具有系统保护能力的DC电力系统

摘要

提出了一种DC电力系统(1)，包括主DC母线(3)；被布置为对主DC母线(3)馈电的发电单元(P1,P2,P3,P4)；被布置在主DC母线(3)和发电单元(P1,P2,P3,P4)之间以用于在主DC母线故障的情况下将发电单元(P1,P2,P3,P4)与主DC母线(3)隔离的隔离器开关(7)；被布置为由主DC母线馈电的驱动单元(D1,D2)，其中所述驱动单元(D1,D2)包括驱动单元母线系统(DB)，连接至所述驱动单元母线系统(DB)的换流器单元(I1,I2,I3)，和被布置在所述驱动单元母线系统(DB)和换流器单元(I1,I2,I3)之间以用于在驱动器单元故障的情况下保护换流器单元(I1,I2,I3)的熔丝(F)。

说明书

技术领域

本公开总体上涉及电力系统，并且尤其涉及具有保护能力的DC 电力系统。

背景技术

电力系统通常包括多个部件，诸如一个或多个发电源、驱动和 能量存储模块。这些部件通常利用汇流排系统进行互连，在上述汇 流排系统中电流能够流动以用于向连接至电力系统的一个或多个负 载提供电力。

有时，诸如短路的故障将不可避免地在系统中发生，或者发生 在汇流排系统中，或者发生在系统部件之一，或负载之中。在故障 的情况下，重要的是将故障与系统的健康部分隔离从而使得能够利 用健康部分继续进行正常的电力供应，并且保护健康部分免于受到 损坏。出于所述目的，电力系统中通常包括保护系统。

被布置为对电力系统中的故障进行处置的保护系统通常包括被 布置为监视电力系统中诸如电流之类的参数的监视装置，以及由所 述监视装置所控制的电路断路器。所述电路断路器以能够在故障情 况下实现选择性故障隔离的方式布置在电力系统中。

然而，现有故障系统在一些应用中可能是非常昂贵且占用空间 的。

发明内容

直流(DC)电路断路器特别庞大，这是因为与交流电流电路(AC) 断路器相反，它们无法依赖于过零点。因此，DC电路断路器需要更 大的气隙来确保正常的保护。结果，DC电路断路器通常占用大量空 间，并且它们的制造非常昂贵。

鉴于以上考虑，本公开的总体目标是提供一种DC电力系统，其 具有的保护能力需要的空间小于现有技术。

另一个目标是提供一种支付得起的DC电力系统。

因此，提供了一种DC电力系统，包括：主DC母线；被布置为 对主DC母线馈电的发电单元；布置在主DC母线和发电单元之间以 用于在主DC母线故障的情况下将发电单元从主DC母线隔离的隔离 器开关；被布置为由主DC母线馈电的驱动单元，其中所述驱动单 元包括驱动单元母线系统、连接至所述驱动单元母线系统的换流器 单元、和布置在所述驱动单元母线系统和换流器单元之间以用于在 驱动单元故障的情况下保护换流器单元的熔丝。

由此，所述DC电力系统中的各个单元能够在任意单元中或主 DC母线上故障的情况下有选择地得到保护，而并不使用大型、占用 空间又昂贵的电路断路器。

根据一个实施例，所述驱动单元包括布置在主DC母线和驱动单 元母线系统之间的第一类型的输入单元，并且其中所述第一类型的 输入单元包括用于在驱动单元故障的情况下将驱动单元从主DC母 线断开连接的隔离器开关。因此，所述驱动单元能够在驱动单元故 障的情况下从其余DC电力系统断开连接而并不利用电路断路器。

根据一个实施例，所述第一类型的输入单元包括电流阻断设备， 其被布置为阻断在从驱动单元母线系统到主DC母线的方向上的电 流并且允许电流从主DC母线向驱动单元流动。由此，将从驱动单 元中的换流器单元的电容器组提供到主DC母线上或提供到连接至 主DC母线的另一单元中的故障的故障电流能够被减小或消除，因 为电流阻断设备基本上充当在从驱动单元母线系统到主DC母线的 方向上的开路。

一个实施例包括能量存储单元，其被布置为对主DC母线馈电， 其中所述能量存储单元包括能量存储单元母线系统、电力供应单元， 以及布置在所述能量存储单元母线系统和电力供应单元之间以用于 在能量存储单元故障的情况下保护电力供应单元的熔丝。因此，如 果例如用于冗余目的的备用电力部件被添加至系统，该部件也能够 得到保护不被内部故障损坏，而并不利用电路断路器。

