电力分配系统的制作方法

专利名称：电力分配系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电力分配系统，更加具体地说，涉及一种能够 用于船舶电力和推进系统的"智能"电力分配系统。电力分配系统能够使船舶电力和推进系统获得最大的功率密度、效率和稳定性，并且 借助于模块化处理方案和标准接口而便于将来进行技术嵌入。
背景技术：
在利用全电力推进(FEP)的传统船舶电力和推进系统中，故障 电流幅度-时间辨别用于允许保护开关装置中断特定子电路中的过电 流故障，同时使对所有其它子电路的实际破坏最小。假定这种FEP 系统利用"电厂原理"，其中目的是使在任意特定的时间并入电网的 电力产生容量适应在那个时间正被驱动的总负载。这具有使燃料效率 最大化的效果。这种FEP系统的构成通常通过电力管理系统而被自动 化至一定的程度，所述电力管理系统以优先顺序的方式授权减少负荷 和起动发电机。交流电通过FEP系统以中压(MV)分配以便与基于地 面的系统保持兼容。传统FEP系统的一个例子如图1所示。 一系列涡轮机T和柴油 机D被用于为单独的发电机G提供动力。这些发电机通过中压(MV) 交流母线系统向FEP系统提供交流电源，所述中压交流母线系统装备 有保护开关装置。所述保护开关装置包括断路器和相关的控制，并且 在图1中由符号X表示。使用电力变换器PC将MV交流母线系统与 驱动螺旋桨的电力推进马达PM连接。滤波器F也与MV交流母线系 统连接。所述MV交流母线系统被分割成第一MV交流母线和第二MV 交流母线，它们通过保护开关装置互连。第一低压(LV)交流母线 通过第一变压器而与第一MV交流母线连接。第二LV交流母线通过 第二变压器而与第二MV交流母线连接。所述第一和第二LV交流母
线通过保护开关装置互连。可将一系列未指定的主负载和次要负载分 别与第一和第二LV交流母线连接。从图l可以清楚看出次要负载是通过第一和第二次要LV交流母线与第一和第二 LV交流母线连接的。 沿着图1的右手侧示出了 FEP的六个幅度-时间辨别等级。在每 个辨别等级中通过X符号来代表保护开关装置。例如，在辨别等级6 中，保护开关装置位于MV交流母线和每个发电机G之间。在辨别等 级5中，保护开关装置位于MV交流母线和每个滤波器F之间以及MV 交流母线和每个电力变换器PC之间。保护开关装置位于MV交流母 线和每个变压器之间，所述变压器用于将第一和第二MV交流母线分 别与第一和第二LV交流母线连接。在在辨别等级4中，保护开关装 置位于每个变压器和各自对应的LV交流母线之间。在辨别等级3中， 保护开关装置位于第一和第二 LV交流母线和每个主负载之间，以及 每个分别馈至次要LV交流母线的线路上。在辨别等级2中，另外的 保护开关装置位于第一、第二LV交流母线和次要LV交流母线的相 关部分之间。在辨别等级l中，保护开关装置位于次要LV交流母线 和每个次要负载之间。在FEP系统的任何特定辨别等级中发生的短路必定会切断那个 等级中的相关保护开关装置，但不能使任何其它保护开关装置切断。 保护故障电流水平完全由电源阻抗确定，而保护开关装置只有在峰值 故障电流通过之后才能中断故障电流(即，故障期间在F E P系统中的 电流)。因此通常只有在线路电流反向时或在其后非常短的时刻才能 中断故障电流。图1中所示的传统FEP系统具有下列技术缺陷。 故障电流的幅度受在特定的共同耦接点上并入电网的发电机G 的数量和类型的影响；组合的发电机阻抗越低，故障电流越大。预期 的故障电流会发生宽泛变化，并且保护设备设置可能必须是连续可调 节的以保证故障辨别。故障电流的幅度随分配电压(即，由FEP系统中的各种交流母 线所运送的电压)的降低而提高。随着总安装额定功率的提高和/或 分配电压的降低，最终的故障电流可能会超过可用保护开关装置的容
量。中压电力分配系统可能必须使用负载降压变压器和特殊化的绝缘 系统以便允许使用足够高的分配电压来克服保护开关装置限制。发电机G的特性可能按照时间相依性以及交流和直流分量的峰 值幅度发生广泛的变化以帮助负载分配。(设计自动电压调节器(AVR)来帮助负载分配)。另外，这些特性受与发电机耦接的原动 机(例如，柴油机D或涡轮机T)类型的极大影响，并且它们最终耦 接的控制和调整响应可能会有极大的不同。当一组发电机G与一个公 共耦接点连接时，这种不一致通常会变成有问题的，特别是在无源电 路(例如，滤波器和变压器)切换期间和在负载瞬变期间。FEP系统通常被分割成多个公共耦接点，它们被称之为"岛压 点"。所有岛压点可被并行的连接起来以给出一个单岛压点结构(例 如，用于单引擎运行)，或者可被分开以提供冗余和设备故障后的适度功能退化。个体岛压点之间的同步和负载转移是复杂的，尤其是当 他们具有不同的谐波污染度时和当存在上述的不一致时。推进电力通常是从推进分配系统(PDS)中的岛压点汲取的，而其它负载是通过 船舶业务分配系统(SSDS)中的岛压点馈电的，所述船舶业务分配系 统的电源通常是从PDS获得的。保护辨别和电源品质通常被与从最大 发电机G向下延伸至最小电子负载的共同层级相关联。必须提供手段 来使相对敏感的SSDS免受PDS中的相对健壮的电力和推进设备的潜 在有害影响。临界电力载荷可能需要自身具有专用电力变换和能量存 储设备的局部高完整度电源，以便维持所需的与PDS的去耦度。这些 局部电源通常被称为区域性电源单元(ZPSU)，并且它们的能量存储 通常被称为区域性能量存储(ZES)。因为FEP系统是交流系统，所以许多变量都能影响其设计。这 些变量包括(还可包括其它变量)电压、频率、相位角、功率因数、 循环切换事件点、相位不平衡、整数和非整数谐波失真。因为这是复杂的交流系统，所以能够认识到很难抑止影响这种电力分配系统的杂 散和人为阻抗之间的不可避免的谐振模。 一旦已经选择了分配频率 (即，由FEP系统中的各种交流母线所运送的交流电流的频率)，那 么这将大大影响发电机布局并最终限制原动机的轴速。在许多情况
下，这将不利地影响发电机和原动机的尺寸和性能。大多数传统FEP系统分配中压交流电流(MVAC)，同时还已知 分配低压直流电流(LVDC)。虽然这些LVDC系统通过限电流电源电 子装置从MVAC电流源获得它们的直流电流，但它们依赖直流断路器 (DCCB)来中断相当大的故障电流。例如，SSDS可使用相位受控变压整流器从传统的MVAC分配系统 获得LVDC分配电压。并联冗余馈电线通过配电板来分配LVDC分配电 压，所述配电板包括故障电流额定的DCCB。每个ZPSU通过插入调节 电源电子装置和防反馈二极管而被从这些配电板中的一对冗余配电 板馈电。另一个SSDS可使用变压器隔离的连续脉冲宽度调制(PWM)电 压源变换器(通常称为MV/LV线路变换器)来从传统的MVAC分配系 统获得LVDC分配电压。使用环形电路来分配LVDC，以便通过故障电 流额定的DCCB向ZPSU和其它电子负载提供冗余。与传统交流电流分配系统不同，直流电流分配系统将不会经历 规律的电流线路反向。因此DCCB必须通过以机电的方式使触点打开 来中断故障电流，由此在触点之间产生弧电压。弧电压与系统电压相 对，所述系统电压是供电电压源和感生电压之和，所述供电电压源引 起故障电流流动，所述感生电压对抗故障电流的任何减小。这允许弧 电压减小故障电流，并最终完全截断它。随着故障电流接近最终的截 断，弧电压将经受瞬时增加，其对于与SSDS连接的应力部件是己知 的并会产生电磁干扰(EMI)。该部件应力通过DCCB瞬变弧电压和从 在供电电压源中流动的故障电流的截断得到的SSDS分配电压的恢复 量(recovery)之和而被加剧。已知通过对这种电力分配系统应用电 涌放电器和缓冲器来减小瞬变弧电压和EMI。还已知使用混合DCCB，所述混合DCCB使用功率电子开关装置和 电磁致动电子触点的一系列连接组合使得功率电子开关装置快速切 断，电涌放电器和缓冲器减缓合成的电压瞬变现象，并且在截断故障 电流之后开启电子触点。线性调节器直流电源单元使用称作"回流"的技术来限制短路
