CN108701992B

CN108701992B - 一种直流配电系统

Info

Publication number: CN108701992B
Application number: CN201680082167.4A
Authority: CN
Inventors: 斯蒂芬·斯特兰德贝里; 里斯托·克姆拉茵恩
Original assignee: Vacon Oy
Current assignee: Vacon Oy
Priority date: 2016-02-18
Filing date: 2016-02-18
Publication date: 2022-06-24
Anticipated expiration: 2036-02-18
Also published as: US20190081475A1; DE112016006450T5; WO2017140360A1; US11411399B2; CN108701992A

Abstract

一种用于直流(DC)配电安排的方法以及一种直流(DC)配电安排，包括多个DC配电子系统。每个DC配电子系统包括逆变器单元(INU)，该逆变器单元被配置成作为用于使该DC配电子系统与该DC配电安排的其余部分相互耦合/相分离的子系统特定的断路器来操作。

Description

一种直流配电系统

技术领域

本发明的目标涉及一种电源总线安排和一种用于电源总线安排的方法。更具体地，本发明的目标是一种用于将逆变器单元用作断路器设备以使多个直流 (DC)配电总线相互耦合/相分离的安排和方法。

现有技术和问题描述

在大功率电子设施中，在供电设备/发电设备与耗电设备之间需要配电装置。由于对频率转换器技术的广泛利用，其中，整流器单元和逆变器单元经由 DC中间电路而相互耦合，常见的做法是将DC电源总线用作多个发电设备与耗电设备之间的分配通道。

在某些环境中，比如在海洋设施中，还需要将配电系统分成多个较小的子系统。出于冗余原因，这些子系统需要可经由所谓的DC总线联接断路器而连接在一起和分离，例如，以便避免由于可能会使配电总线的电压崩溃的局部灾难性故障而导致的完全断电。

机电断路器是用于使不同电源总线相互耦合/相分离的常用设备。然而，由于在触头打开期间所产生的连续电弧，直流电的中断可能会存在问题。这就是 DC电路需要昂贵的特殊断路器的原因。由于机械操作原理，断路器还相对较慢，这例如在局部短路的情况下尝试避免大面积配电干扰时是一个问题。

发明内容

本发明的目标是一种安排或方法，其避免了机电断路器的缺点并且可以在使多个DC配电总线相互耦合/相分离时被利用，例如在海洋设施中作为联接断路器。通过由独立权利要求的特征部分中声明的内容所表征的那些安排来实现该目标。本发明的其他优选实施例是从属权利要求的目标。

本发明的基础特征原理是将与在用于电机转速控制系统的频率转换器中或者在有源前端转换器(AFE)中所使用的相类似的逆变器单元(INU)在DC配电系统中用作断路器。在本发明上下文中使用标准INU意味着利用相同的硬件 (即，电源和控制电子电路和机械结构)，同时确定如何控制可控电源开关的软件特定于本申请。在此应理解的是，并联连接的INU(该安排可用于增强电流中断容量)在本发明上下文中逻辑上对应于一个INU。

根据本发明的第一实施例，属于系统的每个INU的DC端子连接至INU特定的DC配电总线，并且这些INU通过使用其AC端子之间的连接构件而被互相链接。连接构件可以是例如导体轨或者电力电缆，并且其可以包括电感元件以便限制在切换情况下的平衡电流瞬变。连接构件的安装是永久性的，但是根据本发明通过控制INU的可控电源开关每次可以仅选择使用这些连接构件中的一部分。

根据本发明的第二实施例，属于该系统的INU的那三个AC相端子中的每一个连接至相特定的连接构件。

在与该第二实施例相关的实施例中，对INU的可控电源开关进行控制，从而使得每次仅使用这些连接构件中的一部分，例如这三个连接构件中的两个。在静态操作模式下，持续使用同一些连接构件，并且在动态操作模式下，为了平衡负载，连接顺序是轮流的，从而使得每一相的平均负载基本上相等。动态操作模式的实现要求存在能够控制属于该系统的任何INU中的任何控制电源开关(比如IGBT)的接通/断开的上级控制器。

在与该第二实施例相关的另一个实施例中，对INU的可控电源开关进行控制，从而使得所有三个连接构件一直都在使用中，这三个连接构件中的一个连接至所有DC配电系统的正极，并且其他两个连接至负极，反之亦然。同样，在本实施例中，可以使用静态操作模式或动态操作模式。

根据本发明的第三实施例，连接构件的数量为使得每个INU的这些AC端子可以连接至不同的唯一连接构件组合。例如，在3条或4条电源总线并且INU 具有3个AC端子的情况下，这种组合要求意味着连接构件的数量至少为4个，而在5条电源总线的情况下，需要至少5个连接构件，等等。

