配电系统的制作方法

专利名称：配电系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及配电系统，具体地，涉及可用于海洋船舶的配电系统，以用于向一或多 个推进电动机供电。
背景技术：
图1示出了传统船舶配电及推进系统的一个示例。一系列的柴油机用于驱动单个 发电机G，这些发电机向第一中压配电盘或母线MVACl以及第二中压配电盘或母线MVAC2提 供交流电。中压母线配置有保护开关装置，该开关装置包括断路开关以及相应的控制装置， 开关设备在图2中由符号X表示。功率转换器PC用于将中压母线连接到用于驱动推进器 的电推进电动机PM。通过保护开关装置使各中压母线相连。
大部分船舶应用需要低压，并且可以通过使用变压器从中压母线方便地得到该低 压。在图1所示的传统船舶配电和推进系统中，通过第一变压器Tl和保护开关装置将第一 低压配电盘或母线LVACI连接到第一中压母线MVACI。通过第二变压器T2和保护开关装置 将第二低压配电盘或母线LVAC2连接到第二中压母线MVAC2。通过保护开关装置使这些低 压母线相连。可以将一系列非特定的电力负载(所标记的LVAC负载)连接到这些低压母 线。
尽管可以方便地将低压母线连接到中压母线，然而这种布置通常导致有问题的谐 波失真耦合。换句话说，在中压母线中由推进电动机操作所引起的谐波失真例如会通过变 压器Tl和T2传递到低压母线。如果连接到低压母线的电力负载需要低谐波失真(即，高 供电质量(QPS))，则这会对其正常操作引起潜在的问题。而且，一些连接到电压母线的负载 自身会在低压母线中引起谐波失真。这会通过变压器Tl和T2传递到中压母线。
为了消除这种谐波失真，通常将大的昂贵的滤波器F连接到中压母线，滤波器(未 示出)也被连接在低压母线上。发明内容
在实施例中，配电系统通过不同配电母线或配电盘提供不同的ac或dc配电电压， 然后通过对连接在第一配电母线上的功率转换器进行控制，以调节第一配电母线中的电 量，同时在第二配电母线中获得期望的电量(例如，通过使用闭环控制策略去获得)。为了达 到这个目的，第一和第二配电母线应接收来自通用供电系统的功率。在这里使用的术语“电 量”指的是任一或所有的电压值、电流值、功率因数、频率、谐波电压失真以及各个配电电压 的谐波电流失真。
配电系统可以保留方便的布置，其中，通过变压器可以通过第一配电母线携带的 配电电压生成第二配电电压母线携带的配电电压。因此，第一配电母线中的任何谐波失真 可以通过变压器转移到第二配电母线，反之亦然。在一可选的布置中，不同的配电电压可以 直接来自一 ac发电机，该ac发电机为通用供电系统的一部分，其中，通用供电系统包括多 个电位隔离的定子绕组(即双或多输出发电机)。换句话说，第一和第二配电母线可以电连接到ac发电机的各个定子绕组。这些定子绕组之间具有特别有效的相互耦合，这样，各个 定子绕组中的每单位电抗性电压降非常相关，甚至可能相同。因此，对于所有实用目的，第 一和第二配电母线上的供电质量(QPS)是相同的。由于双或多输出发电机中定子绕组之间 的相互耦合，第一配电母线中的任何谐波失真将会转移到第二配电母线中，反之亦然。
更具体地，本发明提供了一配电系统，该系统包括第一和第二配电母线，其中每 个母线携带有各自的配电电压；通用供电系统，以用于向第一和第二配电母线提供功率; 一连接在第一配电母线上的功率转换器，所述功率转换器具有一 ac端子；以及一控制器， 所述控制器利用反馈信号来控制所述功率转换器调节所述功率转换器ac端子的电量，以 获得期望的、由第二配电母线携带的配电电压电量，其中，所述反馈信号指示了由第一和第 二配电母线携带的配电电压的电量。
第一和第二配电母线可通过任何合适的布线和母线技术实现。
携带ac配电电压的第一配电母线
在第一布置中，优选地，通用供电系统包括ac发电机，所述ac发电机包括连接在 第一配电母线上的ac端子，所述第一配电母线携带有ac配电电压。
所述第一配电母线可以被划分为两个或多个部分，这些部分通过一交换连接连接 在一起，所述交换连接可以向各个相互特定隔离的各个部分开放。第一配电母线可以接收 来自多个ac发电机的电力，这些ac发电机可随意配置，这样每个发电机可连接到第一配电 母线的不同部分。所述ac发电机可以为任何类型，优选地，所述ac发电机由原动力驱动， 例如柴油机。容易理解地，根据生成电力的需要，配电系统可以具有任意数量和配置的ac 发电机以及原动力。
所述ac发电机的ac端子可以通过交换连接电连接到所述第一母线，所述交换连 接可以向与第一配电母线特定电隔离的ac发电机开放。优选地，第一配电母线中电量的调 节将提高ac发电机的QPS，从而最大化增加ac发电机的输出率和运行效率。
如果第二配电母线也携带一 ac配电电压，则通用供电系统可进一步包括一连接 在第一和第二配电母线之间的变压器。因此，通过变压器，用于第二配电母线的ac配电电 压可方便地由第一配电母线的ac配电电压得到。所述变压器可以为任何合适的类型，可选 地，所述变压器可任意地采用一相移，以在第一和第二配电母线上获得QPS的折衷。
可选地，ac发电机可包括至少一对电位隔离的定子绕组，提供第一 ac电压的第一 定子绕组连接在第一配电母线上，提供第二 ac电压的第二定子绕组连接在第二配电母线 上。因此，可以从相同ac发电机可以独立地获得两个不同的配电电压。通常情况下每个定 子绕组包括多个个体定子线圈，这些个体定子线圈以合适的方式连接在一起。第二配电母 线可以携带一 ac或dc配电电压。当第二配电母线携带ac配电电压时，则第二配电母线直 接连接在第二定子绕组上。当第二配电母线携带dc配电电压时，则第二配电母线通过第二 功率转换器连接在第二定子绕组上。
