專利名稱：電力變換裝置的配置方法以及實現(xiàn)這樣的方法的裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電力變換裝置的配置方法。本發(fā)明還涉及實現(xiàn)這樣的方法的電力變換裝置。本發(fā)明最后涉及包括適合于執(zhí)行該方法的步驟的計算機程序編碼裝置的計算機程 序。
背景技術：
本發(fā)明特別適用于在碼頭的船舶的電力供應。取決于其類型，船舶使用以50Hz或60Hz工作的電氣設備。當船舶在碼頭且其發(fā)電機組不工作時，在碼頭上需要有使得能夠以50Hz或60Hz的頻率向其設備提供合適的電源的裝置。已知，船舶裝備低壓電力系統(tǒng)。目前，電力需求已經(jīng)顯著增加，并且船舶上實現(xiàn)的電力系統(tǒng)通常為中壓型。使用中壓使得能夠使用更小的截面的線纜并且降低船舶的電力系統(tǒng)的供電中的電力損耗。使得能夠利用合適電源(50或60赫茲)為在碼頭的船舶供電的裝置是基于頻率變換器技術。市場上現(xiàn)有的方案使用具有單一(unitary)變換裝置的中壓或低壓技術。這樣的裝置的控制(為速降(droop)模式下的傳統(tǒng)類型或者為PQ類型)涉及變換裝置與船舶的連接。利用這樣的裝置，不能確保冗余，并且在維護期間，不再向船舶供電，除非提供兩套變換裝置。取決于它們的類型(散裝貨船、渡船、集裝箱船、客船等)，在碼頭補給的船舶需要很高的功率，范圍例如從IMVA到20MVA。根據(jù)船舶的類型，可能需要頻率變換，其主要問題在于，在短路的情況下，要利用變換裝置確保足夠的短路電流以便能夠在碼頭和船舶上保證保護動作的選擇性。在使用固態(tài)變換器(半導體)的目前的方案中，僅僅通過變換器的設計中使用的靜態(tài)功率開關的熱特性來提供該容量，這是不夠的。該問題是補給的船舶的主要問題，而對故障饋電線(feeder)進行絕緣隔離是在碼頭船舶的供電系統(tǒng)面臨的主要限制。船舶橫靠碼頭時進一步需要電力電源的良好的連續(xù)性。取決于船舶的類型，約束是可變的。該背景下，有必要提供即便在裝置中發(fā)生故障之后也能夠提供良好的冗余度水平和良好的供電連續(xù)性水平的裝置架構。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的在于，提供使得能夠解決上述問題并且改進現(xiàn)有技術的已知裝置的電力變換裝置的配置方法。特別地，本發(fā)明提出是簡單、經(jīng)濟且高效的配置方法，尤其是使得變換裝置能夠提供用于保護的選擇性所需的短路功率、能夠管理故障并且改善變換效率。本發(fā)明還涉及實現(xiàn)這樣的配置方法的變換裝置。根據(jù)本發(fā)明的一種電力變換裝置的配置方法，該裝置包括若干變換器，該方法包括確定將要啟用的變換器集合的步驟和該變換器集合的啟用步驟。
在特定實施例中，該方法包括該變換器集合的至少某些變換器的互連步驟。優(yōu)選地，在確定將要啟用的變換器的步驟中，使用以下-關于該裝置的額定功率的信息，和/或-關于變換器的單一額定功率的信息，和/或-關于將要借助該裝置供電的電力系統(tǒng)的數(shù)量的信息，和/或-關于將要被供電的每個電力系統(tǒng)所需的功率的信息，和/或-關于變換器的額定短路電流的信息，和/或
-關于將要被供電的電力系統(tǒng)所需的最大短路電流的信息。優(yōu)選地，對于將要被供電的電力系統(tǒng)，可以根據(jù)以下公式來確定將要啟用的變換器的數(shù)量Nfc = rounded, up (St/SFC),其中 St = min [m/kX Sship, Sn],而且 IscFC = kX In,而且
Isc max =工11，其中，Sn :變換裝置的最大額定功率；St :在配置之后變換裝置的額定功率；Sfc :變換器的額定功率；Nfc :啟用的變換器的數(shù)量；Sship :將要被供電的電力系統(tǒng)的額定功率；Iscfc :變換器的額定短路電流；k:倍增因數(shù)；Isc max :將要被供電的電力系統(tǒng)要求的最大短路電流；m:倍增因數(shù)。優(yōu)選地，對于將要被供電的若干電力系統(tǒng)，可以根據(jù)以下公式來確定將要啟用的變換器的數(shù)量Nfc = rounded, up (St/SFC),其中
