CN103532165A - 配电系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种配电系统，该配电系统不依赖于固定频率并因此允许原动机通常响应于负荷需求以不同速度运行，使得燃油油耗和/或有害废气排放被降到最低。船舶配电和推进系统可以包括适于传送可变频率交流配电电压的交流母线。多个交流发电机连接到母线，每个交流发电机具有相关联的原动机，例如，柴油机、涡轮等。功率管理控制器适于参照交流母线上的电负荷改变原动机的旋转速度，使得发电机在配电系统的正常操作期间提供可变频率输出。这样的操作将与具有固定频率的传统配电系统形成对照。

Description

配电系统

技术领域

本发明涉及配电系统，具体地，涉及被设计来根据负荷需求以可变系统频率操作的配电系统。本发明可以可选地被实现为在任何合适的船舶船只（民用或军用）中可以安装的船舶配电和推进系统。

背景技术

配电系统是公知的。在图1中示出的船舶配电和推进系统的典型布置中，多个交流发电机G1…G4向传送配电电压（例如690V）的母线或配电板2供应交流功率。每个发电机G1…G4耦合到原动机，例如柴油机D1…D4。

电力推进电机M1…M4借助插入式功率转换器4连接到母线2。推进电机M1…M4可以具有任何合适的类型和结构并且可以可选地被配置来驱动螺桨轴（propeller shaft）或其他推进系统，例如推进器。

在某些布置中，则可以使用有源前端（AFE）功率转换器。AFE功率转换器通常包括：第一有源整流器/逆变器6和第二有源整流器/逆变器8，第一有源整流器/逆变器6具有与母线2连接的交流端子；第二有源整流器/逆变器8具有与推进电机M1…M4连接的交流端子。第一有源整流器/逆变器6和第二有源整流器/逆变器8的直流端子通过直流链路10连接在一起。谐波滤波器12通常连接到第一有源整流器/逆变器6（即，在网络侧）的交流端子，以确保消除谐波电压和电流。AFE功率转换器可以（例如）被实现为由GE能量功率转换英国有限公司（Boughton路，拉格比镇，英国）（GE Energy Power Conversion UKLtd of Boughton Road,Rugby,United Kingdom）供应的MV3000转换器。

在正常操作下，第一有源整流器/逆变器6将作为有源整流器操作以向直流链路10供电并且第二有源整流器/逆变器8将作为逆变器操作以向相关联的推进电机M1…M4供电。然而，在特定情况下（例如在推进电机M1…M4再生制动）时，反向操作可以是可能的。

有源整流器/逆变器6、8每个都将通常具有合适的拓扑，其中使用脉宽调制（PWM）策略完全控制和调整半导体功率开关器件。

母线2可以装配有具有断路器和相关联的控件的保护性开关设备。母线2将通常被划分成通过连接线（tie）14互连的一对母线部分2a、2b（例如，左舷和右舷）。配电系统的实际布置将通常取决于对于船舶船只尤为重要的冗余度（redundancy）。

发电机G1…G4和功率转换器4可以通过断路器16、18和相关联的控件或其他开关部件连接到母线2。

传统的配电系统可以取决于发电和配电要求具有任何合适数量和类型的发电机和任何合适的母线结构。

在传统的配电系统中，母线2传送固定频率（通常，50或60Hz）的配电电压。每个发电机G1…G4的输出电压的频率由其轴转速（shaft speed）决定并且必须被柴油机D1…D4保持于配电系统的额定频率。例如，如果四极发电机的输出电压分别要具有50或60Hz的频率以匹配特定的系统频率，则四极发电机必须被保持在1500rpm或1800rpm。

更一般地，可以使用下面的公式确定针对给定系统频率的原动机的旋转速度（并且进而确定该原动机耦合的发电机的转子的旋转速度）：

N=120×F/P       （EQ1）

其中：

N是原动机的旋转速度（或轴转速），单位为rpm，

F是系统频率，单位为Hz，并且

P是发电机的极数量。

因此，将容易理解的是，还可以依据频率控制功能考虑任何控制原动机旋转速度的功能，反之亦然。

参照图2和图3，每个柴油机D1…D4通常设置有电子速度控制器20（通常被称为调速器（governor）），用于调整其旋转速度。通过控制柴油机的燃料输送系统（例如，通过打开和关闭燃料齿条致动器22或通过改变共轨柴油机上的气流/喷射器占空比），速度控制器20响应于检测到的轴转速的变化来自动改变柴油机的输出力矩。

随着对母线2的负荷需要的改变，对发电机G1…G4的机械力矩要求将相应改变。如下面更详细描述的，每个发电机G1…G4的轴转速受到监控并且速度信号与速度参考值或设定值进行比较。相关联的速度控制器20检测与速度参考值的任何偏离并且可以相应控制燃料输送系统22。例如，如果第一发电机G1的轴转速降低，则可以输送更多燃料，使得相关联的柴油机D1的输出力矩增大，以满足所需的负荷力矩或反之亦然，从而将轴转速（并且进而将发电机输出电压的频率）恢复到额定值。每个速度控制器20可以因此被视为闭环调整器。

如果只有单个发电机连接到大型供应网络（例如电网（例如，所谓的“无限网络”））并且由于高负荷需求导致系统频率降低，则速度控制器（处于其基本形式）将仅仅增大其速度参考值，以尝试将系统频率恢复到额定值。实际上，系统频率不受发电机影响并且速度控制器将仅仅达到其最大设定值并且发电机将很可能产生超负荷的失误。如果由于负荷需求降低而导致系统频率增大，则燃料输送系统将很可能降低到零。