典型地，功率转换器用于将电力负载连接在第一配电母线上，功率转换器的ac端 子连接在第一配电母线上，功率转换器的dc端子连接在电力负载上。因此，功率转换器的 主要功能是对从第一配电母线流向电力负载的功率流进行调节。该功能在这里被称为“功 率流控制”。
在实施例中，当本发明的配电系统为一船舶配电和推进系统时，通常情况下电力负载包括一电推进电动机。所述电推进电动机可以为dc或ac电动机。当所述推进电动机 为dc电动机时，该电动机可以通过功率转换器连接在第一配电母线上，通常情况下，其中 的功率转换器可作为一整流器使用(例如，ac/dc功率转换器)。当所述推进电动机为ac电 动机时，该电动机可以通过通常作为一整流器使用的功率转换器(例如，ac/dc功率转换器) 和额外的通常作为有源逆变器(例如，dc/ac功率转换器)的功率转换器连接在第一配电母 线上，该额外的功率转换器可通过一个dc环节连接到功率转换器上。功率转换器的控制决 定于dc环节电流的出现,该dc环节电流是指流经功率转换器和dc电动机之间的电流,或 流经功率转换器和连接在ac电动机上的额外功率转换器之间的电流。容易理解地，功率转 换器的主要功能是调节来自第一配电母线的ac输入电压，并提供调节后的dc输出电压。在 这里应对该调节后的dc输出电压进行控制以与推进电动机协调，这样，在任何特定轴输出 功率下，dc环节电压都可以用dc环节电流来替换。通过通频类型的功率转换器(例如，ac/ ac功率转换器)，也可以将一 ac电动机连接到第一配电母线上，其中，整流器和逆变器功能 被整合在一起，从而在没出dc环节出现的情况下获得与前述整流器和额外功率转换器相 同的功能。由此可见，必须将用于功率转换器的控制器以及用于电动机或ac电动机以及额 外功率转换器的控制器连接或协调起来。同样地，当使用通频转换器时，必须将等同的整流 器和电动机控制功能连接或协调起来。
配电系统可以包括任何合适数量的电力负载，每个电力负载通过各自的功率转换 器连接在第一配电母线上。根据需要，与电力负载关联的功率转换器可以独立地被控制，或 作为功率转换器协同阵列或系列的一部分被一起进行控制。
携带有dc配电电压的第一配电母线
在第二布置中，优选地，通用供电系统可以包括一 ac发电机，功率转换器连接在 ac发电机和第一配电母线之间，第一配电母线携带有一 dc配电电压。
在这里，可以将第一配电母线划分为两个或多个部分，这些部分可通过交换连接 连接在一起，该交换连接可以向相互特定隔离的部分开放。第一配电母线可以接收来自多 个ac发电机的电力，可以对这些发电机进行任意配置，这样可以将每个发电机连接到第一 配电母线的不同部分，其中，在每个ac发电机和各自的第一配电母线部分之间设置有独立 的功率转换器。根据需要，与ac发电机关联的功率转换器可以被独立地控制，或作为功率 转换器协同阵列或系列的一部分被一起控制。ac发电机可以为任何合适的类型，优选地，ac 发电机可通过原动力例如柴油机进行驱动。容易理解地，根据电力生成需要，配电系统可以 具有任何数量和配置的ac发电机和原动力。
通过交换连接可以将ac发电机的ac端子电连接到功率转换器，其中，该交换连接 可以向与功率转换器特定电分离的ac发电机开放。第一配电母线中的电量调节将更好地 提高ac发电机的QPS，从而最大化ac发电机的输出率和运行效率。
优选地，ac发电机可包括至少一对电位隔离的定子绕组，提供第一 ac电压的第一 定子绕组通过功率转换器连接在第一配电母线上，提供第二 ac电压的第二定子绕组连接 在第二配电母线上。因此，从相同ac发电机可以独立地获得两个不同的配电电压。通常情 况下每个定子绕组包括多个个体定子线圈，这些个体定子线圈以合适的方式连接在一起。 功率转换器的ac端子连接在第一定子绕组的ac端子上，功率转换器的dc端子连接在第一 配电母线上。因此，由第一配电母线携带的dc端子电压可通过对第一 ac电压进行整流获得，而第一 ac电压由双输出发电机的第一定子绕组提供。
第二配电母线可以携带ac或dc配电电压。当第二配电母线携带ac配电电压时， 则第二配电母线直接连接在第二定子绕组上。当第二配电母线携带dc配电电压时，则第二 配电母线通过第二功率转换器连接在第二定子绕组上。换句话说，由第二配电母线携带的 dc配电电压可以由第二 ac电压进行整流获得，第二 ac电压可以由双输出发电机的第二定 子绕组提供。
功率转换器的主要功能是调整从ac发电机到第一配电母线的功率流。该功能在 这里被称为“功率流控制”。
电力负载可以连接在第一配电母线上。在实施例中，当本发明的配电系统为船舶 配电和推进系统时，通常情况下电力负载将包括一电推进电动机。该推进电动机可以为一 dc或ac电动机。当推进电动机为dc电动机时,该推进电动机可以直接或通过插入的dc/ dc转换器连接到第一配电母线上。尽管如此，该推进电动机极有可能为ac电动机，该ac电 动机通过额外的功率转换器连接到第一配电母线上，通常情况下，额外的功率转换器将作 为一有源逆变器进行运行。功率转换器的控制依赖于流经第一配电母线和连接在ac电动 机上的额外功率转换器之间的dc环节电流的出现。
推进电动机和其它电力负载
