供电系统和方法与流程

在近海平台或船舶、钻机、飞机、hvdc系统、风力发电网、或类似dc系统中，许多设备被认为是关键的，并且监管要求规定了发生故障时的电力可用性。

因此，通常的做法是将船舶或钻机上的设备分成多个部分，并且以冗余方式为每个部分提供单独的电力，使得如果在一个部分中发生故障，它不会转移到另一部分，并且并非所有操作能力都被丢失。这种分离通过以下方式来实现：在通常断开的多个部分之间使用多个母线连结来操作，并且仅在有限的情况下，闭合那些母线连结以使得一侧能够从另一侧接收电力。然而，这种母线连结仅适用于低压dc系统。对于高压系统，必须使用机械断路器。

根据本发明的第一方面，一种dc供电系统包括第一dc配电母线部分和第二dc配电母线部分、以及一个dc功率开关组件，该dc功率开关组件包括多个串联连接的功率开关单元和限流器；每个功率开关单元包括第一功率开关单元端子和第二功率开关单元端子、以及用于控制第一端子与第二端子之间的电流流动的两个对称功率开关子单元；每个子单元在一侧上电连接到第一功率开关单元端子和第二功率开关单元端子中的一个功率开关单元端子，并且在另一侧上电连接到另一子单元；其中多个功率开关子单元各自包括一个半导体器件、以及与半导体器件并联的串联连接的二极管和电容器；其中组件的一个第一端子电耦合到配电母线的第一母线部分，并且第二端子电耦合到配电母线的第二母线部分；并且其中功率开关组件一侧上的电压大于或等于1kv。

如果检测到诸如短路的故障，则供电系统将dc母线部分彼此断开，以便防止系统一侧上的故障传播到另一侧。

通常，限流器包括一个电感。

优选地，限流器设置在第一端子和第二端子中的每个端子与一个相邻的功率开关单元之间。

这为多个开关单元提供了对dc配电系统任一侧上发生的短路的保护。

优选地，子单元中的一个或每个子单元还包括与电容器串联的一个电阻器。

这有助于限制系统振荡。优选的是，每个子单元包括一个电阻器。

优选地，子单元中的一个或每个子单元还包括与电容器串联的一个阻尼电路。

这有助于限制系统振荡。优选的是，子单元中的每个子单元包括一个阻尼电路。

优选地，半导体器件包括一个二极管或一个晶体管中的一个。

优选地，半导体器件包括一个绝缘栅双极晶体管。

优选地，功率开关组件的一侧上的电压在1kv至15kv的范围内。

根据本发明的第二方面，一种操作根据第二方面的dc供电系统的方法包括：在操作期间监测系统电压和电流；如果检测到短路，则断开功率开关单元以阻断来自系统的短路侧的电流；监测短路已被清除的指示，闭合功率开关单元以允许电流通过功率开关单元；以及继续监测系统关于短路的指示。

现在，参考附图对根据本发明的包括功率开关组件的dc供电系统和方法的示例进行描述，其中

图1图示了用于低压柴油电力推进系统的电路的示例；

图2图示了根据本发明的功率开关组件的功率开关单元的示例；

图3示出了根据本发明的功率开关组件的示例拓扑结构；

图4是针对图3的功率开关组件的电气等效电路；

图5a图示了针对图3的示例，电流和电压曲线随时间的变化；

图5b图示了针对图3的示例，电容器c1或c2处的电压随时间的变化；

图6是根据本发明的包括功率开关组件的dc供电系统的操作方法的流程图。

近海船舶或平台或远程钻机上的dc配电系统通常包括诸如原动机、发电机或能量存储器的电源、以及通过母线连结开关结合的dc母线部分。为了满足安全操作的监管要求，母线连结开关必须能够将dc母线部分彼此断开，以防止系统一侧上的故障传播到另一侧并且可能失去关键系统(诸如钻井设备的推进器或必要部件)的所有电力。

通常，向具有机械断路器或低压dc配电系统(通常达到1000vdc)的ac配电(高压和低压)解决方案提供母线连结开关或断路器功能，诸如图1所示。目前，可供海上和近海系统使用的高压静态dc开关的选择有限。无法得到典型地用于在10至15kv或更高电压下操作的高压同等设备。在需要两个独立操作的电力系统来满足分类标准的情况下，需要非常快速地断开dc母线连结的连接，以防止故障从一侧传播到另一侧。现有的低压母线连结开关不能在高于1000v的电压下操作，当然也不能操作用于10至15kv的范围内的电压或更高的电压。

