CN109617028B - 一种船用智能直流母联组件及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有短路快速分断能力的船用智能直流母联组件，包括正负直流母线、隔离开关S1和S2、限流电抗L、主开关电路、预充电电路、续流回路及控制系统；还公开了其控制方法，包括预充电、合闸及分闸等操作步骤；按本发明的软硬件结合控制方法实现开通及关断内部的半导体器件能快速完成故障电流的分断、保证设备的安全隔离。

Description

一种船用智能直流母联组件及其控制方法

技术领域

本发明属于电力电子设备及船用直流配电系统故障保护技术领域，尤其涉及一种能快速检测直流系统中短路故障问题，并具有微秒级分断短路电流能力的船用智能直流母联组件，以及其控制方法。

背景技术

在船用直流配电系统中，系统一旦发生短路故障，电源或挂网的其它容性设备将向故障点馈电，当保护装置动作时间较长时将会产生较大的短路电流，同时容性设备的快速放电将会导致直流母线电压迅速降低而发生故障保护，导致系统中的设备无法工作。

传统船用直流配电系统中常采用机械断路器进行保护，但其动作时间较长，往往需要数十甚至数百毫秒的时间才能分断，因此采用电力电子器件进行故障快速切除的直流固态断路器成为研究的重点。

电力电子器件承受的尖峰电压能力有限，而线路中电抗器及杂散电抗中存储的能量需要有合适的能量转移通道，因此需要设计相应的续流回路。传统船用直流固态断路器由于受各方面因素无法快速检测电流突变的情况，而无法快速切断直流系统中的短路故障，导致整船失电。

因此一种能快速检测及分断船用直流系统中母排故障电流的方法对船用直流配电系统中短路故障问题是至关重要的。

发明内容

为了实现微秒级分断直流系统中智能直流母联控制器的短路故障，本发明提供了一种船用智能直流母联组件，以达到：快速检测直流配电系统中母排电流的情况，并以此作为判断直流配电系统中短路故障的依据；通过采样获得的瞬态电流值，计算系统中电流上升变化率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种船用智能直流母联组件，包括隔离开关S1和S2、限流电抗L、主开关电路、预充电电路、续流回路及控制系统；所述的隔离开关S1和S2一端连接外部直流电源或直流负载，一端与正负直流母线连接；所述的限流电抗L可以为线路中自然存在的杂散电感、也可以是接入线路的中限流电感，或杂散电感与限流电感的集中体现；所述主开关电路由半导体器件T1、T2构成，半导体器件T1和T2的负端与限流电抗L连接，正端与外部直流电源或直流负载连接；位于左右端口的预充电电路包括预充电开关K1、K2和预充电电阻，当直流母线端口压差太大时，就先给低压端口预充电操作；当直流母线两端口的压差在允许范围内时直流母线直接合闸动作；所述的续流回路由连接在正负直流母线之间的续流二极管D1和D2、半导体器件T1和T2的反并联二极管、隔离开关S1和S2及母联内部电容组成，其中续流二极管D1和D2的正极连接于负直流母线上，负极接于正直流母线上，且两二极管的负极接在限流电抗L的两端，母联内部电容分别并接在隔离开关S1和S2内侧；当T1和T2关断时限流电感上能量转移至母联内部电容限制T1和T2上的电压；所述的控制系统包括电流高速采样单元、其它信号采集单元及信号处理单元；所述的电流高速采样单元通过电流传感器快速采集流过限流电抗L的电流并实时计算电流的变化率，并加以判断，当直流母线电流发生异常时，能以微秒级的速度进行故障保护，确保直流母线的安全运行；所述信号采集单元采集外部输入I/O信号、电压及温度等信号，所述信号处理单元根据指令控制隔离开关S1和S2、半导体器件T1和T2的导通及关断及监测直流系统的工作情况。