当两个或更多个发电机连接来彼此并行操作时，出现同一情形。在这种情况下，系统特性将介于无限网络和单个连接的发电机之间。

为了使发电机G1…G4能够稳定地并行操作，每个速度控制器20包括减速控制功能，该功能的效果是随着有功功率（kW）或负荷的增大来减小速度参考值，或反之亦然。通过以此方式操作，可以在并联连接的发电机之间或者用无限网络实现稳定的负荷分担（stable load sharing）。凭借将负荷信号转换成有功功率反馈信号kWf的母线2中的换能器（transducer），由相关联的速度控制器20监控每个发电机G1…G4产生的有功功率。为了针对给定的有功功率改变相关联的柴油机D1…D4的轴转速，由控制器K将有功功率反馈信号kWf转换成速度信号，然后从初始速度误差信号δN1（即，直接从轴转速推导出的速度反馈信号Nf和由功率管理控制器24施加的速度参考值或设定值Ns之差---参见以下内容）中减去速度信号。具体地，速度控制器20使用所得的第二速度误差信号δN2作为速度参考值来控制柴油机的燃料输送系统22。

常规减速值是3-5%，这意味着，因发电机负荷从零增大到额定负荷，轴转速将下降介于3-5%之间。凭借控制器中的内部增益K，在速度控制器20设定所应用的减小量。

图4示出减速控制可以如何应用于单个发电机，其中，速度参考值的增大造成发电机速度对应地增大且反之亦然，并且其中随着负荷增大，发电机速度下降，或反之亦然。注意的是，如以上简要提到的，减速（%）=100×（无负荷速度-满负荷速度）/无负荷速度。图5示出具有相同速度参考值和减速控制的两个并联连接的发电机A和B将如何同等地负担负荷（PA=PB=1/2AB）。这两个发电机被锁定在同步状态并且它们的速度因此相同。共同速度N（并且进而系统频率）处于两条减速线的相交点。最后，图6示出改变并联连接的发电机之一的速度参考值的效果。发电机B的速度参考值的增大将造成其速度从N增大至N'，其中发电机B负担较大份额的负荷（P'B）并且发电机A负担较小份额的负荷（AP'）。可以通过同时减小发电机A和B的速度参考值，将系统频率恢复回额定值。

功率管理控制器（或功率管理系统（PMS））24可以用于协调柴油机D1…D4的操作，并且具体地，调节速度参考值Ns以确保发电机G1…G4采用与它们的输出（或“铭牌（nameplate）”）额定值成比例的等量有功功率。

通过确保发电机G1…G4带有同等负荷，允许功率管理控制器24应用启动/停止控制功能，在启动/停止控制功能中，发电机与母线2连接或断开连接以满足改变负荷需要。例如，如果所连接的发电机中的任一个上的负荷超过其输出额定值的预定阈值（例如，90%），则功率管理控制器24可以开始启动一个或更多个额外发电机并且将它们连接到母线（即，让它们联机（on-line））。如果所连接的发电机中的任一个上的负荷落到其输出额定值的预定阈值（例如，30%）之下，则功率管理控制器24还可以开始将一个或更多个发电机断开连接和停机（shutdown）。就船舶配电和推进系统而言，可以参照船舶船只的整体功率要求（例如，其预期目的或职责）来确定阈值，但是任何配电系统应该确保保持备用容量的足够余量——以其他方式被称为“运转备用（spinning reserve）”。这样允许配电系统满足负荷需求的任何陡增，并且防止响应于在正常操作期间可能出现的负荷需求的微小变化而不必要地启动和停止发电机。

功率管理控制器24可以包括发电机专用控制功能（即，应用于各个发电机或其相关联的原动机的那些控制功能）和应用于所有发电机的公共控制功能。在图2和图3中，发电机专用控制功能被聚集在发电机专用控制器26中，而公共控制功能被聚集在公共控制器28中。

将容易理解的是，公共控制功能包括上述的启动/停止控制功能连同其他功能，例如，在超负荷状况等下自动去除或除去不必要的负荷。然而，为了清晰起见，在图3中只针对单个发电机G1及其相关联的柴油机D1示出负荷分担控制功能和操作者控制功能。

负荷分担控制功能使用指示联机发电机的数量、其kW额定值、其实际负荷的信息数据来确定总系统负荷连同配电系统的其他操作参数，例如，操作母线部分的数量和断路器的打开/关闭状态（“CB状态”）或保护性开关设备的打开/关闭状态。该信息数据被提供到负荷分担功能块30，负荷分担功能块30基于配电系统结构来计算有功功率（kW）参考值或设定值kWs和无功功率（kVAr）参考值或设定值（在图2和图3中未示出）。有功功率和无功功率参考值被分配用于功率管理控制器24的发电机专用控制器26。

操作者控制功能使用来自人机界面（HMI）的数据，人机界面可以是工作站32的形式并且允许操作者改变配电系统的操作参数，例如，手动启动或停止、使发电机同步或断开连接、修改电压和频率参考值或设定值等。图3中示出的操作者控制功能是频率控制功能，允许操作者修改系统频率。频率参考值Fs正常被设定成50或60Hz，即等于相关联的发电机的额定速度——参见以上的等式EQ1——并且只在配电系统的起动期间或者在由于机器性能降低（例如，瞬态负荷性能的降低）而导致需要改变系统频率的极端情况下发生改变。频率反馈信号Ff在发电机输出处获得并且被简单一阶滤波器34过滤以去除噪声并且被移动平均滤波器36求平均。将操作者设定的频率参考值Fs与平均的频率反馈信号Ff_av进行比较并且将所得的频率误差信号δf施加到通常被设定为约0.2Hz的死区功能块（deadband function block）38。死区功能块38的输出是频率控制信号δf1，频率控制信号δf1被分配用于功率管理控制器24的发电机专用控制器26。

