СЕТЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ С ВЫСОКОЙ ИЗБЫТОЧНОСТЬЮ
HIGH REDUNDANCY DC VOLTAGE NETWORK

Изобретение относится к сети постоянного напряжения с подсетями постоянного напряжения и накопителями энергии. Кроме того, изобретение относится к транспортному средству с подобной сетью постоянного напряжения. Далее изобретение относится к способу управления подобной сетью постоянного напряжения.
На сегодняшний день преобразователи частоты расширяются до все более крупных систем и имеют наряду с классической функцией регулирования лишь двигателя также возможность быть сетевым питанием (например, в ветроэнергетических установках) или образуют даже целую сеть постоянного напряжения, обозначаемую также как DC–сеть. Здесь будет теперь рассматриваться сеть постоянного напряжения, у которой электрические устройства, такие как потребители и источники, обмениваются электрической энергией. Снабжение сети постоянного напряжения электрической энергией осуществляется при помощи одного или нескольких выпрямителей тока из сети переменного напряжения.
Типичным примером применения сети постоянного напряжения является энергоснабжение внутри судна или транспортного средства, в частности рельсового транспортного средства. При помощи системы постоянного напряжения электрическая энергия распределяется отдельным потребителям. При этом также в случае ошибки часть имеющихся приводов и устройств должна продолжать функционировать. Это обозначается как избыточность.
Максимальная избыточность требуется при динамическом позиционировании класса 3 (DP3) при аттестации судов. Здесь суда разделяются на сегодняшний день на три зоны, обозначаемые также как сектора, которые имеют в этом случае три независимые системы. Здесь необходимы три отдельных распределительных щита, которые питаются в этом случае от трех независимых источников.
В настоящее время сеть постоянного напряжения оснащается предохранителями и разъединителями, для того чтобы в случае ошибки была возможность отсоединять источник ошибки от сети и обеспечивать работу остальных потребителей. Однако при коротком замыкании не может исключаться, что повреждаются электрические компоненты, которые соединены с сетью постоянного напряжения. Это повреждение может приводить к выходу из строя соответствующего электрического компонента. Для того чтобы это предотвращать, используются частично быстрые переключатели, которые должны сокращать вредоносное действие короткого замыкания.
В основе изобретения лежит задача улучшить сеть постоянного напряжения.
Задача решается с помощью сети постоянного напряжения, имеющей, по меньшей мере, три подсети постоянного напряжения, по меньшей мере, три сети накопления энергии, по меньшей мере, девять преобразователей мощности и, по меньшей мере, три накопителя энергии, причем каждая подсеть постоянного напряжения соединена с каждой сетью накопления энергии, по меньшей мере, через один преобразователь мощности, причем каждая сеть накопления энергии соединена в каждом случае, по меньшей мере, с одним из накопителей энергии таким образом, что каждая сеть накопления энергии имеет напряжение соответствующего накопителя энергии, причем каждая подсеть постоянного напряжения может соединяться, по меньшей мере, через одно питающее устройство, по меньшей мере, с одной сетью переменного напряжения. Далее задача решается с помощью транспортного средства, в частности судна, включающего в себя подобную сеть постоянного напряжения. Кроме того, задача решается с помощью способа управления подобной сетью постоянного напряжения, причем при возникновении ошибки в сети постоянного напряжения выключается в зависимости от места ошибки, по меньшей мере, один из преобразователей мощности.
Дальнейшие предпочтительные варианты осуществления изобретения указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
В основе изобретения лежит то познание, что избыточность сети постоянного тока можно повышать до известного из аттестации судов уровня DP3 и даже выше, если в сети постоянного тока образуются три сети накопления энергии в каждом случае, по меньшей мере, с одним накопителем энергии. Тем самым можно надежно осуществлять энергообмен с электрическими устройствами, к ним относятся и потребители, и источники.
Сеть постоянного напряжения может при этом использоваться в промышленных применениях, применениях для надежного снабжения энергией, а также в транспортных средствах, в частности в судах, летательных аппаратах или наземных транспортных средствах, таких как легковые автомобили или грузовые автомобили. На основе примера судна будут приниматься во внимание имеющие значение для надежности аспекты. Для многочисленных применений также в других вышеуказанных областях техники тема надежности имеет высокое значение, даже если в дальнейшем не учитываются отдельные конкретные требования надежности.