负载条件期间的调节器功率装置耗散。回流系统典型的包括输出电流 极限调节器，其基准依赖于输出电压。如果负载阻抗降至特定的阈值 以下，则电流极限调节器的初始动作将使输出电压减小，其后是再生 动作，所述再生动作用于将输出电流和电压限制为适当的低水平，并 限制调节器功率装置耗散。发明内容本发明提供一种电力分配系统，其包括第一电力产生系统，包括至少一个电源，该电源用于给第一业 务分配系统供电，所述第一业务分配系统包括至少一个直流分配母线，用于运送分配电压和分配电流；和至少一个配电板，其包括带有触点的保护开关装置； 分区电力分配子系统，包括分区电源单元，用于给至少一个电子负载供电；和分区能量存储器，其与所述第一业务分配系统的至少一个 配电板连接，用于给所述分区电源单元供电；其中根据电源回流和稳定特性曲线以及电源启动特性曲线来调 整所述至少一个电源，并且其中根据减载(load shedding)和稳定 特性曲线来调整所述至少一个电子负载；其中只有当已经通过电源回流和稳定特性曲线与下列之一交互 作用而将分配电压和分配电流降至可接受的水平时才使所述保护开 关装置的触点打开(a)使一个过低的阻抗连接在分配电压两端的 故障；(b)在电力分配系统内自动产生的超驰交互跳闸命令；(c) 在电力分配系统内手动产生的超驰交互跳闸命令；和(d)远程产生 的超驰交互跳闸命令；和其中只有当所述触点两端的电压极性使得任何瞬时或突入电流 受到下列之一的限制时才使所述保护开关装置的触点闭合(a)电 源回流和稳定特性曲线以及电源起动程序；和(b)减载和稳定特性 曲线。
概括地，所述电力分配系统包括至少一个电源，其输出电流被 整流或自然产生直流电流。优选的根据电源回流和稳定特性曲线通过 快速动作装置(例如电力转换器)来限制输出电流，所述快速动作装 置最初使最大预期故障电流远大于传统的阻抗限制情况，并且随后在 协调动作中使输出电流变换方向。电源回流和稳定特性曲线还通过结 合稳态下垂度(droop)分量以便于在并联的电源之间进行电流分配。 另外，电源回流和稳定特性曲线还通过结合适当的瞬时响应以便于设 立分配电压，所述适当的瞬时响应被叠加在稳态下垂度分量上。当对电力分配系统应用低阻抗故障时，根据回流方法，所述至 少一个电源的动作最终将使故障电流中断。在故障电流中断进行的同 时，与相关于故障电流路径的配电板中的保护开关装置相关的传感器 和一个相关的电子处理器检测故障并确定保护开关装置必须被打开。 一旦故障已经被中断，则电子处理器确定有情况发生并指令保护开关 装置(可选择的为卸载型开关装置)打开。可将许多电子负载与电力分配系统连接，并且所有这些电子负载根据特定的减载和稳定特性曲线通过快速作用装置(类似例如电力转换器)被电子地调整，所述特定的减载和稳定特性曲线以与所述至少一个电源的输出电流的上述换向协调的方式除去负载电流。当打开保护开关装置时，除去负载电流的结果是允许根据回流方法恢复所述 至少一个电源的输出电压。该输出电压的恢复根据减载方法起动电子负载的再应用。所述减载和稳定特性曲线还会引起与将要叠加在电子 负载的稳态响应上的电源电压相关的负载电流的特定瞬时响应。还可通过借助其它传感器和电子处理器或通过特定的电子处理 器命令、通过交互跳闸的方法检测的其它故障模式来启动上面的方 法。优选的，所述方法的所有方面通过适当的装置而是可编程的。所 述电力分配系统并不需要为了操作而在所述至少一个电源、保护开关 装置和电子负载之间进行串行通信，因为分配的情报和有效的通信装 置都是通过电力分配系统本身提供的。所述电力分配系统的所有部件 都能自动和自主的操作。然而，如果提供串行通信，那么电力分配系 统就能受益于增加的情报和自动操作。可以为所有部件提供局部手动控制。通过电力分配系统，尤其是结合有分区能量存储器的一个或多 个分区电力分配子系统来分配电力。这些分区能量存储器本质上能够 支持可逆的电力流。分区能量存储器可以从第一业务分配系统充电以 便对与分区电源单元连接的电子负载提供连续的电力，而不管分配电 压是否中断。然而，分区能量存储器还可以反过来向第一电力分配系 统供电以帮助设立分配电压。优选的利用电力转换器使所有电源的输出适应适当的直流分配 电压并提供故障电流极限。这允许更大的设计自由度和电力产生设备 的最佳化。所有电子负载优选的也可通过电力转换器来调节，这会有 效的帮助设立分配电压并限制故障电流和切换瞬时值。电力分配系 统，尤其是保护开关装置只需要对其连续运行负载进行最佳化，因为 故障电流和切换瞬时值通过主动装置被限制。所述电力分配系统优选的具有高度冗余和可配置的布局以提供 适度退化。如果将电力分配系统用在海军船舶或潜艇上，则这一点特 别重要，在海军船舶或潜艇上即使部件被损坏也必须对关键系统连续 供电。电力分配系统的稳定性意味着可提供高脉冲负载(类似例如动 能(KE)射弹和无人航空器(UAV)发射台)。任何电子负载所汲取 的电力比率可被连续的调整以使效率最佳并且便于在单个岛压点和 多个岛压点之间的"无振"过渡。关于总安装电力产生容量，分配电 压可以低于传统电力分配系统中的分配电压，由此降低了绝缘要求并 且使电力密度最大化。所述电力分配系统的操作本质上是自动的，但也可以结合手动 倒退模式。所有关键部件优选的都是智能化的和自动操作的。所述智 能可被概述如下。当起动电源(例如发电机)时，其相关电力转换器调整输出电 压并使它斜向上至刚好低于期望的输出电压。所述相关保护开关装置 检测这种准备就绪状态并关闭。电源相对于反馈是安全的，在检测到 其处于并入电网状态之后转变成其特定的输出特性。当发生严重的过载时，通过电源回流和稳定特性来限制故障电
流。保护开关装置通过参照其传感器而快速定位和区分故障。如果故 障持续，则电源回流和稳定特性将使输出电压降低。所有电子减载或 回复至分区能量存储器。保护开关装置在检测到其是安全的来打开受 影响的输出。当消除故障时，所有其它电子负载摆脱或已经回复至分 区能量存储器，输出电压根据电源回流和稳定特性恢复，并且减载和 稳定特性被消除。所述电力分配系统还可包括一个第二电力产生系统，其包括用 于给第二业务分配系统供电的至少一个电源。所述第二业务分配系统 优选的包括至少一个直流分配母线，用于运送分配电压和分配电流； 和至少一个配电板，其包括带有触点的保护开关装置。所述分区电力 分配系统的分区能量存储器可与所述第二业务分配系统的至少一个 配电板连接。以这种方式，可从第一业务分配系统和/或第二业务分 配系统给分区能量存储器补给。在电力分配系统形成船舶电力和推进系统的一部分的情况下， 那么它还可以包括第一推进驱动系统；第二推进驱动系统；第一推 进电力产生系统，包括至少一个电源；和第二推进电力产生系统，包 括至少一个电源。所述第一和第二推进驱动系统中的每一个可以包括 一个由推进马达驱动的螺旋桨，所述推进马达的电力流通过电力转换 器来调整。所述第一和第二推进电力产生系统中的每一个可包括一个 原动机(类似例如，涡轮机)，其用于驱动发电机给电力转换器供电。所述第一推进驱动系统优选的具有三个电源输入端，每个输入 端是可选择的(例如，借助于手动连接的线路或其它适当绝缘的装置 的系统)。所述第一电源输入端可与第一推进电力产生系统连接，所 述第二电源输入端可与第二推进电力产生系统连接，以及所述第三电 源输入端可与所述第一业务分配产生系统的至少一个配电板连接。因 此可由第一推进电力产生系统通过第一电源输入端和/或由第二推进 电力产生系统通过第二电源输入端给第一推进驱动系统供电。还可从 第一业务分配系统通过第三电源输入端给第一推进驱动系统供电。如 果在再生模式下操作第一推进驱动系统，那么还能用于给第一业务分 配系统供电。