借助第三实施例，静态操作模式和动态操作模式两者也都是可能的。在与此第三实施例相关的实施例中，在灾难性故障使一条DC电源总线的电压崩溃并且使三个连接构件短路的情况下，对INU的电源开关进行控制，从而保留未受损的DC电源总线之间的连接。

在本发明的第四实施例中，通过两个INU来使两条DC配电总线互连，从而使得一个INU连接在这两条总线的正极之间，并且另一个INU连接在负极之间。在该连接中，INU的一个DC端子连接至一个DC配电总线极，并且所有三个AC相端子被并联连接至另一个DC配电总线的相应极。INU被连接为使得在这两个INU中的续流二极管的导通方向是相同的，其效果是，在没有可控电源开关(例如IGBT)接通的情况下，在电源总线之间不存在平衡电流路径，因此在这种情况下这些电源总线被分离。

在与该第四实施例相关的实施例中，对INU的可控电源开关进行控制，从而使得所有三个相开关一直位于同一位置。

在与所有以上安排相关的实施例中，所有其他DC链路的储能电容器可以初始地由连接至一个从外部充满电的DC电源总线的逆变器通过调整该逆变器的脉宽调制输出电压平稳地上升至满水平来进行充电。如对于本领域技术人员而言清楚的是，由于满水平电压脉冲，这种方法的实现要求具有一定电感的连接构件以便限制充电电流脉冲。

在与所有以上安排相关的实施例中，一个或若干个INU的所有可控电源开关(例如IGBT)可以持续保持断开。在这种情况下，DC电力可以经由续流二极管而仅流向连接至这些INU的电源子系统的方向(即，单向电力流动)。

在与所有以上安排相关的实施例中，在测得过电流的情况下通过断开一个或所有可控电源开关(比如IGBT)来利用对标准INU的内部负载电流测量。如果断开所有可控电源开关，则仅实现单向电力流动。如果仅断开承载了过电流的那个可控电源开关，则可以通过经由另一个AC相端子使另一个连接构件通电来继续操作。在这种情况下，还在其他INU中断开了连接至过载连接构件的可控电源开关，并且接通在与共同连接构件具有连接的所有INU的另一相中的相应(上部支路或下部支路)可控电源开关。

本发明使得可以通过利用在电力电子工业中广泛使用的技术来实现防短路 DC电流断路器功能。与通过使用现有技术的机电开关相比，DC配电总线的互连/分离时间更快，并且需要更少的成本。当该系统包括上位控制设备时，可以通过交替进行对不同连接构件和INU的相开关的连接轮次来实现动态操作模式，以便平衡负载。从领域服务的角度来看，在DC电流断路器中而不是在电机驱动器和有源前端转换器中利用相似的电源模块是有利的。

附图说明

在下文中，将通过参照附图、借助于本发明实施例的一些示例来更详细地描述本发明，在附图中：

图1呈现了频率转换器驱动器的主电路，

图2呈现了DC配电总线系统的单线图，

图3A呈现了根据本发明的第一实施例的DC配电总线系统中的安排，

图3B展示了与本发明的第一实施例相关的时序图，

图4A呈现了根据本发明的第二实施例的DC配电总线系统中的安排，

图4B展示了与本发明的第二实施例相关的时序图，并且

图5呈现了根据本发明的第三实施例的DC配电总线系统中的安排。

具体实施方式

除非以其他方式被限定，否则在此使用的技术术语和科学术语具有与本披露所属领域的普通技术人员普遍理解的相同含义。如在此所使用的，术语“第一(first)”、“第二(second)”等并不表示任何次序、量或者重要性，而是用来将一种元素与另一种区分开。同样，术语“一个(a)”、“一个(an)”并不表示对量的限制，而是表示存在所参考的项中的至少一个。使用“包括(including)”、“包括(comprising)”、或“具有(having)”及其变体在此意指涵盖了下文所列出的各项及其等同物、以及额外的项。术语“连接(connected)”、“耦合(coupled)”并不被限制为物理或机械连接或耦合，并且可以包括无论直接或间接的电连接或耦合。此外，术语“电路(circuit)”、“电路系统(circuitry)”和“控制器(controller)”可以包括为有源和/或无源的并且连接或者以其他方式耦合在一起以提供所描述功能的单个元件或者多个元件。