所述的一种船用智能直流母联组件，其隔离开关S1和S2为接触器开关。

所述的一种船用智能直流母联组件，其半导体器件T1和T2为全控型半导体器件，如IGBT、IGCT、IEGT等。

所述的一种船用智能直流母联组件，其电流传感器包含了现场可编程门阵列（FPGA）的硬件监测机制。

本发明还提供了一种船用智能直流母联组件的控制方法，包括预充电、合闸及分闸等操作步骤：预充电过程为控制系统先闭合预充电开关K1和K2，延时适当时间，判断直流母线两端口的电压情况：若两端口都带电且压差较小，则可直接导通半导体器件T1和T2及闭合隔离开关S1和S2；若压差超过直流母线直接合闸的要求时，则先要导通半导体器件T1和T2，通过预充电回路给低压端口充电；合闸过程为控制系统检测到直流母线的压差小于设定值时，控制系统先确认半导体器件T1和T2的导通状态，再通过I/O口闭合隔离开关S1和S2并断开预充电开关K1和K2；分闸过程为控制系统发出半导体器件T1和T2关断指令，半导体器件T1和T2关断后限流电抗L中存储能量经由续流回路进行续流；当控制系统检测到直流母线电流达到设定阈值时，控制系统发出隔离开关S1和S2分断指令，控制隔离开关S1和S2分断。

本发明产生的有益效果是：

本发明的启动操作及合闸判据如下：检测母联组件两端口外部电压及内部电容上电压，当两侧均有外部电压，且压差小于设定值时认为可以直接合闸；当两侧均有外部电压，且压差大于设定值时认为应进行高压侧对低压侧进行预充电操作；在预充电计时到所设定的时间值时，再次判断两端口的压差大小，若压差仍大于压差故障的设定值时，则认为预充电超时并报压差故障；上述启动流程保证了系统安全性，同时有延长前级隔离开关S1和S2寿命的作用。

本发明的实时监测及其快速分断系统操作步骤如下：实时采样智能直流母联组件上的电压电流及温度等信息，在对所采样的信号进行数据处理，保护判断；其软件监测的主要内容包含过压保护、过流延时保护、过载延时保护、短路保护及相关的温度保护等；当控制系统收到软硬件故障信息后，先封锁全控型半导体器件T1和T2，再通过I/O口控制前级隔离开关S1和S2适时分断；当控制器收到上位机的分闸信号，先分断全控型半导体器件T1和T2，再根据限流电抗L的续流情况，延时分断隔离开关S1和S2。

附图说明

图1为本发明智能直流母联组件的主电路拓扑；

图2为本发明用于船用直流配电系统中的示意图；

图3为智能直流母联组件正常工作时电流流向图；

图4为智能直流母联组件故障模式时电流流向图；

图5为本发明智能直流母联组件的启动流程图；

图6为导通IGBT电压电流仿真波形；

图7为导通反并联二极管电流仿真波形；

图8为续流二极管电压电流仿真波形；

图9为本发明智能直流母联组件短路故障电流实验波形；

图10为本发明智能直流母联组件正常运行流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

发明公开了一种具有短路快速分断能力的船用智能直流母联组件，通过电流高速采样通道及全控半导体器件的特点，实现直流电网故障点以微秒级速度快速隔离，包括隔离开关S1和S2、限流电抗L、半导体器件T1和T2、续流二极管D1和D2、预充电开关K1和K2、预充电电路、续流回路及控制系统，智能直流母联组件内各个器件连接如附图1所示，用于船用直流配电系统中时如图2所示。所述的隔离开关S1和隔离开关S2一端连接外部直流电源或直流负载，一端与正负直流母线连接。所述的限流电抗L可以为线路中自然存在的杂散电感、也可以是接入线路的中限流电感，或杂散电感与限流电感的集中体现；半导体器件T1和T2的负端与限流电抗L连接，正端与外部直流电源或直流负载连接。

左右端口的预充电电路由预充电开关K1、K2、预充电电阻和母联内部电容等组成；母联内部电容用于判断直流母联两端口的压差检测及判断，当母联端口压差太大时，直流母联就先给低压端口预充电操作；当两端口压差在允许范围内时，直流母联可直接合闸动作。