现在，将描述发电机专用控制功能。尽管图3只示出第一发电机G1的发电机专用控制器，但将容易理解的是，对应的控制功能将针对剩余发电机G2…G4中的每个来提供并且将使用如图2中所示的各个发电机的输出处获得的反馈信号。

有功功率反馈信号kWf是在各个发电机的输出处获得的并且被简单一阶滤波器40过滤以去除噪声并且被移动平均滤波器42求平均。（将容易理解的是，对有功功率kWf和频率反馈信号Ff求平均是重要的，因为这样允许忽略瞬态值）。

平均的有功功率反馈信号kWf_av与功能块30提供的有功功率参考值kWs进行比较，并且将所得的有功功率误差信号δkW施加到功能块44，功能块44参照速度控制器20的减速特性（e_kw）将误差信号转换成第二频率误差信号δf2。对第一频率误差信号δf1和第二频率误差信号δf2进行求和，以得到组合频率误差信号δfc，在功能块46中将组合频率误差信号δfc乘以速度控制器20的减速特性（e_kw）以将其转换成有功功率误差信号。应当注意，第一频率误差信号δf1还被分配到其他发电机专用控制器26，以确保实现所需的系统频率，而不影响并联连接的发电机G1…G4之间的kW负荷平衡。

然后，将来自功能块46的有功功率误差信号在被功能块50转换成升速或减速命令信号之前施加到死区功能块48。这些命令信号被提供到各个柴油机D1…D4的速度控制器20，该速度控制器20包括图3中示出的内斜坡函数R，内斜坡函数R将数字脉冲转换成模拟速度参考值或设定值Ns。应当注意，来自每个发电机专用控制器26的升速或减速命令信号的持续时间匹配速度控制器20的加速或减速速率，而速度控制器20的加速或减速速率本身匹配各自柴油机的实际加速或减速速率。这样确保了柴油机D1…D4的实际速度和功率控制（出于保持各个发电机的正确有功功率负荷分担的目的）以及跨公共母线或配电板的频率控制，从而使速度控制器的减速效应失效。

如图7中所示，固定速度柴油机的效率随着负荷而改变。更具体地，负荷越高，柴油机的具体燃油消耗（SFOC）（或任何其他类型的原动机的对应量度）越低。这突出了传统功率管理控制器中特有的弱点，即，因连接额外发电机来满足增大的负荷要求，联机发电机的操作效率降低，从而配电系统的整体效率降低。

图7还示出对于特定操作负荷存在用于将燃油消耗降到最低的最佳速度设定。极端的例子将是在20%的负荷下以100%的额定速度运行柴油机。在这种情形下，SFOC将在270g/kWh的范围内。因对于相同负荷以50%的额定速度运行柴油机，SFOC将减少至约230g/kWh——从而导致燃油消耗减少15%。SFOC的减少还对应于对环境有害的废气（如氮氧化物（NO_x）、二氧化碳（CO₂））和与燃烧过程相关的其他污染物的减少。然而，在以固定额定频率操作的传统配电系统的正常操作期间，这样的减速是不可能的。

因此，可见需要更有效的配电系统。

发明内容

本发明提供了一种配电系统，该配电系统不依赖于固定频率并因此允许原动机（一个或多个）通常响应于负荷需求以不同速度运行，使得燃料消耗和/或有害废气排放被降到最低。

更具体地，所述配电系统包括：

交流母线，其适于传送可变频率交流配电电压；

交流发电机，其连接到所述交流母线并且具有相关联的原动机（例如，柴油机、涡轮等）；以及

功率管理控制器，其适于参照所述交流母线上的电负荷改变所述原动机的旋转速度，使得所述交流发电机在所述配电系统的正常操作期间提供可变频率输出。

本发明还提供了一种操作配电系统的方法，所述配电系统包括适于传送可变频率交流配电电压的交流母线和与所述交流母线连接并且具有相关联的原动机的交流发电机（例如，柴油机、涡轮等）；

所述方法包括以下步骤：

参照所述交流母线上的电负荷改变所述原动机的旋转速度，使得所述交流发电机在所述配电系统的正常操作期间提供可变频率输出。

以下阐述配电系统及其操作方法的进一步细节。

根据发电和配电要求，配电系统可以具有任何合适数量和类型的发电机和相关联的原动机以及任何合适的母线结构。母线可以装配有具有断路器和相关联的控件的保护性开关设备。母线可以被划分成母线部分。

配电系统可以传送任何合适的配电电压，例如，440V和15kV之间的配电电压。

如以上提到的，将容易理解的是，通过控制原动机的速度，也控制相关联的发电机的输出频率，相关联的发电机的输出频率实际上必须匹配交流配电电压的频率（即，系统频率）。因此还可以凭借功率管理控制器表达本发明，该功率管理控制器被调适来参照母线或配电板上的电负荷改变系统频率。如以下更详细描述的，如果母线上的负荷改变，则选择新的系统频率并且由功率管理控制器自动改变每个原动机的速度，使得相关联的发电机的输出电压的频率匹配新的系统频率。与其中母线传送固定频率配电电压的传统配电系统完全不同，本发明的配电系统的每个发电机在正常操作期间提供可变频率输出。重要的是要强调，在本发明中，在功率管理系统的控制下发生的每个原动机速度的自动变化是其额定速度的变化，而不只是可能由于其他操作因素引起的瞬态速度变化。