所rIS1 = maxSn,-.max[5_,J
(=1L ^」_其中，Sn :變換裝置的最大額定功率；St :在配置之后變換裝置的額定功率；Sfc :變換器的額定功率；Nfc :啟用的頻率變換器的數(shù)量；Sship i :將要被供電的電力系統(tǒng)i的額定功率；k:倍增因數(shù)；m:倍增因數(shù)。優(yōu)選地，該方法包括從啟用的變換器當中確定將要互連的至少一個變換器子集的步驟、以及該至少一個變換器子集的變換器的互連步驟。優(yōu)選地，通過控制至少一個受控開關來執(zhí)行互連。在包括若干變換器的根據(jù)本發(fā)明的電力變換裝置中，所述裝置包括用于實現(xiàn)上面定義的配置方法的硬件和/或軟件裝置。優(yōu)選地，該硬件和/或軟件裝置包括用于確定將要啟用的變換器集合的元件和該變換器集合的啟用元件。優(yōu)選地，該硬件和/或軟件裝置包括用于從啟用的變換器集合當中確定將要互連的至少一個變換器子集的元件、以及該至少一個變換器子集的變換器的的互連元件。優(yōu)選地，該互連元件 包括至少一個受控開關。優(yōu)選地,每個變換器包括頻率變換元件和/或電壓變換元件。根據(jù)本發(fā)明的一種計算機程序包括計算機程序編碼裝置，當在計算機上執(zhí)行該程序時，該計算機程序編碼裝置適合于執(zhí)行上面定義的方法的步驟。


為了示例的目的，附圖示出根據(jù)本發(fā)明的裝置以及根據(jù)本發(fā)明的操作方法的執(zhí)行模式的實施例。附圖是根據(jù)本發(fā)明的裝置，以示例方式示出的實施例，以及根據(jù)本發(fā)明的配置方法的執(zhí)行模式。圖I是根據(jù)本發(fā)明的裝置的實施例的布線圖；圖2是表示變換器的最大短路電流與變換器的額定電流的比率的時間曲線圖；圖3是表示20MVA變換裝置的短路電流強度與該裝置需要供電的負載的變化關系的曲線圖；圖4是給出將要使用的變換器數(shù)量、與將要被供電的電力系統(tǒng)的額定功率、以及與組成變換裝置的每個變換器的額定功率的關系的表；圖5是給出使用的變換器的負載因數(shù)與將要被供電的電力系統(tǒng)的額定功率、以及與組成變換裝置的每個變換器的額定功率的關系的表。曲線圖表示對于三種不同的變換器功率該負載因數(shù)與電力系統(tǒng)的額定功率的關系；圖6A是給出配置的裝置的功率與將要被供電的第一電力系統(tǒng)的額定功率、以及與將要被供電的第二電力系統(tǒng)的額定功率的關系的表；圖6B是給出配置的裝置中使用的變換器的數(shù)量與將要被供電的第一電力系統(tǒng)的額定功率、以及與將要被供電的第二電力系統(tǒng)的額定功率的關系的表；以及圖7是根據(jù)本發(fā)明的裝置的配置方法的執(zhí)行模式的流程圖。
具體實施例方式下面參照圖I來說明根據(jù)本發(fā)明的裝置的實施例。根據(jù)本發(fā)明的方法使得能夠解決以下問題-提供用于保護的選擇性所需的短路功率；和/或-管理故障模式。裝置I使得能夠將裝置的第一輸入電壓變換為裝置的第二輸出電壓。第一電壓由第一電力系統(tǒng)41尤其是商用電力系統(tǒng)提供。第二電壓被設計為向諸如裝備船舶的電力系統(tǒng)的包括電氣設備的一個或多個第二電力系統(tǒng)42供電。例如，電力系統(tǒng)41提供第一中壓或低壓源。該輸入電壓借助包括頻率變換元件10的變換器2變換為具有不同頻率和/或電壓的輸出電壓，和/或借助電壓變換元件11變換為不同的電壓。在變換器輸出處，獲得具有與第二電力系統(tǒng)42的電壓和頻率匹配的電壓和頻率的電源。在變換器的負載側，受控開關13使得能夠連接到配電導線14，或者使得能夠將每個變換器與這些導線絕緣。第二電力系統(tǒng)各自連接到配電導線的不同的點。