При этом каждая подсеть постоянного напряжения соединена в каждом случае с каждой сетью накопления энергии через один, в частности ровно один, из, по меньшей мере, девяти преобразователей мощности. Это расположение представляет собой форму матрицы. Оказалось наиболее предпочтительным, если, по меньшей мере, девять преобразователей мощности выполнены идентичными. Отдельные сети накопления энергии соединены при этом друг с другом лишь через подсети постоянного напряжения.
Самым слабым звеном в работе сети энергоснабжения, например на судне, являются производители энергии, дизельные двигатели, так как они имеют из–за высокой механической сложности самую низкую надежность. Если теперь заменяют дизельные двигатели преобразователями частоты с питанием от батарей в качестве источника энергии, уже значительно выиграли в надежности. Наряду с батареей могут также использоваться другие накопители энергии. При помощи матричной схемы 3×3 не только имеют гораздо более надежные преобразователи частоты в качестве источников энергии (или, по меньшей мере, в качестве средства резервирования для выхода из строя генератора, это зависит от концепта привода), но и даже при выходе из строя одного накопителя энергии можно продолжать снабжать все три подсети постоянного напряжения. Другими словами избыточность за счет матричной схемы выше, чем избыточность при уже известной стандартной трехканальной схеме. Это расположение делает также возможным то, что даже при DP3 реализуют поток энергии в судовой сети больше не с трехфазной шиной переменного тока, а с шиной постоянного тока. Это имеет также то преимущество, что сокращают ступени преобразования энергии, а также сложность кабельной разводки.
При выходе из строя энергоснабжения от питающей сети, при помощи накопителя энергии может поддерживаться энергообмен с электрическими устройствами. Сеть накопления энергии может быть сетью постоянного напряжения или сетью переменного напряжения. Использование сети постоянного напряжения наиболее подходит для накопителей энергии с постоянным напряжением. То есть на клеммах эти накопители имеют во время работы постоянное напряжение. Типичными представителями этого типа накопителей энергии являются батареи и конденсаторы (например, двухслойные конденсаторы, такие как UltraCaps – ионисторы).
Эти, по меньшей мере, три подсети постоянного напряжения и, по меньшей мере, три сети накопления энергии соединены друг с другом при помощи регуляторов мощности. В качестве регуляторов мощности могут использоваться DC/DC преобразователи постоянного напряжения, в частности двунаправленные DC/DC преобразователи постоянного напряжения, известные также как DCP, или выпрямители тока. Выпрямители тока передают энергию между стороной постоянного напряжения и стороной переменного напряжения. Для использования в сети постоянного напряжения наибольший интерес представляют двунаправленные выпрямители тока, так как они делают возможным поток энергии в обоих направлениях, то есть от стороны переменного напряжения к стороне постоянного напряжения, а также от стороны постоянного напряжения к стороне переменного напряжения. Эти регуляторы мощности расположены между подсетями постоянного напряжения и сетями накопления энергии и делают возможным контролируемый обмен энергией между этими сетями. Благодаря регулятором мощности возможно соединять накопитель энергии непосредственно с сетью накопления энергии. Установка напряжения, в частности для регулирования мощности, происходит в этом случае через соединенные с сетью накопления энергии регуляторы мощности. Тем самым батареи и/или ионисторы в DC сети накопления энергии или вращающиеся накопители в AC сети постоянного напряжения могут заряжаться или разряжаться.
Благодаря созданию трех батарейных секторов, которые имеют сеть накопления энергии с накопителем энергии, и которые соединены в каждом случае с несколькими преобразователями мощности, постоянное напряжение может реализовываться по желанию во всех трех батарейных сегментах. Это расположение дополняется в каждом случае дополнительным преобразователем мощности, и вследствие этого создается матричная схема, которая делает возможным, что можно от любой батареи запитывать любую из трех подсетей постоянного напряжения. При этом поток энергии работает предпочтительно в обоих направлениях через преобразователь мощности, для того чтобы заряжать батареи. Тем самым, как было указано выше, создали не только средство резервирования для не столь надежного дизельного двигателя, которое имеется в распоряжении при выходе из строя дизельного двигателя, но и трехканальную систему питания с избыточностью, которая благодаря матричной схеме 3×3 превосходит требования разрешительных органов. Дополнительно возможен перенос энергии между подсетями постоянного напряжения и отдельными сегментами сети постоянного напряжения.
