CN108808838B - 高频隔离舰用交流电源的多功率模块协调控制方法 - Google Patents

Abstract

一种高频隔离舰用交流电源的多功率模块协调控制方法，属于船舰电源控制技术领域，包括以下步骤：电源交流供电侧输入电压、输入电流以及隔离型交流变换器母线电容电压经采样调理电路送入数模转换器；计算三相正负半波输入功率，并求功率平均值；根据各相输入电压的大小、三相正负半波输入功率、功率平均值以及母线电容电压的大小，判断交流电源是否发生故障，根据故障类型确定电源所处的状态。优点：当电源交流供电侧发生故障时，蓄电池供电侧能快速工作，达到负载侧电压不间断的目的；而在切换过程中经历的中间状态，通过对蓄电池侧的升压变换器进行电流限幅以达到保护元器件的目的。

Description

高频隔离舰用交流电源的多功率模块协调控制方法

技术领域

本发明属于船舰电源控制技术领域，具体涉及一种高频隔离舰用交流电源的多功率模块协调控制方法。

背景技术

在船舰领域，为保证供电的可靠性，一般供电电源由主电源和旁路电源为其供电，其中主电源侧由三相交流输入回路及整流回路组成；旁路电源侧由蓄电池和升压变换器组成数字信号处理器。当数字信号处理器检测到主电源异常时，先切断主电源侧电磁开关，延时一段时间后再接通旁路电源。由于电磁开关属于慢速开关，在上述切换过程，舰用交流电源输出侧输出电压有所下降，无法满足供电的可靠性。

中国发明专利授权公告号CN204652043U介绍的“一种船用400Hz中频电源不间断切换装置”，其保证电源进行不间断供电的策略是在主电源回路和旁路电源回路均安装机械旁路开关和静态开关晶闸管这两种开关，由静态开关实现主电源回路到旁路电源回路的快速切换，以此达到电源不间断供电的目的。但在该方案中，开关使用频繁，折旧厉害，并且电源体积较大，功率密度较低。

鉴于上述已有技术，有必要对现有的结构加以改进，为此，本申请人作了有益的设计，下面将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高频隔离舰用交流电源的多功率模块协调控制方法，可以保证交流电源不间断供电。

本发明的目的是这样来达到的，一种高频隔离舰用交流电源的多功率模块协调控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1)将交流电源交流供电侧的三相输入电压V_{in_AC}、三相输入电流I_{in_AC}以及隔离型直流变换器的母线电容电压V_bus经采样调理电路送入数模转换器；

S2)计算三相正负半波输入功率P_a+、P_a-、P_b+、P_b-、P_c+、P_c-，并求功率平均值P_avg；

S3)根据各相输入电压V_{in_AC}的大小、三相正负半波输入功率P_a+、P_a-、P_b+、P_b-、P_c+、P_c-、功率平均值P_avg以及母线电容电压V_bus的大小，判断交流电源是否发生故障，根据故障类型确定电源所处的状态。

在本发明的一个具体的实施例中，所述的步骤S1)又包括如下步骤：

S11)三相输入电压V_{in_AC}经采样调理电路送入数模转换器中，进而送入数字信号处理器中，数字信号处理器将分析采样得到的数据与预设的能够保证交流电源正常工作的最低电压V_{in_AC,min}比较，如果任意一相输入电压小于最低电压，则说明三相输入电压V_{in_AC}发生异常；

S12)三相输入电流I_{in_AC}以及母线电容电压V_bus经采样调理电路送入数模转换器中，进而送入数字信号处理器中，数字信号处理器分析采样得到的数据，如果检测到任意一相电流大于交流电源能够允许的最大电流，并且隔离型直流变换器母线电容电压V_bus降低，则说明在整流器内部发生短路故障。

在本发明的另一个具体的实施例中，在所述的步骤S2)中，

记

则在正常情况下，α_m约为1，而当某一开关管或续流二极管开路时，对应相输入功率将减小，即α_m将减小，预设阈值Th，当α_m<Th时，表明整流器发生开路故障。

在本发明的又一个具体的实施例中，在所述的步骤S3)中，在交流电源正常运行时，母线电容电压V_bus在[V_bus,min,V_bus,max]之间波动，其中，V_bus,min为母线电容电压最小值，V_bus,max为母线电容电压最大值，当V_bus<V_bus,min时交流电源输出电压将下降；当V_bus>V_bus,max时交流电源输出电压将升高，记母线电容额定电压为V_bus,N，当三相交流供电侧发生故障时，母线电容因失去能量补充而使其电压下降，为防止母线电容电压V_bus低于V_bus,min，在母线电容电压V_bus低于V_bus,min之前将蓄电池投入工作。