左右端口的预充电电路由预充电开关K1、K2和预充电电阻组成；当直流母线端口压差太大时，就先给低压端口预充电操作；当直流母线两端口的压差在允许范围内时直流母线直接合闸动作；所述的续流回路由续流二极管D1和D2、半导体器件T1和T2的反并联二极管、隔离开关S1和S2及母联内部电容组成，其中二极管D1和D2正极连接于负直流母线上，所述的续流回路由连接在正负直流母线之间的续流二极管D1和D2、半导体器件T1和T2的反并联二极管、隔离开关S1和S2及母联内部电容组成，其中续流二极管D1和D2的正极连接于负直流母线上，负极接于正直流母线上，且两二极管的负极接在限流电抗L的两端，母联内部电容分别并接在隔离开关S1和S2内侧。

所述的控制系统包括电流高速采样单元、其它信号采集单元及信号处理单元；所述的电流高速采样单元通过电流传感器快速采集流过限流电抗L的电流并实时计算电流的变化率，并加以判断，当直流母线电流发生异常时，能以微秒级的速度进行故障保护，确保直流母线的安全运行；所述信号采集单元采集外部输入I/O信号、电压及温度等信号，所述信号处理单元根据指令控制隔离开关S1和S2、半导体器件T1和T2的导通及关断及监测直流系统的工作情况

图3所示为智能直流母联组件左端口向右端口正常供电时的电流流向图，线路中电流流向为：左端口电源→隔离开关S1→限流电抗L及主开关器件T1、T2→隔离开关S2→右端口负载。

图4所示为负载侧发生故障时，智能直流母联组件中主开关器件T1、T2关断后的电流流向图，可分为电源侧及负载侧续流回路两部分。电源侧线路中电流流向为：外部电源正极→隔离开关S1→组件内部电容C1→外部电源负极；负载侧续流回路为：限流电抗L→主开关器件T2的反并联二极管→组件内部电容C2→续流二极管D1→限流电抗L。

参照图4电路设计限流电抗L的参数；该电抗器用于端口短路时的电流限制，其电流上升率可由以下公式确定：

。

智能直流母联组件的启动流程如图5所示，端口短路时，直流母线两端口电压最大值为两端口最大压差，以设备中电流测量器件能承受的最大电流上升率为边界条件，可得电感取值大小。

取端口最大压差1000V及电流传感器最大电流上升率为100A/μs，则可得电感取值为10μH。

额定工况时短路分断的仿真波形如图6所示，取控制装置在10μs内检测到短路并进行动作。根据波形可知此时回路中的电流变化得到了较好的抑制，电流上升速率与计算结果一致，设备内部电压电流均在可承受范围内。图7和图8分别为导通反并联二极管电流仿真波形和续流二极管电压电流仿真波形。

所述仿真通过实验波形得到验证，如图9所示。根据电流波形图中提供的数据内容，可以大致计算出其电流平均变化率，如下公式所示。

在实验中考虑实际短路故障时，考虑到限流电抗等其它因素，电流变化率一般不会达到仿真中的理想情况，本实验中采用25A/μs，而上述计算值只是平均变化率。其电流在发生短路故障时，快速分断两个端口的电源及负载，起到及时保护直流系统的作用。

信号处理单元在采集到数据后，要对系统状态进行相应的操作。它的作用包含了实时监测母联状态、故障处理和记录及与外部接口及上位机的通信等主要功能。它的流程图如图10所示。为了保证发生短路故障时系统的响应速度，在智能直流母联组件中采用硬件保护电路，以实现微秒级快速分断的目的。

所述的续流回路用于当智能直流母联组件发出分闸信号后，给限流电抗器提供一个泻能的回路，保证智能直流母联组件安全性。

本发明利用全控型半导体器件T1、T2快速开通关断的特征及电流高速采样单元的优点，实时监测母联直流系统的运行情况，使系统微秒级处理故障的能力，快速切分系统中的故障；同时，预充电回路可以避免机械开关S1、S2燃弧现象的发生，延长其使用寿命。