根据一个实施例，能量存储单元包括第二类型的输入单元，其 布置在所述能量存储单元母线系统和主DC母线之间，其中所述第 二类型的输入单元包括用于在能量存储单元故障的情况下将能量存 储单元从主DC母线断开连接的隔离器开关。因此，所述能量存储 单元能够从主DC母线断开连接而并不利用电路断路器。

根据一个实施例，所述第二类型的输入单元包括被布置为阻断 从能量存储单元母线系统到主DC母线的方向上的电流并且允许电 流从主DC母线向能量存储单元流动的电流阻断设备，和用于有选 择地允许电流旁路所述电流阻断设备并流向主DC母线的半导体开 关单元。因此，通过将所述半导体开关设置为其接通状态，在需要 来自能量存储单元的额外功率的情况下，电流能够被允许流向主DC 母线之中。

可替换地，在所述半导体开关单元被设置为其关断状态的情况 下，从能量存储单元到主DC母线上或者所述DC电力系统的另一部 分之中的故障的故障电流能够被最小化。

根据一个实施例，所述电流阻断设备和半导体开关单元反并联 地进行连接。

根据一个实施例，所述发电单元包括发电机和整流器，其中所 述整流器包括被布置为在整流器故障的情况下保护整流器的多个熔 丝。由此，内部整流器故障能够利用熔丝得到处置而并不利用发电 单元中的局部电路断路器。

根据一个实施例，整流器中所包括的多个熔丝被确定规格从而 使得它们在受到由于整流器下游故障所导致的故障电流的影响时并 不熔断。因此，熔丝仅被整流器内部故障所导致的电流所熔断。提 供至发电单元外部的故障的故障电流因此并不应当触发所述熔丝熔 断。整流器中的熔丝的额定电流因此应当被选择为阈值电流水平， 所述阈值电流水平仅被该特定发电单元中的整流器故障所产生的故 障电流达到或超出。

根据一个实施例，每个换流器单元具有连接至驱动单元母线的 端子，其中换流器单元的每个端子连接至熔丝。

根据一个实施例，所述电流阻断设备是二极管。

根据一个实施例，所述第一输入单元包括与电流阻断设备反并 联连接以用于有选择地允许电流旁路所述电流阻断设备并流向主 DC母线的半导体开关单元。

通过如这里所公开的将熔丝和隔离器开关进行组合，获得了一 种混合保护系统，其中局部故障，即具体单元中的故障，由熔丝处 置；而全局故障，即主DC母线上的故障，则通过来源处的电流中 断进行处置从而使得适当隔离器开关能够将DC电力系统中受影响 的部分隔离。由此，熔丝大小能够被保持得较小，这确保了局部故 障电流的量级将能够在局部故障的情况下熔断熔丝，因此在局部和 全局两者都确保了可靠的DC电力系统保护。如果有必要，能够安 装额外的电容器组以提供额外的故障电流来确保熔丝具有可用于清 除故障的足够的故障电流。

总体上，除非这里明确以其它方式进行定义，否则权利要求中 所使用的所有术语都要根据其在该技术领域中的常规含义进行解 释。对于“一/一个/所述元件、装置、部件、器件等”的全部引用都 要被开放地解释为指代所述元件、装置、部件、器件等的至少一个 实例，除非以其它方式明确进行指示。

附图说明

现在将参考附图通过示例对本发明概念的具体实施例进行描 述，其中：

图1是DC电力系统的示意图；

图2是图1中的DC电力系统中的发电单元的示意图；

图3a描绘了图1中的DC电力系统中的故障的示例；以及

图3b描绘了图1中的DC电力系统中的另一个故障的示例。

具体实施方式

现在将参考其中示出了示例性实施例的附图对本发明的概念进 行更为全面地描述。然而，本发明的概念可以以许多不同形式来体 现并且不应当被理解为局限于这里所给出的实施例；相反，这些实 施例作为示例而提供从而使得本公开将是全面且完整的，并且将向 本领域技术人员全面传递本发明概念的范围。同样的附图标记贯穿 说明书指代同样的元件。

