本公開的領(lǐng)域一般涉及電功率分配系統(tǒng)，并且更具體地說，涉及直流(DC)分配系統(tǒng)和DC保護系統(tǒng)。

一些已知的配電系統(tǒng)供應DC功率給一個或多個負載。這些負載包括，例如，但不限于，DC負載，交流(AC)負載或者AC和DC負載的組合。配電系統(tǒng)使用各種保護裝置以在故障情況下保護設(shè)備和人。保護裝置包括，例如，但不限于，電路斷路器和熔斷器。通常，當故障發(fā)生時，功率從負載斷開，直至故障被清除。

一些已知的DC配電系統(tǒng)具有不能容忍功率丟失的臨界負載。DC配電系統(tǒng)被設(shè)計為如對于給定安裝能夠盡量合理達到的魯棒性和可靠性，其隨著例如但不限于成本、大小、重量和容量而改變。提供可靠質(zhì)量功率的一個挑戰(zhàn)是電源的可用性。當故障發(fā)生時，電源通常從服務(wù)移除，從而導致功率丟失。為了克服該可用性的問題，DC配電系統(tǒng)被設(shè)計為用于多個DC電源，這提出關(guān)于隔離故障的進一步挑戰(zhàn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

在一個方面中，提供一種直流配電系統(tǒng)。直流(DC)配電系統(tǒng)包括多個DC電源，環(huán)形母線，多個開關(guān)組合件，以及多個無源保護組合件。每個DC電源通過相應的開關(guān)組合件和相應的無源保護組合件耦合至環(huán)形母線。

在另一方面中，提供一種用于連接在直流電源和直流環(huán)形母線之間的保護系統(tǒng)。該保護系統(tǒng)包括具有第一、第二和第三支路的無源保護組合件。第一支路具有第一端和第二端。第一支路包括耦合在第一端和第二端之間的電感器。第二支路具有第一端和第二端。第二支路包括與耦合在第一端和第二端之間的電阻串聯(lián)的二極管。第三支路具有第一端和第二端。第三支路包括與耦合在第一端和第二端之間的電阻串聯(lián)的二極管。第一支路、第二支路和第三支路的第一端耦合在一起，并且第一支路、第二支路和第三支路的第二端耦合在一起。

在又一方面中，提供一種直流配電系統(tǒng)。該直流配電系統(tǒng)包括第一配電母線、第二配電母線以及連接第一配電母線和第二配電母線的環(huán)形母線。第一配電母線配置成提供直流功率并包括第一開關(guān)組合件和第一無源保護組合件。第二配電母線配置成提供直流功率并包括第二開關(guān)組合件和第二無源保護組合件。

本發(fā)明提供如下一組技術(shù)方案：

1.一種直流(DC)配電系統(tǒng)(100)，包括：

多個DC電源(102；400)；

環(huán)形母線(108)；

多個開關(guān)組合件(104；210；300)；以及

多個無源保護組合件(106；212)，所述多個DC電源中的每個DC電源通過所述多個開關(guān)組合件中相應的開關(guān)組合件和所述多個無源保護組合件中相應的無源保護組合件耦合至所述環(huán)形母線。

2.根據(jù)技術(shù)方案1所述的DC配電系統(tǒng)(100)，其中每個所述相應的開關(guān)組合件(104；210；300)包括雙向開關(guān)(302)。

3.根據(jù)技術(shù)方案2所述的DC配電系統(tǒng)(100)，其中每個所述相應的開關(guān)組合件(104；210；300)包括RC組合件，所述RC組合件包括與電容器(310)串聯(lián)的電阻器(308)，所述RC組合件與所述雙向開關(guān)(302)并聯(lián)耦合。

4.根據(jù)技術(shù)方案2所述的DC配電系統(tǒng)(100)，其中所述雙向開關(guān)(302)包括反向阻斷絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、一對IGBT和耦合至開關(guān)(214)的四個二極管(216)中的一個。