图1的示例是一种基于低压dc配电的柴油电力推进系统，并且包括多个柴油发动机1，每个柴油发动机连接到相应的多个发电机保护系统p1、p2、p3、p4内的发电机g1、g2、g3、g4。多个发电机保护系统包括结合发电机控制2的发电机柜k1、k2、k3、k4。每个发电机经由线路3耦合到dc主开关板s1、s2，该主开关板s1、s2包括二极管4和隔离开关5。多个发电机g1和g2耦合开关板s1。多个发电机g3和g4耦合到开关板s2。从开关板s1、s2中的每个开关板，多个开关6和多个熔断器7在多个线路8中被提供给dc主开关板与多个电动机10之间的多个逆变器9，或者被提供给具有电动机功能的轴发电机，该轴发电机经由滤波器11和变压器12耦合到ac辅助开关板a1、a2。另外，dc主开关板s1、s2通过dc-dc转换器20对电池19供电。ac辅助开关板经由旁路13和隔离开关14耦合。dc主开关板经由母线连结开关15连接，该母线连结开关15在di/dt电抗器18的每侧包括一个隔离开关16和晶体管二极管装置17。

通过用如下所述的功率开关组件122替换母线连结开关15，图1的示例可以适用于高压dc配电。

图2图示了根据本发明的用于dc供电系统的功率开关组件的功率开关单元的示例，特别是适用于高压dc系统的功率开关单元的示例。本发明的dc供电系统可以用图1的示例表示，其中图1的母线连结开关15由图3的功率开关组件122或断路器替换。功率开关组件122在端子28、29处经由每一侧上的机械断路器127连接到dc主开关板s1、s2的dc母线部分30、31。如图3所示的功率开关组件122包括多个功率开关单元121(如图2所示)，该多个功率开关单元121与限流器100(通常为电感)串联连接在一起，以形成图3的功率开关组件122。

功率开关组件提供基于功率开关单元121的高压模块化dc母线连结开关，该功率开关单元121被电提升远离接地电位。母线连结开关包括多个功率开关单元模块，这些功率开关单元模块可以根据特定应用所需的拓扑结构容易地添加或移除。每个功率单元包括输入123和输出124，在它们之间是第一子单元电路146以及在对称线路125的另一侧上的第二子单元电路146，第一子单元电路146包括二极管d1、半导体器件q1(通常是二极管或晶体管)以及电容器c1，第二子单元电路146包括二极管d2、半导体器件q2和电容器c2。可选地，一个或每个子单元电路可以具有电阻器r1、r2。通常，子单元形成单个功率开关单元模块的一部分，但是可替代地，例如，在具有单独防火区的近海平台或船舶上，子单元可以被布置为在相邻的防火区中通过两个子单元之间的dc连接耦合在一起。

子单元电路146可以具有电阻器、或能量吸收电路126a、126b或阻尼器(诸如二极管电路)，以限制系统振荡并且抑制电压尖峰，该电阻器、或能量吸收电路126a、126b或阻尼器与电容器c1、c2串联设置。可替代地，可以与电容器并联地设置能量吸收或阻尼电路149a、149b。在一些实施例中，可以设置串联和并联阻尼电路126a、149a、126b、149b。阻尼器126a、126b、149a、149b或每个阻尼器可以包括：串联连接的电容器和电阻器、或串联连接的电感器和电阻器(其可以与晶体管或二极管并联连接)；或串联连接的电容器和二极管，其中电阻器与电容器并联。与电容器c1、c2串联或并联的可选的阻尼器126a、126b、149a、149b可以作为半导体器件设计的一部分而被植入。二极管d1、d2可以实现为晶体管中的续流二极管。

当断路器122处于on状态时，晶体管或二极管电路q1、q2导通电流。如果功率开关组件122的一侧发生短路，则外部限流器100会限制短路导数、电流改变率di/dt，并且当断路器断开时，在串联在组件122中的单元121中的每个单元中，晶体管二极管电路q1、q2关断。只要短路在功率开关单元外部，则电感就会始终与短路串联，而与电感器在拓扑结构中连接到哪一侧无关。

尽管仅被示出在图3中的电路的一侧上，但是外部限流器100可以在第一单元与侧1之间以及在最后一个单元与侧2之间、被设置在一系列功率开关单元121的任一侧或两侧上。当晶体管q1和q2中的一个或两个晶体管关断时，电容器c1、c2中的一个电容器阻断电压。当晶体管关断时，可选电阻器r1、r2提供由电路中的内部电感和外部电感形成的lc振荡电路的阻尼，并且当q1、q2接通时，可选电阻器r1、r2还限制电容器放电电流。可选电阻器可以实现为电容器c1、c1中的内部串联电阻或外部电阻器r1、r2。振荡电路中的电感通常是外部限流器100的电感与从最近的电压源或电容器组连接的全系列单元中的杂散电感之和，如图4所更详细地图示的。

通常，多个单元121如图3中那样串联连接在一起，然后连接到图1的dc主开关板s1、s2两侧上的dc母线30、31之间的供电系统中。可以使用任何数目的串联连接单元，如u1、u2......un所示，其中un可以是无限单元数。机械开关127被设置在正极和负极的侧1和侧2处，并且这些开关在功率开关组件122的两侧之间提供电流隔离，以阻止杂散电流从一侧传递到另一侧。限流器(电感-l)可以被放置在侧1或侧2上，如图所示，或被放置在两侧上。通过仅利用一个或两个部件来替代多个部件，在功率开关单元外部设置电感降低了每个单元的成本和复杂性。在连接大量串联单元的情况下，这特别有用。这些单元可以以正电势或负电势或两者连接。可选的电容148可以在侧1和侧2中的任一者或两者上跨过组件122的极而被连接，以在某些条件下保护功率开关单元。电容148可以在限流器100之前或之后。可以与电容148串联地添加关于图2描述的类型的可选电阻器(未示出)或阻尼电路(未示出)。