配電導線還提供使得能夠將這些導線的各片段絕緣的受控開關12。結果，取決于受控開關13和12的狀態(tài)，第二電力系統(tǒng)42可以僅連接到配電導線14的片段，并且可以進一步僅連接到能夠連接到配電導線的該片段的變換器2的一部分。作為變型，不存在受控開關12，而且第二電力系統(tǒng)42可以連接到配電導線集合14。控制單元100執(zhí)行受控開關13和12的控制。該裝置，特別是控制單元，包括使得能夠實現(xiàn)作為本發(fā)明的目的的配置方法的所有硬件和/或軟件裝置。因而特別地，該裝置包括使得能夠實現(xiàn)作為本發(fā)明的目的的方法 的每個步驟、并且使得能夠將這些步驟在邏輯上和/或時間上串接在一起的硬件和/或軟件裝置。該控制單元特別地包括用于確定將要啟用的變換器集合的元件101、以及該變換器集合的啟用元件102。為此，啟用元件連接到變換器。控制單元還優(yōu)選地包括用于從該組啟用的變換器當中確定將要互連的至少一個變換器子集的元件103。該裝置優(yōu)選地包括該至少一個變換器子集的變換器的互連元件12、13或耦接單元。下面參照圖7來說明用于執(zhí)行該裝置的配置方法的方法。
在第一步驟105中，初始化該配置方法。在第二步驟110中，輸入數(shù)據(jù)。這可以通過用于檢測所需的信息的傳感器或者通過例如由操作者經(jīng)由人機界面執(zhí)行的手動輸入來執(zhí)行。特別地，在該步驟的執(zhí)行過程中，收集以下數(shù)據(jù)-Sn :裝置的額定功率，和/或-Sfc :變換器的單一功率，和/或-Sfcb :變換器集合的功率，和/或-Nsh :連接的船舶的數(shù)量，和/或-Sship j :船舶i所需的功率，和/或-Isc FC :頻率變換器的額定短路電流，和/或_k:倍增因數(shù)，和/或-Isc _船舶要求的最大短路電流，和/或-m:倍增因數(shù)。在第三步驟120中，測試是否在變換裝置的負載側連接有至少一個第二電力系統(tǒng)42。如果不是，則進行到步驟130，其中將變換裝置切換到備用模式，而且如果適用，則斷開位于第一電力系統(tǒng)與變換裝置之間的主受控開關。如果是，則進行到步驟140。在步驟140中，測試是否單個第二電力系統(tǒng)42在變換裝置的負載側連接。如果是，則進行到步驟160，其中計算或確定配置的變換裝置需要提供的功率St、以及該配置的變換裝置中需要使用的變換器的數(shù)量Nf。。因而確定變換裝置的哪些變換器需要被啟用以并行工作。從而限定將要啟用的變換器集合。如果不是，則進行到步驟150，其中計算或確定配置的變換裝置需要提供的功率St、以及該配置的變換裝置中需要使用的變換器的數(shù)量nfc。因而確定變換裝置的哪些變換器需要被啟用。從而限定將要啟用的變換器集合。另外，確定需要斷開的受控開關12和需要閉合的受控開關12。從而確定形成其中變換器并行工作的互連子集的變換器。在兩種情況下，都進行到測試步驟170，其中測試變換裝置之前被啟用還是之前未啟用。如果變換裝置之前未啟用，則進行到步驟180，其中在步驟150或在步驟160中確定的變換器被接通。在下面的步驟190中，位于第一電力系統(tǒng)與變換裝置之間的主開關閉合。如果變換裝置之前被啟用，則進行到步驟200，其中如果需要則接通一個或多個其他變換器，或者其中關斷沒有使用的一個或若干變換器。這僅在變換裝置的負載側功率需求已經(jīng)改變的情況下發(fā)生。如果變換裝置的負載側功率需求沒有改變，則原則上不需要停用變換器或者啟用變換器。在下面的步驟210中，第二電力系統(tǒng)連接到變換裝置并且由變換裝置供電。在下面的步驟220中，監(jiān)視該裝置的運行參數(shù)和第二電力系統(tǒng)的功率需求。在下面的測試步驟230中，測試第二電力系統(tǒng)的水平下的功率需求是否改變。如果沒有改變，則回到步驟220。如果已經(jīng)改變，則回到步驟120。根據(jù)本發(fā)明的變換裝置和根據(jù)本發(fā)明的配置方法使得能夠確保獲得充足的短路電流用于執(zhí)行保護的選擇性。該選擇性是指保護系統(tǒng)檢測電力系統(tǒng)的確定區(qū)域中的故障、并促使合適的斷路器跳閘以便以對電力系統(tǒng)的健康部分最小的干擾來消除該故障的能力。因此該配置方法使得能夠根據(jù)所需的功率來切換變換裝置的變換器。因此該裝置的短路強度可以最大化，同時最小化投資成本以及防止該裝置降級(downrate)。為此，如前所述，使用并聯(lián)連接的低功率變換器。例如，如圖4所示，優(yōu)選地使用0. 5MVA變換器或