Во всех подсетях можно при помощи регуляторов мощности контролировать или регулировать напряжение по желанию. В сети накопления энергии напряжение регулируется в зависимости от режима работы подключенного там накопителя энергии. Тем самым регуляторы мощности имеют несколько функций. С одной стороны это надежное отсоединение отдельных подсетей, например, в случае ошибки. С другой стороны регуляторы мощности регулируют или контролируют обмен мощностью между подсетями. Кроме того, напряжение в сети накопления энергии устанавливается таким образом, что при необходимости накопитель энергии заряжается или разряжается. Эта система обеспечивает существенное повышение надежности при использовании лишь малого количества компонентов, так как, например, от зарядного устройства можно отказаться.
При коротком замыкании в одной подсети обе других подсети могут эксплуатироваться дальше. То есть буферное действие батарей сохраняется. В частности, в случае применения "судовой привод" это имеет большое значение и проверяется при приемке судна. При использовании переключателей вместо регуляторов мощности выход из строя одного переключателя вызывает то, что установка больше не может эксплуатироваться надежно. При выходе из строя одного регулятора мощности, по меньшей мере, одна подсеть постоянного напряжения может продолжать снабжать подключенных потребителей. Таким образом, например, в случае судна может еще предоставляться половина приводной мощности.
Наиболее предпочтительна сеть постоянного напряжения, если она является автономной сеть. Это имеет место, например, на судах или в транспортных средствах, в частности рельсовых транспортных средствах. Нагрузка за счет больших потребителей, в частности включение и выключение больших потребителей, может сокращаться благодаря предоставлению энергии от накопителя энергии. Воздействия на другие компоненты, например из–за падения постоянного напряжения или краткосрочного повышенного напряжения, могут за счет высокой динамики регулятора мощности полностью, по меньшей мере, по большей части предотвращаться.
При использовании на судне надежно обеспечивается за счет высокой избыточности маневренность.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения преобразователи мощности в каждом случае имеют преобразователь постоянного напряжения, и напряжение накопителей энергии является постоянным напряжением. Преобразователи постоянного напряжения обозначаются часто также как DC/DC преобразователи. Предпочтительно он должен допускать двунаправленный поток энергии. Эти DC/DC преобразователи обозначаются в этом случае также как DCP. При помощи него можно наиболее динамично устанавливать постоянные напряжения в сети постоянного напряжения. Так на случай ошибки можно реагировать настолько быстро, что не доходит до повреждений электрических устройств. Кроме того, накопители энергии с постоянным напряжением, как например батареи или конденсаторы, в частности двухслойные конденсаторы, такие как ионисторы, могут непосредственно соединяться с сетью накопления энергии. От дополнительных зарядных устройств, которые для разъединения с другими компонентами в системе часто имеют относительно медленную регулировочную характеристику, можно в этом случае отказаться.
Кроме того, оказалось предпочтительным, если преобразователь постоянного напряжения имеет развязку по напряжению. Тем самым именно при замыкании на землю могут предотвращаться дифференциальные токи. Одновременно при наличии замыкания на землю в некоторых случаях даже вся сеть постоянного напряжения остается работоспособной.