所述第二推进驱动系统优选的具有三个电源输入端，每个输入 端都是可选择的(例如，借助于手动连接的线路或其它适当绝缘的装 置的系统)。所述第一电源输入端可与第一推进电力产生系统连接， 所述第二电源输入端可与第二推进电力产生系统连接，并且所述第三 电源输入端可与所述第二业务电力分配系统的至少一个配电板连接。 因此可由第一推进电力产生系统通过第一电源输入端和/或由第二推 进电力产生系统通过第二电源输入端给第二推进驱动系统供电。还可 从第二业务分配系统通过第三电源输入端给第二推进驱动系统供电。 如果在再生模式下操作第二推进驱动系统，那么还能用于给第二业务 分配系统供电。如果所述第一和第二业务分配系统的配电板被互连或交叉链 接，那么还能在电力分配系统的两侧之间提供进一步的冗余。所述第一推进电力产生系统优选的具有第一和第二电源输出 端，每个电源输出端都是可选择的(例如，借助于手动连接的线路或 其它适当绝缘的装置的系统)。所述第一电源输出端可与第一推进驱 动系统的第一电源输入端连接，并且第二电源输出端可与所述第二推 进驱动系统的第一电源输入端连接。因此第一推进电力产生系统可通 过第一电源输出端给第一推进驱动系统供电和/或通过第二电源输出 端给第二推进驱动系统供电。如果第一推进电力产生系统具有一个可 选择的并且与第一业务分配系统的至少一个配电板连接的第三电源 输出端，那么还可以给第一业务分配系统供电。所述第二推进电力产生系统优选的具有第一和第二电源输出 端，每个电源输出端都是可选择的(例如，借助于手动连接的线路或 其它适当绝缘的装置的系统)。所述第一电源输出端可与第一推进驱 动系统的第二电源输入端连接，所述第二电源输出端可与所述第二推 进驱动系统的第二电源输入端连接。因此第二推进电力产生系统可通 过第一电源输出端给第一推进驱动系统供电和/或通过第二电源输出 端给第二推进驱动系统供电。如果第二推进电力产生系统具有一个可 选择的并且与第二业务分配系统的至少一个配电板连接的第三电源 输出端，那么还可以给第二业务分配系统供电。
所述电力分配系统可以被配置使得可由下述中的一个或多个通 过所述至少一个配电板对所述第一业务分配系统供电所述第一电力 产生系统；所述分区电力分配子系统的分区能量存储器；在再生模式 下操作的推进驱动系统；推进电力产生系统；和远程电源系统(例如 岸基电源)。这提供了相当可观的冗余度。所述第一电力产生系统的至少一个电源优选的是下述中的一个 或多个柴油发电机；燃气涡轮发电机；蒸汽涡轮发电机；组合循环燃气和蒸汽涡轮发电机；闭合循环(非通气)柴油发电机；电池；燃 料电池；流通池；飞轮发电机；超电容(即具有极高容量和电容容量 密度的电容器)和超导磁能存储器。这不应被看作是穷尽列表，将容 易理解也可以使用其它电源。优选的，所述第一电力产生系统的至少一个电源通过一个电力 转换器与所述第一业务分配系统的至少一个配电板连接。所述分区电力分配子系统的分区能量存储器还优选的通过一个 电力转换器与所述第一业务分配系统的至少一个配电板连接。在上述 两种情况中，所述电力转换器优选的是脉宽调制直流/直流转换器。当电力从第一业务分配系统流到分区电力分配子系统的分区能 量存储器中时，所述直流/直流转换器被极化为升压断路器，而当电 力从分区电力分配子系统的分区能量存储器流到第一业务分配系统 中时，所述直流/直流转换器被极化为降压断路器。优选的，所述第一电力产生系统的至少一个电源的输出电压和 输出电流被调整使得电流是单向的。进一步的调整使得稳态输出 电压可以是卸载总线电压调整点和稳态下垂度分量之和，所述稳态下 垂度与负载电流成比例使得稳态输出电压与稳态负载线一致。关于稳 态加载点的瞬时负载电流变化优选地使得输出电压沿瞬时负载线而 行，所述瞬时负载线的梯度小于稳态负载线的梯度。稳态电流优选的 被限制为特定的水平。如果负载电流瞬时超过稳态电流极限并接近但 不超过一个特定的瞬时电流极限水平，则输出电压将关于稳态负载线 瞬时减小，并且当稳态电流降低至稳态电流极限以下时将恢复至稳态 负载线。如果负载电流连续超过稳态电流极限或者超过所述特定的瞬
时电流极限水平，则优选的应用回流使得输出电压和输出电流根据再 生处理而降为零，并且输出电压和电流保持为零直到负载阻抗已经增 加超过一个特定的水平。如果负载阻抗增加超过所述特定的水平，那 么负载电压初始地部分恢复，然后优选的斜向上升至一个期望的操作 占。八、、o可根据一个时间变化斜坡率将负载电压斜向上升至所述期望的 操作点，所述时间变化斜坡率被指定为使得电力分配系统内的总电压 瞬时值最小化。优选的通过电源回流和稳定特性曲线的瞬时负载线函数和通过 限制减载和稳定特性曲线的负载电流函数的变化率而使分配电压稳 定。所述第一电力产生系统可包括用于给第一业务分配系统供电的 多个并联电源。在这种情况下，所述多个电源的稳态电流分配可通过 每个电源的电源回流和稳定特性曲线的稳态下垂度函数而被协调。所 述多个电源的瞬时电流分配可通过每个电源的电源回流和稳定特性 曲线的瞬时负载线函数而被协调。所述至少一个开关装置包括分配母线、输入母线、输出母线。 至少一个机电致动的卸载双极开关优选的与所述分配母线连接。所述 至少一个开关装置优选的通过一个电子控制系统来控制，所述电子控 制系统包括电子处理器，在全部分配母线、输入母线和输出母线上的 电流传感器，全部分配母线、输入母线和输出母线的电压传感器，交 互跳闸输入端，交互跳闸输出端，和用于开关致动器的驱动器。所述 电子控制系统还可以包括局部操作者接口和遥控接口。本发明还提供一种控制电力分配系统的方法，所述电力分配系统包括第一电力产生系统，包括至少一个电源，该电源用于给第一业 务分配系统供电，所述第一业务分配系统包括至少一个直流分配母线，用于运送分配电压和分配电流；和至少一个配电板，其包括带有触点的保护开关装置；22
分区电子分配子系统，包括分区电源单元，用于给至少一个电子负载供电；和 与所述第一业务分配系统的至少一个配电板连接的分区能 量存储器，用于给所述分区电源单元供电；所述方法包括步骤根据电源回流和稳定特性曲线以及电源启动特性曲线来调整所 述至少一个电源；和根据减载和稳定特性曲线来调整所述至少一个电子负载；其中只有当已经通过电源回流和稳定特性曲线与下列之一交互 作用而将分配电压和分配电流降至可接受的水平时才使所述保护开关装置的触点打开(a)使一个过低的阻抗连接在分配电压两端的 故障；(b)在电力分配系统内自动产生的超驰交互跳闸命令；(c) 在电力分配系统内手动产生的超驰交互跳闸命令；和(d)远程产生 的超驰交互跳闸命令；和其中只有当所述触点两端的电压极性使得任何瞬时或突入电流 受到下列之一的限制时才使所述保护开关装置的触点闭合(a)电 源回流和稳定特性曲线以及电源起动程序；和(b)减载和稳定特性 曲线。优选的，通过电源回流和稳定特性曲线的瞬时负载线函数和通 过限制减载和稳定特性曲线的负载电流函数的变化率来使分配电压 稳定。所述电力分配系统优选的具有电源起动程序，其中 所述电源回流和稳定特性曲线的卸载总线电压调整点初始被设 置为零；所述第一电力产生系统的至少一个电源通过检测下述之一来检 测开始供电的需要(a)从第一业务分配系统的至少一个配电板的 关闭获得的分配电压的存在情况；(b)在电力分配系统内自动产生 的超驰开始命令；(c)在电力分配系统内手动产生的超驰开始命令； 和(d)远程产生的超驰开始命令；一旦检测到需要开始供电，则起动所述至少一个电源，并且所