推进电动机可以作为推进驱动系统的一部分，并设置在例如船舶船体(即通过带 有尾轴管压盖的轴线驱动推进器的船内推进电动机)、吊舱以及同轴的外部潜艇的船体中， 其中，吊舱悬挂在船舶船体的下文以提供推进力和转向功能。可以对推进电动机进行配置， 从而将推进电动机的转子同轴地设置于其定子的内部或外部。
推进电动机可用于驱动推进器，或与第二推进发动器一起驱动通用推进器(即所 谓的串联式推进驱动)。形成串联式推进驱动的推进电动机可以为一整体，也可以为独立 体，但必须拥有相同的传动轴系统。容易理解地，根据推进要求，单体船舶可以使用任何数 量和配置的推进电动机。推进器可以为任何方便的类型，例如传统多刀片螺旋桨或涵道喷 水式推进器。
在实施例中，当功率转换器用于将推进电动机连接到第一配电母线时，用于功率 转换器的动力电子设备可以完全与推进电动机进行集成。例如，推进电动机可以为无刷dc 电动机，该dc电动机包括一使用静态动力电子设备实现的电子转换器电路，欧洲专利申请 文献EP 1798847对该实现进行描述。电子转换器电路可以包括一定子绕组，该定子绕组具 有多个线圈，这些线圈通过与其数量相同的通用耦合点进行连接，一个电子转换器电路包 括与线圈相同数量的交换级。每个交换级连接在通用耦合点各个点和第一、第二 dc端子之 间，每个交换级包括第一反向阻断半导体功率器件以及第二反向阻断半导体功率器件，第 一反向阻断半导体功率器件可以通过门控制进行打开或关闭，其中，门控制的阳极连接在 第一 dc端子上。第二反向阻断半导体功率器件可以通过门控制进行打开或关闭，其中，门 控制的阴极连接在第二 dc端子上。使用电子转换器电路的优点在于，允许通过电子装置对 电动机的dc端子电压进行调节，而励磁固定。另外，电动机的dc端子电压可以通过传统的 场控制装置进行调节。
一个或多个电力负载也可以电连接在第二配电母线上。当配电系统为船舶配电和 推进系统时，第二配电母线可以为低压(LV)母线，以向对谐波失真特别敏感的船上应用提供电力。
功率转换器
优选地，可以根据PWM策略对功率转换器进行操作，该PWM策略可根据反馈信号由 控制器进行选择或改变，典型地，以获得第二配电母线携带的配电电压的期望电量。
在这里可以通过交换连接将功率转换器连接到第一配电母线，该交换连接可向与 第一配电母线特定电隔离的功率转换器开放。也可以在功率转换器和作为通用电源的ac 发电机之间(即功率转换器的ac端子和第一定子绕组的ac端子之间)向与ac发电机特 定隔离的功率转换器提供一交换连接。
功率转换器可以为任何合适的整流器类型(例如，矩阵转换器、电流源整流器、电 压源整流器或晶闸整流器)。最优选地，功率转换器在一定程度上具有独立于后续更详细描 述的控制策略三个主要方面的能力，三个主要方面即为功率流控制、功率因数控制以及谐 波控制。
在国际专利申请文献WO 2006/064279中揭露了一特别适合功率转换器的矩阵转 换器式的拓扑。该矩阵转换器包括三条ac电压线路以及两条dc电压线路。在第一布置的 情形下，当第一配电母线携带有ac配电电压时，所述三条ac电压线路将与第一配电母线连 接，两条dc电压线路将通过dc环节与电力负载连接。在第二布置的情形下，当第一配电母 线携带有dc配电电压时，三条ac电压线路将与作为通用供电系统一部分的ac发电机的ac 端子连接，两条dc电压线路将与第一配电母线连接。由半导体功率器件实现的六个开关组 合连接在三个ac电压线路和两个dc电压线路之间。根据PWM策略依次打开和关闭这些开 关，这样，当关闭相应的开关时，三个ac电压线路中的每一条可以与两个dc电压线路中的 一条连接。在dc电压线路之间提供了一续流路径。出现的续流路径提供了一个额外的零 态，在该零态中，矩阵转换器的所有开关被打开，这样，dc电压线路不会与任何ac电压线路 连接，在零态下的电感电流负载允许流经续流路径，而不会导致大的过电压。
来自第一配电母线或ac发电机第一定子绕组ac端子的ac输入电压被提供给三 条ac电压线路，还可以通过矩阵转换器将该ac输入电压进行整流，以提供给两条dc电压 线路。在实施例中，当矩阵转换器被用于将推进发电机连接到第一配电母线时，必须对推进 电动机以及任何额外的功率转换器进行控制、调节，以使得矩阵转换器输出满足其ac输入 电压要求的任何dc输出电压值。例如，在任何特定轴功率以及当功率转换器非常高效时， 如果必须减少期望的功率转换器，则必须增加dc输出电流，并减少dc输出电压，以满足ac 输入电压和轴功率之间的功率平衡。容易理解地，在实践中任何功率转换器都会产生小的 功率损耗，而这些损耗将会导致整个系统效率的降低，这样就会影响到该功率平衡。
根据现有技术中已知的关系，晶闸整流器的相位控制可以用于调节输出，从而改 变功率因数。可以将该原理扩展到由PWM策略控制的功率转换器，从而改变流经功率转换 器的功率流以及功率因数。将功率转换器的相位控制与推进电动机和任何额外功率转换器 的控制和调节结合起来，可以获得任何合理的功率因数，同时使得可以独立地对轴功率进 行控制和调节。在推进电动机的情形下，这种结合为功率因数的控制提供了第一自由度。
减少调制深度的PWM策略将会减少功率转换器的dc输出电压。通过这种方式可 以在不影响功率因数的情况下改变功率转换器的dc输出电压。使用空间矢量调制可以优 化线电压的开关顺序以及最小开关损耗方式的零态。国际专利申请文献WO 2006/064279揭露了一种矩阵转换器。有益地，该矩阵转换器提供了一额外的零态，以允许进一步优化开关顺序。PWM策略可以相对于ac输入电压进行相移，从而改变第一配电母线中的功率因数， 同时调制深度可以被独立地控制，例如以用于维持推进电动机的轴功率或第一配电母线携带的配电电压。为PWM策略选择合适的调制角度为功率因数的控制提供了第二自由度。