В дальнейшем предпочтительном варианте осуществления изобретения преобразователи мощности в каждом случае имеют выпрямитель тока, и напряжение накопителей энергии является переменным напряжением. Выпрямители тока делают возможной передачу энергии между сетью постоянного напряжения и сетью переменного напряжения. Наиболее предпочтительно использование двунаправленных выпрямителей тока, так как при помощи них возможна передача энергии в обоих направлениях. Тем самым накопители энергии в сети накопления энергии могут регулируемо или контролируемо заряжаться или разряжаться переменным напряжением. В качестве накопителей энергии с переменным напряжением на выходе принимаются во внимание, например, вращающиеся накопители, такие как маховиковые накопители. От обычного помимо этого исполнительного элемента, вентильного преобразователя, можно отказаться. Это экономит расходы. Одновременно при помощи выпрямителя тока может достигаться наиболее высокая динамика регулировки, для того чтобы на случаи ошибки можно было реагировать настолько быстро, чтобы предотвращать повреждения других компонентов сети постоянного напряжения. Также в этом случае может, например, при помощи трансформатора наиболее просто достигаться гальваническое разделение подсетей друг от друга. Тем самым именно при возникновении замыкания на землю могут предотвращаться дифференциальные токи. Одновременно при наличии замыкания на землю в некоторых случаях даже вся сеть постоянного напряжения остается работоспособной.
В дальнейшем предпочтительном варианте осуществления изобретения сеть постоянного напряжения имеет, по меньшей мере, один соединительный преобразователь, причем при помощи соединительного преобразователя две из подсетей постоянного напряжения соединены друг с другом. Через соединительный преобразователь может напрямую достигаться энергообмен между двумя подсетями постоянного напряжения. Обходной путь через сеть накопления энергии может предотвращаться. Тем самым энергия на пути от первой подсети постоянного напряжения ко второй подсети постоянного напряжения должна проходить только преобразователь. В простом варианте осуществления соединительный преобразователь является преобразователем постоянного напряжения. Благодаря непосредственному соединению подсетей постоянного напряжения может предотвращаться воздействие на сеть накопления энергии. Вследствие этого можно наблюдать меньшие колебания напряжения в сети накопления энергии. В результате повышается предполагаемый срок службы соединенных с сетью накопления энергии накопителей энергии. Кроме того, преобразователи мощности могут иметь меньшие размеры, так как они должны быть рассчитаны только для мощности накопителя энергии. Тем самым могут сокращаться расходы на реализацию сети постоянного напряжения.
В дальнейшем предпочтительном варианте осуществления изобретения соединительные преобразователи расположены в соединении звездой, причем соединительные преобразователи выполнены в виде выпрямителей тока, причем точку звезды соединительных преобразователей образует вспомогательная сеть переменного напряжения. Через вспомогательную сеть переменного напряжения может не только осуществляться энергообмен между подсетями постоянного напряжения, но и реализовываться снабжение потребителей переменного напряжения. При этом вспомогательная сеть переменного напряжения может быть выполнена в виде однофазной сети, если в качестве соединительных преобразователей используются однофазные выпрямители тока. Также возможно, что вспомогательная сеть переменного напряжения выполнена в виде многофазной сети, в частности в виде трехфазной сети трехфазного тока. Это позволяет также трехфазные нагрузки или источники соединять простым образом с сетью постоянного напряжения. Для этого используются затем многофазные, в частности трехфазные, выпрямители тока в качестве соединительных преобразователей.
При этом все выпрямители тока соединяются на стороне переменного напряжения с вспомогательной сетью переменного напряжения. Она образует тем самым своего рода точку звезды. На стороне постоянного напряжения выпрямители тока соединены с различными подсетями постоянного напряжения. Энергообмен между двумя подсетями постоянного напряжения осуществляется в этом случае через два из соединительных преобразователей.
В дальнейшем предпочтительном варианте осуществления изобретения питающие устройства соединены с сетью переменного напряжения, причем сеть переменного напряжения выполнена в виде трехфазной сети трехфазного тока, причем различные фазы трехфазной сети трехфазного тока подают электрическую энергию в различные подсети постоянного напряжения.
Благодаря трем подсетям постоянного напряжения и трем фазам трехфазной системы, при таком энергоснабжении имеется в распоряжении для каждой подсети постоянного напряжения ровно одна фаза сети трехфазного тока. Таким образом, для питающего соединения могут использоваться однофазные выпрямители тока. Это делает питающее соединение экономичным при одновременно высокой избыточности за счет различных фаз сети трехфазного тока.
Далее изобретение более подробно описывается и разъясняется на основе изображенного на чертеже примера осуществления. На чертеже показаны:
фиг. 1 – примеры осуществления сети постоянного напряжения.