述电源回流和稳定特性曲线的卸载总线电压调整点被斜向上升至一 个期望的操作点。可根据一个时间变化斜坡率将负载电压斜向上升至所述期望的 操作点，所述时间变化斜坡率根据所述至少一个电源的动态容量和允 许所述至少一个电源在电力分配系统中渐进地提供渐增比例的总负 载电流的需要而被指定以使电力分配系统内的总电压瞬时值最小化。所述减载和稳定特性曲线优选的包括下列根据电流极限调整负 载电流以使得负载电流被允许达到任何期望的值但总是服从超驰调 节器功能的步骤限制从分配电压瞬时值得到的负载电流变化率；和阻止将使负载电流超过所述电流极限的任何动作；并且其中电流极限可上调至电流极限的一个特定值并且不会超过它； 当电源电压超过减载阈值时被保持恒定；随着电源电压被降低至减载阈值以下并处在绝对最小加载电压以上的任何供电电压水平时而渐进地减小；当电源电压小于绝对最小加载电压时被设置为零； 当电源电压从小于绝对最小加载电压的值增加并上升至一个特定的值时被设置为零；和随着电源电压的增加而渐进地提高。可通过任何方便的装置对所述电源回流和稳定特性曲线、减载 和稳定特性曲线以及电源起动程序的所有参数进行编程。优选的，在电力分配系统中发生低阻抗故障的情形下，所述电 力分配系统具有一个过电流保护程序，所述过电流保护程序包括下列 步骤在电力分配系统内定位低阻抗故障；通过应用电源回流和稳定特性曲线来限制故障电流和分配电压；通过应用减载和稳定特性曲线来限制负载电流； 检测负载电流中断；
打开保护开关装置的触点；等待通过打开保护开关装置的触点而引发的分配电压的部分恢复；等待通过应用电源回流和稳定特性曲线而引发的分配电压的全 部恢复；和等待通过应用减载和稳定特性曲线所引发的负载电流的重新应用。优选的，所述电力分配系统具有一个通用保护或电力管理程序， 所述程序包括下列步骤检测故障条件或任何要求打开保护开关装置的触点的电力管理 条件的设立；产生超驰交互跳闸命令；通过应用电源回流和稳定特性曲线来限制分配电压；通过应用减载和稳定特性曲线来限制负载电流；检测负载电流中断；打开保护开关装置的触点；等待通过打开保护开关装置的触点而引发的分配电压的部分恢复；等待通过应用电源回流和稳定特性曲线而引发的分配电压的全 部恢复；等待通过应用减载和稳定特性曲线所引发的负载电流的重新应用。所述分区电力分配子系统的分区能量存储器可从第一业务分配 系统接收电力，或者向其供电。优选的，出于下述目的对电力进行调 整对分区能量存储器进行再充电；对分区电力分配子系统的分区电 源供电；对第一业务分配系统供电；提供大型能量存储器；用于任意 目的的连续供电；短暂供电以帮助稳定分配电压；短暂供电以支持具 有差的瞬时响应的其它电源；在分区能量存储器和第一业务分配系统 之间提供隔离以在第一业务分配系统发生故障时允许分区电源单独 操作；或者当分区能量存储器或分区电源发生故障时，允许第一业务
分配系统独立于分区能量存储器操作。


图1为利用全电力推进(FEP)的传统船舶电力和推进系统的示意图；图2为根据本发明的电力分配系统的示意图；图3为表示形成图2的电力分配系统的一部分的电源的输出电 压对输出电流特性曲线的示图；图4为表示形成图2的电力分配系统的一部分的电子负载的负 载电流对供电电压特性曲线的示图；图5为形成图2的电力分配系统的一部分的保护开关装置的示意图；图6为表示形成图2的电力分配系统的一部分的电源的输出电 压对输出电流特性曲线的示图，其中示出了不完全减载的效果。
具体实施方式
虽然下述说明涉及一种用于海洋应用的电力分配系统，并且特 别涉及一种非常适用于海军船舶和潜艇的电力分配系统，但将很容易 理解可将类似的布局技术和控制方法用于其它类型的电力分配系统， 例如基于地面或基于航空器的系统。现在将参照图2说明根据本发明的电力分配系统的基本布局。 应该理解图2的所有输入、输出、终端和互连都是双极直流型的。第一推进电力产生系统(PPGS)包括驱动发电机2给输出转换 器3供电的涡轮机1。类似的，所述PPGS包括驱动发电机11给输出 转换器12供电的发电机11。第一推进驱动系统(PDS)包括由推进 马达5驱动的螺旋桨6，所述推进马达5的功率流通过推进转换器4 来调整。类似的，第二PDS包括由推进马达8驱动的螺旋桨9，所述 推进马达8的功率流通过推进转换器7来调整。输出转换器3和12 每个都具有三组输出端，推进转换器4和7每个都具有三组输入端，所有这种端子都具有将在下面更详细说明的连接配置。 可使用任意数量不同的部件来实现发电机2和11，并且其选择 通常将受原动机类型的影响。例如，对于传统的气体涡轮机来说，可 通过Boughton Road, Rugby, Warwickshire, CD21 1BU， United Kingdom 的Converteam公司(此后称为"Converteam")提供的实心磁极同 步发电机的双极涡轮列来实现所述发电机。对于更高速度的涡轮机， 可使用由Converteam提供的Motor Grand Vitesse (感应发电机变 体)来实现发电机。最后，对于较低速度的涡轮机和柴油机，可使用 Converteam提供的凸极式同步发电机的ALPHA、 BETA和GAMMA系列 来实现所述发电机。可使用Converteam提供的脉宽调制(P丽)电压源反相器的 VDM2500、 MV7000和MV3000系列来实现推进转换器4和7。可使用Converteam提供的先进感应马达来实现推进马达5和8。第一船舶业务电力产生系统(SSPGS)包括驱动发电机14给输 出转换器15供电的柴油机13。类似的，第二 SSPGS包括驱动发电机 18给输出转换器19供电的柴油机17。多个分区电力分配子系统每个 都包括一个分区电源单元(ZPSU)23，其将电力馈送到传统的低压(LV) 分配系统并从与第一直流/直流转换器21和第二直流/直流转换器24 连接的分区能量存储器(ZES) 22汲取电力。在图2中，示出了三个 分区电力分配子系统，但实际上可以使用更多或更少的分区电力分配 子系统。可使用Converteam提供的凸极式同步发电机的ALPHA、 BETA和 GA醒A系列来实现发电机14和18。可使用Converteam提供的脉宽调制(PWM)电压源倒相器的 VDM2500、 MV7000和MV300系列来实现输出转换器15和19。可使用Converteam公司提供的DELTA模块来实现直流/直流转 换器21和24与ZPSU 23。第一船舶业务分配系统(SSDS)包括直流分配母线25、 27和29， 其间插入有配电板16、 26和28，下面将进行更加详细的说明。类似 的，第二 SSDS包括直流分配母线30、 32和34，其间插入有配电板 20、 31和33。在图2中，第一和第二 SSDS每个都包括三个配电板， 该数量与所示出的分区电力分配子系统的数量相关，但实际上该数量 可以更多或更少。岸基电源39与岸基电源输出转换器38连接。 电力分配系统的各个部件如下所述的互连推进转换器4的第一输入端通过互连41与输出转换器3的第一输出端连接。推进转换器4的第二输入端通过互连43与输出转换器12的第 一输出端连接。推进转换器4的第三输入端通过互连42与配电板16的第一输 出端连接。推进转换器7的第一输入端通过互连46与输出转换器3的第二 输出端连接。推进转换器7的第二输入端通过互连44与输出转换器12的第 二输出端连接。推进转换器7的第三输入端通过互连45与配电板20的第一输 出端连接。输出转换器15的输出端与配电板16的第一输入端连接。 输出转换器19的输出端与配电板20的第一输入端连接。 输出转换器3的第三输出端通过互连47与配电板16的第二输 入端连接。输出转换器12的第三输出端通过互连48与配电板20的第二输 入端连接。直流/直流转换器21的供给端与配电板16的第二输出端连接。 直流/直流转换器24的供给端与配电板20的第二输出端连接。 配电板16的交联端通过交叉线路35与配电板20的交联端连接。 配电板26的交联端通过交叉线路36与配电板31的交联端连接，并通过岸电线路37与输出转换器38的输出端连接。