PWM策略可以使用同步调制，以对ac输入电压的谐波结构产生特定效果。该特定效果使得仅整次谐波(即频率为ac输入电压基波频率整数倍的谐波)才会被生成，并使得谐波频谱成为关于个体PWM脉冲宽度以及ac输入电压基波频率每周期中PWM脉冲数量的一个函数。该效果可用于对谐波进行选择性消除，但消除过程中，PWM策略的调制深度、PWM脉冲宽度以及每周期PWM脉冲的数量之间缺乏独立性。例如，当使用预设的每周期PWM脉冲数量，通过改变PWM脉冲宽度对调制宽度进行调整时，谐波结构也会受到影响。当还对PWM 相位进行考虑时，谐波选择消除变得非常复杂且并不完全有效。即使如此，选择性谐波消除还是为调整谐波失真提供了一种可行方法，该方法可用于选择一种合适的PWM策略。
尽管在WO 2006/064279中揭露的矩阵转换器只具有某些优点，然而相同的控制原理可以应用到任何强制转换电压源整流器。该相同的控制原理还可以应用到晶闸整流器，但在功率因数的控制中只能获得第一自由度。也可以认为在第一配电母线中晶闸整流器不能用于调整谐波失真。
虽然电流源整流器可以在低dc输出电压甚至零dc输出电压下运行，同时可以提供较高的功率因数和谐波控制，但是当电流源整流器的dc输出电压明显超过ac输入电压 (即电压递增模式)的峰值时，电压源整流器的适用性必须进行限制，这是因为电压源整流器只能提供该功率因数和谐波失真调整。尽管如此，当运行在电压递增模式时，相同控制原理可以应用到根据PWM策略控制的电压源整流器。电压源整流器的全部有益效果可以在一些情形下使用，在这些情形下，电压源整流器通过dc环节连接在一可运行在电压递增模式下的合适逆变器上(例如，电压源逆变器)。这样的功率转换器布置可被用于将ac电力负载连接到第一配电母线上。
综上所述
·流经功率转换器到电力负载或第一配电母线的功率流可以通过选择或改变PWM 策略的调制深度进行调整。
·功率转换器ac端子的功率因数可以通过选择或改变PWM策略的调制角度进行调整(例如，调整为单位功率因数或其它功率因数)。值得感激的是，该调整可用于预设的用途，以用于调整第二配电母线携带的配电电压的功率因数，以将其调整为单位或其它任意的期望值。功率转换器ac端子的功率因数调整也可以通过变压器耦合、或双或多个输出发电机定子绕组的相互耦合来实现，其中的发电机形成了通用供电系统的部分。
功率转换器ac端子的谐波失真(或QPS)可以通过选择或改变PWM策略的谐波结构来进行调整令人欣慰的是，该调整可以用于调节第二配电母线携带的配电电压的谐波失真(或QPS)，第二配电母线携带的配电电压的谐波失真(或QPS)的调节也可以通过变压器耦合、或双或多个输出发电机定子绕组的相互耦合来实现，其中的发电机形成了通用供电系统的部分。
·当功率转换器的ac端子连接在第一配电母线上时，对功率转换器ac端子处的任何功率因数调整和/或谐波控制都会对ac配电电压中的功率因数和/或谐波失真产生对应的调整，其中，ac配电电压由第一配电母线携带，并流经形成通用供电系统部分的ac发电机。
当功率转换器的ac端子连接在作为通用供电系统一部分的ac发电机的ac端子上时，对功率转换器ac端子处任何功率因数和/或谐波失真的调整都会对ac输入电压中的功率因数和/或谐波失真产生对应的调整，其中，ac输入电压流经形成通用供电系统一部分的双或多输出发电机。
功率转换器的控制
当功率转换器连接在第一配电电压和电力负载之间时，第一配电母线会携带ac 配电电压，功率转换器的ac端子连接在第一配电母线上，dc端子连接在电力负载上。可选地，可通过作为有源逆变器功能使用的额外功率转换器将dc端子连接到电力负载上。因此，功率转换器ac端子的电量将与ac发电机ac端子处的第一配电母线携带的ac配电电压中的电量相当，其中，ac发电机为通用供电系统的一部分。容易理解地，在实施例中，当 ac发电机为双或多输出发电机时，ac发电机的ac端子将会与连接在第一配电母线上的第一定子绕组连接，而不会与连接在第二配电母线上的第二定子绕组连接，具体地，可直接连接或通过第二功率转换器连接到第一定子绕组。
当功率转换器连接在第一配电电压和作为通用供电系统的ac发电机之间时，第一配电母线会携带dc配电电压，功率转换器的ac端子连接在作为通用供电系统一部分的 ac发电机的ac端子上，dc端子连接在第一配电母线上。因此，功率转换器ac端子的电量将与连接在双或多输出发电机第一定子绕组ac端子处的电量相当。
在上述两种情形下，功率转换器的主要功能是控制流经的功率流。
在这里也可以对功率转换器进行控制以提供“有源滤波”以及“静态补偿”，这将有益于各个配电电压。在这里这些 功能分别被称为“谐波控制”和“功率因数控制”。使用功率转换器来提供有源滤波和静态补偿消除了对大、高成本的滤波器的需求，在传统船舶配电和推进系统中需要使用这些滤波器，现在可以通过较小的滤波电容进行替代。在功率因数控制的第一示例中，如果滤波电容连接在功率转换器的ac端子上、吸取超前VAr时，可以对功率转换器进行控制以根据需要在功率转换器的ac端子通过吸取滞后VAr实现对功率因数的调整，这样，由滤波电容吸取的超前VAr至少可以部分地被抵消，从而减少滤波器和功率转换器结合所吸取的ac输入电流。如果功率转换器的ac端子连接在第一配电母线上， 则ac配电电流和电压的功率因数相应地被调整，其中，配电电压由第一配电母线和关联的 ac发电机携带。在实践中，功率转换器的功率因数控制可以被用于许多用途。在第二示例中，可以对功率因数进行调节以调整流经ac发电机电抗电阻的VAr，从而改变第一和第二配电母线携带的配电电压。在第三示例中，可以对功率因数进行调节以调整流经ac发电机的功率因数，从而最小化从ac发电机吸取的ac输入电流。