在本发明的再一个具体的实施例中，在所述的步骤S3)又包括如下步骤：

S31)在V_bus,N与V_bus,min之间取中间值V_middle，假定当电源初始状态处于整流器正常工作状态，即仅由交流供电侧供电时，如果数字信号处理器通过分析输入电压采样值判定V_bus<V_middle，则电源将进入整流器与升压变换器并联运行状态；如果V_bus>V_middle，则电源仍工作于整流器正常运行状态；

S32)当电源处于整流器与升压变换器并联运行状态时，如果数字信号处理器通过分析输入电压采样值判定三相输入电压V_{in_AC}恢复正常且整流器正常，则电源返回整流器正常运行状态；如果判定三相输入电压V_{in_AC}异常并且母线电容电压V_bus升高，或者判定三相输入电压V_{in_AC}正常而整流器异常，则电源将进入升压变换器独立运行状态，同时整流器退出；

S33)当电源处于升压变换器独立运行状态时，如果数字信号处理器判定三相输入电压V_{in_AC}恢复正常，则电源返回整流器与升压电路并联运行状态；如果判定三相输入电压V_{in_AC}异常，则电源仍处于升压电路独立运行阶段。

在本发明的还有一个具体的实施例中，在所述的步骤S31)中，在交流供电侧正常供电时，控制交流供电侧以及蓄电池供电侧的电磁开关闭合，控制升压变换器的功率开关管处于关断状态，此时母线电容电压V_bus大于蓄电池电压，升压变换器二极管处于截止状态，蓄电池不为后一级的隔离直流-直流变换器供电。

在本发明的更而一个具体的实施例中，在步骤S31)中，当V_middle<V_bus<V_bus,N,数字信号处理器控制整理器正常运行而升压变换器处于不工作状态，但若数字信号处理器判定整流器发生故障，则关断整流器功率开关器件，整流器退出运行而升压变换器立即运行。

在本发明的进而一个具体的实施例中，所述的整流器与升压变换器并联运行状态是指，无论交流供电侧是否三相同时失电或部分相缺失，隔离型直流变换器和升压变换器的控制回路均正常工作。

在本发明的又更而一个具体的实施例中，在整流器与升压变换器并联运行状态下，升压变换器输出比较大占空比的PWM波使母线电容电压快速回到额定值，同时对其电感电流限幅，用于防止升压变换器瞬间过流。

在本发明的又进而一个具体的实施例中，在所述的步骤S33)中，在升压变换器独立运行阶段，数字信号处理器停止发出PWM波从而关闭整流器驱动回路并关断交流供电侧电磁开关。在母线电容电压上升阶段，逐渐减小PWM波的占空比直至电容电压回到额定值，当电容电压回到额定值时撤销对升压变换器的电流限幅，使蓄电池独立为负载供电。

本发明由于采用了上述结构，与现有技术相比，具有的有益效果是：当电源交流供电侧发生故障时，蓄电池供电侧能快速工作，达到负载侧电压不间断的目的；而在切换过程中经历的中间状态，通过对蓄电池侧的升压变换器进行电流限幅以达到保护元器件的目的。

附图说明

图1为现有高频隔离交流电源电路的结构示意图。

图2为本发明的协调控制策略的流程示意图。

图3为本发明所述的隔离型直流变换器母线电容电压的等级示意图。

图4为本发明处于整流器与升压变换器并联运行状态下的电路示意图以及升压变换器控制框图。

图5为本发明在升压变换器独立运行状态下的电路示意图以及升压变换器的控制框图。

具体实施方式

为了使公众能充分了解本发明的技术实质和有益效果，申请人将在下面结合附图对本发明的具体实施方式详细描述，但申请人对实施例的描述不是对技术方案的限制，任何依据本发明构思作形式而非实质的变化都应当视为本发明的保护范围。

请参阅图1，图1示意了现有高频隔离交流电源电路的结构示意图。主要包括整流器、隔离型直流变换器、逆变器以及升压变换器，所述的整流器的输入侧连接三相交流供电侧，所述的升压变压器的输入侧连接蓄电池供电侧，整流器的输出侧及升压变压器的输出侧以并联的方式共同连接隔离型直流变换器的输入侧，隔离型直流变换器在两输入端的母线之间跨接有电容，隔离型直流变换器的输出端连接逆变器、逆变器输出端连接负载。上述结构中，主电源为三相交流电，经整流器转换为直流电，旁路供电侧由蓄电池经升压变换器构成。供电侧后接隔离型直流变换器和逆变器，隔离型直流变换器母线上的电容是本发明所要研究的对象。本发明所述的协调控制策略能够在不改变图1的电路拓扑的基础上实现系统输出电压不间断的目的。