每个原动机可以具有速度控制器，速度控制器基于速度参考值或设定值控制其旋转速度。功率管理控制器可以因此通过调节或改变其速度参考值来确定原动机的速度（并且进而确定相关联的发电机的输出频率）。

功率管理控制器可以用与以上参照传统配电系统描述的方式类似的方式，调节每个速度控制器所使用的速度参考值，但是预期将能够在更广的范围内调节或改变每个原动机的速度。例如，大多数传统速度控制器将具有额定速度的±10%的速度调节范围，对于固定频率应用，该速度调节范围用于将系统频率恢复回额定值，即，用于使在相关联的发电机加负荷时将出现的减速效应失效。这在图4、图5和图6中示出。就本发明而言，每个速度控制器将通常在更广的速度范围（例如，在额定速度的-25%和+10%之间）内操作。为了升高或降低速度参考值或设定值，与依赖传统升速或减速命令信号相反地，通过实现额外速度输入到每个速度控制器，甚至更广的速度范围或许也是可能的。如上所述，这种升速或减速命令信号通常是从功率管理控制器提供到每个速度控制器的数字脉冲并且按通常形成速度控制器的部分的谐波函数被转换成模拟速度参考值或设定值。

如果两个或更多个发电机并联连接到母线，则功率管理控制器可以具有两种控制功能，即，速度控制功能和可选的负荷分担功能。

速度控制功能用于基于母线上的电负荷选择并保持每个原动机的速度，并且进而选择并保持相关联的发电机的输出频率。换句话说，由功率管理控制器响应于检测到的负荷需求的改变来自动变化每个原动机的速度。如上所述，这还可以凭借频率控制功能来表达。

如果两个或更多个发电机并联连接到母线，则相关联的原动机将以相同速度运行，使得每个发电机的输出电压的频率是相同的并且匹配系统频率。在具有并联连接的发电机的这种布置中，功率管理控制器的负荷分担功能用于针对所选速度确定发电机之间的负荷分担。可以针对所选速度参照每个原动机的额定值，确定负荷分担。

功率管理控制器通常将只控制与母线连接的发电机（即，联机的发电机）的原动机的速度。这通常是发电机自动同步器在开始关闭相关联的断路器之前将发电机输出的电压、速度以及进而相位匹配供电网络的责任。自动同步器可以是母线或配电板的标准组件形成部分。

速度控制功能可以使用负荷分布（load profile）（例如，使输出功率与速度或频率相关的分布）选择每个原动机的速度。配电系统的每个原动机的负荷分布可以被储存在功率管理控制器内。

功率管理控制器将通常把每个原动机的速度保持为尽可能的低，以最大化效率，例如，将具体燃油消耗（SFOC）降到最低，同时满足电流负荷需求并且保持合适的运转备用。如果需要额外的发电能力来满足增大的负荷需求，则只要增大每个原动机的速度。

控制每个原动机的速度来满足变化的负荷需求意味着，配电系统不再以固定频率操作。任何与母线连接的电负荷必须因此被调适来以可变频率配电电压操作。每个电负荷可以通过居间的功率转换器（可选地，有源前端（AFE）功率转换器）连接到母线。就船舶推进和配电而言，电负荷可以是具有任何合适类型和结构的推进电机并且可以可选地被配置用于驱动螺旋轴。配电系统可以具有任何合适数量的推进电机或其他电负荷。

通常，将优选的是，每个电负荷和任何相关联的功率转换器将在可能的情况下使用传统的功率系统组件。这可能包括电子配电板，根据配电板的特定应用，特别针对固定频率操作（例如，50或60Hz）确定配电板的额定值。为了保持任何功率系统组件在它们设计的额定值内，可能必要的是，将每个原动机的速度限制于特定极限内。例如，如果配电系统使用传统的功率系统组件，则功率管理控制器可以利用额定系统频率的75%-110%的频率范围。对于船舶配电和推进系统，稳态和瞬态操作状况下的额定频率的分别95%-105%和90%-110%的可能频率范围可能是合适的。每个原动机的速度的即使小的变化可以提供配电系统整体效率的有益提高。母线或配电板和相关联的断路器通常针对50或60Hz的操作被确定额定值，所以在60Hz系统上以50Hz操作实现了操作频率降低17%，而不用考虑母线组件的任何重新确定额定值。

每个发电机和功率转换器可以通过断路器和相关联的控件或其他开关部件连接到母线。

通常只有当稳态负荷已经保持预定时间段（例如，2分钟）时，功率管理控制器才会改变每个原动机的速度。这确保了功率管理控制器对于系统负荷改变时可能出现的任何瞬态速度改变不敏感。可以由每个原动机的速度控制器的闭环速度控制功能而不由功率管理控制器校正任何瞬态速度改变。当功率管理控制器没有请求每个原动机的速度改变时，它被加速或减速成新选择的速度。对于每个原动机，缓变率（ramp rate）可以是相同的。柴油机的典型缓变率是约1%rpm/s并且在实现本发明所需的更广速度范围内该缓变率是一致的。功率管理控制器通常将（例如）凭借传统的升速或减速命令信号向每个速度控制器提供新的速度参考值或设定值，并且随后在发出任何后续的升速或减速命令信号之前，将针对每个原动机等待预定时间段，以实现新的速度。