在实施例中，当电力负载为推进电动机时，即使当推进负载为零，功率因数也可以被调整。
在这里也可以对功率转换器进行控制以调节第一和第二配电母线携带的配电电压的谐波失真。正常情况下，任何对谐波失真的调整的目的都是为了减少、或可能地消除各个配电电压中不必要的谐波失真或谐波污染，其中不必要的谐波失真或谐波污染例如可能产生于推进电动机或电力负载的操作过程中。低水平的谐波失真意味着高QPS，反之亦然。在谐波控制的第一示例中，可以对功率转换器吸取的谐波电流分量进行调整，以最小化功 率转换器ac线路上电流的总谐波失真(THD)，从而最小化功率转换器的均方根电流消耗。 在实践中，功率转换器的谐波控制可用于多种目的。在第二示例中，当考虑在第一配电母线 中出现的任何谐波电流时，由于不同于功率转换器的谐波污染源例如其它连接到第一配电 母线的电力负载，可以对功率转换器进行调整以减少ac发电机ac线路中的电流THD，从而 可以最小化从ac发电机吸取的均方根电流。在第三示例中，功率转换器可以被调整以最小 化第一和第二配电母线上的电压THD。
因此，通过控制功率转换器以获得配电系统稳定的频率和电压，从而实现对流经 功率转换的功率流进行同步调整(功率流控制)、对功率因数进行同步调整(功率因数控制) 以及对第一和/或第二配电母线携带的配电电压中的谐波失真进行同步调整(谐波控制)。 尽管稳定第一母线更有效，这是因为当第一配电母线向推进驱动系统提供功率、第二配电 母线向船舶应用提供功率时，第二配电母线具有更大的额定功率，但是第二配电母线中配 电电压的频率稳定可以源自于第一配电母线中配电电压的频率稳定，反之亦然，或者是由 于变压器耦合或双或多输出发电机中定子绕组之间的相互耦合。在传统配电系统中由于变 压器耦合，对第一配电母线携带的配电电压的任何合适的调整都自动地会对第二配电母线 携带的配电电压的电量产生影响。因此，应注意，本发明中的配电系统的目的在于使用一个 重要的电功率器件(功率转换器)以影响作为通用供电系统一部分的ac发电机的运行，从而 允许对第一配电母线中的电量进行调整，同时在第二配电母线中获得期望的电量。该调整 允许通过功率转换器的操作对第二配电母线上的QPS进行有计划有目的地调整。
功率转换器的控制依赖于提供给控制器的反馈信号的使用。该反馈信号可以包括 指示第一配电母线携带电压的第一电压反馈信号以及指示第二配电母线携带电压的第二 反馈信号。该反馈信号还可以包括电流反馈信号，电流反馈信号指示了 ac发电机ac端子 的电流。在实施例中，当ac发电机为双或多输出发电机时，电流反馈信号将用于指示与相 应定子绕组连接的ac端子的电流，该相应定子绕组向功率转换器连接的配电母线或向功 率转换器自身进行供电。
本发明进一步提供了一种控制配电系统的方法，所述配电系统包括各自携带配 电电压的第一和第二配电母线、向第一和第二配电母线提供电力的通用供电系统，以及连 接在第一配电母线上的功率转换器，所述功率转换器包括ac端子，所述方法包括以下步 骤使用指示第一和第二配电母线携带的配电电压电量的反馈信号对功率转换器进行控 制，以调整功率转换器ac端子的电量和/或第二配电母线携带的配电电压的电量。
根据折衷可以对功率转换器进行控制以调整功能转换器ac端子的电量以及第二 配电母线的配电电压的电量。在这里可以使用一整流器整流或混频功能。
PWM策略可以为场定向PWM策略，从而可以对第一配电母线携带的配电电压中的 功率因数和谐波失真进行独立的控制，并同时控制功率转换器的dc输出电压。PWM策略可 以不断地改变以使得功率转换器可以根据需要提供合适的控制、功率调整以及频率、电压 稳定和支持。
当推进电动机连接在功率转换器上时，本发明方法进一步还包括控制推进电动 机以允许一 dc环节电流独立于所述推进电动机的轴速度和转矩被独立地调整。
配电系统进一步的技术特征将在后续进行描述。


图1为传统船舶配电和推进系统的示意图2为本发明实施例带有dc电动机和变压器反馈辅助供电的船舶配电和推进系 统的示意图，其中，第一配电母线携带ac配电电压；
图3为本发明实施例带有ac电动机和变压器反馈辅助供电的船舶配电和推进系 统的示意图，其中，第一配电母线携带ac配电电压；
图4为本发明实施例带有无变压双输出发电机的船舶配电和推进系统的示意图， 其中，第一配电母线携带ac配电电压；
图5为本发明实施例带有无变压双输出发电机的船舶配电和推进系统的示意图， 其中，第一配电母线携带dc配电电压；
图6为本发明实施例带有无变压双输出发电机的船舶配电和推进系统的示意图， 其中，第一配电母线携带dc配电电压，功率转换器通过一交换连接连接在ac发电机上；
图7为多个适用的功率转换器以及推进电动机的布置示意图8为本发明控制变量的简化示意图9示出了为达到有源滤波目的，提供选择性谐波消除(SHE)功能的一系列PWM脉 冲序列。
具体实施方式
船舶配电和推进系统布置，其中第一配电母线携带一 ac配电电压