图1描绘了DC电力系统1的一个示例的示意图。DC电力系统 1包括主DC母线3，其具有通过汇流排断路器5可分离的第一汇流 排3-1和第二汇流排3-2、第一发电单元P1、第二发电单元P2、第 三发电单元P3、第四发电单元P4、能量存储单元E、第一驱动D1 和第二驱动D2。

第一驱动单元D1和第二驱动单元D2被布置用于为电机或类似 设备进行供电。这样的驱动单元的示例是意在向正常的AC消费者 提供50Hz或60Hz的AC功率的单个驱动、多个驱动以及静态频率 换流器。

DC电力系统1进一步包括与相应的发电单元P1、P2、P3、P4 相关联以用于能够将发电单元P1、P2、P3、P4从主DC母线3断开 连接的隔离器开关7，即隔离开关。由此，每个发电单元能够从例如 主DC母线3上的故障隔离，或者它们能够出于维护目的而被隔离。

第一发电单元P1被布置为对主DC母线3馈电，并且经由隔离 器开关7可连接至主DC母线3。根据图1中的示例，第一发电单元 P1可连接至第一汇流排3-1。

第二发电单元P2被布置为对主DC母线3馈电，并且经由隔离 器开关7可连接至主DC母线3。根据图1中的示例，第二发电单元 P2可连接至第一汇流排3-1。

第三发电单元P3被布置为对主DC母线3馈电，并且经由隔离 器开关7可连接至主DC母线3。根据图1中的示例，第三发电单元 P3可连接至第二汇流排3-2。

第四发电单元P4被布置为对主DC母线3馈电，并且经由隔离 器开关7可连接至主DC母线3。根据图1中的示例，第四发电单元 P4可连接至第二汇流排3-2。

第一发电单元P1包括发电机G1，诸如柴油引擎驱动的发电机， 其被布置为生成交流电流；以及被布置为将所述交流电流转换为要 馈送至主DC母线3中的直流电流的整流器R1。整流器R1可以被 提供以熔丝，所述熔丝被确定规格为在整流器R1中出现故障的情况 下熔断。

第二发电单元P2、第三发电单元P3和第四发电单元P4可以具 有与第一发电单元P1相似的设计。就此而言，第二发电单元P2、 第三发电单元P3和第四发电单元P4中的每一个可以包括相应的发 电机G2、G3、G4，以及用于向主DC母线3提供DC信号的相应整 流器R2、R3、R4。然而，所要注意的是，同一系统内不同发电机类 型的组合是可能的。

第一驱动单元D1和第二驱动单元D2中的每一个具有驱动单元 母线系统DB，其包括第一母线DB1和第二母线DB2。此外，第一 驱动单元D1和第二驱动单元D2中的每一个具有连接至其相应驱动 单元母线系统DB的多个换流器单元，在下文中由换流器(inverter) I1、I2、I3所例示，以及布置在逆变器I1、I2、I3的端子和驱动单元 母线系统DB之间的熔丝F。适当逆变器的示例是ABB的ACS800 逆变器。

第一驱动单元D1和第二驱动单元D2中的每一个进一步具有第 一类型的输入单元17，其在一端被布置为用于与主DC母线3连接。 在其另一端，第一类型的输入单元17连接至驱动单元母线系统DB。 第一类型的输入单元17包括被布置为将驱动单元D1、D2从主DC 母线3断开连接的隔离器开关，以及能够阻断在从驱动单元母线系 统DB到主DC母线3的方向上的电流流动并且允许电流在从主DC 母线3到驱动单元母线系统DB的方向上流动的电流阻断设备11。 这样的电流阻断设备可以是诸如二极管或若干二极管的半导体设 备，或者是绝缘栅双极晶体管(IGBT)、闸流管或类似设备。

要注意的是，根据应用，驱动单元可以被设计为具有不同数量 的逆变器，从一个逆变器到多个逆变器。此外，第一类型的驱动单 元在一个实施例中可以包括半导体开关单元，所述半导体开关单元 与电流阻断设备反并联连接，由此允许DC电力系统正常操作期间 的反向电力馈送。这样的半导体开关单元例如可以是绝缘栅双极晶 体管(IGBT)。