本发明涉及一种高频隔离舰用交流电源的多功率模块协调控制方法，包括如下步骤：

S1)交流电源三相交流供电侧三相输入电压V_{in_AC}、三相输入电流I_{in_AC}以及隔离型直流变换器的母线电容电压V_bus经采样调理电路送入数模转换器，进而送入数字信号处理器中；

S2)在数字信号处理器中根据预设的程序计算三相正负半波输入功率P_a+、P_a-、P_b+、P_b-、P_c+、P_c-，并求功率平均值P_avg，此处，在每个工频周期，设采样的计数值为N，为了便于计算，其中N为4的倍数，那么则有：

其中，在舰用交流电源正常运行情况下，负载不发生变化时，α_m约为1；当负载变化时的瞬间，α_m在1附近变化，设最小值为α_min；

S3)根据三相输入电压V_{in_AC}的大小、三相正负半波输入功率P_a+、P_a-、P_b+、P_b-、P_c+、P_c-、功率平均值P_avg以及母线电容电压V_bus的大小，判断交流电源是否发生故障，根据故障类型确定电源所处的状态。

进一步地，所述的步骤S1)又包括如下步骤：

S11)三相输入电压V_{in_AC}经采样调理电路送入数模转换器中，进而送入数字信号处理器中，数字信号处理器将分析采样得到的数据并与预设的能够保证交流电源正常工作的最低电压V_{in_AC,min}比较，如果任意一相输入电压小于最低电压，则说明三相输入电压V_{in_AC}发生异常；

S12)三相输入电流I_{in_AC}以及母线电容电压V_bus经采样调理电路送入数模转换器中，进而送入数字信号处理器中，数字信号处理器分析采样得到的数据，如果检测到任意一相电流大于电源能够允许的最大电流，并且母线电容电压V_bus降低，则表明在整流器内部发生短路故障。

进一步地，在所述的步骤S2)中，当整流器发生开路故障时，其网侧电流将会有一部分缺失，表现为对应的有功功率减小。记三相正负半周输入功率分别为P_a+、P_a-、P_b+、P_b-、P_c+、P_c-，平均值为P_avg，记：

则在正常情况下，α_m约为1；当某一开关管或续流二极管开路时，该相输入半波功率将减小，即α_m将减小，预设阈值Th<α_min，当α_m<Th时，则表明整流器发生开路故障。

进一步地，在所述的步骤S3)中，在交流电源正常运行时，母线电容电压V_bus可以在[V_bus,min,V_bus,max]之间波动，其中，V_bus,min为母线电容电压最小值，V_bus,max为母线电容电压最大值。当V_bus<V_bus,min时交流电源输出电压将下降；当V_bus>V_bus,max时交流电源输出电压将升高，记母线电容额定电压为V_bus,N。当三相交流供电侧发生故障时，母线电容因失去能量补充而使其电压下降，为防止母线电容电压低于V_bus,min，必须在母线电容电压低于V_bus,min之前将蓄电池投入工作。在V_bus,N与V_bus,min之间取中间值V_middle。

进一步地，在所述的步骤S3)又包括如下步骤：

S31)假定当电源初始状态处于整流器正常工作状态，即仅由交流供电侧供电时，如果数字信号处理器通过分析输入电压采样值判定V_bus<V_middle，则数字信号处理器控制整流器与升压变换器并联运行；如果V_bus>V_middle，则电源仍工作于整流器正常运行状态,即驱动升压变换器功率开关管关断；

S32)当电源处于整流器与升压变换器并联运行状态时，如果数字信号处理器通过分析输入电压采样值判定V_{in_AC}恢复正常且整流器正常，则电源返回整流器正常运行状态，此时升压变换器开关管关断；如果判定V_{in_AC}异常并且母线电容电压升高V_bus>V_middle，或者判定V_{in_AC}正常而整流器异常，则电源将进入升压变换器独立运行阶段，升压变换器正常工作，蓄电池向后一级电路供电，同时整流器退出运行；

S33)当电源处于升压变换器独立运行状态时，如果数字信号处理器判定V_{in_AC}恢复正常，则电源返回整流器与升压电路并联运行状态；如果判定V_{in_AC}异常，则电源仍处于升压电路独立运行阶段。