类似的，配边板26、 28、 31和33与附加的分区电力分配子系统连接。类似的，配电板28和33通过交叉线路40连接。 将容易理解术语"输入"和"输出"指的是电力流的正常方向， 但在某些情形中也可以是将从输入端流出和流入到输出端中的情况。 例如，电力将通常从配电板16的第一输出端到推进转换器4的第三输入端流过互连线路42。然而，如果推进马达5将是在再生模式下 操作，则电力将从推进转换器4的第三输入端至配电板16的第一输 出端流过互连线路42。现在将参照图3说明在短路或低阻抗中流动的电流被截断的处 理。为了该说明，考虑故障发生在直流/直流转换器21内。可获得的 负载电流在包括柴油机13的电源的故障和保护动作之前流动，考虑 发电机14和输出转换器15来中断故障。然而，应该注意下述说明可 同样应用于可在电力分配系统中的任何地方发生的故障和通向电力 分配系统的任何电源。图3表示用于包括柴油机13、发电机14和输出转换器15的电 源的输出电压对可变输出电流的特性曲线。通过传统的调速器来控制 柴油机13并将其设置为在任何方便的旋转速度下运行。通过传统的 自动电压调节器(AVR)来调整发电机14，并将发电机输出电压设置 为任何方便的水平。通过根据图3所示的回流和稳定特性曲线的调节 器(未示出)来调整输出转换器15;该特性曲线基本上不依赖于传 统调速器和AVR的动作。任何方便类型的调节器都可用于调整输出转 换器15的目的，但可编程数字调节器将是优选类型。对输出转换器15的调节器提供卸载总线电压调整点("调整 点")，并且所述回流和稳定特性曲线的所有其它区域都是从此导出 的。在正常操作中，随着直流/直流转换器21中的负载电流逐渐增加 的，输出转换器15的输出电流也逐渐增加，并且输出转换器15的输 出电压根据稳态负载线降低，所述稳态负载线根据稳态下垂度而下 降。所述稳态下垂度可与输出电流成比例或者它也可以与任何其它适 当的特性曲线相符。通过快速的启动调节器动作，负载电流中会发生 瞬变现象，并且等价的输出电流将会使输出电压偏离稳态负载线。如 果输出电流和电压的稳态平均值处于图3中所示的稳态荷载点，并且 输出电流的瞬时扰动发生在稳态荷载点附近，则输出电压将与关于所 述示例稳态荷载点的瞬时负载线相符。所述瞬时负载线在图3中由在
稳态荷载点两侧上延伸的虚线箭头表示，并且它可以偏离所述稳态负 载点一个程度，所述程度可与输出电流瞬时扰动成比例，或者它可与 任何其它适当的特性曲线相符。输出电流受快速作用的超驰瞬时电流限制，使得输出电压降低 以防止输出电流的瞬时电平超过所述瞬时电流限度。负载电流也受稳 态电流限制，使得输出电压降低以防止输出电流的稳态平均电平超过 稳态电流极限。如果负载阻抗降至稳态回流特性曲线的梯度以下，那 么就应用回流。这意味着瞬时输出电流限度将被降低至依赖于输出电 压的一个水平，该相依性使输出电流和输出电压再生减小。再生动作 集中在输出电流和输出电压已经被降低至近似为零的点。实际上，当 在稳态输出电流正接近稳态电流限度的时间出现故障时，输出电流将 快速增加直到瞬时电流限制动作使输出电压衰减。然后应用回流并且 假定在输出电流和输出电压接近零时截断所述故障。由于将要解释的 原因，所述实际的回流特性使得瞬时电流极限的最小水平是较小的、 非零水平。在故障电流实际上已经被截断的点，较小、非零水平的输出电 流将通过配电板16中的保护开关装置流到由直流/直流转换器21表 示的负载中。如果该开关装置被打开并且能够截断所述较小、非零电 平，那么倘若没有其它负载，则分配电压将升高。在不存在其它负载的情况下，已知将在分配电压升高时清除所 述故障。因为当分配电压增加时，负载阻抗已经增加超过稳态回流特 性曲线的梯度的阻抗，所以回流的再生动作被释放，并且分配电压返 回至由调整点设置的水平。在与直流/直流转换器21并联有额外负载的情况下，如果通过 该负载呈现的阻抗小于稳态回流特性曲线的梯度的阻抗，则将不释放 回流。当多个负载并联并且必须将它们返回到故障阶段和清除之后的 操作时，当分配电压减小至低于正常工作水平以便允许释放回流时， 对于它们来说需要摆脱负载。本发明的回流和稳定特性曲线的益处是在以近似零电流-零电 压条件下操作时调用保护开关装置，由此就不需要利用通过使用复杂30 弧控制装置来阻止直流电的传统开关装置。回流和稳定特性曲线还便于使多个完全不同类型的电源进行并联，因为可通过快速动作的调节 器功能和功率电子装置来控制各个电源输出特性。这样不同发电机类型的特性阻抗和响应特性就能被去耦。现在将参照图4更详细的说明所述相关的负载减小和稳定特性 曲线。为了该说明的目的，与先前参照图3说明的相同故障被考虑发生在直流/直流转换器21内，同时通过包括螺旋桨6、推进马达5和 推进转换器4的推进驱动器呈现出一个额外负载。这意味着直流/直 流转换器21和所述额外负载被并联。在包括柴油机13、发电机14 和输出转换器15的电源的故障和保护动作之前流动的可变负载电流 可考虑用于截断所述故障。在直流/直流转换器21中发生故障之前，输出转换器15的输出 电流是从直流/直流转换器21和推进器汲取的负载电流之和。通过控 制推进转换器4的调节器来调整推进驱动器负载。推进驱动器负载可 被调整以获得恒定的推进功率或满足任何其它的操作要求，但恒定功 率情况适用于解释负载摆脱和稳定特性曲线的目的。如果从推进转换 器4汲取恒定推进功率，那么其负载电流将与其电源电压近似成反 比。(电源电压的减小被与负载电流的增加相关联以保持恒定功率。) 己知推进转换器具有电源电流限制功能，当推进转换器负载处于额定 功率并且电源电压被降低至额定最小值以下时，所述电源电流限制功 能会防止超过所述额定电流极限。图4表示当处于恒定功率时的电源 电压和负载电流的三条曲线。最上侧恒定功率曲线对于"恒定额定功 率"是特定的，并且该曲线与用于额定负载的额定电流极限和最小电 压的线交叉。如果电源电压被减小至低于该交点，那么负载电流初始 被恒定的保持在额定电流极限水平处，并且推进负载功率被与电源电 压成比例的减小。如果将电源电压减小至低于负载减小阈值，那么就 假定施加负载减小，并且负载电流从己知的额定电流极限偏离，并根 据依赖于第一电源电压的电流极限对其进行调整。这意味着按照比与 电源电压成比例的序律更高的序律来减小推进负载功率。减载被施 加，直到电源电压被降至一个特定的绝对最小加载电压，考虑在所述
特定的绝对最小加载电压下，作为故障的结果，分配电压已经衰减， 并且会发生欠电压跳闸。当发生欠电压跳闸时，推进驱动器呈现出一个受控的状态，在 所述受控状态下其电源电流通过推进转换器4被切断，并且保持对推 进驱动器的控制以便故障条件一旦被清除就能够快速重启。推进驱动 器保持在这种受控状态下直到电源电压已经被提高至一个特定的水 平，在该特定的水平减载被释放并且允许根据依赖于第二电源电压的 电流极限来提高负载电流直到恢复正常(非电流限制)的工作。倘若电源电压在规定的极限内，上述的减载特性的益处在于允 许推进驱动器或任何其它负载有效地从电源汲取电力。所述"恒定减 小功率曲线"显示出电源电流将如何解除限制，直到电源电压被降至负载电流的曲线与额定电流极限和减载阈值的线交叉的点。"处于允 许低电源电压的恒定减小功率"曲线显示出当通过远低于"用于额定 负载的电压"的范围的电源电压以相对低的输出功率操作推进驱动器 时，电源电流将如何解除限制。本发明允许具有例如5kV正常电源额定值的中压驱动器能够从具有例如750V的正常电源电压额定值的 SSDS电源进行操作，并且能够提供相比于传统电力分配系统明显不 同的技术优点。另外，倘若保护开关装置被指令打开以便清除故障， 则本发明中的低于"绝对最小加载电压"的减载特性的益处在于允许 释放电力源回流。减载和稳定特性的另一个方面是调整负载以使可能响应电源电 压或驱动系统中的其他扰动而出现的负载电流的变化率最小化。在这 种情况下，如果负载正操作在所述"示例稳态加载点"处(即在最小 和正常电平之间的电源电压处)并发生电源电压波动，则负载电流将 偏离恒定功率曲线并将采用"关于示例稳态加载点的瞬时负载线"。 熟悉的读者将会意识到在没有引发不稳定的情况下能够应用于具有 特定动态源阻抗的电源的最小动态负载阻抗是动态源阻抗的函数， (即，如果动态负载阻抗太低，则不能使分配电压稳定)。因此本发 明的减载和稳定特性提供了确保动态负载阻抗相对于动态源阻抗足 够大以保证获得稳定分配电压的必要手段。应该注意术语"动态源阻