功率管理控制器可以在速度改变时顾及每个原动机的惯性。例如，按照计算，功率管理控制器发出的升速或减速命令信号可以限于额定速度的约5%的最大典型值。在功率管理控制器内通常将能够配置对于一组升速或减速命令信号的最大频率变化，以适应配电系统的整体设计。

如果负荷需求增加，则功率管理控制器可以针对每个原动机选择更高速度以满足增大的负荷需求，或者反之亦然。功率管理控制器的负荷分担功能可以基于新选择的速度确定负荷分担。换句话说，每当功率管理控制器改变每个原动机的速度时，可以选择各个发电机负荷分担参考值。将容易理解的是，这些负荷分担参考值通常将只在存在两个或更多个具有不同负荷分布的发电机联机时才改变。

如果无法通过提高所连接或联机的发电机（一个或多个）的速度来满足增大的负荷要求，则功率管理控制器可以开始启动一个或更多个额外发电机并且将它们连接到母线。换句话说，功率管理控制器还可以包括传统的启动/停止控制功能。一旦任何额外的发电机联机并且已经连接到母线，则功率管理控制器就可以（如果必要的话）改变每个原动机的速度。例如，一个或更多个额外发电机的连接可以允许通过以较低速度操作每个原动机来满足增大的负荷需求。

功率管理控制器还可以开始一个或更多个联机发电机的去负荷（un-loading）、断开连接和停机。一旦任何发电机已经与母线断开连接，功率管理控制器就可以（如果必要的话）改变每个原动机的速度以满足当前负荷需求并且保持所需的运转备用。例如，一个或更多个发电机的断开连接可能要求通过以较高速度操作剩余的原动机（一个或多个）来满足负荷需求。将容易理解的是，因为一个或更多个发电机已经停机，所以即使剩余的原动机（一个或多个）必须以较高速度（并且进而具有较高的燃油消耗）操作，配电系统的整体效率也仍然被降到最低。

通常，与母线连接的所有发电机将被配置用于启动并且在联机之前达到它们各自的额定速度。只有当发电机正确连接到配电系统时，才将应用功率管理系统的控制功能并且选择所需的速度。

在特定情形下，功率管理控制器可以将每个原动机保持在其当前速度，即使当前负荷将允许降低速度。例如，如果减速操作导致配电电压低于额定电压水平，则可以要求功率转换器以超过其功率电子器件的电流额定值的负荷操作。功率转换器将因此处于电流极限并且将通过功率管理控制器请求升压以满足功率要求。功率管理控制器可以使用来自功率转换器的升压请求信号来增大配电电压，使得功率转换器可以按所需的较高负荷操作。如果从两个或更多个功率转换器接收到升压请求信号，则当确定应该如何改变或调节每个原动机的速度时，功率管理控制器将通常使用最高的升压请求值。AFE功率转换器的重要益处在于，直流链电压（link voltage）（即，第一和第二有源整流器/逆变器之间的直流链中的电压）以及进而负荷侧的输出电压可以被升压（如果需要的话）以满足负荷要求，前提是输入至功率转换器的输入电流没有超过其额定值。即使配电系统以减小的配电电压操作，也是这样的。

AFE功率转换器可以使每个发电机能够以恒定通量操作，而不管相关联的原动机的速度如何。这意味着，标准的发电机设计可以与本发明的配电系统一起使用。通过以恒定通量操作，每个发电机的输出电压将与相关联的原动机的速度成比例地减小，以确保发电机转子中的安匝数（ampere turn）保持恒定。

每个发电机将通常具有可以适于恒定通量（v/f）控制的相关联的自动电压调节器（AVR）。这确保了，每个发电机的输出电压与速度成比例地减小。

每个AVR可以按下降控制进行操作，使得相关联的发电机的输出电压具有与发电机上的无功（kVA）负荷成比例的下降特性（通常，2%）。这确保了发电机之间的无功负荷分担。

传统的功率管理控制器将通常包括电压控制功能。然而，因为由于相关联的原动机的所选速度变化将导致在配电系统的正常操作期间每个发电机的输出电压改变，所以不需要传统的电压控制功能。功率管理控制器将只负责用于确定每个发电机的无功负荷分担参考值。无功负荷分担控制功能将类似于以上针对速度控制器描述的传统负荷分担控制功能。然而，功率管理系统将使用母线或配电板中的传感器（transducer）监控无功功率（与有功功率相对）并且将通过相关联的AVR控制每个发电机（一个或多个）的激励（excitation）。

功率管理控制器可以在功率因素恒定的情况下基于其操作速度和输出电压，确定每个发电机的无功负荷，并且进而确定无功kVA能力。

配电系统可以包括适于可变频率操作的电子开关设备。

配电系统可以包括适于传送固定频率交流配电电压的第二交流母线。这确保了，传统的配电设备（例如，泵、电机、扇等以及在合适情况下的船舶船只服务）可以连接到配电系统。第一和第二交流母线可以通过至少一个功率转换器和可选的变压器（例如，降压变压器）连接在一起。换句话说，可以凭借插入的功率转换器，从第一交流母线传送的可变频率交流配电电压推导出固定频率交流配电电压。每个功率转换器可以是适于提供固定频率输出并额定用于配电设备的AFE功率转换器。