进一步地，在所述的步骤S31)中，在交流供电侧正常供电时，交流供电侧以及蓄电池供电侧电磁开关闭合，升压变换器的功率开关管处于关断状态，此时母线电容电压V_bus大于蓄电池电压，升压变换器二极管处于截止状态，蓄电池不为后一级的隔离直流-直流变换器供电。

进一步地，在步骤S31)中，当V_middle<V_bus<V_bus,N,整理器正常运行而升压变换器不工作，但若数字信号处理器判定整流器发生故障，则交流供电侧数字信号处理器停止发出PWM波，整流器退出运行，升压变换器立即运行。

进一步地，所述的整流器与升压变换器并联运行状态是指，无论交流供电侧是否三相同时失电或部分相缺失，隔离型直流变换器和升压变换器的控制回路均正常工作。

进一步地，在整流器与升压变换器并联运行状态下，升压变换器侧数字信号处理器输出比较大的占空比，使母线电容电压快速回到额定值，同时对升压变换器电感电流限幅，用于防止升压变换器瞬间过流。

进一步地，在所述的步骤S33)中，在升压变换器独立运行阶段，数字信号处理器停止发出PWM波从而关闭整流器驱动回路并发出信号使交流供电侧的电磁开关跳开。在母线电容电压上升阶段，逐渐减小PWM波的占空比直至回到电容电压回到额定值，当电容电压回到额定值时撤销对升压变换器的电流限幅，使蓄电池独立为负载供电。

以下，结合附图对本发明做进一步说明。

请参阅图2和图3，假定电源初始状态为处于整流器正常工作状态，即仅由交流供电侧供电，如果数字信号处理器通过分析采样得到的母线电容电压，发现母线电容电压V_bus<V_middle，则电源将进入整流器与升压变换器并联运行状态；如果V_bus>V_middle，电源仍工作于整流器正常运行状态。当电源处于整流器与升压变换器并联运行状态，如果数字信号处理器通过分析采样得到的输入电压及输入电流，检测到三相输入电压V_{in_AC}恢复正常，并且整流器正常，则电源返回整流器正常运行状态；如果检测到三相输入电压V_{in_AC}异常，或三相输入电压V_{in_AC}恢复正常而整流器异常，则电源将进入升压变换器独立运行阶段，整流器退出；如果检测到三相输入电压V_{in_AC}异常，母线电容电压V_bus处于V_middle～V_bus,min之间，则电源仍处于整流器与升压变换器并联运行状态。当电源处于升压变换器独立运行状态，如果检测到三相输入电压V_{in_AC}恢复正常，则电源返回整流器与升压变换器并联运行状态；如果检测到三相输入电压V_{in_AC}异常，则电源仍处于升压变换器独立运行阶段。

请参阅图4，当电源处于整流器与升压变换器并联运行状态时，交流供电侧及蓄电池供电侧电磁开关保持闭合，整流器及升压变换器控制回路均保持正常工作。其中，在升压变换器回路中，数字信号处理器对升压变换器电感电流进行限幅，用于防止升压变换器电路以一个较大的占空比启动时瞬时出现过大的电流，从而能够有效保护电路中的元器件。

请参阅图5，当电源处于升压变换器独立运行状态时，当数字信号处理器确定交流输入电压或输入电流异常、并且母线电容电压V_bus已经回到额定值，此时要放开对升压变换器电流的限幅，同时交流供电侧控制回路发出低电平信号使电磁开关跳开，整流桥驱动闭锁，实现蓄电池独立为负载供电。

Claims (7)

1.一种高频隔离舰用交流电源的多功率模块协调控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1)将交流电源交流供电侧的三相输入电压V_{in_AC}、三相输入电流I_{in_AC}以及隔离型直流变换器的母线电容电压V_bus经采样调理电路送入数模转换器；

S2)计算三相正负半波输入功率P_a+、P_a-、P_b+、P_b-、P_c+、P_c-，并求功率平均值P_avg；

S3)根据各相输入电压V_{in_AC}的大小、三相正负半波输入功率P_a+、P_a-、P_b+、P_b-、P_c+、P_c-、功率平均值P_avg以及母线电容电压V_bus的大小，判断交流电源是否发生故障，根据故障类型确定电源所处的状态，

所述的步骤S1)又包括如下步骤：

S11)三相输入电压V_{in_AC}经采样调理电路送入数模转换器中，进而送入数字信号处理器中，数字信号处理器将分析采样得到的数据与预设的能够保证交流电源正常工作的最低电压V_{in_AC,min}比较，如果任意一相输入电压小于最低电压，则说明三相输入电压V_{in_AC}发生异常；