0.5MVA至5MVA的功率值以實現(xiàn)該變換裝置。從靜態(tài)頻率變換器的特性值，例如在0. 8s時間點為2. 25xln (額定值)，獲得變換器的“短路電流/額定電流與時間關系”特性曲線，如圖2所示。從該特性，可以限定該裝置的控制或配置算法，以確保在整個變換裝置中獲得例如在0. 8s時間點等價于3xln的短路電流。通過在變換裝置中采用現(xiàn)有變換器，將現(xiàn)有變換器接通，在變換裝置的范圍內(nèi)實現(xiàn)短路功率的增加。因此變換裝置的短路電流強度可以根據(jù)總供電功率而改變?，F(xiàn)在假定單個第二電力系統(tǒng)需要連接到變換裝置。還假定變換裝置的功率為20MVA。進一步考慮最強限制情況，即，單個第二電力系統(tǒng)的供電功率從IMVA到20MVA改變。圖4中，根據(jù)負載(即，第二電力系統(tǒng)(圖4的第二列))需要的功率，將一個或多個單一功率變換器(0. 5MVA或IMVA或2MVA或3MVA或4MVA或5MVA)導通，以便能夠獲得足夠的短路功率?？紤]到實際因素，設置33%的最大超尺寸限度。因此，對于該示例，確保等價于Ipu至15MVA(其中Ipu意味著在0.8s時間點為3xln)的短路電流。圖3中，示出短路電流的變化與20MVA變換裝置的負載之間的關系。該示例中，k = 2. 25,m = 3，而Sship = I至20MVA，根據(jù)下面的公式計算工作的變換器總數(shù)量Nf。。其通過功率St (在變換裝置中為確保最大短路電流需要實現(xiàn)或配置的所需功率)來確定。Isc FC = kX In[_4] Isc max = rnXIn、
St = min [m/k X Sship, Sn]Nfc = rounded, up (St/SFC) — St = NfcXSfc其中-Sn :變換裝置的額定功率；-St :配置的變換裝置的功率；-Sfc :變換器的單一(unitary)功率；-Sfcb :變換器集合的功率；-Nfc :啟用的變換器的數(shù)量；-Nsh :將要被供電的第二電力系統(tǒng)的數(shù)量；-Sship i :第二電力系統(tǒng)i所需的功率；-Isc FC :變換器的額定短路電流；-k:倍增因數(shù)；-Isc max :第二電力系統(tǒng)要求的最大短路電流；-m:倍增因數(shù)；-rounded, up :取整為更大的整數(shù)。這些公式構成執(zhí)行步驟160的示例。對將要啟用或將要導通的變換器的選擇可以是隨機的。圖5示出上述示例獲得的結果，其中變換器可以具有0.5MVA或IMVA或2MVA或3MVA或4MVA或5MVA的功率。根據(jù)所選擇的變換器功率，該裝置的全局效率不同，因為變換器的負載因數(shù)根據(jù)連接的第二電力系統(tǒng)的功率而改變。因此，在使用低功率變換器(例如0.5MVA或1MVA)的情況下，可以利用恒定負載因數(shù)獲得非常良好的效率。結果在圖5中概要示出。在表中，每列表示采用變換器的變換裝置的負載因數(shù)，其中該變換器的功率確定該表格的列。第一列表示第二電力系統(tǒng)的功率。圖5的圖表示分別采用0. 5MVA、3MVA和5MVA的變換器的三個配置裝置的負載因數(shù)的變化情況與第二電力系統(tǒng)的功率之間的關系。在若干第二電力系統(tǒng)同時由變換裝置供電的情況下，其控制規(guī)則是類似的，并且考慮每個第二電力系統(tǒng)消耗的功率?？紤]兩個第二電力系統(tǒng)上不會同時發(fā)生短路。發(fā)生故障的第二電力系統(tǒng)所需的短路電流由整個配置的變換裝置來提供。根據(jù)下面的公式來計算工作的變換器的總數(shù)量