图1呈现了已知且典型的再生频率转换器的简化主电路图，该再生频率转换器作为其中可以正常使用在根据本发明的断路器安排中利用的电源单元的示例。

在该示例中，转换器包括有源前端电桥AFE，该有源前端电桥能够在3相市电网络R、S、T与中间DC电路DC之间在两个方向上馈送电力。AFE经由所谓的LCL线路滤波器单元LFU连接到市电，该LCL线路滤波器单元包括第一3相电感器单元LF₁、第二3相电感器单元LF₂以及电容器单元C_F。逆变器单元INU从由电容器C_D1滤波的直流电压电路DC中产生可调节的3相脉宽调制(PWM)输出电压U、V、W以便为AC电机M供电。AFE电桥与INU电桥类似，两者都由能够将相端子连接到DC中间电路DC的任一极DC+、DC- 的3个相开关组成。一个相开关包括连接到DC+的上部支路电源元件(即，具有反并联连接二极管的可控电源开关，通常为IGBT)以及下部支路中连接到 DC-的类似电源元件。

图2呈现了DC配电系统的示例性单线图，其中，可以使用如图1所呈现的逆变器单元和有源前端转换器。在本示例中，DC配电系统被分成两个子系统DC₁、DC₂，这两个子系统可以通过断路器S₁而相互耦合或分离。

由柴油发电机DG经由异步发电机ASG、线路滤波器单元LFU₁和有源前端转换器AFE₁来对DC₁进行供电。包括逆变器单元INU₁和电机M₁(例如为空调风扇进行馈电)的电机驱动器是可以连接至该系统的典型负载的示例。可以将电池连接至该系统，以便确保电源稳定性(B₁经由电压水平匹配转换器 DC/DC₁)。

在本示例中，从市电G₂经由变压器T₂、线路滤波单元LFU₂和有源前端转换器AFE₂对DC₂进行供电。一对电机驱动器(INU₂，M₂，INU₃，M₃)连接至 DC₂。

图3A呈现了根据本发明的一种安排，该安排关于如何可以通过将三个连接构件A、B、C以及DC总线特定的逆变器单元INU₃₁、INU₃₂、INU₃₃用作断路器而使任意数量的DC配电总线(在本示例中，三条总线DC₃₁、DC₃₂、DC₃₃) 相互耦合或分离。每个INU的DC端子+、-耦合至相应的DC总线端子，并且其AC端子U、V、W耦合至相特定的连接构件A、B、C。

图3B展示了关于图3A的安排中的DC配电总线的耦合的两种方法。在这些图中，具有+符号的粗线意指连接构件连接至所有DC配电总线的+极。在实践中，该连接通过接通连接至此连接构件的相开关的上部支路电源元件来实现。例如，具有+符号的粗A线意指所有INU中的U相上部支路可控电源开关(比如IGBT)均被接通。相应地，例如，具有-符号的粗B线意指所有INU中的V 相下部支路可控电源开关(比如IGBT)均被接通。图中的虚线意指DC总线之间不存在经由此连接构件的连接。例如，虚线C意指在W相开关中所有可控电源开关(比如IGBT)均被断开。

图3B的上部展示了一种方法，其中，每次仅有两个连接部件在使用中。为了平衡功率半导体和连接构件的平均负载，可以如图中所呈现地那样每隔一定间隔在时刻t₀、t₁、t₂等上轮流进行它们的操作顺序。这在本文档中被称为动态加载方法。还可以通过以下方式来使用静态加载方法：像在图3B中在时间间隔t₀...t₁期间仅持续加载两个连接构件，例如A和C，并且保持空闲的一个(B) 作为备用部件。在本示例中，例如在连接构件C出现接地故障的情况下，可以通过断开W相中的所有可控电源开关(例如IGBT)并且接通V相中的相应可控电源开关来启用该备用部件。

图3B的下部展示了一种方法，其中，持续使用所有连接部件(即，所有 INU的所有相开关均持续有效)。为了平衡功率半导体和连接构件的平均负载，以规律的间隔在时刻t₀、t₁、t₂等上轮流进行将两个构件连接至DC总线的+极并且将一个构件连接至-极(或者反之亦然)的周期。在这种情况下，通过持续使用相同的连接构件，静态加载方法也是可能的。

图4A呈现了根据本发明的一种安排，该安排关于如何可以通过将5个连接构件D、E、F、G、H以及DC总线特定的逆变器单元INU₄₁INU₄₅用作断路器而使任意数量的DC配电总线(在本示例中，5条总线DC₄₁...DC₄₅)相互耦合或分离。每个INU的DC端子+、-耦合至相应的DC总线端子，并且其AC 端子U、V、W耦合至连接构件，从而使得每个连接组合都是相异的。相异性连接组合要求对连接构件的数量提出了要求；例如，在5条DC电源总线的情况下，连接构件的数量必需为至少5个。