5.根據(jù)技術(shù)方案2所述的DC配電系統(tǒng)(100)，其中每個所述相應的無源保護組合件(106；212)包括電感器(218)。

6.根據(jù)技術(shù)方案5所述的DC配電系統(tǒng)(100)，其中每個所述相應的無源保護組合件(106；212)包括其中包含所述電感器(218)的第一支路、與所述第一支路并聯(lián)耦合的第二支路以及與所述第一支路并聯(lián)耦合的第三支路，所述第一支路和所述第二支路各自包括與支路電阻(220)串聯(lián)耦合的二極管(222)。

7.根據(jù)技術(shù)方案6所述的DC配電系統(tǒng)(100)，其中所述支路電阻(220)包括分立電阻器。

8.根據(jù)技術(shù)方案6所述的DC配電系統(tǒng)(100)，其中所述第一支路與所述第二支路反并聯(lián)連接。

9.一種用于連接在電源(102；400)和直流(DC)環(huán)形母線(108)之間的保護系統(tǒng)(114；200)，包括：

無源保護組合件(106；212)，包括：

包括第一端和第二端的第一支路，所述第一支路包含耦合在所述第一支路的所述第一端和所述第二端之間的電感器(218)；

包括第一端和第二端的第二支路，所述第二支路包括與耦合在所述第二支路的所述第一端和所述第二端之間的電阻(220)串聯(lián)的二極管(222)；以及

包括第一端和第二端的第三支路，所述第三支路包括與耦合在所述第三支路的所述第一端和所述第二端之間的電阻(220)串聯(lián)的二極管(222)，所述第一支路、所述第二支路和所述第三支路的所述第一端耦合在一起，并且所述第一支路、所述第二支路和所述第三支路的所述第二端耦合在一起。

10.根據(jù)技術(shù)方案9所述的保護系統(tǒng)(114；200)，其中所述第二支路和所述第三支路的所述電阻(220)包括分立電阻器。

11.根據(jù)技術(shù)方案9所述的保護系統(tǒng)(114；200)，其中：

所述第二支路二極管(222)包括陽極和陰極，并且所述第二支路二極管(222)定位有相比所述第二支路的所述第二端更靠近所述第二支路的所述第一端的所述陽極；以及

所述第三支路二極管包括陽極和陰極，并且所述第三支路二極管定位有相比所述第三支路的所述第二端更靠近所述第三支路的所述第一端的所述陰極。

12.根據(jù)技術(shù)方案9所述的保護系統(tǒng)(114；200)，進一步包括耦合至所述無源保護組合件(106；212)的開關(guān)組合件(104；210；300)。

13.根據(jù)技術(shù)方案12所述的保護系統(tǒng)(114；200)，其中所述開關(guān)組合件(104；210；300)包括與RC組合件并聯(lián)耦合的雙向開關(guān)(302)，所述RC組合件包括與電容器(310)串聯(lián)耦合的電阻器(308)，所述RC組合件與所述雙向開關(guān)并聯(lián)耦合。

14.根據(jù)技術(shù)方案13所述的保護系統(tǒng)(114；200)，其中所述雙向開關(guān)(302)包括反向阻斷絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、一對IGBT和耦合至開關(guān)(214)的四個二極管(216)中的一個。

15.一種直流(DC)配電系統(tǒng)(100)，包括：

配置成提供DC功率的第一分配母線(110；202；204)，所述第一分配母線包括第一開關(guān)組合件(104；210；300)和第一無源保護組合件(106；212)；

配置成提供DC功率的第二分配母線(112；206；208)，所述第二分配母線包括第二開關(guān)組合件(104；210；300)和第二無源保護組合件(106；212)；以及