附图说明

图1是示出传统船舶配电和推进系统的示意图；

图2是示出用于传统船舶配电和推进系统的功率管理控制器的示意图；

图3是示出图2的功率管理控制器的控制功能的示意图；

图4是示出单个发电机的减速特性的示图；

图5是示出以相同速度参考值或设定值并行操作的两个发电机的减速特性的示图；

图6是示出以不同速度参考值或设定值并行操作的两个发电机的减速特性的示图；

图7是示出柴油机的典型专用燃油消耗（SFOC）的曲线图；

图8是示出根据本发明的船舶配电和推进系统的示意图；

图9是示出有源前端（AFE）功率转换器如何向本发明的功率管理控制器发出升压请求信号的示意图；

图10是示出图9的功率管理控制器的控制功能的示意图；

图11是示出固定频率系统的SFOC和可变频率系统的SFOC的比较的曲线图；

图12是示出固定频率系统的总燃料消耗和可变频率系统的总燃料消耗的比较的曲线图。

具体实施方式

在图8中示出根据本发明的船舶配电和推进系统100。尽管下面的说明集中于用于船舶船只的系统，但将容易理解的是，可以用类似方式实现其他配电系统。

整体的船舶配电和推进系统100类似于图1中示出的船舶配电和推进系统，并且将理解的是，可以使用任何合适数量和类型的交流发电机、推进电机等。相似的组件被赋予相同的标号或参考数字。

多个交流发电机G1…G4向传送可变频率配电电压（例如，690V，但是可以使用其他系统电压）的母线52提供交流功率。发电机G1…G4与柴油机D1…D4相关联，但是可以使用其他类型的原动机。

电子推进电机M1…M4和母线52凭借插入式有源前端（AFE）功率转换器4连接。推进电机M1…M4可以具有任何合适的类型和结构并且可以可选地被配置用于驱动螺旋轴或其他推进系统，例如推进器。在可供选择的配电系统中，其他电负荷可以连接到AFE功率转换器。

如上面结合图1的船舶配电和推进系统所描述的那样配置每个AFE功率转换器4。

母线52被装配有具有断路器和相关联的控件的保护性开关设备。母线52被划分成通过连接线14互连的一对母线部分52a、52b（例如，左舷和右舷）。配电系统的实际布置将通常取决于对于船舶船只尤为重要的冗余度。

发电机G1…G4和功率转换器4可以通过断路器16、18和相关联的控件或其他开关部件连接到母线2。

第二母线54传送固定频率配电电压（例如，480V、60Hz，但是可以使用其他系统电压和频率）。第二母线54被装配有具有断路器和相关联的控件的保护性开关设备。第二母线54被划分成通过连接线56互连的一对母线部分54a、54b（例如，左舷和右舷）。第一母线部分52a、54a通过第一AFE功率转换器58a和第一降压变压器60a连接在一起，并且第二母线部分52b、54b通过第二AFE功率转换器58b和第二降压变压器60b连接在一起。AFE功率转换器58a、58b和降压变压器60a、60b通过断路器62和相关联的控件或其他开关部件连接各自的母线。

参照图9，如以下更详细描述的，每个AFE功率转换器4包括控制器64，控制器64可以向改进的功率管理控制器66提供升压请求信号。

参照图10，每个柴油机D1…D4设置有电子速度控制器20，电子速度控制器20如上所述地结合图1至图3的船舶配电和推进系统操作。

改进的功率管理控制器66（或功率管理系统（PMS））可以执行上面结合图1至图3的船舶配电和推进系统所描述的所有控制功能，并且具体地，具有被聚集在发电机专用控制器26中的相同发电机专用控制功能。然而，被聚集在公共控制器68中的公共控制功能被改变，以适应可变速度，并且进而适应可变频率操作。发电机专用和公共控制器26、68可以被实现为两个独立的控制器，但是有可能将这些控制器的功能集成到一个实体控制器。类似地，功能可以被分布于不止两个控制器，如果这样方便功率管理控制器66的实际实现的话。

将容易理解的是，公共控制功能包括上述的启动/停止控制功能以及其他功能，例如，在超负荷状况等下自动去除或除去不必要的负荷。然而，为了清晰起见，在图10中只示出改进的负荷分担控制功能和频率（或速度）控制功能，因为这些是与本发明最相关的。

尽管依据频率控制描述了功率管理控制器66的各种控制功能，但将理解的是，出于上述原因，对系统频率的控制与每个柴油机的速度控制直接相关。实际上，发电机专用控制功能之一是将任何频率误差（无论是由于对应的负荷分担误差推导出的频率误差还是系统频率误差）转换成对应柴油机D1…D4的速度控制器20的速度误差。

改进的负荷分担控制功能使用指示联机的发电机数量、它们的实际负荷的信息数据来确定总系统负荷以及配电系统的其他操作参数，例如，操作母线部分的数量和断路器的打开/关闭状态（“CB状态”）或保护性开关设备的打开/关闭状态。它还通过每个发电机的kW/Hz分布使用有关各个发电机额定值的信息数据，kW/Hz分布使负荷能力与频率（或速度）相关。来自每个发电机的发电机专用控制器26的平均频率反馈信号Ff_av被用作kW/Hz分布70的指示。换句话讲，第一发电机G1的平均频率反馈信号Ff_av被用作第一发电机G1的kW/Hz分布的指示，第二发电机G2的平均频率反馈信号Ff_av被用作第二发电机G2的kW/Hz分布的指示，依此类推。每个发电机G1…G4的kW/Hz分布70具有0.75pu至1.0pu的频率范围，并且进而具有对应的速度范围。