图4B展示了关于如何可以使DC配电总线DC₄₁...DC₄₅相互耦合的方法。在该方法中，每个连接构件连接到至少两个DC电源总线的+极或-极。为了平衡功率半导体和连接构件的平均负载，可以类似于例如上文在图3B中所呈现的那样(轮流时刻t₁₀、t₁₁)轮流进行操作周期。代替这种动态加载方法，在这种情况下，通过持续使用相同的连接构件，如图3的描述中所呈现的类似静态加载方法也是可能的。

这种安排和方法的益处在于：可以隔离故障的DC总线，从而使得未受损的DC总线保持相互耦合并且继续正常操作。在图4B中展示了这种保护方法的在DC₄₁总线被短路的时刻t₁₂之后的示例。短路意味着所有连接构件D、E、F 也都经由INU₄₁的续流二极管而被短路。在与这种安排相关的方法实施例中，耦合至故障的DC总线的连接构件连接至未受损的DC总线的极之一(在本示例中，D、E、F连接至-极)，并且这些连接构件中的其余连接构件连接至相反极(即，G和H连接至+极)。

图5呈现了根据本发明的一种安排，该安排关于如何可以通过将两个逆变器单元INU₅₁、INU₅₂用作断路器而使两个DC配电总线DC₅₁、DC₅₂相互耦合或分离。在该安排中，第一INU的相互耦合的AC端子连接至第一DC总线的 +极，并且DC+端子连接至第二DC总线。在-极侧，另一个INU的DC-端子连接至第一DC总线，并且相互耦合的AC端子连接至第二DC总线。可以通过断开所有可控电源开关(比如IGBT)来将DC总线分离，因为然后由于两极中的续流二极管的导通方向相同，没有平衡电流可以在DC总线之间流动。可以通过接通可控电源开关来使DC总线相互耦合，然后，平衡电流可以经由一极中的可控电源开关和另一极中的二极管而流动。由于并联连接的相开关，断路器安排的负载能力是使用标准INU模块可达到的最大值。

在与这种安排相关的实施例中，对INU的可控电源开关进行控制，从而使得所有三个相开关一直位于同一位置。

尽管已经参照以上实施例描述了本发明，但是应当认识到，本发明不限于本实施例，而是在不脱离如所附权利要求书中限定的本发明的范围的情况下，许多修改和变化对本领域技术人员而言将变得明显。

Claims

1.一种直流(DC)配电系统，包括控制器和多个DC配电子系统，

其中，每个DC配电子系统包括逆变器单元，该逆变器单元被配置成作为用于使该DC配电子系统与该DC配电系统的其余部分相互耦合/相分离的子系统特定的断路器来操作，控制器被配置成通过响应于确定的DC配电子系统失效或测量的过电流来断开至少一个逆变器单元的一个或更多个可控电源开关以控制所述至少一个逆变器单元作为子系统特定的断路器来操作，所述一个或更多个可控电源开关在所述至少一个逆变器单元转换电流的操作期间被交替地接通和断开，并且该逆变器单元被配置成作为子系统特定的断路器来操作，从而使得：

该逆变器单元的DC端子连接至该DC配电子系统的相应DC极，并且

该逆变器单元的每个AC端子连接至端子特定的连接构件，

该端子特定的连接构件连接至与另一个DC配电子系统相连接的至少一个其他逆变器单元的AC端子。

2.根据权利要求1所述的DC配电系统，

其特征在于

连接构件的数量至少与每个逆变器单元的AC端子的数量相同。

3.根据权利要求1或2所述的DC配电系统，

其特征在于

每个逆变器单元的这些AC端子连接至唯一连接构件组合。

4.根据权利要求1至2中任一项所述的DC配电系统，

其特征在于

这些逆变器单元被配置用于每次在一个相开关的上部支路或下部支路中并且在另一个相开关或者两个其他相开关的上部支路或下部支路中将可控电源开关同时保持在接通状态中。

5.根据权利要求4所述的DC配电系统，

其特征在于

这些逆变器单元被配置用于：

持续地将所选可控电源开关保持在接通状态中；或者

在预定义的持续时间上将所选可控电源开关保持在接通状态中，在这种情况下，这些所选可控电源开关的接通状态周期被配置成轮流的，从而使得该逆变器单元的每个AC端子的平均负载基本上相等。