图2示出了本发明船舶配电和推进系统的第一示例。主柴油机Gl以及辅助柴油 没G2可用于向第一中压配电盘或母线MVACl提供ac电。通过类似的方式，主柴油机G3以 及辅助柴油没G4可用于向第二中压配电盘或母线MVAC2提供ac电。这些中压母线携带有 一中压(MV)配电电压(例如，6. 6kV, 60Hz)，并配置有保护开关装置。保护开关装置包括多个 断路开关以及相应的控制装置，在图2中由符号X表示。这些中压母线MVACl以及MVAC2 通过保护开关相互连接。
第一中压母线MVACl分为两个独立的部分，这两个部分通过保护开关连接。主柴 油机Gl通过保护开关连接在两个部分中的一个上，辅助柴油机G2通过保护开关连接在另 一部分上。类似地，第二中压母线MVAC2分为两个独立的部分，这两个部分通过保护开关连 接。主柴油机G3通过保护开关连接在两个部分中的一个上，辅助柴油机G4通过保护开关 连接在另一部分上。因此，在一些操作条件下，可以对每个中压母线的独立部分，以及第一、 第二中压母线自身进行独立地选择。因此，船舶配电和推进系统的单个或多个孤立的操作 可以使用合适数量的发电机、中压母线以及母线部件。
第一和第二推进驱动系统每一个包括一整流器(或电力转换器)SC，以用于将中压 母线MVACl以及MVAC2连接到用于驱动推进器的无刷dc推进电动机PM。第一和第二推进 驱动系统还包括ac电压线路滤波电容C1、C2，以向中压母线MVAC1、MVAC2以及关联的整流 器SC提供无源滤波。
第一低压配电盘或母线LVACl可以通过第一变压器Tl连接在第一中压母线MVACl 上，第二低压配电盘或母线LVAC2可以通过第二变压器T2连接在第二中压母线MVAC2上。低压母线LVACl和LVAC2可以通过保护开关相互连接。
低压母线LVACl和LVAC2携带有低压(LV)配电电压(例如，440V，60Hz)，多个非特 定负载例如船舶应用配电系统(标记为LVAC负载)可以连接在低压母线上。通过这种方式， 通过使用合适的变压器Tl和T2可以由MV配电电压方便地得到LV配电电压。
整流器SC可以为后续图7描述中的任意类型。
第一和第二推进驱动系统的整流器SC可以根据控制策略进行运行，从而除了对 流向dc推进电动机PM的功率流进行调整外，还使得整流器SC可以提供有源滤波以及静态 补偿。在实际中，每个推进驱动系统(例如，左舷和右舷)都可以包括一 PWM控制器Co，以用 于同步地调整各个整流器SC功能，从而满足功率流控制的主要需求以及功率因数和谐波 控制的额外需求。PWM控制器Co可以独立地运行或以协调的方式进行运行。在图2到图4 所示的配电系统中，每个PWM控制器Co接收三相ac输入信号，即MV电压反馈信号MVvfb、 MV电流反馈信号MVifb以及LV电压反馈信号LVvfb，这些信号可用于选择或修改PWM策略 的调制深度、PWM策略的调制角度以及PWM策略的谐波结构，其中，PWM策略用于整流器SC。 在每种情况下，MV电压反馈信号MVvfb仅由单个电动机产生，当然，也可能存在其它配置。 其中，每个PWM控制器Co使用的控制策略将会结合图8在后续进行详细描述。
图3示出了本发明船舶配电和推进系统的第二示例。该系统与图2中所示的系统 类似，区别在于，图3系统中第一和第二推进驱动系统每一个包括一整流器SC以及一有源 转换器(或机械转换器)MC，以用于将中压母线MVAC1、MVAC2连接到用于驱动推进器的ac推 进电动机PM。每个整流器SC通过dc环节与关联的有源逆变器MC连接，整流器SC可以是 后续结合图7的描述中的任何合适类型。逆变器MC可以为一可变速驱动。
整流器SC以及逆变器MC可依据控制策略进行运行，这样，除了调整流向ac推进 电动机PM的功率流之外，整流器SC以及逆变器MC还可以提供有源滤波以及静态补偿。PWM 控制器Co用于调整各个的整流器和逆变器功能。
图4示出本发明船舶配电和推进系统的第三示例。在图2和图3所示的系统中， 通过使用合适的变压器Tl和T2，LV配电电压可以由MV配电电压生成。与此相比，图4中 的系统使用了双输出发电机(DOGs),该双输出发电机具有多个电位隔尚的多相定子绕组， 每个定子绕组与一个独立负载连接。
主柴油机双输出发电机DOGl以及辅助柴油机双输出发电机D0G2可以从他们的定 子绕组中的一个向第一中压配电盘或母线MVACl提供ac电，从他们其它定子绕组向第一低 压配电盘LVACl提供ac电。类似地，主柴油机双输出发电机D0G3以及辅助柴油机双输出 发电机D0G4可以从他们的定子绕组中的一个向第二中压配电盘或母线MVAC2提供ac电， 从他们其它定子绕组向第二低压配电盘LVAC2提供ac电。如果额外的中压或低压母线被 提供，则典型地，每个母线(或母线中的部分)可以连接在多输出发电机的一个定子绕组上。
双输出发电机可以在他们的MV和LV输出之间提供电位隔尚。与图2和图3所不 的基于变压器的系统相比，双输出发电机定子绕组之间的极端有效的相互耦合可带来一些 性能上的好处。该相互耦合可以使得每个双输出发电机中经历的电抗性电压降几乎一样。 这样，可以减少中压母线调整和低压母线调整之间的折衷，这同样适应于谐波频率。对于所 有实用目的，中压以及低压母线的单位谐波电压范围几乎是一样的。因此，有源滤波并不严 格需要优先提供任何中压和低压母线反馈，仅正常地需要单一的电压反馈。尽管如此，在这里，描述的整流和混频功能允许优先母线电压反馈，以允许闭环控制，从而对各自的定子绕 组的电抗性电位降之间的任何不一致进行反转。除了简化控制策略，中压和低压母线之间 也不再需要一变压器，从而在降低噪声、振动、机器体积和个头的同时，提高整个船舶配电 和推进系统的效率。