图4图示了针对包括功率开关单元121(如图2所示)的根据本发明的功率开关组件的、图3的功率开关组件的电气等效电路。在负极上，在侧1和侧2处存在杂散电感140，并且在机械开关127之间存在杂散电感141。在正极上，在侧1和侧2处存在杂散电感142，并且在机械开关127与功率单元121中的每个功率单元之间存在杂散电感143，而在两个功率单元之间存在杂散电感144。限流器100被建模为电感。来自侧1的输入128和来自侧2的输入129被视为大电容器或电压源。如果dc供电系统的侧1或侧2发生故障(诸如在该示例中在侧2上示出的短路130)，则在系统另一侧(在这个示例中，侧1)上的稳定电压不会中断。

在图5a和图5b中示出了来自功率开关组件122的模拟的电流和电压的示例，该功率开关组件122具有串联连接的两个功率单元121和侧1上的2kvdc电压源。在图5a中，曲线132表示侧2上的电流随时间的变化，该侧具有故障或缺陷，并且曲线131表示侧2上的dc电压随时间的变化。图5b示出了功率单元本身的电压。曲线133表示功率单元21中的电容器c1两端的dc电压，并且曲线134表示功率单元中的电容器c2两端的dc电压。由于所有单元121是串联的，所以对于所有单元121而言，电压累积是相同的。

首先，断路器断开，并且由于晶体管/二极管漏阻抗，侧2上的电压131为高。由于电容器c1未被充电，侧2上没有电流132，并且功率单元u1的电容器c1中没有dc电压133。c2两端的电压134开始略低于500v，因为在该示例中电容器c2已经充电。在时间0.1ms处，连接2mw负载，断路器仍然断开，但是在侧1上，由于有两个串联单元，功率单元121中的电容器各自充电到全电压源的1/2，即，1000v。dc电压131下降到零，然后在短时段内再次开始上升，并且在时间0.6ms内逐渐降至零。侧2上的电流132首先上升，然后在时间0.6ms内降至零。电容器c2两端的电压134在时间0.6ms处上升到接近1kv，但c1两端的电压133保持为零。

在时间0.6ms处，图示了断路器闭合的影响，因此电容器组中的电压134根据单位电感和电容器串联电阻器而下降。电压133保持为零直到大约0.95ms。侧2上的电压131和电流132均首先升高，然后趋向平稳。在时间0.80ms处，侧2上的短路被示出导致侧2上的电压131下降到零，并且导致侧2上的电流132的尖峰高于3ka。在时间0.82ms处，断路器断开，控制系统检测到短路并且断开晶体管，电压134的峰值在大约时间0.9ms处为1500v以上，然后再次开始下降。侧2上的电流132在时间0.95ms内开始下降到零以下，并且电压131保持为零。在时间0.95ms处，短路被清除并且断路器断开，电流132再次开始爬升并且电压131瞬间下降到-1.1kv，然后在时间1.2ms内开始朝向零再次爬升。电容器c2两端的电压134继续下降，电压133开始上升。在时间1.20ms处，断路器闭合，负载仍然连接，并且单元中的电容器放电。侧2上的电流132和电压131上升并且趋向平稳，同时两个电压133、134都下降。在时间1.4ms处，断路器断开，电压134爬升并且单元中的电容器充电。电流132和电压131下降到零。

图6是示出了根据本发明的dc功率开关组件的操作方法的示例的流程图。负载可以连接50到电路，并且功率开关组件122的母线连结开关被设置为闭合51，以供正常操作。系统控制器(未示出)在操作期间监测52系统电压和电流。在检测53到功率开关组件122的一侧上的短路时，控制器使断路器断开54并且断开55每个子单元内的晶体管二极管电路以阻断电流或电压。在短路原因已被移除56并且被清除之后，系统可以再次闭合57断路器，从而闭合相关子单元的晶体管二极管电路以再次允许电流或电压并且恢复58正常操作，其中系统控制器继续监测52电流和电压，以确定是否发生另一短路。

本发明的电路提供一种静态dc断路器，其可以基于通常可用的部件而用于任何dc电压电平，并且特别是用于1kv至10kv的范围内、1kv至15kv的范围内、甚至高于15kv的中高电压电平(即，1000v以上)。尽管已经给出了两个串联连接的功率开关单元的示例，但是对于任何所需的电压，通过考虑到每个单元额定操作的电压而跨过所有单元基本均等地分割总电压要求，串联的多个功率开关单元被选择以构成功率开关组件。目前优选的电压约为10kv至15kv，但是模块化途径能够通过添加其他单元来实现在高达100kv下操作。