信息数据被提供到负荷分担功能块30，负荷分担功能块30基于如上所述的配电系统结构，计算有功功率（kW）参考值或设定值kWs和无功功率（kVAr）参考值或设定值（图10中未示出）。

频率控制功能使用来自每个发电机（或者单个发电机，如果额定值和特性相同的话）的发电机专用控制器26的平均有用功率反馈信号Ff_av作为kW/Hz分布72（频率范围为0.75pu至1.0pu）的指示。kW/Hz分布72的输出是最小系统频率参考值或设定值SFSP。对于不相同的发电机结构，kW/Hz分布72将被选择来顾及到具有最小频率减小能力的发电机。实际上，最小系统频率参考值SFSP指示满足母线2上的负荷需求并且最小值为0.75pu的最小系统频率。

如上所述，每个AFE功率转换器4可以发起升压信号请求。升压请求信号被供应到选择了最高的最小/最大功能块74。由最小/最大功能块74选择的最高升压信号Vvb被用作V/Hz分布76（频率范围为0.75pu至1.0pu）的指示，来推导最小系统频率参考值或设定值SFSPvb并且进而推导最小升压，需要最小升压来允许AFE功率转换器（一个或多个）4实现所需的功率。

各个系统频率参考值SFSP和SFSPvb被供应到选择了参考值中最高那个的最小/最大功能块78。实际上，这意味着，除非需要升压，否则将使用系统频率参考值SFSP控制系统频率。

最小/最大功能块78的输出代表最小所需系统频率，然后将最小所需系统频率与限制功能块80中的下限值进行比较，下限值是由功率管理控制器66推导的，用于确保最小运转备用。可以由操作者设定下限值。由此得出结论，系统频率减小导致发电机负荷能力减小。这是由功率管理控制器66识别的并且设定频率下限以确保在船舶配电和推进系统100操作期间一直保持最小运转备用。

限制功能块80的输出被供应到转换功能块82，转换功能块82允许选择固定或可变频率控制。转换功能可以由功率管理控制器66控制并且如果任何发电机没有加负荷或者去负荷，则通常只选择可变频率操作。这确保了，当公共母线上的所有发电机正分担负荷时，只有可变频率控制是被使能的。转换功能块82的输出是频率参考值Fsc，频率参考值Fsc是通过工作站32要么按照限制功能块的输出确定（对于可变频率操作）要么按照操作者设定的频率参考值Fs确定（对于固定频率操作）的。换句话说，如果发电机正在被加负荷或者去负荷（即，处于“加负荷”状况），则可变频率控制临时暂停（temporarily suspend）并且系统频率由频率参考值Fs确定。例如，在其他情况下，比如在发生故障状况期间，可变频率操作也可以暂停。

将频率参考值Fsc与平均频率反馈信号Ff_av进行比较并且将所得的频率误差信号δf施加到通常被设定为0.2Hz的死区功能块84。死区功能块84的输出是频率控制信号δf1，频率控制信号δf1被分配用于如以上结合图1至图3中示出的船舶配电和推进系统描述的功率管理控制器66的发电机专用控制器26。唯一的差别在于，每个发电机专用控制器26所使用的有功功率参考值kWs通过上述的kW/Hz分布70考虑到各个发电机额定值。换句话讲，被提供到相关联的速度控制器20并且被转换为模拟速度参考值或设定值Ns的升速或减速命令信号的推导考虑到由功率管理控制器66的公共控制器68施加的频率控制。

因为升速或减速命令信号是由发电机专用控制器26提供的，所以有可能每个速度控制器20将接收不同的速度参考值或设定值Ns。然而，与每个柴油机D1…D4相关联的发电机专用控制器26将一直工作，以实现通过功率管理控制器66的公共控制功能设定和保持的整体目的。

下面是功率管理控制器66在实践中可能如何操作的可能实施例。

船舶电力和推进系统100正在“运输”模式（即，在各个位置之间行进）下操作。整体负荷需求需要单个发电机G1联机。推进负荷一直增大，直到发电机G1以超过其额定功率的90%操作并且系统的运转备用落到预先设定的最小值以下为止。

因此，功率管理控制器66开始第二发电机G3的启动、同步和加负荷。一旦第二发电机G3被设置成联机，功率管理控制器66就重新计算每个发电机的负荷分担参考值或设定值。因为第二发电机G3现在处于“加负荷”状况，所以船舶配电和推进系统的可变频率操作被功率管理控制器66临时暂停并且系统频率由操作者设定的频率参考值Fs确定。

公共控制器68将新频率控制信号（或第一频率误差信号）δf1和新有功功率参考值kWs分配给第一发电机G1和第二发电机G3的发电机专用控制器26，从而导致在每个发电机专用控制器中计算第二频率误差信号δf2。

因此，将同时发生众多控制功能。例如，在被施加到第一发电机G1的速度控制器20的速度参考值将减小的同时，被施加到第二发电机G3的第二控制器的速度参考值将增大。因此，由发电机专用控制器26提供到各个速度控制器20的升速和减速命令信号将是频率误差和有功功率负荷分担误差的组合。