抗"和"动态负载阻抗"并不意味着必须利用实际的物理阻抗和间接 功耗以便使分配电压稳定。相反，所述涉及的是模仿等效无源元件的 效果和传递函数的经典控制函数。减载和稳定特性还便于将一个以上 的负载并联到一个公共耦接点，并且负载分配在一个宽范围的电源电 压上都是有效的。当负载和电源组并联时，所述电源组所经受的总动 态负载阻抗是负载特性的并联组合，并且这些电源组可被编程以通过 被设计为最大的动态源阻抗实现稳定的操作。随着将并联电源加入到 分配网络上，动态源阻抗被减小并且稳定边际将扩大。在图2的电力分配布局中，可常规的调用直流/直流转换器21 和24， 一部分时间将其作为负载操作并且在剩余的时间将其作为电源操作。当对ZES22充电和/或给ZPSU23馈电时，直流/直流转换器 21和24的调节器必须遵照上述的减载和稳定特性曲线。当ZES22正 在通过直流/直流转换器21和24给SSDS馈电时，直流/直流转换器 21和24的调节器必须遵照上述的回流和稳定特性曲线。在这些特性 曲线之间需要无级双向转移。还可以赋予推进驱动器用于双向电力流 的能力。当不要求或不允许电源从另一个电源接收电力时，利用图3中 所示的回流和稳定特性曲线的防反馈区域。借助这种手段，先前存在 的电源电压可与电源的输出端连接，并且其输出电压可被斜向上倾斜 直到穿过所述特性曲线的防反馈区域，并且电源输出电力。防反馈功 能的一个益处是用于SSDS的开关装置可被闭合到电源输出端上，而 不会遭受突入电流或者要求电源具有正常与交流电分配系统相关的 复杂同步装置。现在将参照图5说明配电板16、 26、 28、 20、 31和33内的保 护开关装置的操作。应该注意由于下面将要更加详细说明的原因，图 5中示出的是全双极格式，而图1中使用的是非单线格式。配电板16、 26、 28、 30、 31和33的功能性与普通处理一致，并且将在没有详细 参照任何特定配电板内的确切电路的情况下来说明该普通的功能性。 特定配电板的详细电路与图5中所示的普通配电板的不同之处仅在 于切换输入和输出的数量。应该理解可通过任何方便数量的输入和输
出来产生配电板。图5的普通配电板包括多个电力端。所述电力端的一半(即标记101、 105、 108、 110和112的那些)与直流系统的正(+ )极相关 联。所述电力端的另一半(即标记102、 106、 107、 109和111的那 些)与直流系统的负(-)极相关联。还提供有两个分配母线。第一母线103与直流系统的正极相关 联，而第二母线104与直流系统的负极相关联。许多单独的线路将电 力端与第一和第二母线103和104连接。所述线路的一半(即标记 113、 117和116的那些)与直流系统的正极相关联。所述线路的另 一半(即标记114、 118和115)的那些与直流系统的负极相关联。所述配电板包括两个双极马达驱动开关119和120与一个控制 系统。所述控制系统包括电子处理器139、与直流系统的正极相关的 第一系列电流传感器129、 137、 132、 134和136、与直流系统的负 极相关的第二系列电流传感器130、 138、 131、 133和135、与直流 系统的正极相关的第一系列电压传感器128、 121、 123和125、与直 流系统的负极相关的第二系列电压传感器127、 122、 124和126、局 部操作者接口 140、遥控接口 143和分别与开关119和120相关的两 个交互跳闸接口 141和142。可使用由Converteam提供的PEC微控制器来实现电子处理器 139。可使用与PEC微控制器适当接口的专利马达驱动模制壳体和机 架型高速直流电路断路器来实现开关119和120。线路113、 117、 116、 114、 118和115是手动栓接线路，其能 够使用户隔离电力分配系统的各个部分，但应该理解如果需要，可通 过附加的双极马达驱动开关来代替这些线路。为了该说明的目的，认为电力端111和112与电源连接，而电 力端109和IIO与负载连接。现在将在没有详细参照控制系统的情况下说明开关装置的操作 处理。下面将对其进行更详细的说明。当在负载中发生低阻抗故障时，故障电流流入电力端112、通过 分配母线103、流出电力端IIO、回到电力端109中、通过分配母线104并流出电力端111。所述电路是通过双极幵关119和120完成的。所述控制系统能够确定在负载中己经发生故障，并且只有当零电流流入该开关时才打开双极开关119而易化保护程序。将认识到当零电流 流过该开关时也可以打开双极开关120，但当其它负载通过分配母线 103和104与电源连接时，这并不是优选的，因为这些负载可能依赖 于在中断和清除上述的故障之后来自电源的电力流的恢复。 现在将说明通过所述控制系统提供的一些益处。 电子处理器139以足够快的响应对由电流传感器129至138和 电压传感器121至128产生的信号重复采样以能够确定故障特性。已 经对低阻抗故障进行了说明，而该故障的存在情况及其确切特性将通 过电流传感器136、 134、 133和135联合电压传感器123和124来识 别。只要在回流处理变成再生之前执行故障电流的感测和检测，并中 断故障电流，则电流感测足以识别故障的开始和位置。 一旦回流己经 变成再生的，故障电流已经被中断并且分配电压已经衰减为近似零， 则电子处理器139确定打开开关是安全的并打开开关119。如上面简 要说明的，如果电子处理器139知道其它负载在故障开始之前就被提 供有电力，则开关119通常将优先于开关120被打开。其它负载的存 在情况将通过使用检测器129、 132、 137、 130、 131和138检测负载 电流来检测。很明显，这样一个电子处理器139和检测器的综合阵列将能够 检测宽范围的其它类型的故障，并且这些故障可使直流系统的正负极 中的电流不对称。例如，已知接地故障将使电流只在一个极中流动。 类似的，在接地故障期间将发生电压不对称。因此控制系统需要在电 源输出电流不过量的任意时间都能够使回流特性曲线可使用，该过程 是通过交互跳闸处理执行的。如果电子处理器139确定需要当正在运 送电流并且存在分配电压时打开任何特定的开关，则必须首先触发交 互跳闸。在图5中，交互跳闸信号141和142专用于这种分别和与端 子112和lll连接的电源和与端子110和109连接的负载通信。如果 将交互跳闸信号输出给接口 142，则与端子112和lll连接的电源必 会使其回流特性曲线受影响，并且必须通过接收超驰交互跳闸信号来
启动回流。在另一种情况中，负载中的一个严重故障条件可以是例如 授权交互跳闸。在这种情况下，交互跳闸信号141的接收将被电子处 理器139使用交互跳闸输出142解释为是使电源交互跳闸的需要。在其它情况下，电子处理器139可响应其它命令(例如包括通 过局部操作人员接口 140产生的局部操作人员命令和通过遥控接口 143传来的外部产生的命令)产生交互跳闸程序。应该意识到这种电 子处理器139还可装备有全局交互跳闸接口，其将使电力分配系统中 的所有电源交互跳闸。还应该理解开关119和120不可虚假的打开和 它们也必须通过电子处理器139被交互跳闸和互锁。这种开关可具有 手动回复的操作模式，和可以借助早先断开的触点、机械互锁和与电 子处理器的适当连接来启动交互跳闸。应该理解根据本发明的大电力分配系统可并入许多这种类型的 配电板。所述电力分配系统可进行物理扩展并且在正负极之间具有相 当大的容量。实际负载在正负极之间也可以具有容量并且它们的减载 可能是不完美的。应该意识到参照图3所述的回流和稳定特性曲线并 不会考虑这些问题，在图6中示出了实际的特性曲线。在该实际特性 曲线中，释放回流时的电压和电流的地方指示存在由清除故障之后分 配电压的恢复所得到的电流。