能量存储单元E具有能量存储单元母线系统EB，所述能量存储 单元母线系统EB具有第一母线EB1和第二母线EB2。能量存储单 元E进一步包括连接至能量存储单元母线系统EB的诸如电池单元B 和电容器组C的电力供应单元，连接至能量存储单元母线系统EB 的DC-DC换流器15，以及熔丝F。熔丝F被布置在DC-DC换流器 的端子15和能量存储单元母线系统EB之间，和电容器组C和能量 存储单元母线系统EB之间，以及电池单元B和能量存储单元母线 系统EB之间。

利用DC-DC换流器15，在功率要从能量存储单元E向主DC母 线3提供的情况下，能够对电池单元B的电压水平输出进行控制。

要注意的是，能量存储单元E是关于电力供应单元和换流器的 数量的许多可能配置的一个示例。例如，能量存储单元E的一些变 化形式并不具有电容器组。能量存储单元中的电容器组的一般作用 是在内部故障的情况下协助熔断熔丝。

能量存储单元E进一步具有第二类型的输入单元9，其在一端被 布置为用于与主DC母线3连接。在其另一端，第二类型的输入单 元9连接至能量存储单元母线系统EB。第二类型的输入单元9包括 用于将能量存储单元E从主DC母线3断开连接的隔离器开关，半 导体开关单元13，以及能够在在从能量存储单元母线系统EB到主 DC母线3的方向上阻断电流流动，并且在从主DC母线3到能量存 储单元母线系统EB的方向上允许电流流动的电流阻断设备11。这 样的电流阻断设备可以是半导体设备，诸如二极管或若干二极管、 或IGBT、半导体闸流管、或类似设备。半导体开关单元13例如可 以是IGBT。半导体开关单元13和电流阻断设备11可以反并联地进 行布置，由此在半导体开关设备13利用适当控制信号被设置在其饱 和或开路状态的情况下，允许电流在从能量存储单元母线系统EB到 主DC母线3的方向上流动。因此，利用电流阻断设备11和半导体 开关单元13，电流能够有选择地被允许旁路电流阻断设备并流向主 DC母线3。

图2是发电单元P1的示意图。示出了整流器R1的内部部件。 针对每个电气相位，发电机G1所生成的AC信号被提供至整流器 R1的相应支柱。在每个支柱提供有开关设备T，所述开关设备T能 够以整流器R1能够输出DC信号的方式受到控制。在图2的示例中， 开关设备由半导体闸流管所例示，虽然例如IGBT的其它开关器件也 是可能的。另外，整流器R1包括用于在故障(例如整流器R1中的 短路)情况下对整流器R1进行保护的熔丝F。在该情况下，一个或 多个熔丝将响应于流向故障并且通过熔丝F的故障电流而被熔断。 在图2的示例中，每个开关设备T与熔丝F相关联。因此，每个支 柱(即每个相位)与两个熔丝F相关联。发电单元P1的其它可能实 现方式包括连同在整流器DC端子的正极上的二极管上的二极管的 跨接器(crow bar)设计。其一般思想是，如果发生了内部故障，具 有发电机的整流器会将其自身从DC电力系统隔离开来以最小化对 于更宽系统的影响。

整流器中的熔丝F有利地被确定规格而使得它们在受到由于整 流器下游故障所导致的故障电流时并不熔断。术语下游理解为关于 DC电力系统1中的电流流动方向。

图3a是DC电力系统1中已经出现故障19时的情形的示例。在 图3a的示例中，故障19为短路并且已经发生在主DC母线上。故障 19因此为全局故障。在这种情况下可能有若干种不同的故障处置策 略。

无论哪种情况，由于故障19，故障电流20-1、20-2、20-3、20-4 流向故障19的位置，其在所述示例中处于第一汇流排3-1。通常， 故障19由对DC电力系统1进行监视的多个传感器中的至少一个进 行检测，所述传感器例如电流测量传感器。

根据一种处置故障的策略，汇流排断路器5在检测到故障时被 给予开路命令。健康的一侧，即第二汇流排3-2，在分区之后自动重 启。因此，一旦DC电力系统已经被划分，健康的一侧就恢复运行。 如果知道故障位置，故障的一侧，即第一汇流排3-1，就将不会重启。 如果不知道位置，则由于缺少信息，故障一侧将尝试重启以用于检 测故障。