尽管图4中第一和第二推进驱动系统每个包括一个整流器SC，且整流器用于将中 压母线连接到驱动推进器的无刷dc推进电动机PM，然而，容易理解地，第一和第二推进驱 动系统中的每一个都可以包括一整流器和一逆变器，以用于将中压母线连接到ac推进电 动机。其中，整流器可以为后续关于图7的描述中的任何合适类型。
尽管图2到图4所示的配电系统只有两个推进驱动系统，然而，容易理解地，对于 具体的配电系统，任意数量的推进驱动系统可以被提供，相应地可以采用各种调整和控制 流程。
船舶配电和推进系统布置，其中第一配电母线携带dc配电电压
图5示出了本发明船舶配电和推进系统的第四示例。在图2到图4所示的系统 中，第一和第二中压母线MVACl和MVAC2携带ac配电电压。第一和第二低压母线LVACl和 LVAC2携带ac配电电压，该ac配电电压通过使用合适的变压器TI和T2 (如图2和图3所 示)或通过双输出发电机(如图4所示)的定子绕组之间的相互耦合从MV配电电压获得。图 5所示的系统也使用了双输出发电机，但第二中压配电盘或母线MVDCl和MVDC2携带dc配 电电压(例如，5. OkV) ο
主柴油双输出发电机DOGl以及辅助柴油机双输出发电机D0G2从他们的定子绕组 中一组向第一低压配电盘或母线LVACl提供ac电。他们的其它定子绕组可以通过整流器 (功率转换器)SC连接在第一中压配电盘或母线MVDCl。类似地，主柴油双输出发电机D0G3 以及辅助柴油机双输出发电机D0G4从他们的定子绕组中一组向第二低压配电盘或母线 LVAC2提供ac电。他们的其它定子绕组可以通过整流器(功率转换器)SC连接在第二中压 配电盘或母线MVDC2。尽管第一和第二低压母线LVACl和LVAC2携带ac配电电压，然而，容 易理解地，当需要第一和第二低压母线LVACl和LVAC2携带dc配电电压时，可以使用一整 流器，将每个双输出发电机的相应定子绕组连接到第一和第二低压母线上。
AC电压线路滤波电容器C1-C4可以为关联的整流器SC提供无源滤波。
第一和第二推进驱动系统每一个包括一个有源逆变器(或机械转换器)MC,以用于 将中压母线MVDC1、MVDC2连接到驱动推进器的ac推进发电机PM。逆变器MC可以为一可 变速的驱动器。
整流器SC可依据一控制策略进行操作，这样，除了调整流向第一和第二中压母线 MVDCl和MVDC2的功率流之外，整流器SC还可以提供有源滤波和静态补偿。PWM控制器Co 可以被用来调整中压母线各自的整流器和逆变器功能。
其中，功率转换器可以为后续图7详细描述中的任意合适类型。
图6示出了本发明船舶配电和推进系统的第五示例。在图5所示的系统中，整流 器SC直接连接在双输出发电机的相应定子绕组上。在图6所示的系统中整流器通过保护 开关装置连接在双输出发电机的相应定子绕组上，其中保护开关装置包括断路开关以及关 联的控制器。该额外保护开关装置的目的在于，例如当整流器或关联控制器发生功能故障 时阻断故障电流，这些故障电流可能流入第一和第二中压母线MVDCl和MVDC2。应注意，为了便于清楚描述，在图6中，省略了 PWM控制器Co、滤波电容器以及控制电路。
功率转换器布置
图7示出了用于图2至图4中推进驱动系统一些可能的布置。在图7a)到f)示出的六个示例电力电路的每一个中，dc环节滤波电感或电容连接在整流器(滤波电感或电容的左边)和关联的推进电动机(滤波电感或电容的右边)之间。表I和表2分别对用于多个功率转换器/dc推进电动机布置以及功率转换器/ac推进电动机的整流器性能属性进行了总结。
权利要求
1.一种配电系统，包括第一和第二配电母线(MVAC1，LVACl [图1到图4] ；MVDCl, LVACl [图5以及图6])，所述第一和第二配电母线每一条携带有各自的配电电压；一通用供电系统(Gl [图2和图3] ；D0G1 [图4到图6]),用于向所述第一和第二配电母线提供功率；一功率转换器(SC)，所述功率转换器(SC)连接在所述第一配电母线(MVAC1[图1到图4]；MVDC1 [图5以及图6])上，所述功率转换器具有ac端子；以及一控制器(Co)，所述控制器(Co)用于使用指示所述第一和第二配电母线携带的配电电压电量的反馈信号(MVvfb,LVvfb)对所述功率转换器(SC)进行控制，以调整所述功率转换器ac端子的电量，以获得期望的第二配电母线(LVACl)携带的配电电压的电量。
2.如权利要求1所述的配电系统，其特征在于，所述功率转换(SC)根据选择的或由控制器(Co)改变的一 PWM策略进行运行。
3.如权利要求1或2所述的配电系统，其特征在于，所述通用供电系统包括一连接在所述第一配电母线(MVACl)上的ac发电机(Gl [图2和图3] ；D0G1 [图4])，所述第一配电母线携带有一配电电压。
4.如权利要求3所述的配电系统，其特征在于，所述第二配电母线(LVACl)携带有一ac 配电电压，所述通用供电系统还包括一变压器(Tl)，所述变压器(Tl)连接在所述第一和第二配电母线(MVAC1，LVAC1)之间。
5.如权利要求3所述的配电系统，其特征在于，所述ac发电机(DOGl)包括至少一对电位隔离的定子绕组，第一定子绕组连接在所述第一配电母线(MVACl)上，用于提供第一 ac 电压，第二定子绕组连接在所述第二配电母线(LVAC1)上，用于提供第二 ac电压，所述第二配电母线携带一 ac或dc配电电压。