6.根据权利要求1所述的DC配电系统，

其特征在于

该DC配电系统包括两个DC配电子系统以及两个逆变器单元，其中，这些逆变器单元被配置成作为这两个DC配电子系统的相应极之间的极特定的断路器来操作，从而使得：

第一DC配电子系统的第一极连接至第一逆变器单元的DC端子，并且

第二DC配电子系统的相应第一极连接至该第一逆变器单元的相互耦合的AC端子，并且

该第一DC配电子系统的第二极连接至第二逆变器单元的相互耦合的AC端子，并且

该第二DC配电子系统的相应第二极连接至该第二逆变器单元的DC端子。

7.根据权利要求1、2、5和6中任一项所述的DC配电系统，

其特征在于

该DC配电子系统包括上级控制器，该上级控制器被配置用于接通和/或断开连接至该DC配电子系统的任何逆变器单元中的任何可控电源开关。

8.根据权利要求7所述的DC配电系统，

其特征在于

一个DC配电子系统被配置成从外部充电至正常操作电压水平，并且

该上级控制器被配置用于控制连接至满充DC配电子系统的逆变器单元进行操作，从而使得该逆变器单元的脉宽调制输出电压以预定义速度上升至满水平。

9.根据权利要求1、2、5、6和8中任一项所述的DC配电系统，

其特征在于

该DC配电子系统中的至少一个逆变器单元的可控电源开关被配置成保持断开，同时至少两个连接构件被配置成通电的。

10.根据权利要求1、2、5、6和8中任一项所述的DC配电系统，

其特征在于

在逆变器单元的一个AC端子中测得过电流的情况下，正连接至此AC端子的连接构件被配置成通过以下方式而被断电：断开在所有逆变器单元中连接至此特定连接构件的AC端子处的可控电源开关，并且

另一个替换连接构件被配置成通过以下方式而被通电：接通所有逆变器单元的另一个AC端子中的相应可控电源开关。

11.根据权利要求1、2、5、6和8中任一项所述的DC配电系统，

其特征在于

该连接构件包括用于限制在切换情况下平衡电流瞬变的电感元件。

12.一种直流(DC)配电系统，

其特征在于

该DC配电系统包括第一DC配电子系统和第二DC配电子系统，

第一DC配电子系统包括第一逆变器单元和第一DC总线，第二DC配电子系统包括第二逆变器单元和第二DC总线，并且

该逆变器单元作为使该DC配电子系统与该DC配电系统的其余部分相互耦合/相分离的子系统特定的断路器来操作，

其中，第一逆变器单元的AC端子彼此相互耦合，使得第一逆变器单元的相互耦合的AC端子连接到第一DC总线的正极，并且第一逆变器单元的正极DC端子连接到第二DC总线的正极，以及

第二逆变器单元的AC端子彼此相互耦合，使得第二逆变器单元的相互耦合的AC端子连接到第二DC总线的负极，并且第二逆变器单元的负极DC端子连接到第一DC总线的负极。

13.根据权利要求12所述的DC配电系统，

其特征在于

这些逆变器单元每次在一个相开关的上部支路或下部支路中并且在另一个相开关或者两个其他相开关的上部支路或下部支路中将可控电源开关同时保持在接通状态中。

14.根据权利要求13所述的DC配电系统，

其特征在于

这些逆变器单元：

持续地将所选可控电源开关保持在接通状态中；或者

在预定义的持续时间上将所选可控电源开关保持在接通状态中，在这种情况下，这些所选可控电源开关的接通状态周期是轮流的，从而使得该逆变器单元的每个AC端子的平均负载基本上相等。

15.根据权利要求13或14所述的DC配电系统，

其特征在于

一个DC配电子系统包括上级控制器并且从外部被充电至正常操作电压水平，该上级控制器被配置用于接通和/或断开连接至该DC配电子系统的任何逆变器单元中的任何可控电源开关，并且

该上级控制器控制连接至满充DC配电子系统的逆变器单元，从而使得该逆变器单元的脉宽调制输出电压以预定义速度上升至满水平。

16.根据权利要求13或14所述的DC配电系统，

其特征在于

该DC配电子系统中的至少一个逆变器单元的可控电源开关保持断开，同时至少两个连接构件是通电的。

17.根据权利要求16所述的DC配电系统，

其特征在于：

在逆变器单元的一个AC端子中测得过电流的情况下，正连接至此AC端子的连接构件通过以下方式而被断电：断开在所有逆变器单元中连接至此特定连接构件的AC端子处的可控电源开关，并且

另一个替换连接构件通过以下方式而被通电：接通所有逆变器单元的另一个AC端子中的相应可控电源开关。