權利要求
1.一種電力變換裝置(I)的配置方法，該裝置包括若干變換器(2)，該方法包括確定將要啟用的變換器集合的步驟以及該變換器集合的啟用步驟。
2.根據(jù)權利要求I所述的配置方法，特征在于，其包括該變換器集合的至少某些變換器的互連步驟。
3.根據(jù)權利要求I或2的所述配置方法，特征在于，在確定將要啟用的變換器的步驟中，采用以下 -關于該裝置的額定功率的信息，和/或 -關于變換器的單一額定功率的信息，和/或 -關于將要借助該裝置供電的電力系統(tǒng)的數(shù)量的信息，和/或 -關于將要被供電的每個電力系統(tǒng)所需的功率的信息，和/或 -關于變換器的額定短路電流的信息，和/或 -關于將要被供電的電力系統(tǒng)所需的最大短路電流的信息。
4.根據(jù)前述權利要求之一所述的配置方法，特征在于，對于將要被供電的電力系統(tǒng)(42)，能夠根據(jù)以下公式來確定將要啟用的變換器的數(shù)量Nfc = rounded, up (St/SFC),其中 St = min [m/kX Sship, Sn],而且 Isc FC = kX In,而且 Iscmax =I11， 其中， Sn :變換裝置的最大額定功率； St:在配置之后變換裝置的額定功率； Sfc :變換器的額定功率； Nrc:啟用的變換器的數(shù)量； Sship :將要被供電的電力系統(tǒng)的額定功率； Isc PC :變換器的額定短路電流； k:倍增因數(shù)； Isc _ :將要被供電的電力系統(tǒng)要求的最大短路電流； m:倍增因數(shù)。
5.根據(jù)前述權利要求之一所述的配置方法，特征在于，對于將要被供電的若干電力系統(tǒng)(42)，能夠根據(jù)以下公式來確定將要啟用的變換器的數(shù)量Nfc = rounded, up (St/SFC),其中
6.根據(jù)前述權利要求之一所述的配置方法，特征在于，其包括從啟用的變換器當中確定將要互連的至少一個變換器子集的步驟、以及該至少一個變換器子集的變換器的互連步驟。
7.根據(jù)前一權利要求所述的配置方法，特征在于，通過控制至少一個受控開關(12、13)來執(zhí)行互連。
8.一種包括若干變換器(2)的電力變換裝置(I)，該裝置包括用于實現(xiàn)根據(jù)前述權利要求之一所述的配置方法的硬件裝置(11、12、13、100)和/或軟件裝置。
9.根據(jù)前一權利要求所述的裝置(I)，特征在于，該硬件和/或軟件裝置包括用于確定將要啟用的變換器集合的元件(101)、以及該變換器集合的啟用元件(102)。
10.根據(jù)權利要求8或9所述的裝置(I)，特征在于，該硬件和/或軟件裝置包括用于從啟用的變換器集合當中確定將要互連的至少一個變換器子集的元件(103)、以及該至少一個變換器子集的變換器的的互連元件(12、13、14)。
11.根據(jù)前一權利要求所述的裝置(I)，特征在于，該互連元件包括至少一個受控開關(12,13)。
12.根據(jù)權利要求8至11之一所述的裝置(I)，特征在于，每個變換器包括頻率變換元件(10)和/或電壓變換元件(11)。
13.—種包括計算機程序編碼裝置的計算機程序，當在計算機上執(zhí)行該程序時，該計算機程序編碼裝置適合于執(zhí)行根據(jù)權利要求I至7之一所述的方法的步驟。
全文摘要
該配置方法設計用于電力變換裝置(1)。該裝置包括若干變換器(2)，而該方法包括確定將要啟用的變換器集合的步驟、以及該變換器集合的啟用步驟。該電力變換裝置(1)包括若干變換器(2)以及用于實現(xiàn)該配置方法的硬件裝置(11、12、13、100)和/或軟件裝置。
文檔編號H02J3/46GK102723729SQ20121018076
公開日2012年10月10日 申請日期2012年3月12日 優(yōu)先權日2011年3月11日
發(fā)明者D·拉杜 申請人:施耐德電器工業(yè)公司