S12)三相输入电流I_{in_AC}以及母线电容电压V_bus经采样调理电路送入数模转换器中，进而送入数字信号处理器中，数字信号处理器分析采样得到的数据，如果检测到任意一相电流大于交流电源能够允许的最大电流，并且隔离型直流变换器母线电容电压V_bus降低，则说明在整流器内部发生短路故障，

所述的步骤S3)中，在交流电源正常运行时，母线电容电压V_bus在[V_bus,min,V_bus,max]之间波动，其中，V_bus,min为母线电容电压最小值，V_bus,max为母线电容电压最大值，当V_bus<V_bus,min时交流电源输出电压将下降；当V_bus>V_bus,max时交流电源输出电压将升高，记母线电容额定电压为V_bus,N，当三相交流供电侧发生故障时，母线电容因失去能量补充而使其电压下降，为防止母线电容电压V_bus低于V_bus,min，在母线电容电压V_bus低于V_bus,min之前将蓄电池投入工作，

在所述的步骤S3)又包括如下步骤：

S31)在V_bus,N与V_bus,min之间取中间值V_middle，假定当电源初始状态处于整流器正常工作状态，即仅由交流供电侧供电时，如果数字信号处理器通过分析输入电压采样值判定V_bus<V_middle，则电源将进入整流器与升压变换器并联运行状态；如果V_bus>V_middle，则电源仍工作于整流器正常运行状态；

S32)当电源处于整流器与升压变换器并联运行状态时，如果数字信号处理器通过分析输入电压采样值判定三相输入电压V_{in_AC}恢复正常且整流器正常，则电源返回整流器正常运行状态；如果判定三相输入电压V_{in_AC}异常并且母线电容电压V_bus升高，或者判定三相输入电压V_{in_AC}正常而整流器异常，则电源将进入升压变换器独立运行状态，同时整流器退出；

S33)当电源处于升压变换器独立运行状态时，如果数字信号处理器判定三相输入电压V_{in_AC}恢复正常，则电源返回整流器与升压电路并联运行状态；如果判定三相输入电压V_{in_AC}异常，则电源仍处于升压电路独立运行阶段。

2.根据权利要求1所述的高频隔离舰用交流电源的多功率模块协调控制方法，其特征在于在所述的步骤S2)中，

记

则在正常情况下，α_m约为1，而当某一开关管或续流二极管开路时，对应相输入功率将减小，即α_m将减小，预设阈值Th，当α_m<Th时，表明整流器发生开路故障。

3.根据权利要求1所述的高频隔离舰用交流电源的多功率模块协调控制方法，其特征在于在所述的步骤S31)中，在交流供电侧正常供电时，控制交流供电侧以及蓄电池供电侧的电磁开关闭合，控制升压变换器的功率开关管处于关断状态，此时母线电容电压V_bus大于蓄电池电压，升压变换器二极管处于截止状态，蓄电池不为后一级的隔离直流-直流变换器供电。

4.根据权利要求1所述的高频隔离舰用交流电源的多功率模块协调控制方法，其特征在于在步骤S31)中，当V_middle<V_bus<V_bus,N,数字信号处理器控制整理器正常运行，控制升压变换器的功率开关管处于关断状态，但若数字信号处理器判定整流器发生故障，则交流供电侧数字信号处理器停止发出PWM波，整流器退出运行而升压变换器立即运行。

5.根据权利要求1所述的高频隔离舰用交流电源的多功率模块协调控制方法，其特征在于所述的整流器与升压变换器并联运行状态是指，无论交流供电侧是否三相同时失电或部分相缺失，隔离型直流变换器和升压变换器的控制回路均正常工作。

6.根据权利要求1所述的高频隔离舰用交流电源的多功率模块协调控制方法，其特征在于在整流器与升压变换器并联运行状态下，升压变换器输出比较大的占空比的PWM波，使母线电容电压V_bus快速回到额定值，同时数字信号处理器对升压变换器电感电流限幅，用于防止升压变换器瞬间过流。

7.根据权利要求1所述的高频隔离舰用交流电源的多功率模块协调控制方法，其特征在于在所述的步骤S33)中，在升压变换器独立运行阶段，数字信号处理器控制整流器功率开关管关断并控制交流供电侧的电磁开关断开，在母线电容电压上升阶段，逐渐减小PWM波的占空比直至电容电压回到额定值，当电容电压回到额定值时撤销对升压变换器的电流限幅，使蓄电池独立为负载供电。

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