連接所述第一分配母線和所述第二分配母線的環(huán)形母線(108)。

附圖說明

當參考附圖閱讀下述詳細描述時，本公開的這些和其它特征、方面和優(yōu)點將變得更好理解，在全部附圖中相似符號代表相似部分，其中：

圖1是示范性DC配電系統(tǒng)的方框圖；

圖2是供在圖1所示DC配電系統(tǒng)中使用的示范性保護聯(lián)絡(luò)(tie)的示意圖；

圖3是供在圖1所示DC配電系統(tǒng)和圖2所示保護聯(lián)絡(luò)中使用的另一示范性開關(guān)組合件的示意圖；以及

圖4是供在圖1所示DC配電系統(tǒng)中使用的示范性電源的示意圖。

除非另有指示，否則本文提供的附圖意味著圖示本公開實施例的特征。認為這些特征可適用于包括本公開的一個或多個實施例的各種各樣的系統(tǒng)中。因此，附圖并非意味著包括實施本文所公開的實施例所需的本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的所有常規(guī)特征。

具體實施方式

在下文的描述和權(quán)利要求中，將參考多個術(shù)語，這些術(shù)語具有下面含義。

除非上下文另有明確地指示，否則單數(shù)形式“一”、“一個”和“該”包括復數(shù)參考。

“可選的”或“可選地”意味著可能會或可能不會發(fā)生隨后描述的事件或情況，以及描述包含其中事件發(fā)生的實例和其中事件未發(fā)生的實例。

如本說明書和權(quán)利要求中所使用的，可以應用近似語言來修改能夠在不導致與之相關(guān)的基本功能中的變化的情況下允許變化的任何定量表示。因此，由諸如“約”、“大約”或“基本上”的一個或多個術(shù)語修改的值不限于所指定的精確值。在至少一些實例中，近似語言可以對應于用于測量該值的儀器的精度。在這里以及在整個說明書和權(quán)利要求中，除非上下文或語言另有指示，可以組合和/或互換范圍限制，此類范圍被標識且包含所有在其中所含的子范圍。

本公開的實施例涉及電功率分配系統(tǒng)。本文描述的直流(DC)配電系統(tǒng)便于多個能量源并且更具體而言的具有改進故障隔離的DC環(huán)形母線結(jié)構(gòu)之間的功率共享。本文描述的DC保護系統(tǒng)無源組件故障保護，其給DC配電系統(tǒng)整體提供更高可靠性。更具體地說，DC保護系統(tǒng)利用半導體開關(guān)和無源組件的組合來限制電流和降低電路上的高壓應力。DC環(huán)形母線和DC保護系統(tǒng)的改進的功率可用性和可靠性降低了DC配電系統(tǒng)的壽命周期成本。

圖1是示范性DC配電系統(tǒng)100的簡圖。DC配電系統(tǒng)100包括通過開關(guān)組合件104和保護組合件106耦合至DC環(huán)形母線108的多個電源102。DC環(huán)形母線108包括正DC母線110和負DC母線112。對于每個電源102，開關(guān)組合件104和保護組合件106組合起來定義出一個保護聯(lián)絡(luò)114。

在某些實施例中，DC配電系統(tǒng)100進一步包括耦合至DC環(huán)形母線108在電源102中一個和對應保護聯(lián)絡(luò)114之間的負載116。在一個電源102處或負載116附近發(fā)生故障情況下，對應的保護聯(lián)絡(luò)114隔離該故障與DC環(huán)形母線108。在某些實施例中，進一步的隔離由電路斷路器118提供。通過隔離該故障，其它兩個電源102繼續(xù)供應功率并對在其上發(fā)生故障的電源102的丟失功率產(chǎn)生進行補償。

在某些實施例中，開關(guān)組合件104包括半導體開關(guān)，比如例如，但不限于，絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)。在其它實施例中，開關(guān)組合件104包括機械開關(guān)，比如例如，但不限于，機電繼電器。

圖2是供在DC配電系統(tǒng)100(圖1示出)中使用的示范性保護聯(lián)絡(luò)200的示意圖。保護聯(lián)絡(luò)200耦合在源側(cè)正DC母線202和負載側(cè)正DC母線204之間，并且還耦合在源側(cè)負DC母線206和負載側(cè)負DC母線208之間。保護聯(lián)絡(luò)200包括開關(guān)組合件210和保護組合件212。

