如早先所討論的，第一轉換器臂202和第二轉換器臂204通過電感器206和208彼此耦合。在一個實施例中，電感器206連接在節點250、252之間，其中節點250由外部開關裝置212和內部開關裝置216的互連形成，并且節點252由外部開關裝置236和內部開關裝置240的互連形成。類似地，電感器208連接在節點254、256之間，其中節點254由外部開關裝置214和內部電阻器217的互連形成，并且節點256由外部開關裝置238和內部電阻器239的互連形成。應該注意到，內部電阻器217、239和內部開關裝置216、240的位置可互換，并且因此，相應地，節點形成可變化。
[0020]在一個實施例中，開關裝置212