本发明显著不同于其它直流固态断路器的特征在于通过特定的高速电流采样系统，实现对直流系统中短路故障的监测及其微秒级动作功能；同时健全整个直流系统的保护系统。

本发明可快速检测直流配电系统中母排电流的情况，并以此作为判断直流配电系统中短路故障的依据；通过采样获得的瞬态电流值，计算系统中电流上升变化率，当计算出来的电流上升变化率超过所设定的阈值，则控制器就直接封锁电力电力电子开关器件，不经由直流固态断路器中的软件控制系统由硬件FPGA进行封锁脉冲动作。

本文中所述实施例仅是对本发明的原理及功效的举例说明与验证。本发明所属技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做的修改或补充或采用类似的方式替代，并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种船用智能直流母联组件，其特征在于：包括隔离开关S1和S2、限流电抗L、主开关电路、预充电电路、续流回路及控制系统；

所述的隔离开关S1和S2一端连接外部直流电源或直流负载，一端与正负直流母线连接；

所述的限流电抗L为线路中自然存在的杂散电感、或接入线路的中限流电感，或两者的结合；

所述主开关电路由源极与限流电抗L连接、漏极与外部直流电源或直流负载连接的半导体器件T1和T2构成；

所述的预充电电路包括预充电开关K1、K2和预充电电阻，当直流母线端口压差太大时，就先给低压端口预充电操作；当直流母线两端口的压差在允许范围内时直流母线直接合闸动作；

所述的续流回路由连接在正负直流母线之间的续流二极管D1和D2、半导体器件T1和T2的反并联二极管、隔离开关S1和S2及母联内部电容组成，其中续流二极管D1和D2的正极连接于负直流母线上，负极接于正直流母线上，且两二极管的负极接在限流电抗L的两端，母联内部电容分别并接在隔离开关S1和S2内侧；

所述的控制系统包括电流高速采样单元、信号采集单元及信号处理单元；所述的电流高速采样单元通过电流传感器快速采集直流母线电流信号并实时计算电流的变化率，当直流母线电流发生异常时，以微秒级的速度进行故障保护，确保直流母线的安全运行；所述信号采集单元采集包含外部输入I/O信号、电压及温度在内的信号；所述信号处理单元根据指令控制隔离开关S1和S2、半导体器件T1和T2的导通及关断及监测直流系统的工作情况。

2.根据权利要求1所述的一种船用智能直流母联组件，其特征在于，所述的隔离开关S1和S2为接触器开关。

3.根据权利要求1所述的一种船用智能直流母联组件，其特征在于，所述的半导体器件T1和T2为IGBT或IGCT或IEGT。

4.根据权利要求1所述的一种船用智能直流母联组件，其特征在于，所述的电流传感器包含了现场可编程门阵列的硬件监测机制。

5.一种权利要求1所述船用智能直流母联组件的控制方法，其特征在于，包括如下操作步骤：

预充电过程

控制系统先闭合预充电开关K1和K2，延时适当时间，判断直流母线两端口的电压情况：若两端口都带电且压差较小，则直接导通半导体器件T1和T2及闭合隔离开关S1和S2；若压差超过直流母线直接合闸的要求时，则先要导通半导体器件T1和T2，通过预充电回路给低压端口充电；

合闸过程

当控制系统检测到直流母线的压差小于设定值时，控制系统先确认半导体器件T1和T2的导通状态，再通过I/O口闭合隔离开关S1和S2并断开预充电开关K1和K2；

分闸过程

控制系统发出半导体器件T1和T2关断指令，半导体器件T1和T2关断后限流电抗L中存储能量经由续流回路进行续流；当控制系统检测到直流母线电流达到设定阈值时，控制系统发出隔离开关S1和S2分断指令，控制隔离开关S1和S2分断。

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