每個開關(guān)組合件210包括開關(guān)214和二極管216。對于給定的電流方向，電流流經(jīng)開關(guān)214和針對電流源的相同極性的二極管，其可以是在源側(cè)，也可以是在負載側(cè)。每個保護組合件212為無源保護組合件，并包括電感器218、阻抗220和二極管222。電感器218與負載側(cè)正DC母線204和負載側(cè)負DC母線208耦合在一條直線上，并且進一步的與串聯(lián)耦合的二極管222和阻抗220并聯(lián)耦合。

在正常操作期間，開關(guān)214閉合，并且對于負載側(cè)正DC母線204和負載側(cè)負DC母線208兩者，電流流經(jīng)電感器218并流經(jīng)開關(guān)組合件210。二極管222和阻抗220保持高于電感器218的阻抗，從而造成大多數(shù)電流流經(jīng)電感器218。在開關(guān)組合件210附近、比如例如負載116(圖1中示出)附近發(fā)生故障期間，開關(guān)組合件210中電流的幅度在某一時間周期內(nèi)增大超出預定義的限值。通常，耦合至源側(cè)正DC母線202和源側(cè)負DC母線206的比如例如電源102(圖1中示出)的電源包括電流感測和監(jiān)測電路，其對故障進行檢測并使得開關(guān)組合件210的開關(guān)214斷開。當這種故障發(fā)生時，電流通常在更靠近開關(guān)組合件210處形成更大尖峰，該開關(guān)組合件210通常是用于那個特定電源的保護聯(lián)絡(luò)200的開關(guān)組合件210。此外，在故障條件期間，電感器218對來自其它電源和其它保護聯(lián)絡(luò)的電流呈現(xiàn)出阻抗。其它電源上的保護聯(lián)絡(luò)限制由那些電源提供的電流以防止它們對故障饋電。

在開關(guān)214的斷開期間，存儲在電感器218中的能量將通過反并聯(lián)布置的二極管222中的一個續(xù)流(free-wheeled)。一個二極管222基于經(jīng)過保護組合件212的電流的方向被正向偏置。續(xù)流的能量在電阻器220的對應電阻器上被耗散。當開關(guān)214成功斷開時，開關(guān)組合件210附近的故障能夠從環(huán)形母線上物理隔離和電隔離。在某些實施例中，隔離也可包括緩動DC隔離器開關(guān)或斷路器，比如例如，電路斷路器118(圖1中示出)。在故障期間，頻率瞬間為非零，從而導致電感器218通過二極管222和阻抗220轉(zhuǎn)移電流，這耗散電流。

電感器218對電流的變化率進行了限制。電感器218的電感值被選擇以將電流變化限制為盡可能的小。附加的考慮是，通常，開關(guān)組合件210操作越快，能夠充分限制通過保護聯(lián)絡(luò)200的電流的電感器218越小。

圖3是供在DC配電系統(tǒng)100(圖1中示出)和保護聯(lián)絡(luò)200(圖2中示出)使用的另一示范性開關(guān)組合件300的示意圖。開關(guān)組合件300包括耦合在線路側(cè)304和負載側(cè)306之間的開關(guān)302。電阻器308和電容器310串聯(lián)耦合，形成RC電路，并且進一步與開關(guān)302并聯(lián)耦合。

在正常操作期間，開關(guān)302閉合，并且電流從線路端子304流至負載端子306。由電阻器308和電容器310形成的RC電路相對于開關(guān)302為高阻抗。開關(guān)302可體現(xiàn)在用作切斷的任何開關(guān)，包括，例如但不限于，機械開關(guān)和半導體開關(guān)。相對于機械開關(guān)，半導體開關(guān)一般具有優(yōu)勢，因為半導體開關(guān)通常在操作上比機械開關(guān)快很多。