权利要求
1.一种电力分配系统，包括第一电力产生系统，包括至少一个电源，该电源用于给第一业务分配系统供电，所述第一业务分配系统包括至少一个直流分配母线，用于运送分配电压和分配电流；和至少一个配电板，其包括带有触点的保护开关装置；分区电力分配子系统，包括分区电源单元，用于给至少一个电子负载供电；和分区能量存储器，其与所述第一业务分配系统的至少一个配电板连接，用于给所述分区电源单元供电；其中根据电源回流和稳定特性曲线以及电源启动特性曲线来调整所述至少一个电源，并且其中根据减载和稳定特性曲线来调整所述至少一个电子负载；其中只有当已经通过电源回流和稳定特性曲线与下列之一交互作用而将分配电压和分配电流降至可接受的水平时才使所述保护开关装置的触点打开(a)使一个过低的阻抗连接在分配电压两端的故障；(b)在电力分配系统内自动产生的超驰交互跳闸命令；(c)在电力分配系统内手动产生的超驰交互跳闸命令；和(d)远程产生的超驰交互跳闸命令；和其中只有当所述触点两端的电压极性使得任何瞬时或突入电流受到下列之一的限制时才使所述保护开关装置的触点闭合(a)电源回流和稳定特性曲线以及电源起动程序；和(b)减载和稳定特性曲线。
2. 根据权利要求l所述的电力分配系统，还包括一个第二电力 产生系统，其包括用于给第二业务分配系统供电的至少一个电源，所 述第二业务分配系统包括至少一个直流分配母线，用于运送分配电压和分配电流；和 至少一个配电板，其包括带有触点的保护开关装置； 其中所述分区电力分配系统的分区能量存储器与所述第二业务 分配系统的至少一个配电板连接。
3. 根据权利要求2所述的电力分配系统，还包括 第一推进驱动系统；第二推进驱动系统；第一推进电力产生系统，包括至少一个电源；和 第二推进电力产生系统，包括至少一个电源；其中所述第一推进驱动系统具有三个电源输入端，每个输入端 是可选择的，所述第一电源输入端与第一推进电力产生系统连接，所 述第二电源输入端与第二推进电力产生系统连接，以及所述第三电源 输入端与所述第一业务分配产生系统的至少一个配电板连接。
4. 根据权利要求3所述的电力分配系统，其中 所述第二推进驱动系统具有三个电源输入端，每个输入端都是可选择的，其中所述第一电源输入端与第一推进电力产生系统连接， 所述第二电源输入端与第二推进电力产生系统连接，并且所述第三电 源输入端与所述第二业务电力分配系统的至少一个配电板连接。
5. 根据权利要求3或4所述的电力分配系统，其中所述第一推 进电力产生系统具有第一和第二电源输出端，每个电源输出端都是可 选择的，其中所述第一电源输出端与第一推进驱动系统的第一电源输 入端连接，并且第二电源输出端与所述第二推进驱动系统的第一电源 输入端连接。
6. 根据权利要求5所述的电力分配系统，其中所述第一推进电 力产生系统具有一个第三电源输出端，其是可选择的并与所述第一业 务分配系统的至少一个配电板连接。
7. 根据权利要求3到6中的任何一个所述的电力分配系统，其 中所述第二推进电力产生系统具有第一和第二电源输出端，每个电源 输出端都是可选择的，其中所述第一电源输出端与第一推进驱动系统 的第二电源输入端连接，所述第二电源输出端与所述第二推进驱动系 统的第二电源输入端连接。
8. 根据权利要求7所述的电力分配系统，其中所述第二推进电 力产生系统具有一个第三电源输出端，其是可选择的并且与所述第二 业务分配系统的至少一个配电板连接。
9. 根据任何一个前述权利要求所述的电力分配系统，其中由下 述中的一个或多个通过所述至少一个配电板对所述第一业务分配系 统供电所述第一电力产生系统；所述分区电力分配子系统的分区能量存储器；在再生模式下操作的推进驱动系统；推进电力产生系统；和远程电源系统。
10. 根据任何一个前述权利要求所述的电力分配系统，其中所述第一电力产生系统的至少一个电源是下述中的一个或多个 柴油发电机； 燃气涡轮发电机； 蒸汽涡轮发电机； 组合循环燃气和蒸汽涡轮发电机； 闭合循环(非通气)柴油发电机； 电池； 燃料电池； 流通池； 飞轮发电机； 超电容；和超导磁能存储器。
11. 根据任何一个前述权利要求所述的电力分配系统，其中所 述第一电力产生系统的至少一个电源通过一个电力转换器与所述第 一业务分配系统的至少一个配电板连接。
12. 根据权利要求ll所述的电力分配系统，其中所述电力转换 器是脉宽调制直流/直流转换器。
13. 根据任何一个前述权利要求所述的电力分配系统，其中所 述分区电力分配子系统的分区能量存储器通过一个电力转换器与所 述第一业务分配系统的至少一个配电板连接。
14. 根据权利要求13所述的电力分配系统，其中所述电力转换器是脉宽调制直流/直流转换器。
15. 根据权利要求14所述的电力分配系统，其中当电力从第一 业务分配系统流到分区电力分配子系统的分区能量存储器中时，所述 直流/直流转换器被极化为升压断路器，而当电力从分区电力分配子 系统的分区能量存储器流到第一业务分配系统中时，所述直流/直流 转换器被极化为降压断路器。
16. 根据任何一个前述权利要求所述的电力分配系统，其中所 述第一电力产生系统的至少一个电源的输出电压和输出电流被调整使得电流是单向的；稳态输出电压是卸载总线电压调整点和稳态下垂度分量之和， 所述稳态下垂度与负载电流成比例使得稳态输出电压与稳态负载线 一致；关于稳态加载点的瞬时负载电流变化使得输出电压沿瞬时负载线而行，所述瞬时负载线的梯度小于稳态负载线的梯度； 稳态电流被限制为特定的水平；如果负载电流瞬时超过稳态电流极限并接近但不超过一个特定 的瞬时电流极限水平，则输出电压将关于稳态负载线瞬时减小，并且当稳态电流降低至稳态电流极限以下时将恢复至稳态负载线；如果负载电流连续超过稳态电流极限或者超过所述特定的瞬时电流极限水平，则应用回流使得输出电压和输出电流根据再生处理而降为零，并且输出电压和电流保持为零直到负载阻抗己经增加超过一个特定的水平；和如果负载阻抗增加超过所述特定的水平，那么负载电压初始地部分恢复，然后斜向上升至一个期望的操作点。
17. 根据权利要求16所述的电力分配系统，其中根据一个时间变化斜坡率将负载电压斜向上升至所述期望的操作点，所述时间变化 斜坡率被指定为使得电力分配系统内的总电压瞬时值最小化。
18. 根据任何一个前述权利要求所述的电力分配系统，其中通 过电源回流和稳定特性曲线的瞬时负载线函数和通过减载和稳定特 性曲线的负载电流函数的变化率的限制而使分配电压稳定。
19. 根据任何一个前述权利要求所述的电力分配系统，其中所述第一电力产生系统包括用于给第一业务分配系统供电的多个并联 电源，其中所述多个电源的稳态电流分配通过每个电源的电源回流和稳定特性曲线的稳态下垂度函数而被协调，并且其中所述多个电源的 瞬时电流分配通过每个电源的电源回流和稳定特性曲线的瞬时负载 线函数而被协调。