6.如权利要求5所述的配电系统，其特征在于，所述第二定子绕组通过第二功率转换器连接在所述第二配电母线上，所述第二配电母线携带一 dc配电电压。
7.如权利要求3-6任一所述的配电系统，其特征在于，所述功率转换器(SC)连接在所述第一配电母线(MVACl)和一电力负载之间，所述电力负载可选地包括一推进电动机 (PM)。
8.如权利要求1或2所述的配电系统，其特征在于，所述通用供电系统包括一ac发电机(D0G1 [图5和图6])，所述功率转换器(SC)连接在所述ac发电机和所述第一配电母线 (MVDCl)之间，所述第一配电母线携带一 dc配电电压。
9.如权利要求8所述的配电系统，其特征在于，所述ac发电机(DOGl)包括至少一对电位隔离的定子绕组，一第一定子绕组通过所述功率转换器(SC)连接在所述第一配电母线 (MVDCl)上，所述第一定子绕组用于提供一第一 ac电压，一第二定子绕组连接在所述第二配电母线(LVDCl)上，所述第二定子绕组用于提供一第二 ac电压，所述第二配电母线携带一 ac或dc配电电压。
10.如权利要求9所述的配电系统，其特征在于，所述第二定子绕组通过一第二功率转换器连接在所述第二配电母线上，所述第二配电母线携带一 dc配电电压。
11.如权利要求7-10任一所述的配电系统，其特征在于，一电力负载连接在所述第一配电母线(MVDC1)上，所述电力负载可选地包括一推进电动机(PM)。
12.如前述任一权利要求所述的配电系统，其特征在于，所述反馈信号包括一第一电压反馈信号(MVvfb)以及一第二电压反馈信号(LVvfb),所述第一电压反馈信号(MVvfb)用于指示所述第一配电母线携带的一电压，所述第二电压反馈信号(LVvfb)用于指示所述第二配电母线携带的一电压。
13.如权利要求3或8所述的配电系统，其特征在于，所述反馈信号包括一电流反馈信号(MVifb)，所述电流反馈信号(MVifb)用于指示所述ac发电机(Gl [图2和图3] ;D0G1 [图 4到图6]) ac端子的电流。
14.如前述任一权利要求所述的配电系统，其特征在于，对所述功率转换器(SC)进行控制以调整(i)流经所述功率转换器的功率流；(ii)所述功率转换器ac端子的功率因数和/或谐波失真。
15.一种控制一配电系统的方法，所述配电系统包括第一和第二配电母线(MVAC1， LVACl [图1到图4] ；MVDC1, LVACl [图5以及图6])，所述第一和第二配电母线每一条携带有各自的配电电压；一通用供电系统(Gl [图2和图3] ;D0G1[图4到图6])，用于向所述第一和第二配电母线提供功率；以及一功率转换器(SC)，所述功率转换器(SC)连接在所述第一配电母线，所述功率转换器具有ac端子，所述方法包括下述步骤使用指示所述第一和第二配电母线携带的配电电压电量的反馈信号(MVvfb，LVvfb)对所述功率转换器(SC)进行控制，以调节功率转换器ac端子的电量和/或所述第二配电母线(LVACl)携带的配电电压的电量。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，根据折衷对所述功率转换器(SC)进行控制，以调节所述功率转换器ac端子的电量以及所述第二配电母线(LVACl)携带的配电电压的电量。
17.如权利要求15或16所述的方法，其特征在于，根据一调节器整流和混频功能，对所述功率转换器(SC)进行控制，以调节所述功率转换器ac端子的电量以及所述第二配电母线(LVACl)携带的配电电压的电量。
18.如权利要求15-17任一所述的方法，其特征在于，根据一PWM策略对所述功率转换器(SC)进行控制。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，通过选择或改变下述一种或多种参数对所述功率转换器(SC)进行控制(i)所述PWM策略的调制深度；(ii)所述PWM策略的调制角度；(iii)所述PWM策略的谐波结构；(iv)所述PWM策略，从而为所述配电系统获取一期望的功率因数；(V)所述PWM策略，以使得所述功率转换器吸取滞后VAr ；(vi)所述PWM策略，以减少谐波失真或为所述配电系统获取选择性谐波消除(SHE);以及(vii)所述PWM策略，以获取用于所述配电系统的一期望的供电质量(QPS)。
20.如权利要求15-19任一所述的方法，其特征在于，所述第一配电母线(MVAC1[图1 到图4] ；MVDC1 [图5和图6])携带一 dc或ac配电电压，以及/或所述第二配电母线(LVACl) 携带一 dc或ac配电电压。
全文摘要
在一船舶配电和推进系统中，包括一中压配电母线(MVAC1)以及一低压配电母线(LVAC1)，可选地，对一整流器(SC)进行控制以提供有源滤波和静态补偿。一包括有ac发电机(G1-G4)的通用供电系统可向中压和低压配电母线提供电力。所述整流器(SC)连接在中压配电母线(MVAC1)上。一控制器(Co)使用指示中压和低压配电母线(MVAC1，LVAC1)配电电压的电量的反馈信号对整流器(SC)进行控制，以调整整流器(SC)ac端子的电量，从而获取期望的、低压配电母线(LVAC1)携带的配电电压电量。
文档编号B63H23/24GK103003145SQ201180028555
公开日2013年3月27日 申请日期2011年6月6日 优先权日2010年6月8日
发明者艾伦·大卫·凯伦恩, 拉尔夫·爱德温·马尔特比, 尼古拉斯·西蒙·斯密 申请人:通用电气能源电力转化技术有限公司