一旦这两个发电机已经实现了稳定的负荷分担（即，平均有功功率反馈信号kWf_av基本上等于来自公共控制器68的有功功率参考值kWs），就将由功率管理控制器66重新建立可变频率操作，因为没有一个发电机正加负荷或去负荷。公共控制器68将凭借kW/Hz分布72监控系统频率，并且，只要频率下限不到位（not in place），就将要求新的系统频率参考值或设定值SFSP。公共控制器68将把新频率控制信号δf1分配给发电机专用控制器26。随后，将控制与第一发电机G1和第二发电机G3相关联的柴油机D1、D3，凭借由各个发电机专用控制器26施加的减速命令信号使其减速，以匹配新系统频率。

在第一发电机G1和第二发电机G3以匹配新系统频率的较低输出频率操作时，负荷分担功能块30将重新计算这两个发电机的有功功率参考值——要理解，这一点只在发电机具有不同kW/Hz分布70的情况下才会改变。还重新计算较低系统频率下的系统容量并且进而重新计算运转备用。

从图7中示出的SFOC曲线，可以看到对于这个特定实施例，当在可变频率（或速度）控制下操作时，每个柴油机D1、D3的SFOC将从约215g/kWh减小至约205g/kWh——燃油消耗降低5%。

如果请求功率转换器负荷（例如，推进电机或推进器）增大，但因为船舶配电和推进系统正在以降低的频率操作，并且进而在降低的电压下操作，所以超过了功率转换器电流额定值，则功率转换器4将请求升压。公共控制器66将通过增大系统频率以及进而增大母线2传送的配电电压以满足增加的负荷需求来做出响应。

图11示出基于配电系统的燃料消耗曲线图，其中，四个交流发电机每个都具有2MW额定值并且发电机负荷相关启动阈值被设定为90%的发电机额定值。可以看到，在某些负荷状况下，可以实现高达15%的SFOC的减小。然而，预期的是，约5%的减小对于大多数系统是理想的。

图12比较固定频率系统和可变频率系统的总燃料消耗。可以看到，配电系统以可变频率操作进行操作导致总消耗减小。

Claims (18)

1.一种配电系统，所述配电系统包括：

交流母线，所述交流母线适于传送可变频率交流配电电压；

交流发电机，所述交流发电机连接到所述交流母线并且具有相关联的原动机；以及

功率管理控制器，所述功率管理控制器适于参照所述交流母线上的电负荷改变所述原动机的旋转速度，使得所述交流发电机在所述配电系统的正常操作期间提供可变频率输出。

2.根据权利要求1所述的配电系统，还包括与所述原动机相关联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来改变和保持所述原动机的速度。

3.根据权利要求1所述的配电系统，其中所述功率管理控制器包括速度控制功能来基于所述母线上的电负荷选择和保持所述原动机的速度，并且进而选择和保持所述发电机的输出频率，使得所述功率管理控制器响应于检测到的负荷需求的变化来自动改变所述原动机的速度。

4.根据权利要求3所述的配电系统，其中所述速度控制功能使用负荷分布来选择所述原动机的速度，所述负荷分布使输出功率与速度或频率相关。

5.根据权利要求3所述的配电系统，其中所述速度控制功能只有在稳态负荷已保持预定时间段时才改变所述原动机的速度。

6.根据权利要求1所述的配电系统，还包括与所述母线连接的两个或更多个交流发电机，每个交流发电机具有相关联的原动机，并且其中所述功率管理控制器包括负荷分担控制功能，使得由所述功率管理控制器参照所述原动机的速度自动改变所述发电机之间的负荷分担。

7.根据权利要求1所述的配电系统，其中所述功率管理控制器还适于开始启动一个或更多个额外的交流发电机并且将它们连接到所述母线。

8.根据权利要求7所述的配电系统，其中所述功率管理控制器还适于开始对一个或更多个联机发电机的去负荷、断开连接和停机。

9.根据权利要求7所述的配电系统，其中所述功率管理控制器还适于一旦任何额外的发电机联机并且连接到所述母线或者一旦任何发电机已经与所述母线断开连接，就改变每个原动机的速度。

10.根据权利要求1所述的配电系统，其中所述功率管理控制器还适于当所述发电机被加负荷或去负荷时临时暂停所述可变频率操作，使得所述原动机的速度保持在所选的速度。

11.根据权利要求1所述的配电系统，还包括凭借功率转换器与所述母线连接的电负荷。

12.根据权利要求11所述的配电系统，其中所述功率转换器是有源前端功率转换器。

13.根据权利要求11所述的配电系统，其中所述功率管理控制器还适于响应于来自所述功率转换器的升压请求信号改变每个原动机的速度。

14.根据权利要求11所述的配电系统，其中所述电负荷是推进电机或推进器电机。

15.根据权利要求1所述的配电系统，还包括适于传送固定频率交流配电电压的第二交流母线，第一母线和第二母线通过至少一个功率转换器和可选的变压器连接在一起。

16.根据权利要求15所述的配电系统，其中所述至少一个功率转换器是适于提供固定频率输出的有源前端功率转换器。

17.根据权利要求1所述的配电系统，其中每个发电机的输出电压参照其相关联的原动机的速度而改变，使得其通量在操作期间保持基本上恒定。

18.一种操作配电系统的方法，所述配电系统包括适于传送可变频率交流配电电压的交流母线和与所述交流母线连接并且具有相关联的原动机的交流发电机；

所述方法包括以下步骤：

参照所述交流母线上的电负荷改变所述原动机的旋转速度，使得所述交流发电机在所述配电系统的正常操作期间提供可变频率输出。

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