20. —种控制电力分配系统的方法，所述电力分配系统包括 第一电力产生系统，包括至少一个电源，该电源用于给第一业务分配系统供电，所述第一业务分配系统包括 至少一个直流分配母线，用于运送分配电压和分配电流；和至少一个配电板，其包括带有触点的保护开关装置；分区电子分配子系统，包括.-分区电源单元，用于给至少一个电子负载供电；和 与所述第一业务分配系统的至少一个配电板连接的分区能 量存储器，用于给所述分区电源单元供电；所述方法包括步骤根据电源回流和稳定特性曲线以及电源启动特性曲线来调整所 述至少一个电源；和根据减载和稳定特性曲线来调整所述至少一个电子负载；其中只有当已经通过电源回流和稳定特性曲线与下列之一交互 作用而将分配电压和分配电流降至可接受的水平时才使所述保护开 关装置的触点打开(a)使一个过低的阻抗连接在分配电压两端的 故障；(b)在电力分配系统内自动产生的超驰交互跳闸命令；(C) 在电力分配系统内手动产生的超驰交互跳闸命令；和(d)远程产生 的超驰交互跳闸命令；和其中只有当所述触点两端的电压极性使得任何瞬时或突入电流 受到下列之一的限制时才使所述保护开关装置的触点闭合(a)电 源回流和稳定特性曲线以及电源起动程序；和(b)减载和稳定特性 曲线。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括下列步骤调整所述 第一电力产生系统的至少一个电源的输出电压和输出电流使得 电流是单向的；稳态输出电压是卸载总线电压调整点和稳态下垂度分量之和， 所述稳态下垂度与负载电流成比例使得稳态输出电压与稳态负载线 一致；关于稳态加载点的瞬时负载电流变化使得输出电压沿瞬时负载 线而行，所述瞬时负载线的梯度小于稳态负载线的梯度；稳态电流被限制为特定的水平；如果负载电流瞬时超过稳态电流极限并接近但不超过一个特定 的瞬时电流极限水平，则输出电压将关于稳态负载线瞬时减小，并且 当稳态电流降低至稳态电流极限以下时将恢复至稳态负载线；如果负载电流连续超过稳态电流极限或者超过所述特定的瞬时 电流极限水平，则应用回流使得输出电压和输出电流根据再生处理而 降为零，并且输出电压和输出电流保持为零直到负载阻抗已经增加超 过一个特定的水平；和如果负载阻抗增加超过所述特定的水平，那么负载电压初始地 部分恢复，然后斜向上升至一个期望的操作点。
22. 根据权利要求21所述的方法，其中根据一个时间变化斜坡 率将负载电压斜向上升至所述期望的操作点，所述时间变化斜坡率被 指定为使得电力分配系统内的总电压瞬时值最小化。
23. 根据权利要求21或22所述的方法，其中所述电源回流和 稳定特性曲线的所有参数都是可编程的。
24. 根据权利要求20至23中的任何一个所述的方法，其中通 过电源回流和稳定特性曲线的瞬时负载线函数和通过限制减载和稳 定特性曲线的负载电流函数的变化率而使分配电压稳定。
25. 根据权利要求20至24中的任何一个所述的方法，其中所 述第一电力产生系统包括用于给第一业务分配系统供电的多个并联 电源，其中所述多个电源的稳态电流分配通过每个电源的电源回流和 稳定特性曲线的稳态下垂度函数而被协调，并且其中所述多个电源的 瞬时电流分配通过每个电源的电源回流和稳定特性曲线的瞬时负载 线函数而被协调。
26. 根据权利要求20至25中的任何一个所述的方法，其中所述电力分配系统具有电源起动程序，其中所述电源回流和稳定特性曲线的卸载总线电压调整点初始被设 置为零；所述第一电力产生系统的至少一个电源通过检测下述之一来检 测开始供电的需要(a)从第一业务分配系统的至少一个配电板的 关闭获得的分配电压的存在情况；(b)在电力分配系统内自动产生 的超驰开始命令；(c)在电力分配系统内手动产生的超驰开始命令； 和(d)远程产生的超驰开始命令；一旦检测到需要开始供电，则起动所述至少一个电源，并且所 述电源回流和稳定特性曲线的卸载总线电压调整点被斜向上升至一 个期望的操作点。
27. 根据权利要求26所述的方法，其中根据一个时间变化斜坡 率将负载电压斜向上升至所述期望的操作点，所述时间变化斜坡率根 据所述至少一个电源的动态容量和允许所述至少一个电源在电力分 配系统中渐进地提供渐增比例的总负载电流的需要而被指定以使电 力分配系统内的总电压瞬时值最小化。
28. 根据权利要求26或27所述的方法，其中所述电源起动程 序的所有参数都是可编程的。
29. 根据权利要求20至28中的任何一个所述的方法，其中所 述减载和稳定特性曲线包括下列根据电流极限调整负载电流的步骤， 以使得负载电流被允许达到任何期望的值但总是服从超驰调节器功 能，所述步骤包括限制从分配电压瞬时值得到的负载电流变化率；和阻止将使负载电流超过所述电流极限的任何动作；并且其中电流极限可上调至电流极限的一个特定值并且不会超过它； 当电源电压超过减载阈值时被保持恒定； 随着电源电压被降低至减载阈值以下并处在绝对最小加载电压 以上的任何供电电压水平时而渐进地减小；当电源电压小于绝对最小加载电压时被设置为零；当电源电压从小于绝对最小加载电压的值增加并上升至一个特 定的值时被设置为零；和随着电源电压的增加而渐进地提高。
30. 根据权利要求29所述的方法，其中所述减载和稳定特性曲 线的所有参数都是可编程的。
31. 根据权利要求20至30中的任何一个所述的方法，其中在 电力分配系统中发生低阻抗故障的情形下，所述电力分配系统具有一 个过电流保护程序，所述过电流保护程序包括下列步骤在电力分配系统内定位低阻抗故障；通过应用电源回流和稳定特性曲线来限制故障电流和分配电压；通过应用减载和稳定特性曲线来限制负载电流；检测故障中断；打开保护开关装置的触点；等待通过打开保护开关装置得触点而引发的分配电压的部分恢复；等待通过应用电源回流和稳定特性曲线而引发的分配电压的全 部恢复；等待通过应用减载和稳定特性曲线所引发的负载电流的重新应用。
32. 根据权利要求20至31中的任何一个所述的方法，其中所 述电力分配系统具有一个通用保护或电力管理程序，所述程序包括下 列步骤检测故障条件或任何要求打开保护开关装置的触点的电力管理 条件的设立；产生超驰交互跳闸命令；通过应用电源回流和稳定特性曲线来限制分配电压；通过应用减载和稳定特性曲线来限制负载电流；检测负载电流中断；打开保护开关装置的触点；等待通过打开保护开关装置的触点而引发的分配电压的部分恢复；等待通过应用电源回流和稳定特性曲线而引发的分配电压的全 部恢复；和等待通过应用减载和稳定特性曲线所引发的负载电流的重新应用。
33.根据权利要求20至32中的任何一个所述的方法，其中所 述分区电力分配子系统的分区能量存储器从第一业务分配系统接收 电力，或者向其供电，出于下述目的对电力进行调整对分区能量存储器进行再充电；对分区电力分配子系统的分区电源供电；对第一业务分配系统供电；提供大型能量存储器-,用于任意目的的连续供电；短暂供电以帮助稳定分配电压 ，短暂供电以支持具有差的瞬时响应的其它电源-，在分区能量存储器和第一分配系统之间提供隔离以在第一业务 分配系统发生故障时允许分区电源单独操作；或者当分区能量存储器或分区电源发生故障时，允许第一业务分配 系统独立于分区能量存储器操作。
全文摘要
本发明提供一种能够用在海军船舶和潜艇的电力分配系统。所述电力分配系统包括第一电力产生系统，包括至少一个电源(13、14、15)，用于给第一业务分配系统供电。所述第一业务分配系统包括至少一个直流分配母线(25)，用于运送分配电压和分配电流；和至少一个配电板(16)，其包括带有触点的保护开关装置。还提供有一个分区电力分配子系统，其包括分区电源单元(23)，用于给至少一个电子负载供电；和与所述第一业务分配系统的至少一个配电板(16)连接的分区能量存储器(22)，用于给所述分区电源单元(23)供电。根据电源回流和稳定特性曲线以及电源启动特性曲线来调整所述至少一个电源(13、14、15)。根据减载和稳定特性曲线来调整所述至少一个电子负载。
文档编号H02J1/00GK101165988SQ20071016317
公开日2008年4月23日 申请日期2007年10月16日 优先权日2006年10月16日
发明者艾伦·戴维·克兰 申请人:康弗蒂姆有限公司