當故障發(fā)生在由開關(guān)組合件300保護的電源處時，開關(guān)302斷開，從而造成通過開關(guān)組合件300的電流中的變化。電流的該變化導致電容器310根據(jù)開關(guān)302兩端的電壓和與由電阻器308和電容器310形成的RC電路相關(guān)的時間常數(shù)進行充電。這減輕了開關(guān)302上的高壓應力。如通過其它電源看來，電阻器308和電容器310仍為高阻抗。

圖4是供在DC配電系統(tǒng)100(圖1中示出)中使用的示范性電源400的示意圖。電源400包括一次電源402和二次電源404。一次電源402和二次電源404耦合至自動轉(zhuǎn)換開關(guān)406，自動轉(zhuǎn)換開關(guān)406進一步耦合至整流器408。整流器408然后耦合至DC母線410。

自動轉(zhuǎn)換開關(guān)406檢測一次電源402是否供應功率。當一次電源402供應功率時，自動轉(zhuǎn)換開關(guān)406將一次電源402耦合至整流器408。當一次電源402未供應功率時，自動轉(zhuǎn)換開關(guān)406解耦一次電源402并將二次電源404在其位置耦合至整流器408。所供應的AC功率到達整流器408，整流器408將該AC功率轉(zhuǎn)換為DC功率，其被放到DC母線410上。

一次電源402和二次電源404包括，例如，但不限于，電網(wǎng)、發(fā)電機、光伏、風力農(nóng)場、水電或任何其它適合的電功率源。

本公開的實施例涉及電功率系統(tǒng)。

上述DC配電系統(tǒng)便于在多個能量源，以及更具體地說在具有改善的故障隔離的DC環(huán)形母線結(jié)構(gòu)之間功率共享。本文所描述的DC保護系統(tǒng)提供無源組件故障保護，其給DC配電系統(tǒng)整體提供更高的可靠性。更具體地說，DC保護系統(tǒng)利用半導體開關(guān)和無源組件的組合來限制電流和降低電路上的高壓應力。DC環(huán)形母線和DC保護系統(tǒng)的改進的功率可用性和可靠性降低了DC配電系統(tǒng)的壽命周期成本。

本文所述方法、系統(tǒng)和設(shè)備的示范性技術(shù)效果包括下述中的至少一個：(a)在多個能量源之間功率共享；(b)作為多個能量源的結(jié)果，對負載的功率可用性得以改進；(c)改進了負載側(cè)的故障隔離；(d)作為負載側(cè)故障隔離的結(jié)果，改進了分配系統(tǒng)可靠性；(e)產(chǎn)生改進可靠性的無源組件保護方案；以及(f)由于可靠性得到改進，降低了操作成本。

電功率分配系統(tǒng)的方法、系統(tǒng)和設(shè)備的示范性實施例并不限于本文所述的特定實施例，而是，系統(tǒng)的組件和/或方法的步驟可與本文所述的其它組件和/或步驟分開和獨立地使用。例如，該方法還可與其它非傳統(tǒng)的電功率分配系統(tǒng)結(jié)合使用，并且不限于僅采用如本文所述的系統(tǒng)和方法來實施。而是，結(jié)合許多其它可受益于提高的效率、降低的操作成本和降低的資本支出的應用、設(shè)備和系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)或利用示范性實施例。

盡管本公開的各種實施例的特定特征在一些圖中被示出而在其它圖中未示出，但是這僅僅是為了方便。根據(jù)本發(fā)明的原理，附圖的任何特征可以與任何其它附圖的任何特征組合被參考和/或被主張。

本書面描述使用包括最佳模式的示例來公開本發(fā)明，并且使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，包括制作和使用任何裝置或系統(tǒng)，以及執(zhí)行任何合并方法。本發(fā)明的可取得專利范圍由權(quán)利要求書來定義，并且可包括本領(lǐng)域的技術(shù)人員想到的其他示例。如果這類其他示例具有與權(quán)利要求的文字語言完全相同的結(jié)構(gòu)單元，或者如果它們包括具有與權(quán)利要求的文字語言的非實質(zhì)差異的等效結(jié)構(gòu)單元，則預計它們處于權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。