在另一个版本的策略中，发电单元P1-P4的整流器R1、R2、R3、 R4受到控制从而使得其电流输出趋向零，并且在向汇流排断路器5 给予开路命令的同时，任意其它能量源也将对进入DC电力系统的 电流有所限制。一旦系统被划分，则健康的一侧检测到故障被清除， 而故障的一侧则将看到故障持续。这将使得故障的一侧上例如发电 单元的能量源阻断进入故障的电流。

在又一个版本的策略中，能量源能够将其输出电压和电流限制 为将允许隔离器开关在其额定值内进行操作的水平，其中隔离器开 关7能够将发电单元从主DC母线3断开连接。

由于电流阻断设备11的电流阻断特征，第一驱动单元D1和第 二驱动单元D2对故障电流并没有贡献或者至少以最低程度进行贡 献。此外，由于第一类型的输入单元17的隔离器开关，第一驱动单 元D1和第二驱动单元D2能够从主DC母线3断开连接。由此，第 一驱动单元D1和第二驱动单元D2中的每一个能够在主DC母线3 上出现故障的情况下受到保护。

能量存储单元E也在主DC母线3上的故障19期间受到保护。 如果能量存储单元E在发生故障19之前处于向主DC母线3提供功 率的过程当中，则DC-DC换流器15的电流输出能够受到控制，例 如被设置为零。由此，能量存储单元E能够利用第二类型的输入单 元9的隔离器开关来从主DC母线3隔离。此外，在能量存储单元E 从主DC母线3隔离之前，第二类型的输入单元9能够阻止电流使 其不流向故障19。这是利用第二类型的输入单元9的电流阻断设备 11并且通过将半导体开关单元13设置为其关断状态而实现的。

利用第二类型的输入设备9和第一类型的输入设备17的电流阻 断属性，流向故障19的故障电流能够得以减小。

参考图3b，现在将对第一驱动单元D1中已经发生故障22的情 形进行描述。该故障因此是第一驱动单元D1中的局部故障。

根据图3b中的示例，驱动单元母线系统DB上已经发生了短路。 第一母线DB-1和第二母线DB-2例如可能短路。当故障22已经发 生时，电流23-1、23-2、23-3、23-4和23-5流向故障22。电流23-3、 23-4、23-5由逆变器I1、I2、I3中的电容器组提供。由于电容器组 提供的电流23-3、23-4、23-5流过布置在第一驱动单元D1中的熔丝 F，所以熔丝F将可能熔断，由此将逆变器I1、I2、I3从故障22断 开连接。连接至逆变器I1、I2、I3的负载因此从驱动单元母线系统 DB断开连接。由于来自发电单元P1、P2、P3、P4的电流例如通过 整流器R1、R2、R3、R4的适当控制而得以减小，所以第一驱动单 元D1的第一类型的输入单元17的隔离器开关能够将第一驱动单元 D1从主DC母线3断开连接，并且因此将故障22完全隔离。当故障 22已经被隔离时，DC电力系统1的其余部分能够恢复正常操作。

由于第二驱动单元D2的第一类型的输入单元17中的电流阻断 设备11，第二驱动单元D2的电容器组基本上不向故障22提供电流。

此外，能量存储单元E的第二类型的输入单元9能够阻止电流 使其不流向故障22。这是利用第二类型的输入单元9的电流阻断设 备11并且通过将半导体开关13设置在其关断状态而实现的。

因此，利用第一类型的输入设备17和第二类型的输入设备9的 电流阻断特性，能够减少流向故障22的故障电流。

在逆变器I1、I2、I3的下游发生故障的情况下，该故障通常由 所述逆变器的熔丝F进行处置。

通常，诸如发电单元、能量存储单元或驱动单元的单元内的熔 丝下游的故障由所述单元的熔丝进行处置。

本文所描述的DC电力系统可以有利地被用作用于对船舶进行 供电的板上电力系统，或者用作不希望使用大型DC电路断路器的 其它有限空间中的电力系统。虽然也能够想到例如中压之类的更高 电压应用，但是所述DC电力系统通常在低压环境中使用。

上文中已经参考几个示例主要对本发明的概念进行了描述。然 而，如本领域技术人员容易意识到的，以上所公开的以外的其它实 施例在如所附权利要求所定义的本发明概念的范围内同样是可能 的。例如，根据本公开的DC电力系统能够包括比图1中所描述的 示例中更少或更多的发电单元。此外，DC电力系统并不必须包括能 量存储单元或者其可以包括额外的能量存储单元，和/或更少或更多 的驱动单元。