Фиг. 1 показывает сеть 1 постоянного напряжения с тремя подсетями 10 постоянного напряжения, а также тремя сетями 13 накопления энергии. Они образуют три батарейных сектора 7. Подсети соединены друг с другом преобразователями 20 мощности таким образом, что непосредственно возможен энергообмен между подсетями 10 постоянного напряжения и сетями 13 накопления энергии. Одновременно преобразователи 20 мощности позволяют подсети быстро отсоединять друг от друга. К подсетям 10 постоянного напряжения подключены электрические устройства 3, которые являются электрическими потребителями или источником. Электрическую энергию эти электрические устройства 3 получают из сети 6 переменного напряжения, которая через питающие устройства 5 соединена с подсетями 10 постоянного напряжения. Альтернативно или дополнительно электрическая энергия может также сохраняться или предоставляться из накопителей 4 энергии, которые напрямую соединены с сетью 13 накопления энергии. Регулирование или управление потоком энергии к накопителю 4 энергии осуществляется при помощи регуляторов 20 мощности. Наиболее предпочтительно, если сеть переменного напряжения выполнена в виде сети 61 трехфазного тока.
При помощи регуляторов 20 мощности поток энергии может быстро прерываться, для того чтобы, например, изолировать неисправные компоненты от общей системы. Тем самым может не только обеспечиваться работа остальных электрических устройств 3, но и также повреждение этих электрических устройств 3, вызванное, например, повышенным током или напряжением, может надежно предотвращаться быстрой реакцией преобразователей 20 мощности.
Говоря об изображенном здесь накопителе 4 энергии, речь идет о батарее. Альтернативно здесь может также использоваться конденсатор, в частности двухслойный конденсатор. Общим у этих накопителей энергии является то, что они имеют во время работы постоянное напряжение. Поэтому в этом примере осуществления используются преобразователи постоянного напряжения, называемые также DC/DC преобразователями, в качестве регуляторов 20 мощности.
Для того чтобы делать возможным энергообмен между отдельными подсетями 10 постоянного напряжения, имеются в распоряжении соединительные преобразователи 2. Соединительные преобразователи 2 выполнены в этом примере осуществления в виде выпрямителей тока. Это могут быть однофазные выпрямители тока, в этом случае вспомогательная сеть 62 переменного напряжения – это однофазная сеть переменного напряжения, или многофазные, в частности трехфазные, выпрямители тока, в этом случае вспомогательная сеть 62 переменного напряжения является многофазной, в частности трехфазной, сетью переменного напряжения. На стороне переменного напряжения эти выпрямители тока соединены друг с другом в точке 27 звезды. Для того чтобы при выходе из строя одного выпрямителя тока была возможность отсоединять его от вспомогательной сети 62 переменного напряжения, имеются переключатели 34.
Из электрической схемы видно, что даже при выходе из строя двух любых компонентов сети постоянного напряжения сеть все еще остается работоспособной. Даже при выходе из строя еще большего количества компонентов работа сети может во многих случаях все еще обеспечиваться. Таким образом, эта схема представляет собой сеть 1 постоянного напряжения с высокой избыточностью.
Подводя итог, изобретение относится к сети постоянного напряжения с подсетями постоянного напряжения и накопителями энергии. Для улучшения сети постоянного напряжения предлагается, что сеть постоянного напряжения имеет, по меньшей мере, три подсети постоянного напряжения, по меньшей мере, три сети накопления энергии, по меньшей мере, девять преобразователей мощности и, по меньшей мере, три накопителя энергии, причем каждая подсеть постоянного напряжения соединена с каждой сетью накопления энергии, по меньшей мере, через один преобразователь мощности, причем каждая сеть накопления энергии соединена в каждом случае, по меньшей мере, с одним из накопителей энергии таким образом, что каждая сеть накопления энергии имеет напряжение соответствующего накопителя энергии, причем каждая подсеть постоянного напряжения может соединяться, по меньшей мере, через одно питающее устройство, по меньшей мере, с одной сетью переменного напряжения. Кроме того, изобретение относится к транспортному средству, в частности к судну, с подобной сетью постоянного напряжения. Далее изобретение относится к способу управления подобной сетью постоянного напряжения.